[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

说明书

本发明公开了一种模拟煤层开采的三维相似材料模型实验装置及方法，包括框架结构、液压加载控制组件、监测组件；本发明采用数字化智能控制均布加载系统实现模型空间应力场模拟，有效减小了边界效应的影响，实现真实应力加载边界条件，采用相似材料空间开挖模拟技术，实现了密闭空间工作面相似材料开采模拟，通过多元监测系统实现对开采过程中采场空间应力及覆岩空间运移规律实时监测，解决了三维相似材料模拟实验的测量难题；数据记录和存储均由计算机进行控制，减少了实验人员工作量。整个实验装置使用简单方便，劳动强度小，测量精度高，极大促进了三维相似模拟实验的使用。

技术领域

本发明属于煤层相似材料模拟实验的技术领域，尤其涉及一种模拟煤层开采的三维相似材料模型实验装置及方法。

背景技术

相似材料模拟是岩土工程和采矿工程主要试验方法，近年来已经成为国内外进行重大岩体工程可行性研究不可缺少的方法之一。相似材料模拟实验是在实验室利用相似材料，依据现场柱状图和煤岩体物理力学性质，按照相似理论和相似准则，制作与现场相似的模型，然后进行模拟开采；在模拟开采过程中，通过检测仪器连续监测顶板的运动情况以及支承压力分布情况；根据模型中的实测结果，并利用相似准则，计算或反推该条件下现场开采时的顶板运动规律、支承压力分布规律以及与地表沉陷间的相互关系，以便为现场提供决策依据。

由于采矿地质条件的复杂性，采矿学问题多为大变形和非连续变形问题，而目前计算机数值模拟解决非连续大变形问题还存在局限性，不能完整准确的反映具体条件下采矿过程中由于采动而引起的岩层移动情况。物理相似材料模拟实验可模拟地层的层理等不连续面，也可按照相似比模拟开挖，特别是模拟岩层垮落运动等非连续变形，而且模拟过程形象直观可控制，对研究采动过程的岩层运动具有优势，在采矿工程研究中占据重要地位。

覆岩移动规律的研究中，一般采用二维平面模型，在模型中布置应变片或者模型表面设置观测点，再通过高速相机、全站仪等观测装置对岩层移动进行观测，这些方法对于二维相似材料模型适用性较强，但难以直接应用于三维相似材料模拟装置。现有技术中的三维相似模拟试验系统，虽在一定程度上加深了地下开挖工程研究的进展，但存在以下不足：

(1)大部分模型尺寸较小，大多采用刚性加载，难以实现均布加载，与实际工程应力分布存在差别，且部分试验采用先开挖后逐级加围压至设计载荷的物理过程，与实际工程过程存在本质区别；

(2)实验过程中需要用钢凿等工具人工开挖煤层，劳动强度大，且对上覆岩层扰动较大，开挖不精确；

(3)实验开挖从某一边界开始，受边界条件影响大，不能实现密闭空间开采；

(4)相似模拟实验其岩层移动发生在模型内部，以往的观测方法无法直接获得岩层变化参数。

发明内容

基于以上现有技术的不足，本发明所解决的技术问题在于提供一种模拟煤层开采的三维相似材料模型实验装置及方法，采用数字化智能控制均布加载系统实现模型空间应力场模拟，有效减小边界效应的影响，实现密闭空间工作面相似材料开采模拟。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案来实现：本发明提供一种模拟煤层开采的三维相似材料模型实验装置，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。