[发明专利]一种相似模拟试验装置及方法

说明书

本发明公开了一种相似模拟试验装置及方法，该装置包括相似模拟试验台架、煤岩层相似模拟系统、地表地貌相似模拟系统、应力应变监测系统和梯度水平应力加载系统；所述煤岩层相似模拟结构包括上覆岩层模拟结构和煤块散体化模拟结构。所述地表地貌相似模拟结构包括PVC材料的方形透明管和模拟载荷填充材料。本装置用于模拟平缓或复杂地貌下以及水平应力影响下的煤层开采后的地表、覆岩运移等现象。本发明设计合理、操作简单、试验便捷、还原度高，最大限度的在试验室还原了地下采煤过程，可以对实际的煤层开采导致的覆岩垮落与地表沉降进行材料模拟反演，进一步研究工程实际中煤层开采导致的地表沉降以及覆岩垮落形态。

技术领域

本发明属于采矿工程技术领域，尤其涉及一种相似模拟试验装置及方法。

背景技术

相似模拟试验基于相似理论，简化了场景中复杂多变的观测对象，并在室内进行模拟研究的科学试验，它已被广泛应用于采矿领域。由于采煤工作发生在地下，由采动引起的覆岩结构动态变化与地表沉降规律难以直观监测，因此进行了相似模拟试验，为研究综采工作提供依据。现阶段复杂地貌相似模拟还存在许多不足。通过相关的调查分析，在进行复杂地貌相似模拟试验的进程中，基本上模拟不到地表高度，难以观察分析地表沉降现象；同时试验中无法观察监测到复杂地表下的覆岩结构变化；同时现有研究中，相似模拟中考虑地应力时通常采用液压油缸加载，这种加载方法无法实现梯度加载与实际情况不符，成本较大难以推广。上述原因制约了地应力影响下的复杂地貌下采煤相似模拟试验结果的可靠性和准确性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种设计合理、操作简单、试验便捷、还原度高，可以最大限度的在试验室还原水平应力影响下复杂地貌相似模拟试验装置及方法。

为实现上述目的，本发明提供一种相似模拟试验装置，包括包括相似模拟试验台架、煤岩层相似模拟系统、复杂地貌相似模拟系统、应力应变监测系统和梯度水平应力加载系统；

其中，所述相似模拟试验台架包括相似模拟试验平台和模型架，所述相似模拟试验平台为铁质材料，其余结构均搭建于相似模拟试验平台上，相似模拟试验平台的顶部设置带有抽板的凹槽，所述模型架为相似模拟模型边界，包括前后挡板、左右挡板及左右模型架，其前后挡板均为透明有机玻璃板，左右挡板为相对于左右模型架可抽动的铁板，垂直设置于相似性模拟试验平台的边缘，前后挡板与左右挡板围合形成试验空间，左右模型架为内部中空铁架，固定于相似模拟试验平台上，分别对应设置于左右挡板的外侧；

所述煤岩层相似模拟系统包括煤块散体化模拟结构和上覆岩层模拟结构，层叠设置于试验空间内；

所述地表地貌相似模拟系统包括PVC材料的方形透明管和模拟载荷填充材料，模拟载荷填充材料填充于PVC材料的方形透明管内部，PVC材料的方形透明管设置于试验空间内，上覆岩层模拟结构的上方；

所述梯度水平应力加载系统包括与配有压力表的柔性加载气囊、氮气瓶以及通气管路，柔性加载气囊设置于左右模型架的中空铁架的中空空隙内，通气管路连接于氮气瓶与配有压力表的柔性加载气囊之间；

应力应变监测系统包括压力监测装置，压力监测装置通过导线连接上覆岩层模拟结构，以进行应力应变监测。

进一步的，上覆岩层模拟结构由相似材料配比组成，所述煤块散体化模拟结构由不同粒径有机玻璃颗粒与弱粘结剂混合组成。

进一步的，复杂地貌相似模拟结构的模拟载荷填充材料包括石英砂、铁砂。

本发明涉及的相似模拟试验方法包括如下步骤：

根据所要模拟的采煤工作面，确定工作面采煤方法；选取工作面推进方向上的典型截面，确定地表地貌；现场实测工作面推进方向上的水平应力大小；