CN107192810B - 采动覆岩破断型式及运动特征的三维多功能实验平台及试验方法 - Google Patents
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Abstract
一种采动覆岩破断型式及运动特征的三维多功能实验平台及试验方法。适用于煤炭科学研究领域使用。包括试验桌体和设置在试验桌体上方的岩体模拟装置。在垂直升降板上设置所有水平抽板和横梁的位置形成模拟工作面底板，用千斤顶将垂直升降板撑起顶住模拟工作面底板；从支架一端开始依次将水平抽板向外抽出一定距离，从而模拟覆岩下开采的工作面宽度，并通过顺序将水平抽板向外抽出模拟工作面推进，所有水平抽板抽完，模拟覆岩下的工作面开采完毕其结构简单，使用方便，能够模拟研究采动覆岩在不同采宽、采高和埋深等条件下的关键层时空破断型式及运动特征，为研究采动覆岩破断型式及运动特征对采场矿压的影响提供了可靠的物理模拟模型及方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种三维岩层移动相似物理模拟实验平台，尤其涉及采动覆岩破断型式及运动特征的三维多功能实验平台，属于煤炭开采领域。
背景技术
为了更好地保证地下矿山的安全生产,最大限度地开采矿产资源、保护矿区环境和地面设施,必须掌握矿山压力及岩层活动规律,这是采矿学科最基础的研究之一。
随着采矿工程学科的发展，在研究矿山压力及岩层运动规律的过程中逐渐形成了数值模拟，物理模拟及现场实测三种研究方法。其中现场实测所固有的周期较长、耗费大量的人力、物力,受现场条件限制严重、局限性大；矿山现有的测量仪器功能单一，或仅能得到采场空间局部数据，对未测区域需进行合理的理论分析且很难得到验证；而在引进其他领域的先进仪器过程中要考虑煤矿井下恶劣的工作环境，到目前为止仍是一个没能很好解决的问题。采矿方面的数值模拟由于软件的局限性目前还难以精确地处理采动后岩体应力分布、大变形移动破坏、冒落后的物性变化等的演变过程,缺乏进行精确计算所必须的真实原岩应力场,真实岩体物理力学参数等基础数据,其计算结果也就往往无法模拟真实结果。而在进行研究采场上覆岩层破裂，冒落和移动规律以及关键层破断规律时，相似物理模拟实验成为一种公认的可行的研究手段。
目前，国内外的相似模拟实验大多为二维模拟实验，对模型边界条件作了很大的简化，模拟结果往往也与实际情况存在着较大差异，同时也无法观察某一层岩层在采动过程中的空间破断特征。部分学者也对三维相似模拟实验平台进行了研究，但是对开采参数如工作面面宽、采高、埋深等控制比较单一。因此，有必要发明一种可以自由调整开采参数的研究采动覆岩破断型式及运动特征的三维物理模拟实验平台，研究工作面采后覆岩破断结构的运移特征，模型开采后自上而下分层剥离相似材料岩层，重点揭露覆岩各关键层的平剖面裂隙产状，再三维重现远近场关键层历次破断结构的空间对应关系；通过在煤层底板遍布压力监测***，以反映工作面的来压位置及强度状况。
发明内容
为了克服技术的不足之处，本发明提供结构简单，使用方便，不仅能得到采场覆岩破断型式及运动特征，而且能模拟多重采矿场景的采动覆岩破断型式及运动特征的三维多功能实验平台。
为了实现上述目的，本发明的采动覆岩破断型式及运动特征的三维多功能实验平台，包括试验桌体和设置在试验桌体上方的岩体模拟装置：
试验桌体包括支架，支架一侧对边设有两块固定横梁，两侧固定横梁的中下部焊接带有螺孔的托架，支架另一侧对边设有两块宽夹板，固定横梁和宽夹板通过焊接在支架上形成四边框体，支架下方设有与支架面积匹配的垂直升降板，垂直升降板上横向排布有多个水平抽板，垂直升降板下方的四角位置设有短支撑柱，多组水平抽板成对横向排布固定在宽夹板中,便于向外抽出，成对的水平抽板之间纵向设有附加横梁；
岩体模拟装置包括用于制作模拟岩层的模具，支架包括四块相互拼接组合的竖直薄板，埋深模拟装置包括气袋，气袋上方设有多块透明板，多块透明板的面积与支架顶部相匹配。
水平抽板为“工”字型。气袋与透明板采用PVC透明材料。两侧固定横梁中下部的托架，托架与附加横梁的两端用螺母固定。薄板的上边界设有可以与三块透明板连接的螺孔，并使用螺母连接封顶。
一种采动覆岩破断型式及运动特征试验方法，其步骤如下：
根据模拟的开采工作面结构在垂直升降板上设置所有水平抽板和横梁的位置形成模拟工作面底板，用千斤顶将垂直升降板撑起顶住模拟工作面底板；
按比例将沙子、碳酸钙、石膏和水进行混合，模拟被测岩层的结构均匀铺设在模拟工作面底板上，模拟被测岩层底部模拟采煤工作面的顶板，待模拟被测岩层干硬后将未充气的气袋覆盖在模拟被测岩层之上，将多块透明板用螺母固定在竖直薄板上对支架进行封顶；
使用气泵向气袋内充气，气袋膨胀后与连成一体的竖直薄板和透明板相接触，保持气袋的受挤压状态即模拟对岩层上边界持续的均布载荷；
根据试验需要通过千斤顶控制垂直升降板下降一定高度，模拟相应工作面采高，此时模拟的采高为垂直升降板下降高度和水平抽板厚度之和，从支架一端开始依次将水平抽板向外抽出一定距离，从而模拟覆岩下开采的工作面宽度，并通过顺序将水平抽板向外抽出模拟工作面推进，随着模拟工作面的推进，当模拟被测岩层底部模拟的顶板悬露面积达到一定程度时，模拟被测岩层由下而上逐层发生破断，破断范围逐层递减，破断高度与岩层破断角及关键层位置有关，以此类推直至所有水平抽板抽完，模拟覆岩下的工作面开采完毕；
将所有水平抽板成对设置在垂直升降板上，且水平抽板向内侧对齐形成一个完整的平面，从而构成单工作面开采时的模拟工作面底板。
用螺栓将附加横梁与支架两侧的托架连接固定，升起垂直升降板使垂直升降板顶部与附加横梁接触，在支架两侧的宽夹板内成对设置水平抽板，使附加横梁的顶面与水平抽板的底面在同一水平高度，将水平抽板的内侧一端搭置在附加横梁的长边边缘处，搭接部分外侧一端夹在宽夹板内，此时所有水平抽板构成中间隔有附加横梁形成的凹槽的两个模拟工作面煤层，凹槽底部为附加横梁的顶面裸露部分，按照煤层参数的相似比将沙子、碳酸钙、石膏和水进行搅拌，并将混合物填满凹槽，使水平抽板与混合物形成一个完整的平面，其中凹槽内的混合物即模拟相邻两个工作面之间留设的煤柱。
控制千斤顶控制垂直升降板下降高度h1，模拟相应工作面采高，此时模拟的采高为高度h1加上模拟工作面底板的水平抽板厚度，从支架一端开始将成对的水平抽板分别向两侧抽出相同距离，设首先向两侧抽出的水平抽板为a板和b板，如a板向外抽出1m，b板向外抽出1m，则模拟覆岩下开采的单个工作面宽度为2m，将第二组水平抽板c板和d板向两侧抽出相同的距离，以此类推，直至所有水平抽板抽完，模拟了覆岩下宽度为2m的单个工作面开采完毕。
用千斤顶将垂直升降板下降高度h2，此时所模拟的采高为h2加上水平抽板和附加横梁的厚度，接着从支架一端开始将同一边的水平抽板向外侧依次抽出，设首先向外侧抽出的前两块水平抽板为a板和c板，如a板向外抽出1m，即模拟覆岩下开采的单个工作面宽度为1m，再将c板向外抽出1m，以此类推，直至将同一边的水平抽板抽完，模拟了覆岩下宽度为1m的单个工作面开采完毕，设另一边向外测抽出的前两块水平抽板为b板和d板，先将b板向外抽出1m，即模拟覆岩下开采的第二个工作面宽度为1m，再将d板向外抽出1m，以此类推，直至另一边的水平抽板抽完，模拟覆岩下宽度均为1m的相邻两个工作面开采完毕。
有益效果：
1、通过同位的水平抽板向两侧抽取多种距离来控制模拟工作面宽度，保留模拟开采的工作面边界煤柱，解决现有的三维相似模拟实验装置控制工作面宽度单一、没有边界煤柱与实际情况不符的问题；
2、利用气袋加压装置改变了以往液压、机械加压的传统模式，可以实现在岩层断裂下沉的情况下仍保证垂直岩层向下的均匀载荷，并且上部三块透明板与气袋选用PVC透明材料可以实时观察破断的动态过程，结构简单，材料易得；
3、通过增加一个附加横梁实现从模拟研究单工作面开采覆岩破断型式及运动特征转换为模拟研究相邻两个工作面依次开采覆岩破断型式及运动特征，结构巧妙，操作方便。
附图说明
图1是本发明采动覆岩破断型式及运动特征的三维多功能实验平台的结构示意图；
图2是本发明采动覆岩破断型式及运动特征的三维多功能实验平台的支架俯视图；
图3是本发明采动覆岩破断型式及运动特征的三维多功能实验平台的支架左视图；
图4是本发明采动覆岩破断型式及运动特征的三维多功能实验平台的支架主视图。
图中：1-支架，2-固定横梁，3-宽夹板，4-水平抽板，5-垂直升降板，6-短支撑柱，7-托架，8-竖直薄板，9-气袋，10-透明板，11-附加横梁。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步描述：
如图1、图2、图3和图4所示，本发明的采动覆岩破断型式及运动特征的三维多功能实验平台包括试验桌体和设置在试验桌体上方的岩体模拟装置：
其中试验桌体包括支架1，支架1一侧对边设有两块固定横梁2，两侧固定横梁2的中下部焊接带有螺孔的托架7，支架1另一侧对边设有两块宽夹板3，固定横梁2和宽夹板3通过焊接在支架1上形成四边框体，支架1下方设有与支架1面积匹配的垂直升降板5，垂直升降板5上横向排布有多个水平抽板4，水平抽板4为“工”字型，垂直升降板5下方的四角位置设有短支撑柱6，多组水平抽板4成对横向排布固定在宽夹板3中,便于向外抽出，成对的水平抽板4之间纵向设有附加横梁11，两侧固定横梁2中下部的托架7，托架7与附加横梁11的两端用螺母固定；
岩体模拟装置包括用于制作模拟岩层的模具，支架包括四块相互拼接组合的竖直薄板8，埋深模拟装置包括气袋9，气袋9上方设有多块透明板10，多块透明板10的面积与支架顶部相匹配，薄板8的上边界设有可以与三块透明板10连接的螺孔，并使用螺母连接封顶，气袋9与透明板10采用PVC透明材料。
一种采动覆岩破断型式及运动特征的试验方法，其步骤如下：
根据模拟的开采工作面结构在垂直升降板5上设置所有水平抽板4和横梁11的位置形成模拟工作面底板，用千斤顶将垂直升降板5撑起顶住模拟工作面底板；
按比例将沙子、碳酸钙、石膏和水进行混合，模拟被测岩层的结构均匀铺设在模拟工作面底板上，模拟模拟被测岩层底部模拟采煤工作面的顶板，待模拟被测岩层干硬后将未充气的气袋9覆盖在模拟被测岩层之上，将多块透明板10用螺母固定在竖直薄板8上对支架进行封顶；
使用气泵向气袋9内充气，气袋9膨胀后与连成一体的竖直薄板8和透明板10相接触，保持气袋9的受挤压状态即模拟对岩层上边界持续的均布载荷；
根据试验需要控制千斤顶控制垂直升降板5下降一定高度，模拟相应工作面采高，此时模拟的采高为垂直升降板5下降高度和水平抽板4厚度之和，从支架一端开始依次将水平抽板4向外抽出一定距离，从而模拟覆岩下开采的工作面宽度，并通过顺序将水平抽板4向外抽出模拟工作面推进，随着模拟工作面的推进，当模拟被测岩层底部模拟的顶板悬露面积达到一定程度时，模拟被测岩层由下而上逐层发生破断，破断范围逐层递减，破断高度与岩层破断角及关键层位置有关，以此类推直至所有水平抽板4抽完，模拟覆岩下的工作面开采完毕；
模拟单工作面开采研究采动覆岩破断型式及运动时：将所有水平抽板4成对设置在垂直升降板5上，且水平抽板4向内侧对齐形成一个完整的平面，从而构成单工作面开采时的模拟工作面底板；控制千斤顶控制垂直升降板5下降高度h1，模拟相应工作面采高，此时模拟的采高为高度h1加上模拟工作面底板的水平抽板4厚度，从支架一端开始将成对的水平抽板4分别向两侧抽出相同距离，设首先向两侧抽出的水平抽板4为a板和b板，如a板向外抽出1m，b板向外抽出1m，则模拟覆岩下开采的单个工作面宽度为2m，将第二组水平抽板4c板和d板向两侧抽出相同的距离，以此类推，直至所有水平抽板4抽完，模拟了覆岩下宽度为2m的单个工作面开采完毕。
模拟双工作面开采研究采动覆岩破断型式及运动时：用螺栓将一根宽度为25厘米的附加横梁11与支架1两侧的托架7连接固定升起垂直升降板5使垂直升降板5顶部与附加横梁11接触，在支架1两侧的宽夹板3内成对设置水平抽板4，使附加横梁11的顶面与水平抽板4的底面在同一水平高度，将水平抽板4的内侧一端搭置在附加横梁11的长边边缘处，搭接部分长度约为2.5厘米，外侧一端夹在宽夹板3内，此时所有水平抽板4构成中间隔有附加横梁11形成的凹槽的两个模拟工作面煤层，凹槽底部为附加横梁11的顶面裸露部分，凹槽宽度为20厘米。按照煤层参数的相似比将沙子、碳酸钙、石膏和水进行搅拌，并将混合物填满凹槽，使水平抽板4与混合物形成一个完整的平面，其中凹槽内的混合物即模拟相邻两个工作面之间留设的煤柱；用千斤顶将垂直升降板5下降高度h2，此时所模拟的采高为h2加上水平抽板4和附加横梁11的厚度，接着从支架一端开始将同一边的水平抽板4向外侧依次抽出，设首先向外侧抽出的前两块水平抽板4为a板和c板，如a板向外抽出1m，即模拟覆岩下开采的单个工作面宽度为1m，再将c板向外抽出1m，以此类推，直至将同一边的水平抽板抽完，模拟了覆岩下宽度为1m的单个工作面开采完毕，设另一边向外测抽出的前两块水平抽板4为b板和d板，先将b板向外抽出1m，即模拟覆岩下开采的第二个工作面宽度为1m，再将d板向外抽出1m，以此类推，直至另一边的水平抽板抽完，模拟覆岩下宽度均为1m的相邻两个工作面开采完毕。
Claims (9)
1.一种采动覆岩破断型式及运动特征的三维多功能实验平台，其特征在于：它包括试验桌体和设置在试验桌体上方的岩体模拟装置：
试验桌体包括支架（1），支架（1）一侧对边设有两块固定横梁（2），两块固定横梁（2）的中下部焊接带有螺孔的托架（7），支架（1）另一侧对边设有两块宽夹板（3），固定横梁（2）和宽夹板（3）通过焊接在支架（1）上形成四边框体，支架（1）下方设有与支架（1）面积匹配的垂直升降板（5），垂直升降板（5）上横向排布有多个水平抽板（4），垂直升降板（5）下方的四角位置设有短支撑柱（6），多组水平抽板（4）成对横向排布固定在宽夹板（3）中,便于向外抽出，成对的水平抽板（4）之间纵向设有附加横梁（11）；
岩体模拟装置包括用于制作模拟岩层的模具，支架包括四块相互拼接组合的竖直薄板（8），埋深模拟装置包括气袋（9），气袋（9）上方设有多块透明板（10），多块透明板（10）的面积与支架顶部相匹配;
水平抽板（4）为“工”字型。
2.根据权利要求1所述的采动覆岩破断型式及运动特征的三维多功能实验平台，其特征在于：气袋（9）与透明板（10）采用PVC透明材料。
3.根据权利要求1所述的采动覆岩破断型式及运动特征的三维多功能实验平台，其特征在于：两块固定横梁（2）中下部的托架（7），托架（7）与附加横梁（11）的两端用螺母固定。
4.根据权利要求1所述的采动覆岩破断型式及运动特征的三维多功能实验平台，其特征在于：薄板（8）的上边界设有可以与三块透明板（10）连接的螺孔，并使用螺母连接封顶。
5.一种使用权利要求1所述采动覆岩破断型式及运动特征的三维多功能实验平台的试验方法，其特征在于步骤如下：
根据模拟试验工作面的地质条件在垂直升降板（5）上设置水平抽板（4）和附加横梁（11）的位置形成模拟工作面底板，用千斤顶将垂直升降板（5）撑起顶住模拟工作面底板；
按比例将沙子、碳酸钙、石膏和水进行混合，模拟被测岩层的结构均匀铺设在模拟工作面底板上，待模拟被测岩层干硬后将未充气的气袋（9）覆盖在模拟被测岩层之上，将多块透明板（10）用螺母固定在竖直薄板（8）上对支架进行封顶；
使用气泵向气袋（9）内充气，气袋（9）膨胀后与连成一体的竖直薄板（8）和透明板（10）相接触，保持气袋（9）的受挤压状态即模拟对岩层上边界持续的均布载荷；
根据试验需要通过千斤顶控制垂直升降板（5）下降一定高度，模拟相应工作面采高，此时模拟的采高为垂直升降板（5）下降高度和水平抽板（4）厚度之和，从支架一端开始依次将水平抽板（4）向外抽出一定距离，从而模拟覆岩下开采的工作面宽度，并通过顺序将水平抽板（4）向外抽出模拟工作面推进，随着模拟工作面的推进，当模拟被测岩层底部模拟的顶板悬露面积达到一定程度时，模拟被测岩层由下而上逐层发生破断，破断范围逐层递减，破断高度与岩层破断角及关键层位置有关，以此类推直至所有水平抽板（4）抽完，模拟覆岩下的工作面开采完毕。
6.根据权利要求5所述的试验方法，其特征在于模拟单工作面开采研究采动覆岩破断型式及运动时：将水平抽板（4）成对设置在垂直升降板（5）上，且水平抽板（4）向内侧对齐形成一个完整的平面，从而构成单工作面开采时的模拟工作面底板。
7.根据权利要求5所述的试验方法，其特征在于模拟双工作面开采研究采动覆岩破断型式及运动时：用螺栓将附加横梁（11）与支架（1）两侧的托架（7）连接固定，升起垂直升降板（5）使垂直升降板（5）顶部与附加横梁（11）接触，在支架（1）两侧的宽夹板（3）内成对设置水平抽板（4），使附加横梁（11）的顶面与水平抽板（4）的底面在同一水平高度，将水平抽板（4）的内侧一端搭置在附加横梁（11）的长边边缘处，搭接部分外侧一端夹在宽夹板（3）内，此时所有水平抽板（4）构成中间隔有附加横梁（11）形成的凹槽的两个模拟工作面煤层，凹槽底部为附加横梁（11）的顶面裸露部分，按照煤层参数的相似比将沙子、碳酸钙、石膏和水进行搅拌，并将混合物填满凹槽，使水平抽板（4）与混合物形成一个完整的平面，其中凹槽内的混合物即模拟相邻两个工作面之间留设的煤柱。
8.根据权利要求6所述的试验方法，其特征在于模拟单工作面开采研究采动覆岩破断型式及运动时：控制千斤顶控制垂直升降板（5）下降高度h1，模拟相应工作面采高，此时模拟的采高为高度h1加上模拟工作面底板的水平抽板（4）厚度，从支架一端开始将成对的水平抽板（4）分别向两侧抽出相同距离，设首先向两侧抽出的水平抽板（4）为a板和b板，如a板向外抽出1m，b板向外抽出1m，则模拟覆岩下开采的单个工作面宽度为2m，将第二组水平抽板（4）c板和d板向两侧抽出相同的距离，以此类推，直至所有水平抽板（4）抽完，模拟覆岩下宽度为2m的单个工作面开采完毕。
9.根据权利要求7所述的试验方法，其特征在于模拟双工作面开采研究采动覆岩破断型式及运动时：用千斤顶将垂直升降板（5）下降高度h2，此时所模拟的采高为h2加上水平抽板（4）和附加横梁（11）的厚度，接着从支架一端开始将同一边的水平抽板（4）向外侧依次抽出，设首先向外侧抽出的前两块水平抽板（4）为a板和c板，如a板向外抽出1m，即模拟覆岩下开采的单个工作面宽度为1m，再将c板向外抽出1m，以此类推，直至将同一边的水平抽板抽完，模拟了覆岩下宽度为1m的单个工作面开采完毕，设另一边向外抽出的前两块水平抽板（4）为b板和d板，先将b板向外抽出1m，即模拟覆岩下开采的第二个工作面宽度为1m，再将d板向外抽出1m，以此类推，直至另一边的水平抽板抽完，模拟覆岩下宽度均为1m的相邻两个工作面开采完毕。
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