[发明专利]一种模拟煤层开采的三维相似材料模型实验装置及方法

权利要求书

1.一种模拟煤层开采的三维相似材料模型实验装置，其特征在于：包括框架结构、液压加载控制组件、监测组件；

所述框架结构包括由底板、立柱和挡板构成的框架体、以及位于所述框架体内的用于模拟相似材料模型的岩土层，所述岩土层自下而上依次为下煤层、基岩层、上煤层、隔水层、含水层、风积沙松散层；

所述液压加载控制组件包括传力板、液压枕和液压加载控制平台，用于实现模型的均匀受载；

所述监测组件包括通过钢管伸入到材料模型内部的测试探头、测试线，以及微型压力传感器、直线位移传感器、微型摄像头、计算机，用于实验的数据监测、收集和存储。

2.如权利要求1所述的模拟煤层开采的三维相似材料模型实验装置，其特征在于，所述框架结构为内部空心的立方体，所述立柱采用方管制造而成，所述立柱呈矩形阵列垂直于水平面分布；

所述底板为一块矩形金属板，所述底板的四个角及四条边均具有矩形缺口，所述底板四个角的矩形缺口分别与四根粗立柱焊接；所述四根粗立柱之间焊接两根等距排列的细立柱；所述底板平行于水平面且悬空布置；

所述底板的底部焊接有试验台架。

3.如权利要求2所述的模拟煤层开采的三维相似材料模型实验装置，其特征在于，所述挡板包括多个侧挡板、多个前挡板和可视玻璃后挡板；

所述前挡板和侧挡板采用槽钢制成，所述槽钢两侧开有槽钢螺丝孔，槽钢的长度与所述底板的整体宽度一致；所述可视玻璃后挡板用于观察煤层开采中各岩层的下沉变化与裂隙发展情况，其两侧开设固定孔，所述固定孔的孔径与槽钢螺丝孔一致，所述可视玻璃后挡板通过固定孔与两侧的槽钢挡板固定。

4.如权利要求1所述的模拟煤层开采的三维相似材料模型实验装置，其特征在于，所述上煤层以液压枕结构代替，所述液压枕结构为多个液压枕串联而成，每个所述液压枕用收紧螺丝通过液压枕截面上下的螺丝孔将所有液压枕串联起来，每个所述液压枕的高度为试验所替代煤层的厚度；

所述下煤层以顶升千斤顶结构替代，顶升千斤顶通过若干螺丝与底板连接在一起，通过设置在所述框架结构外侧的侧拉动力装置实现模拟煤层的开采。

5.如权利要求4所述的模拟煤层开采的三维相似材料模型实验装置，其特征在于，所述岩土层自下而上依次为替代下煤层的顶升千斤顶结构、基岩层、替代上层煤的液压枕结构、隔水层、含水层、风积沙松散层；

所述含水层主要由粗粒沙、石膏、大白粉铺设而成；

所述隔水层主要由粘性土、细沙、石膏、大白粉和食用油铺设而成；所述基岩层主要由石膏、大白粉、细沙铺设而成；

所述基岩层内按照间距等分排布有多个微型压力传感器。

6.如权利要求1所述的模拟煤层开采的三维相似材料模型实验装置，其特征在于，所述测试探头包括第一测试探头和第二测试探头，所述测试线为第一测试线和第二测试线，所述钢管采用直径相同的短钢管旋转连接而成，且所述钢管能够通过控制短钢管的节数来控制钢管长度；

所述钢管内部设置有推杆，所述推杆由直径相同的细铁棒组合连接而成，所述推杆的底端焊接有圆形推片；

所述测试探头的形状为一个倒锥形铝合金圆筒，在所述倒锥形铝合金圆筒的侧壁上焊接有尖头弹片，所述尖头弹片在所述倒锥形铝合金圆筒上形成倒钩。

7.如权利要求6所述的模拟煤层开采的三维相似材料模型实验装置，其特征在于，所述第一测试线和第二测试线分别与所述第一测试探头和第二测试探头连接，且各个测试探头之间竖直间隔设置；

所述钢管和推杆的组合装置用于将测试探头放入材料模型内部的指定位置；

所述框架结构的外部设置有滑轮组，且所述第一测试线和第二测试线均采用所述滑轮组由竖直方向转变成水平方向后与直线位移传感器连接，所述直线位移传感器通过导线与A/D转换器连接，所述A/D转换器通过导线与计算机相连接。

8.一种采用如权利要求1至7任一项所述的模拟煤层开采的三维相似材料模型实验装置的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

S10：首先将框架体四周的立柱和底板连接，由螺丝拧紧固定，然后在底板四周各固定前挡板和两侧挡板，进一步固定可视玻璃后挡板，形成实验初始框架结构；

S20：铺设代替最下层煤的顶升千斤顶结构，将顶升千斤顶按照顺序一排一排的铺设，根据顶升千斤顶的宽度，直到铺满底板面积为止；

S30：岩土层材料配比制作，含水层铺装的材料以粗粒沙、石膏、大白粉按照一定级配铺设而成，隔水层用粘性土、细沙、石膏、大白粉及食用油按一定级配铺设，基岩层以石膏、大白粉、细沙按一定级配铺设而成；

S40：铺设岩土层，除了预先铺好的代替最下层煤的顶升千斤顶结构，其它岩土层自下而上铺设顺序依次为基岩层、代替上层煤铺设的液压枕结构、隔水层、含水层、风积沙松散层，每铺设一个侧挡板宽度的岩层高度，需增加一排侧挡板，直到铺设至风积沙松散层，即岩土层铺设完毕；

S50：在铺设基岩层时，在基岩层中安装长方形传感器，长方形传感器类型为普通传感器，间排距按照等分设计；

S60：在铺设液压枕结构时，将每排液压枕用收紧螺丝拧紧串联起来，根据液压枕的宽度，直到铺满实验框架结构的底板面积为止；

S70：安装液压加载控制组件，连接液压加载控制平台；

S80：根据最下边一个测试探头放置位置的深度，组合钢管和推杆，搭建模型，待到达测点所在层位下部位置时，在测点竖直方向放置钢管，钢管外壁涂抹一层润滑油，保持钢管竖直状态，将钢管缓慢上移，然后将测试探头的圆筒细端朝下放入钢管中，并使测试探头在尖头弹片固定下位于钢管中心用推杆压着测试探头缓慢向下推移，直至测试探头到达预定位置，其倒钩完全脱离钢管内壁，抽出推杆，并对探头测试线贴上序号标签，根据第二测试探头与第一测试探头之间的竖直距离，把钢管向上移动，将所有测试线绷直，避免相互缠绕，通过框架结构上端的滑轮组，将测试线变成水平与直线位移传感器的接线柱相连把直线位移传感器通过导线与A/D转换器连接，A/D转换器通过导线与计算机相连；

S90：等待模型风干，待达到湿度要求后，进行模拟煤层开采，观测覆岩运动位移、采动应力和垮落岩体应力。