矿井开采动态扰动的二维相似模拟试验装置和方法

权利要求

1.矿井开采动态扰动的二维相似模拟试验装置，其特征在于：包括物理模型框架、液压加载与扰动装置、控制系统、试验测试系统；

物理模型框架包括底座、钢板、立柱、顶梁、顶板、槽钢、固定螺栓以及左右挡板，实验时从底座开始向上均匀铺设与模拟矿井地层条件相对应的不同配比相似材料，相似材料的左右两侧设有立柱，立柱外侧设有侧向加载装置；最上层相似材料的顶部设有顶梁，顶梁上设有顶板，顶梁与顶板之间安装有轴向加载装置；挡板与槽钢垂直相交，对模拟岩层紧密包围，用来充填和固定模拟岩层，相似材料干燥后取下左右挡板和一侧槽钢进行需要模拟的开挖作业；

液压加载与扰动装置包括轴向加载装置、侧向加载装置、液压供油系统；其中顶部轴向加载组件通过滑动凹槽嵌在顶梁中，上下固定的同时也能左右滑动，侧向加载组件固定在左右立柱上，实验时通过加载装置施加轴向和侧向加载，模拟垂直和水平方向的地应力和扰动力；液压供油系统包括液压泵、液压油、液压缸、安全阀、动态阀、油箱、密封圈、供油管路和回油管路；其中动态阀又与控制系统连接；

控制系统包括控制柜、电脑和电子控制器；电子控制器分别连接电脑和控制柜用来控制扰动波形的输入和液压缸动态阀的工作，电脑安装图像采集卡，与实验测试系统中的高速相机相连控制DIC测试分析系统的图像输出，电脑又与实验测试系统中的动态应变仪相连控制图像的输出；

试验测试系统包括钢化玻璃板、瞬变电磁仪、动态应变仪、压力盒、压力表、声发射探头，DIC测试分析系统、高速相机、计算机、图像采集卡和拉力、压力传感器；在相似物理模拟材料铺料过程中按设计埋设压力盒和拉力、压力传感器，其中压力盒与压力表相连，拉力、压力传感器与动态应变仪相连检测内部应力变化；在相似物理模拟材料表面布置散斑，运用DIC测试分析系统分析位移变化规律；瞬变电磁仪用来模拟矿井勘探；在检测位置布置声发射探头，检测相似模拟岩层断裂位置。

2.根据权利要求1所述的矿井开采动态扰动的二维相似模拟试验装置，其特征在于：所述轴向加载组件由顶板与顶梁上下固定，顶板与顶梁开设有凹槽实现轴向加载组件的上下固定、左右移动；所述顶梁上开有螺纹孔，通过螺栓与立柱固定；所述液压缸活塞底部设计为矩形板，增加了施力面积，避免模拟岩层受力过于集中从而增大了测量误差。

3.根据权利要求1所述的矿井开采动态扰动的二维相似模拟试验装置，其特征在于：所述槽钢，由钢板制成，两端分别上下布置两个螺纹孔，由螺栓连接固定在立柱上。

4.根据权利要求1所述的矿井开采动态扰动的二维相似模拟试验装置，其特征在于：所述液压缸采用双套缸设计，在外部施加静态力的主油缸内部嵌入一套能通过动态阀控制泵油的扰动油缸，以便分别施加静态压力和输入指定频率的动态扰动，扰动油缸的注油口与主油缸同侧，回油口在液压缸侧后方，由回油管路连接油箱，可以施加频率为0~20HZ、幅值为0~10MPa的正余弦波、矩形波形的动态扰动加载。

5.根据权利要求1所述的矿井开采动态扰动的二维相似模拟试验装置，其特征在于：所述加载系统各动态阀能独立作用进行控制，施加不同属性的扰动波，也能根据需要通过控制系统联合协同作用加载。

6.根据权利要求1所述的矿井开采动态扰动的二维相似模拟试验装置，其特征在于：所述顶板与顶梁的凹槽为贯通状，便于轴向加载组件的安装、移动与拆卸。

7.一种矿井开采动态扰动的二维相似模拟试验方法，采用权利要求1~6任一项所述的矿井开采动态扰动的二维相似模拟试验装置，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：根据收集到的矿井地质水文资料、开采技术条件，选择合适的相似物理模拟材料，设计不同地层的相似物理模拟材料的配比；

步骤二：按照相似模拟材料配比制作模拟地层材料，在相似物理模型框架底板两侧分别安装第一层槽钢，在相似物理模型框架内铺设模拟地层材料并压实；之后安装第二层槽钢，继续铺设模拟地层材料，并压实；以此进行其他模拟地层的铺设，在模型顶部铺设一层钢板，在需要检测地层按预先设计在相应位置埋设压力盒和拉力、压力传感器；

步骤三：相似模拟材料晾干达到设计要求，拆除左右挡板与一侧槽钢，清理整理相似模拟材料表面，布设DIC检测散斑；

步骤四：所有的相似模拟材料以及监测传感器在相似物理模型框架铺设以及安装完毕后，调试DIC、高速相机、应变仪、瞬变电磁仪和计算机并检测设备；

步骤五：将上部轴向加载系统安装进顶梁凹槽并滑动到相应位置，调试加载与扰动加载系统，顶部加载系统运行加压，施加轴向应力补充；

步骤六：按照设计开采，开挖的同时施加轴向和侧向的动态扰动，模拟井下开采爆破、机械振动、放顶煤等动态扰动对围岩破断和岩层变形垮落的影响；

步骤七：开采进行的同时，检测系统对岩层变形、岩层应力以及内部破断进行检测。

说明书

技术领域

本发明涉及一种矿井开采动态扰动的二维相似模拟试验装置和方法，属于矿井开采模拟实验技术领域。

背景技术

随着浅部矿产资源的逐渐减少和甚至枯竭，煤炭资源井工开采深度逐步增加，我国千米级的矿井日益增多，由于深部岩体所处环境的特殊性和应力场的复杂性，特别是处于“三高一扰动”环境下的高地应力深部岩体，极易受掘进或开采扰动而破坏失稳，原有的相似模拟系统只能模拟静态的岩层变形与应力演化规律，不符合实际的工程背景，模拟系统中岩层的应力与实际相差甚远，无法满足深部煤层开采的相似模拟需求，亟需一种可以施加扰动的二维相似模拟系统。

此外，我国许多矿井遗弃煤炭资源储量可观，尤其以整层遗弃煤炭资源复采意义最大，而整层遗煤赋存条件复杂，受多重采动的叠加影响，开采时的矿业显现和控制技术等与传统的常规开采相比都具有明显的差异性，因此传统的常规二维相似模拟试验系统只能模拟静态的岩层变形和应力演化规律过于简单，已经无法满足相关试验要求，亟需一种可以模拟残煤复采的相似模拟试验，可以在实验室模拟上煤层遗煤复采扰动对围岩和采空区煤柱稳定性的影响。

发明内容

本发明旨在提供一种矿井开采动态扰动的二维相似模拟试验装置和方法，用于对矿井掘进的动态扰动影响进行相似模拟，以研究地下采掘过程的动态扰动对围岩地层的损伤破坏规律。

本发明提供了一种矿井开采动态扰动的二维相似模拟试验装置，包括物理模型框架、液压加载与扰动装置、控制系统、试验测试系统；

物理模型框架包括底座、钢板、立柱、顶梁、顶板、槽钢、固定螺栓以及左右挡板，实验时从底座开始向上均匀铺设与模拟矿井地层条件相对应的不同配比相似材料，相似材料的左右两侧设有立柱，立柱外侧设有侧向加载装置；最上层相似材料的顶部设有顶梁，顶梁上设有顶板，顶梁与顶板之间安装有轴向加载装置；干燥后取下左右挡板和一侧槽钢进行需要模拟的开挖作业。

槽钢用来模拟岩层的充填，每一层的槽钢分前和后，左右是用挡板固定，挡板与槽钢关系为垂直相交，对模拟岩层紧密包围，用来充填和固定模拟岩层，如图一所示，本图纸是假定每层的模拟地层高度一样，其中槽钢由固定螺栓，可以固定在侧边立柱上，加以稳定，立柱上设有螺纹孔，既固定顶梁，也固定槽钢，保护模拟平台，防止坍塌散架。

液压加载与扰动装置包括轴向加载装置、侧向加载装置、液压供油系统；其中顶部轴向加载组件通过滑动凹槽嵌在顶梁中，上下固定的同时也能左右滑动，侧向加载组件固定在左右立柱上，实验时通过加载装置施加轴向和侧向加载，模拟垂直和水平方向的地应力和扰动力；液压供油系统包括液压泵、液压油、液压缸、安全阀、动态阀、供油管路、油箱和密封圈。

特别地该设备所有的液压缸采用双套缸设计，在外部施加静态力的主油缸内部嵌入一套可以通过动态阀控制泵油的扰动油缸，扰动油缸的注油口与主油缸同侧，回油口在液压缸侧后方，由输油管连接油箱，可以施加频率为0~20HZ、幅值为0~10MPa的正余弦波、矩形波形的动态扰动加载；

特别地，所述加载系统各动态阀可独立作用进行控制，施加不同属性的扰动波，也可以根据需要通过控制系统联合协同作用加载。

控制系统包括控制柜、电脑和电子控制器；电子控制器分别连接电脑和控制柜用来控制扰动波形的输入和液压缸动态阀的工作，电脑安装图像采集卡，与实验测试系统中的高速相机相连控制DIC测试分析系统的图像输出，电脑又与实验测试系统中的动态应变仪相连控制图像的输出。

试验测试系统包括钢化玻璃板、瞬变电磁仪、动态应变仪、压力盒、声发射探头，DIC测试分析系统、高速相机和计算机；在相似物理模拟材料铺料过程中按设计埋设压力盒和拉力、应力传感器，连接动态应变仪检测内部应力变化；在相似物理模拟材料表面布置散斑（由喷漆方法制备），运用DIC测试分析系统分析位移变化规律；在检测位置布置声发射探头，检测相似模拟岩层断裂位置。

上述装置中，所述轴向加载组件由顶板与顶梁上下固定，顶板与顶梁开设有凹槽实现轴向加载组件的上下固定、左右移动；所述顶梁其上开有螺纹孔，通过螺栓与立柱固定；所述液压缸活塞底部设计为矩形板，增加了施力面积，避免模拟岩层受力过于集中从而增大了测量误差。

上述装置中，所述槽钢，由钢板制成，为便于拆卸，两端分别设计有两个螺纹孔，相距一定距离对称排列，可以由螺栓固定，因为槽钢较高，用一对螺栓加强稳定。

上述装置中，所述加载组件，侧向加载组件与轴向加载组件分别连接供油管路与控制系统，为了方便施加扰动，可单独控制，也可协调作用。

上述装置中，所述液压缸采用双套缸设计，分别可施加静态压力和输入指定频率的动态扰动，更好的满足模拟实验需求。

上述装置中，所述顶板与顶梁的凹槽为贯通状，便于轴向加载组件的安装、移动与拆卸。

本发明提供了一种矿井开采动态扰动的二维相似模拟试验方法，包括以下步骤：

步骤一：根据收集到的矿井地质水文资料、开采技术条件，选择合适的相似物理模拟地层材料，设计不同地层的相似物理模拟材料的配比。

步骤二：按照相似模拟材料配比制作模拟地层材料，在相似物理模型框架底板两侧分别安装第一层槽钢，在相似物理模型框架内铺设模拟地层材料并压实；之后安装第二层槽钢，继续铺设模拟地层材料，并压实；以此进行其他模拟地层的铺设，在模型顶部铺设一层钢板，在需要检测地层按预先设计在相应位置埋设压力盒和拉力、应力传感器。

步骤三：相似模拟材料晾干达到设计要求，拆除左右挡板与一侧槽钢，清理整理相似模拟材料表面，布设DIC检测散斑。

步骤四：所有的相似模拟材料以及监测传感器在相似物理模型框架铺设以及安装完毕后，调试DIC、高速相机、应变仪、瞬变电磁仪和计算机并检测设备。

步骤五：将上部轴向加载系统安装进顶梁凹槽并滑动到相应位置，调试加载与扰动加载系统，顶部加载系统运行加压，施加轴向应力补充。

步骤六：按照设计开采，开挖的同时施加轴向和侧向的动态扰动，模拟井下开采爆破、机械振动、放顶煤等动态扰动对围岩破断和岩层变形垮落的影响。

步骤七：开采进行的同时，检测系统对岩层变形、岩层应力以及内部破断进行检测。

本发明的有益效果：

（1）该装置能简单有效模拟深部开采围岩所处的“三高一扰动”的环境，更符合现场情况，对我国逐步加深的矿井开采而言，有更好的发展前景。

（2）煤炭等不可再生资源的日益短缺，对于遗弃煤炭资源的上行开采、充填开采等工业现场试验成本较高的情况，该相似模拟系统可以进行附加上行开采扰动的模拟试验，以试验结果作为参考。

附图说明

图1为本发明二维相似模拟试验装置示意图；

图2为受高地应力和动态扰动协同影响开采的相似物理模拟试验装置示意图；

图3为上层遗煤上行开采扰动研究的相似物理模拟试验装置示意图；

图4为轴向液压加载组件俯视图；

图5为图2中A-A剖视图；

图6为图5右侧斜视图；

图7为液压油缸活塞末端矩形板的示意图。

图中：1-轴向加载组件，2-顶梁固定螺栓，3-顶梁，4-槽钢，5-立柱，6-侧向加载组件，7-底座，8-钢板，9-待开采煤层，10-回采工作面，11-液压油泵，12-控制柜，13-电脑，14-供油管路，15-螺栓，16-采空区，17-回采巷道，18-遗留煤柱，19-模拟底层，20-顶板，21-液压缸，22-矩形板，23-模拟地层。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

实施例1：

如图1~7所示，一种矿井开采动态扰动的二维相似模拟试验装置，包括物理模型框架、液压加载与扰动装置、控制系统、试验测试系统；

物理模型框架包括底座7、钢板8、立柱5、顶梁3、顶板20、槽钢4、螺栓15以及左右挡板，实验时从底座7开始向上均匀铺设与模拟矿井地层条件相对应的不同配比相似材料，相似材料的左右两侧设有立柱5，立柱5外侧设有侧向加载组件6；最上层相似材料的顶部设有顶梁3，顶梁3上设有顶板20，顶梁3与顶板20之间安装有轴向加载组件1；干燥后取下左右挡板和一侧槽钢进行需要模拟的开挖作业。

槽钢4用来模拟岩层的充填，每一层的槽钢4分前和后，左右是用挡板固定，挡板与槽钢4为垂直相交，对模拟岩层紧密包围，用来充填和固定模拟岩层，如图一所示，本图纸是假定每层的模拟地层23高度一样，其中槽钢由固定螺栓，可以固定在侧边立柱上，加以稳定，立柱上设有螺纹孔，既固定顶梁，也固定槽钢，保护模拟平台，防止坍塌散架。

顶梁3由螺栓15固定在立柱5上，槽钢4根据需要也可由螺栓15固定在立柱5上。

液压加载与扰动装置包括轴向加载组件1、侧向加载组件6、液压供油系统；其中顶部轴向加载组件通过滑动凹槽嵌在顶梁3中，上下固定的同时也能左右滑动，侧向加载组件6固定在左右立柱5上，实验时通过加载装置施加轴向和侧向加载，模拟垂直和水平方向的地应力和扰动力；液压供油系统包括液压泵、液压油、液压缸、安全阀、供油管路、油箱和密封圈。

特别地，该设备所有的液压缸采用双套缸设计，在外部施加静态力的主油缸内部嵌入一套可以通过动态阀控制泵油的扰动油缸，扰动油缸的注油口与主油缸同侧，回油口在液压缸侧后方，由输油管连接油箱，可以施加频率为0~20HZ、幅值为0~10MPa的正余弦波、矩形波形的动态扰动加载；

特别地，所述加载系统各加载动态阀可独立作用进行控制，施加不同属性的扰动波，也可以根据需要通过控制系统联合协同作用加载。

控制系统包括控制柜12、电脑13和电子控制器（安装在控制柜中）；电子控制器分别连接电脑13和控制柜12用来控制扰动波形的输入和液压缸动态阀的工作，电脑安装图像采集卡，与实验测试系统中的高速相机相连控制DIC测试分析系统的图像输出，电脑又与实验测试系统中的动态应变仪相连控制图像的输出。

试验测试系统包括钢化玻璃板、瞬变电磁仪、动态应变仪、压力盒、压力表、声发射探头，DIC测试分析系统、高速相机、计算机、图像采集卡和拉力、压力传感器；在相似物理模拟材料铺料过程中按设计埋设压力盒和拉力、压力传感器，其中压力盒与压力表相连，拉力、压力传感器与动态应变仪相连检测内部应力变化；在相似物理模拟材料表面布置散斑（由喷漆方法制备），运用DIC测试分析系统分析位移变化规律；在检测位置布置声发射探头，检测相似模拟岩层断裂位置。

上述装置中，所述轴向加载组件1由顶板20与顶梁3上下固定，顶板20与顶梁3开设有凹槽实现轴向加载组件1的上下固定、左右移动；所述顶梁3其上开有螺纹孔，通过螺栓15与立柱5固定；所述液压缸活塞底部设计为矩形板22，如图7所示，增加了施力面积，避免模拟岩层受力过于集中从而增大了测量误差。

上述装置中，所述槽钢4，由钢板制成，为便于拆卸，其上开设有螺纹孔，由螺栓连接固定，所述槽钢，每层的两端设计有上下两个螺纹孔，相距一定距离对称排列，因为槽钢较高，用一对螺栓加强稳定。

上述装置中，所述加载组件，侧向加载组件6与轴向加载组件1分别连接供油管路14与控制系统，为了方便施加扰动，可单独控制，也可协调作用。

上述装置中，所述液压缸21采用双套缸设计如图4所示，分别可施加静态压力和输入指定频率的动态扰动（由动态阀来完成），更好的满足模拟实验需求。

上述装置中，所述顶板20与顶梁3的凹槽为贯通状，如图6所示，便于轴向加载组件的安装、移动与拆卸。

下面通过具体实施例来说明采用上述装置进行矿井开采动态扰动的二维相似模拟试验方法。

实施例1：

本实施例提供一种可以施加扰动的二维相似物理模拟系统，在模拟高地应力和动态扰动协同作用下覆岩破断与变形规律研究中的应用：

① 根据收集到的矿井地质水文资料、开采技术条件等选择合适的相似物理模拟材料，设计不同地层的相似物理模拟材料的配比。

② 根据①中设计的相似模拟材料配比制作模拟地层23的材料，在相似物理模型框架两侧立柱5分别安装第一层槽钢4（物理模型框架安装在模拟底层19上），在相似物理模型框架内铺设模拟地层材料并压实；之后安装第二层槽钢，继续铺设模拟地层材料，并压实；以此进行其他模拟地层23的铺设，在模型顶部铺设一层钢板8(用于最后对模拟岩层的压实），在需要待开采煤层9以及顶底板等需要监测模拟地层23按预先设计在相应位置埋设压力盒和拉力、应力传感器。

③ 相似模拟材料晾干达到设计要求，拆除左右钢板和一侧槽钢，清理整理相似模拟材料表面，点涂DIC检测散斑。

④ 所有的相似模拟材料以及监测传感器在相似物理模型框架内铺设以及安装完毕后，调试DIC、高速相机、应变仪、瞬变电磁仪、电脑并检测设备。

⑤ 将上部轴向加载组件1安装进顶梁3凹槽并滑动到相应位置，由顶梁固定螺栓2固定后调试轴向加载组件与侧向加载组件，顶部轴向加载组件1运行加压至待开采煤层应力值至20MPa，施加轴向应力补充,模拟埋深较大煤层的高地应条件，相应的侧向加载组件6运行施加静载至设计值。

⑥ 按照设计开采，开挖的同时轴向和侧向加载组件动态加载组件启动，顶部轴向加载组件1随回采工作面10的向前推进，依次交替施加动态扰动，回采工作面越过上一个矩形板22的影响范围时关闭该液压缸的动态阀，动态扰动停止，下一个液压缸接替开始施加动态扰动，所加动态扰动按试验方案设计的频率和幅值施加正弦扰动，模拟井下开采爆破、机械振动、放顶煤等动态扰动对回采工作面10推进过程中围岩破断和岩层变形跨落的影响。

⑦ 开采进行的同时，检测系统对岩层变形、岩层应力以及内部破断等进行检测。

实施例2

本实施例提供一种可以施加扰动的二维相似物理模拟系统，在模拟上层遗煤复采时的采掘扰动对覆岩破断与变形影响以及下伏采空区煤柱稳定性研究中的应用：

① 根据收集到的矿井地质水文资料、开采技术条件等选择合适的相似物理模拟材料，设计不同地层的相似物理模拟材料的配比。

② 根据①中设计的相似模拟材料配比制作模拟地层23的材料，在相似物理模型框架两侧立柱5分别安装第一层槽钢4，在相似物理模型框架内铺设模拟地层23材料并压实；之后安装第二层槽钢，继续铺设模拟地层材料，并压实；以此进行其他模拟地层23的铺设，在模型顶部铺设一层钢板8，在需要待开采煤层9以及顶底板等需要监测模拟地层23按预先设计在相应位置埋设压力盒和压力、拉力传感器。

③ 相似模拟材料晾干达到设计要求，拆除左右钢板和一侧槽钢4，清理整理相似模拟材料表面，之后点涂DIC检测散斑。

④ 将上部轴向加载组件1安装进顶梁3凹槽并滑动到相应位置，由顶梁固定螺栓2固定后调试加载与扰动加载组件。

⑤ 所有的监测设备以及传感器等安装完毕后，调试DIC、高速相机、应变仪、瞬变电磁仪和电脑并检测设备。

⑥ 顶部轴向加载组件1运行加压至待开采煤层应力值至设计值，施加轴向应力补充,相应的侧向加载组件6运行施加静载至设计值。

⑦ 进行待开采煤层9下覆已开采煤层的采掘，按设计图纸进开挖，在采空区16中余下遗留煤柱18，之后在待开采煤层9中按设计尺寸开挖回采巷道17。

⑧ 按照预先的试验方案，顶部的侧向加载组件6按试验方案设计的频率和幅值施加正弦扰动，同时顶部的轴向加载组件1施加相应频率和幅值的正弦扰动，模拟上层遗煤开采推进过程中的动态扰动对围岩破断和岩层变形跨落以及下覆采空区煤柱的影响。

⑨ 开采进行的同时，检测系统对岩层变形、预埋压力盒岩层应力以及内部破断等进行检测，在下覆采空区煤柱位置布置声发射探头检测内部微破坏。

应该说明的是，以上实施例仅用于说明本发明设计的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明设计进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明设计的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明设计技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明设计的权利要求范围当中。