[发明专利]一种模拟底板岩溶水压对采动应力的响应实验装置及方法

权利要求书

1.一种模拟底板岩溶水压对采动应力的响应实验装置，其特征在于，包括模拟实验机构、水囊(4)、联通导管和压力传感器(3)，模拟实验机构包括实验箱(2)，实验箱(2)内由上至下依次设置有顶部岩石层(8)、粉砂岩层(9)、细砂岩层(10)、煤层(11)、底部岩石层(12)和岩溶水层(13)，水囊(4)设置于岩溶水层(13)内，压力传感器(3)设置于底部岩石层(12)内；联通导管包括水平导管(6)和与水平导管(6)联通的竖直导管(5)，水平导管(6)穿过模拟实验机构并与水囊(4)联通，竖直导管(5)位于模拟实验机构外部且开口向上。

2.根据权利要求1所述的一种模拟底板岩溶水压对采动应力的响应实验装置，其特征在于，模拟实验机构上方设置有竖向加载机构(7)。

3.根据权利要求1所述的一种模拟底板岩溶水压对采动应力的响应实验装置，其特征在于，竖直导管(5)外壁上设置有刻度。

4.根据权利要求1所述的一种模拟底板岩溶水压对采动应力的响应实验装置，其特征在于，联通导管的容量大于水囊(4)的容量。

5.根据权利要求1所述的一种模拟底板岩溶水压对采动应力的响应实验装置，其特征在于，压力传感器(3)与外部采集器相连。

6.一种根据权利要求1-5任一所述的模拟底板岩溶水压对采动应力的响应实验方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)根据所开采煤层地质水文条件，确定模拟实验机构尺寸；

(2)按照相似材料准则，计算相似材料配比，并配置相应的相似材料；

(3)将水囊(4)装满水放置于岩溶水层(13)内，将水平导管(6)与水囊(4)相连，根据竖直导管(5)中的水头高度预测岩溶水压；

(4)继续铺设底部岩石层(12)，在底部岩石层(12)中安装压力传感器(3)，压力传感器(3)与外接采集器相连，实时监测底部岩石层应力变化；继续铺设煤层(11)、细砂岩层(10)、粉砂岩层(9)、顶部砂岩层(8)，完成模拟实验机构的铺设；

(5)在煤层掘进过程中，实时监测底部岩石层应力变化，随着应力变化，记录不同时刻的应力值与联通导管中的水头高度；

(6)待开挖完毕根据采集到的数据，分别绘制工作面推进距离-应力曲线图、工作面推进距离-水头高度曲线图；

(7)对比两曲线图，评估采动对岩溶水压的影响与该采动条件下底板突水危险性。

7.根据权利要求6所述的模拟底板岩溶水压对采动应力的响应实验方法，其特征在于，步骤(2)中各层相似材料的用量可用下式进行计算：

Q＝l×b×m×ρ_m

Q-相似材料的用量，g；

l—相似层的长度，cm；

b—相似层的宽度，cm；

m—相似层的厚度，cm；

ρ_m—相似材料的质量密度，g/cm³。

8.根据权利要求6所述的模拟底板岩溶水压对采动应力的响应实验方法，其特征在于，步骤(2)制作相似材料时应满足：几何相似、运动相似、动力相似、边界条件相似以及对应的物理量成比例，具体满足：

①模拟线

m代指模型，h代指实际；

②时间比

③容重比