CN109855974B - 基于相似模拟试验***的覆岩应力与变形特性试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于相似模拟试验***的覆岩应力与变形特性试验方法，所述相似模拟试验***为三向加载与定点动荷载相结合的大型三维相似模拟试验***，包括试样制备、测点布置、相似材料制备、材料计算、岩层铺设、试件箱复位、试验加载、煤层开挖等步骤，通过钻孔成像仪、离层计、应力传感器、声发射监测***、地质雷达、姿态角传感器和光纤应力分析仪实时监测覆岩应力与变形特性。能更真实地模拟静荷载与动荷载作用下地下矿山工程上覆岩应力及变形特性。

Description

基于相似模拟试验***的覆岩应力与变形特性试验方法

技术领域

本发明涉及一种三维相似模拟试验方法，具体涉及一种基于三向加载与定点动荷载相结合的大型三维相似模拟试验***的覆岩应力与变形特性试验方法。

背景技术

地下煤炭资源采出前，其上覆岩层处于一种应力平衡状态，而当工作面开采后岩层内部便会形成一个采空区，周围岩体的原始应力平衡状态也随之被破坏而引起应力的重新分布，导致上覆岩层出现垮落、裂隙、离层及弯曲等，随着工作面开采的不断推进，覆岩破坏在时空上发生转移，其影响范围将从直接顶逐渐向上不断发展直至地表。煤炭开采引起的一系列采动损害与环境问题都与岩层移动有关，因此研究采动影响下煤层上覆岩层力学与变形特性，对保障我国能源安全和煤炭企业安全生产具有重要意义。

国家知识产权局公开的发明专利“201210376520.3三向加载大型三维相似模拟试验***”，能够在三向不等压的情况下模拟井下开采过程中不同高度顶板岩层的活动规律及复杂应力分布情况，研究三向加载下地下矿山工程上覆围岩变形及破断规律，实现地下矿山在三向加载作用下岩层位移和破断的可视化，在大尺度空间工程开挖模拟试验研究中，该发明已取得一定的突破性进展。但是模拟试验过程中发现，该***无法实现对地层在冲击荷载作用下覆岩应力与变形特性的试验研究，即无法将动荷载与静荷载相结合，存在一定的局限性，因此一种能实现静荷载与动荷载共同加载的模型试验***，以及基于该模拟试验***进行覆岩应力与变形特性成为了急需解决的关键性技术问题之一。

发明内容

本发明基于现有的三向加载大型三维相似模拟试验***进行改进，使其能满足静荷载与动荷载的同时加载，并基于该模拟试验***进行覆岩应力与变形特性试验，以更真实地模拟静荷载与动荷载作用下地下矿山工程上覆岩应力与变形特性，实现地下矿山在静荷载与动荷载相结合作用下的覆岩应力与变形特性的可视化。

为此，本发明首先提供一种三向加载与定点动荷载相结合的大型三维相似模拟试验***，包括试件箱和反力***，所述试件箱包括底座，所述底座的边缘设置有构成正方形的左螺孔带、右螺孔带、前螺孔带和后螺孔带；所述底座在左螺孔带处通过螺栓固定连接有左侧板，在前螺孔带处通过螺栓固定连接有前侧板；所述右螺孔带与左螺孔带之间设置有至少一个第一中间螺孔带；所述后螺孔带与前螺孔带之间设置有与第一中间螺孔带数量对应、垂直相接的第二中间螺孔带；相接的第一中间螺孔带、第二中间螺孔带、左螺孔带和前螺孔带构成正方形；所述右螺孔带或任一所述第一中间螺孔带上通过螺栓固定连接有右侧板；与所述右侧板相接的后螺孔带或任一第二中间螺孔带上通过螺栓固定连接有后侧板；

所述左侧板的内侧通过螺栓固定连接有左压座，左侧板上按均分区域设置有左压套；所述左压座上固定有数量和位置与左压套相对应的左压杆，左压杆穿出所述左压套；

所述前侧板的内侧通过螺栓固定连接有前压座，前侧板上按均分区域设置有前压套；所述前压座上固定有数量和位置与前压套相对应的前压杆，前压杆穿出所述前压套；

所述左压座与前压座间隔设置；

所述反力***包括位于地面下的混凝土反力池，所述反力池的底部固定连接的第一反力座，所述第一反力座的右侧设置有第二反力座，第二反力座与所述反力池的底部固定，并同时与所述第一反力座通过螺栓固定连接；

所述反力池在所述试件箱的左侧设置有与所述第一反力座固定连接，并且紧靠混凝土墙面的侧承力架；所述侧承力架上固定有数量和位置与所述左压杆相对应的左静荷载加载液压缸；所述反力池在所述试件箱的右侧设置有与所述第二反力座螺栓连接的反力架；所述反力架与所述试件箱通过螺栓固定连接；

所述第一反力座的前部固定有前立柱；所述前立柱的一端面紧靠所述反力池的混凝土墙面，另一端面固定有数量和位置与所述前压杆相对应的前静荷载加载液压缸；

所述第一反力座的后部固定有后立柱，所述后立柱的一端面紧靠所述反力池的混凝土墙面，另一端面固定有数量和位置与所述第一垫板相对应、并紧贴所述第一垫板的第二垫板；

所述前立柱和后立柱通过上方固定的横梁连接为一体结构，所述横梁上均布设置有与所述试件箱相对的上静荷载加载液压缸；

所述三向加载大型三维相似模拟试验***还包括上压座；进行相似模拟试验时，所述上压座将所述上静荷载加载液压缸的加载力传递至所述试件箱内的相似材料上；

每列所述左静荷载加载液压缸的正下方设置有一个左动荷载加载液压缸，且左动荷载加载液压缸固定在侧承力架上；每列所述前静荷载加载液压缸的正下方设置有一个前动荷载加载液压缸，且前动荷载加载液压缸固定在前立柱上。

同时，本发明还提供一种基于上述三向加载与定点动荷载相结合的大型三维相似模拟试验***的覆岩应力与变形特性试验方法，包括以下步骤：

(1)试样制备

将试件箱倾斜，使试件箱的倾角等于矿层倾角；

(2)测点布置

根据所需模拟的矿层在实际工程中的地应力分布情况，采用数值计算的方法对地应力进行数值模拟，根据模拟结果设置各测点的位置；

(3)相似材料制备

对相似模拟范围内的实际工程概况中各地层岩石进行力学参数测试，按照合适的几何相似比和强度相似比计算出各模型岩石的所需强度，并根据该强度选择合适的河砂、石膏和水泥的比例，以配比比例来对各岩层进行相似材料制备；

(4)材料计算

根据几何相似比计算得到各岩层模型的体积，再根据模型岩层的容重计算出对应模型岩层的总重量，根据材料配比的比例关系得出各岩层所需的材料数量，最终求出该模型试验所需的材料总量；

(5)岩层铺设

根据步骤(4)中计算得到的各岩层各材料组分的重量，将所需材料搅拌均匀后，按照岩层顺序进行逐层铺设，直到所有模拟地层铺设完毕，并安装相应的监测仪及传感器，包括钻孔成像仪、离层计、应力传感器、声发射监测***、地质雷达、姿态角传感器和传感光纤；

根据试件箱顶部盖板预留孔的位置，选择5个预留孔作为裂纹可视化监测孔，各监测孔竖直布置，一个监测孔位于箱体顶部盖板中央位置，使最终沿走向及倾向各有3个钻孔成像仪的电视窥视孔，沿走向或倾向各孔之间间距50±5cm；

在岩层中埋设离层计进行岩层位移监测，沿垂直深度布置4层离层计，布置位置分别为垮落带中下部、垮落带与裂隙带边界处、裂隙带中部、弯曲变形带中部，离层计沿岩层倾向布置若干条测线，各测线间距50±5cm，每条测线沿走向布置4～6个离层计，各离层计间距50±5cm，煤层开采过程各布置点的位移变化情况将通过各离层计进行实时监测并采集；

在岩层中埋设应力传感器进行应力监测，应力传感器紧邻离层计布置，每个离层计对应设置有一个应力传感器，应力传感器的压力盒与离层计安装位置间隔4～6cm，岩层在采动过程的应力变化情况通过压力传感器实时监测并采集；

在相似模型中布置四个检波孔，作为声发射监测***的检波孔用于监测岩层开采全过程的微震信号，检波孔布置在靠近试件箱箱体边缘处，距离箱体边缘25±5cm，深度为1.2～2m，根据各检波孔深度制备相应长度的PVC管，管径为50±10mm；

在试件箱箱体最上方安装地质雷达进行监测，每隔1.5～2m布置一条测线，共2条；

在裂隙带底部和弯曲变形带中部岩层中分别埋设姿态角传感器，裂隙带底部岩层中走向和倾向分别布置2个姿态角传感器；弯曲变形带中部岩层沿走向和倾向各1个姿态角传感器；

分别沿岩层走向、倾向和法向布置传感光纤进行应力监测，煤层上方岩层共布置8个光纤水平面，其中走向与倾向交替布置；煤层下方底板位置布置2个光纤水平面，走向和倾向各布置一个光纤平面，上述每个水平面内布置4～6条光纤，间距50±5cm；法向光纤布置5个切面，每个切面布置4～6条光纤，相邻光纤间隔50±5cm，布置过程中光纤转弯半径需大于10cm；

(6)试件箱复位

待相似材料干燥后，将试件箱回复到水平位置。

(7)试验加载

以上下方向为Z向，左右方向为X向，前后方向为Y向，采用力控制方式进行三向加载，对X向水平加载静载荷和动载荷、Y向水平加载静载荷和动载荷、Z向垂直加载静载荷；同时加载X向和Y向，然后加载Z向，直至三向加载压力达到预定值，该预定值为工况现场实测的地应力，三向应力加载速率恒定，加载结束后记录各离层计的位置；

(8)煤层开挖

开挖过程中，测控***通过钻孔成像仪、离层计、应力传感器、声发射监测***、地质雷达、姿态角传感器和光纤应力分析仪实时监测覆岩应力与变形特性。

上述基于相似模拟试验***的覆岩应力与变形特性试验方法的优选为，所述步骤(8)的煤层开挖步骤如下：

步骤一：打开箱体一侧堵板，将开挖机具用行车起吊，通过换向装置将其送入机具放置预留巷道，刀头置于机具一端，将机具切割面调至与被切割面平行，连通机具控制台电源及气路；

步骤二：顶紧气缸顶紧，推进气缸推进，让开挖机具紧贴被切割面；

步骤三：推进气缸、顶紧气缸复位，开挖电机、进给电机正转；

步骤四：刀头运动到机具的另一端，限位指示灯亮，开挖电机正转，进给电机反转，刀头退回原位；

步骤五：重复步骤二至步骤四，往复多次；

步骤六：开挖结束后，推进气缸推进，顶紧气缸顶紧，推进气缸回缩，实现开挖机具向后退出，利用换向装置使用行车将机具拉出；

步骤七：按程序卸载、关机；待各参数资料整理完毕后，拆除试件箱各部件，从上到下沿亚层面或层面逐层揭开试样，并使用3D激光扫描仪逐层全景扫描以获取表面形貌，最后通过图像处理软件并结合测试数据进行3D裂隙重构和数值模拟计算。

进一步优选为，所述步骤(8)中，按照现场掘进工作面的推进速度换算的切割速度模拟开挖，通过数据采集***采集岩层在开挖过程中不同岩层面的应力；

考虑到吸尘器集尘桶的容量及其在工作中温升的情况，开挖机具每工作一个进尺，进行吸尘器冷却，在试验过程中应及时手动清理扇叶上粉尘、集尘桶中岩粉，防止吸尘管堵塞。

本发明的有益效果：

1)能够真实模拟开采过程中井下岩体在水平动荷载扰动下的覆岩应力及变形特性，且设置在两个水平方向的动荷载加载液压缸能够实现不同水平方向的动荷载加载工作，动荷载加载方便，效果较好。

2)将光纤监测运用于室内大型三维相似模拟试验中，丰富试验数据，使多种监测手段相互对照分析，能够达到较好的试验研究效果。能够实现多种试验检测手段同步监测，所得试验数据齐全，信息量大，为研究采动影响下上覆岩层应力与变形特性提供试验条件和基础。

3)和已有的三维相似模拟***相比，通过三向静荷载加载液压缸与两向动荷载加载液压缸构成的反力***进行静荷载与动荷载的同时加载，能够更好的模拟三向应力加载条件下地质灾害更复杂、扰动应力频发的地下工程开挖过程，也为研究矿山开采过程中突发地震波对上覆岩层破断影响提供试验条件。

4)本发明基于现有的三向加载大型三维相似模拟试验***进行改进，在不改变现有模拟试验***的前提下，巧妙利用左静荷载加载液压缸的正下方的空间增加一排左动荷载加载液压缸、前静荷载加载液压缸的正下方的空间增加一排前动荷载加载液压缸，从而构成三向加载与定点动荷载相结合的大型三维相似模拟试验***，改造成本低，模拟试验效果更理想。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1的右视图。

图3是图1的俯视图。

图4是左静荷载加载液压缸、左动荷载加载液压缸的布置示意图。

图5是图3的E-E剖视图。

图6是图5的左视图。

图7是本发明中试件箱的结构示意图。

图8是图7的左视图。

图9是图7的俯视图。

图10是本发明中牵引机构的结构示意图。

图11是钻孔成像仪在煤层中的布置示意图。

图12是自制的离层计的结构示意图。

图13是离层计在煤层中的布置示意图。

图14是图13的I-I剖视图。

图15是某一岩层中的压力传感器布置示意图。

图16是底板煤柱的压力传感器布置示意图。

图17是声发射监测***检波孔布置示意图。

图18是光纤空间布置示意图。

图19是光纤布置俯视图。

图20是光纤布置主视图。

图21是光纤布置左视图。

其中：包括底座1、横梁2、左侧板3、右侧板4、前侧板5、后侧板6、左压座7、左压杆8、左压套9、前压座10、前压套11、前压杆12、左螺孔带13、右螺孔带14、前螺孔带15、后螺孔带16、第一中间螺孔带17、第二中间螺孔带18、传感器接线孔19、第一防干涉座20、第二防干涉座21、拉座22、反力池23、第一反力座24a、第二反力座24b、第三反力座24c、前动荷载加载液压缸25、侧承力架26、左静荷载加载液压缸27、反力架28、前立柱29、前静荷载加载液压缸30、第一垫板31、第二垫板32、后立柱33、上静荷载加载液压缸34、上压座35、减速机36、第一联轴器37、第一卷筒38、第二联轴器39、传动轴40、第三联轴器41、第二卷筒42、钢丝绳43、第一钢丝绳固定座44、第二钢丝绳固定座45、第一铰接座46、第二铰接座47铰接、第三铰接座48、第四铰接座49、油囊安装孔50、油缸支座51、油缸52、活塞杆53、推力支座54、试件箱顶部盖板55、离层计56、裂纹可视化监测孔57、煤层58、预留煤柱59、压力传感器60、煤层底板61、声发射监测***检波孔62、走向光纤63、倾向光纤64、垂直光纤65。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图，对本发明作进一步说明：

结合图1—图10所示，一种三向加载与定点动荷载相结合的大型三维相似模拟试验***，主要由试件箱和反力***两部分组成。

试件箱包括底座1，底座1的边缘设置有左螺孔带13、右螺孔带14、前螺孔带15和后螺孔带16，左螺孔带13、右螺孔带14、前螺孔带15和后螺孔带16构成正方形。

底座1在左螺孔带13处通过螺栓固定连接有左侧板3，在前螺孔带15处通过螺栓固定连接有前侧板5。右螺孔带14与左螺孔带13之间设置有两个第一中间螺孔带17，后螺孔带16与前螺孔带15之间设置有两个与第一中间螺孔带17垂直相接的第二中间螺孔带18；相接的第一中间螺孔带17、第二中间螺孔带18、左螺孔带13和前螺孔带15构成正方形。

右螺孔带14和两个第一中间螺孔带17上均可通过螺栓固定连接右侧板4。与右侧板4相接的后螺孔带16和两个第二中间螺孔带18上均可通过螺栓固定连接后侧板6。

本实施例中，当右侧板4设置于右螺孔带14、后侧板6设置于后螺孔带16，则各侧板与底座1可合围成一3000mm×3000mm×3000mm的立体空间；当右侧板4设置于靠右的第一中间螺孔带17、后侧板6设置于靠后的第二中间螺孔带18，则各侧板与底座1可合围成一2000mm×2000mm×2000mm的立体空间；当右侧板4设置于靠左的第一中间螺孔带17、后侧板6设置于靠前的第二中间螺孔带18，则各侧板与底座1可合围成一1000mm×1000mm×1000mm的立体空间。

本实施例中，各侧板为可通过螺栓连接的分体式结构，以便于试件箱拼接成不同的尺寸。

在其它具体实施方式中，可根据需要灵活设置第一中间螺孔带17和第二中间螺孔带18的位置，以使试件箱拼接为其他尺寸或其他形状。

后侧板6上设置有传感器接线孔19，后侧板6的外侧间隔固定有第一垫板31。

左侧板3的内侧通过螺栓固定连接有左压座7，左侧板3上按均分区域设置有左压套9；左压座7上固定有数量和位置与左压套9相对应的左压杆8，左压杆8穿出左压套9。左侧板3为3000mm×3000mm，其可均分为9个1000mm×1000mm的区域，每个区域设置有两个左压套9。

前侧板5的内侧通过螺栓固定连接有前压座10，前侧板5上按均分区域设置有前压套11；前压座10上固定有数量和位置与前压套11相对应的前压杆12，前压杆12穿出前压套1。前侧板5为3000mm×3000mm，其可均分为9个1000mm×1000mm的区域，每个区域设置有两个前压套11。

左压座7与前压座10间隔设置。

反力***包括位于地面下的混凝土反力池23，反力池23的底部固定连接的第一反力座24a，第一反力座24a的右侧设置有第二反力座24b，第二反力座24b与反力池23的底部固定，并同时与第一反力座24a通过螺栓固定连接。

反力池23在试件箱的左侧设置有与第一反力座24a固定连接，并且紧靠混凝土墙面的侧承力架26。侧承力架26上固定有数量和位置与左压杆8相对应的左静荷载加载液压缸27。反力池23在试件箱的右侧设置有与第二反力座24b螺栓连接的反力架28，反力架28与试件箱通过螺栓固定连接。

第一反力座24a的前部固定有前立柱29，前立柱29的一端面紧靠反力池23的混凝土墙面，另一端面固定有数量和位置与前压杆12相对应的前静荷载加载液压缸30。

第一反力座24a的后部固定有后立柱33，后立柱33的一端面紧靠反力池23的混凝土墙面，另一端面固定有数量和位置与第一垫板31相对应、并紧贴第一垫板31的第二垫板32。

前立柱29和后立柱33通过上方固定的横梁2连接为一体结构，横梁2上均布设置有与试件箱相对的上静荷载加载液压缸34。

三向加载大型三维相似模拟试验***还包括上压座35。进行相似模拟试验时，上压座35将上静荷载加载液压缸34的加载力传递至试件箱内的相似材料上。上压座35包括上板和底板，上板和底板通过立板连接为一体结构，立板上设置有筋板。

在高度方向上，前压座10与左压座7的转角处放置有与前压座10和左压座7接触的第一防干涉座20，左压座7的内侧放置有第二防干涉座21，第一防干涉座20和第二防干涉座21间隔设置。

第一防干涉座20远离左压座7一端为楔形结构；第一防干涉座20的顶端为楔形结构；第二防干涉座21靠近前压座10一端为楔形结构。

为便于试件箱的移入和移出，第一反力座24a上设置有滚动导轨。试件箱可放置在滚动导轨上，并在箱体左右两侧分别设置牵引装置，该牵引装置设有两根长度相等的牵引钢丝绳，该钢丝绳通过挂钩与试件箱相连，牵引装置通过电机带动，并牵引试件箱，为箱体移入和移出提供动力。

底座1的左右两侧均间隔设置有两个拉座22；在试件箱的左右两侧设置有与拉座22相对应的牵引机构。牵引机构包括减速机36，减速机36通过第一联轴器37与第一卷筒38的第一端连接，第一卷筒38的第二端通过第二联轴器39、传动轴40和第三联轴器41与第二卷筒42联接。第一卷筒38和第二卷筒42上缠绕有可与拉座22连接的钢丝绳43。

第二反力座24b的前侧设置有可固定第一卷筒38的钢丝绳的第一钢丝绳固定座44；第二反力座24b的后侧设置有可固定第二卷筒42的钢丝绳的第二钢丝绳固定座45。

第二反力座24b的右侧设置有第三反力座24c，第三反力座24c与反力池23的池底固定，并同时与第二反力座24b通过螺栓固定连接。

第三反力座24c的右端间隔设置有第一铰接座46和第二铰接座47，底座1的右端设置可分别与第一铰接座46、第二铰接座47铰接的第三铰接座48和第四铰接座49。

反力池23在第三反力座24c靠近第二反力座24b一侧的前后两端分别设置有油缸支座51，油缸支座51上铰接有油缸52。油缸52的活塞杆53端部铰接有推力支座54，推力支座54可与试件箱的底座1连接。

为模拟煤层开挖过程，前侧板5和后侧板6上对应设置有一列油囊安装孔50。

以上所述与现有的三向加载大型三维相似模拟试验***相同，区别在于：

每列左静荷载加载液压缸27的正下方设置有一个左动荷载加载液压缸，且左动荷载加载液压缸固定在侧承力架26上；每列前静荷载加载液压缸30的正下方设置有一个前动荷载加载液压缸25，且前动荷载加载液压缸25固定在前立柱29上。

本发明的关键点在于：(1)在左、前、上静荷载加载液压缸的基础上增加左、前动荷载加载液压缸。换言之：静荷载加载液压缸进行三向加载，而动荷载加载液压缸进行两向加载。(2)每列左静荷载加载液压缸对应设置一个左动荷载加载液压缸，每列前静荷载加载液压缸对应设置一个前动荷载加载液压缸。换言之：左静荷载加载液压缸可以有多列，但每列左静荷载加载液压缸只能对应设置一个左动荷载加载液压缸；前静荷载加载液压缸可以有多列，但每列前静荷载加载液压缸只能对应设置一个前动荷载加载液压缸。(3)左动荷载加载液压缸位于左静荷载加载液压缸的正下方，前动荷载加载液压缸位于前静荷载加载液压缸的正下方。换言之：左侧施加静荷载时，不能右侧施加动荷载，且左侧施加静荷载与左侧施加动荷载必须在同一纵列，不能前后错位；前侧施加静荷载时，不能后侧施加动荷载，且前侧施加静荷载与前侧施加动荷载必须在同一纵列，不能左右错位。

最好是，左静荷载加载液压缸27共三列，每列左静荷载加载液压缸27共五个，相应地，左动荷载加载液压缸共三个，位于同一列的左静荷载加载液压缸27与左动荷载加载液压缸由上到下依次等距间隔设置。前静荷载加载液压缸30共三列，每列前静荷载加载液压缸30共五个，相应地，前动荷载加载液压缸25共三个，位于同一列的前静荷载加载液压缸30与前动荷载加载液压缸25由上到下依次等距间隔设置。

一种基于三向加载与定点动荷载相结合的大型三维相似模拟试验***的覆岩应力与变形特性试验方法，包括以下步骤：

(1)试样制备

将试件箱倾斜，使试件箱的倾角等于矿层倾角；

(2)测点布置

根据所需模拟的矿层在实际工程中的地应力分布情况，采用数值计算的方法对地应力进行数值模拟，根据模拟结果设置各测点的位置；

(3)相似材料制备

对相似模拟范围内的实际工程概况中各地层岩石进行力学参数测试，按照合适的几何相似比和强度相似比计算出各模型岩石的所需强度，并根据该强度选择合适的河砂、石膏和水泥的比例，以配比比例来对各岩层进行相似材料制备；

(4)材料计算

根据几何相似比计算得到各岩层模型的体积，再根据模型岩层的容重计算出对应模型岩层的总重量，根据材料配比的比例关系得出各岩层所需的材料数量，最终求出该模型试验所需的材料总量；

(5)岩层铺设

根据步骤(4)中计算得到的各岩层各材料组分的重量，将所需材料搅拌均匀后，按照岩层顺序进行逐层铺设，直到所有模拟地层铺设完毕，并安装相应的监测仪及传感器，包括钻孔成像仪、离层计、应力传感器、声发射监测***、地质雷达、姿态角传感器和传感光纤；

裂纹可视化监测：根据试件箱顶部盖板55预留孔的位置，选择5个预留孔作为裂纹可视化监测孔57，各裂纹可视化监测孔57在煤层58中竖直布置，一个监测孔位于试件箱顶部盖板55中央位置，使最终沿走向及倾向各有3个钻孔成像仪的电视窥视孔，沿走向或倾向各孔之间间距50cm；如图11所示。

需要钻孔成像仪1台，透明有机玻璃管材5根(每根3m，内径40mm)，根据所需长度进行截取切割。

位移监测：随着开采不断推进，岩层中逐渐形成“三带”，即垮落带、裂隙带和弯曲下沉带。通过计算得到各变形带的垂直深度范围，设计采用自制岩层离层计进行岩层位移监测。在岩层中埋设离层计进行岩层位移监测，沿垂直深度布置4层离层计56，布置位置分别为垮落带中下部、垮落带与裂隙带边界处、裂隙带中部、弯曲变形带中部，离层计沿岩层倾向布置若干条测线，各测线间距50cm，每条测线沿走向布置5个离层计，各离层计间距50cm，共需离层计100个。煤层开采过程各布置点的位移变化情况将通过各离层计进行实时监测并采集。

图12所示为自制离层计的结构示意图，由定滑轮56a、细钢丝线56b、毛细线56c、固定托盘56d、千分尺56e组成。细钢丝线56b的一端通过毛细线56c***安装，毛细线56c外分段安装有固定托盘56d，细钢丝线56b的另一端绕过两个水平间隔设置的定滑轮56a后，通过挂钩安装有若干个千分尺56e。图13、图14为离层计56在煤层58中的布置示意图，煤层58中设置有预留煤柱59。

应力监测：在岩层中埋设应力传感器进行应力监测，最好采用有线应力传感器与无线应力传感器相结合的方法进行煤层开采过程中的应力测量工作，传感器测试范围0-3MPa,测量精度±0.5％。

应力传感器紧邻离层计布置，每个离层计对应设置有一个应力传感器，应力传感器的压力盒与离层计安装位置间隔4～6cm，岩层在采动过程的应力变化情况通过压力传感器实时监测并采集。即根据“三带”分布情况，应力传感器垂直深度布置4层，布置位置分别为垮落带中下部、垮落带与裂隙带边界处、裂隙带中部、弯曲变形带中部。各层压力传感器沿倾向布置5条测线，各测线间距50cm，每条测线沿走向布置5个压力传感器，各压力传感器间距50cm。设计共需离层计100个，此外，由数值计算可知，在煤层开采过程中，煤层两翼存在明显的增压区，因此为监测煤层开采过程中增压区应力变化规律，拟在与煤层所处统一深度的煤柱中埋设应力传感器，如附图15和附图16所示。如上所述，设计共需要应力传感器120个，其中有线压力传感器105个，无线传感器15个。

微震监测：为了能够监测模拟煤层开采全过程的微震信号，需使微震检测***在整个过程中相对稳定，检波孔不宜太深也不宜靠近采区移动带，因此综合考虑以上因素后，在相似模型试件箱的顶部盖板55上布置四个检波孔62，作为声发射监测***的检波孔用于监测岩层开采全过程的微震信号。检波孔布置在靠近试件箱箱体边缘处，距离箱体边缘25±5cm，深度为1.2～2m，根据各检波孔深度制备相应长度的PVC管，管径为50±10mm，如图17所示。

地质雷达监测：在试件箱箱体最上方安装地质雷达进行监测，每隔1.5～2m布置一条测线，共2条。

岩体倾角监测：姿态角传感器布置两层，分别布置在计算得出的裂隙带底部和弯曲变形带中部岩层。其中，裂隙带底部岩层中走向和倾向分别布置2个姿态角传感器；弯曲下层带中部岩层沿走向和倾向各1个姿态角传感器；共计6个。

光纤监测：分别沿岩层走向、倾向和法向布置传感光纤进行应力监测，煤层上方岩层共布置8个光纤水平面，其中走向与倾向交替布置；煤层下方底板位置布置2个光纤水平面，走向和倾向各布置一个光纤平面，上述每个水平面内布置5条光纤，间距50cm；法向光纤布置5个切面，每个切面布置5条光纤，相邻光纤间隔50cm，布置过程中光纤转弯半径需大于10cm；采用NBX-6055分布式光纤应力分析仪，但不限于此。走向光纤63、倾向光纤64、垂直光纤65在煤层58中的布置如图18—图21所示。

(6)试件箱复位

待相似材料干燥后，将试件箱回复到水平位置。

(7)试验加载

以上下方向为Z向，左右方向为X向，前后方向为Y向，采用力控制方式进行三向加载，对X向水平加载静载荷和动载荷、Y向水平加载静载荷和动载荷、Z向垂直加载静载荷；同时加载X向和Y向，然后加载Z向，直至三向加载压力达到预定值，该预定值为工况现场实测的地应力，三向应力加载速率恒定，加载结束后记录各离层计的位置。

(8)煤层开挖

开挖过程中，测控***通过钻孔成像仪、离层计、应力传感器、声发射监测***、地质雷达、姿态角传感器和光纤应力分析仪实时监测覆岩应力与变形特性。利用钻孔成像仪观测裂隙的分布范围、破断、离层、单位厚度岩层内离层裂隙的高度、单位厚度的裂隙条数，同时使用地质雷达定时监测采空区上覆岩层裂隙场。

所述步骤(8)的煤层开挖步骤如下：

步骤一：打开箱体一侧堵板，将开挖机具用行车起吊，通过换向装置将其送入机具放置预留巷道，刀头置于机具一端，将机具切割面调至与被切割面平行，连通机具控制台电源及气路；

步骤二：顶紧气缸顶紧，推进气缸推进，让开挖机具紧贴被切割面；

步骤三：推进气缸、顶紧气缸复位，开挖电机、进给电机正转，开挖转速200r/min，进给电机6r/min；

步骤四：刀头运动到机具的另一端，限位指示灯亮，开挖电机正转，进给电机反转，刀头退回原位；

步骤五：重复步骤二至步骤四，开挖机具单次进尺10mm，往复多次；

现场工作面采用“三八”作业制，两个班生产，一个班检修，现计算如下：

每天工作时间T＝16h/天；

经过时间相似比换算得模型有效开挖时间

日进尺L＝2m；

经过尺寸相似比换算成模型开挖日进尺

机具单次开挖进尺l′＝10mm；

刀具满负荷工作刀数n＝l/l′＝50/10＝5刀/天；

单次开挖循环耗时

这与调试阶段，开挖刀具转速为200r/min，进给电机显示5r/min时对应刀具进给速度开挖一次所需时间22min较为吻合。

步骤六：开挖结束后，推进气缸推进，顶紧气缸顶紧，推进气缸回缩，实现开挖机具向后退出10mm，利用换向装置使用行车将机具拉出；

步骤七：按程序卸载、关机；待各参数资料整理完毕后，拆除试件箱各部件，从上到下沿亚层面或层面逐层揭开试样，并使用3D激光扫描仪逐层全景扫描以获取表面形貌，最后通过图像处理软件并结合测试数据进行3D裂隙重构和数值模拟计算。

所述步骤(8)中，按照现场掘进工作面的推进速度换算的切割速度模拟开挖，通过数据采集***采集岩层在开挖过程中不同岩层面的应力；

考虑到吸尘器集尘桶的容量及其在工作中温升的情况，开挖机具每工作一个进尺，进行吸尘器冷却2/9h≈13.3min，集尘桶最多容纳6个开挖进尺产生的岩粉，因此，在试验过程中应及时手动清理扇叶上粉尘、集尘桶中岩粉，防止吸尘管堵塞。

Claims (4)

1.一种基于相似模拟试验***的覆岩应力与变形特性试验方法，其特征在于，所述相似模拟试验***为三向加载与定点动荷载相结合的大型三维相似模拟试验***，包括左静荷载加载液压缸、前静荷载加载液压缸、上静荷载加载液压缸；每列所述左静荷载加载液压缸的正下方设置有一个左动荷载加载液压缸，且左动荷载加载液压缸固定在侧承力架上；每列所述前静荷载加载液压缸的正下方设置有一个前动荷载加载液压缸，且前动荷载加载液压缸固定在前立柱上；

所述覆岩应力与变形特性试验方法包括以下步骤：

(1)试样制备

将试件箱倾斜，使试件箱的倾角等于矿层倾角；

(2)测点布置

根据所需模拟的矿层在实际工程中的地应力分布情况，采用数值计算的方法对地应力进行数值模拟，根据模拟结果设置各测点的位置；

(3)相似材料制备

对相似模拟范围内的实际工程概况中各地层岩石进行力学参数测试，按照合适的几何相似比和强度相似比计算出各模型岩石的所需强度，并根据该强度选择合适的河砂、石膏和水泥的比例，以配比比例来对各岩层进行相似材料制备；

(4)材料计算

根据几何相似比计算得到各岩层模型的体积，再根据模型岩层的容重计算出对应模型岩层的总重量，根据材料配比的比例关系得出各岩层所需的材料数量，最终求出该模型试验所需的材料总量；

(5)岩层铺设

根据步骤(4)中计算得到的各岩层各材料组分的重量，将所需材料搅拌均匀后，按照岩层顺序进行逐层铺设，直到所有模拟地层铺设完毕，并安装相应的监测仪及传感器，包括钻孔成像仪、离层计、应力传感器、声发射监测***、地质雷达、姿态角传感器和传感光纤；

根据试件箱顶部盖板预留孔的位置，选择5个预留孔作为裂纹可视化监测孔，各监测孔竖直布置，一个监测孔位于箱体顶部盖板中央位置，使最终沿走向及倾向各有3个钻孔成像仪的电视窥视孔，沿走向或倾向各孔之间间距50±5cm；

在岩层中埋设离层计进行岩层位移监测，沿垂直深度布置4层离层计，布置位置分别为垮落带中下部、垮落带与裂隙带边界处、裂隙带中部、弯曲变形带中部，离层计沿岩层倾向布置若干条测线，各测线间距50±5cm，每条测线沿走向布置4～6个离层计，各离层计间距50±5cm，煤层开采过程各布置点的位移变化情况将通过各离层计进行实时监测并采集；

在岩层中埋设应力传感器进行应力监测，应力传感器紧邻离层计布置，每个离层计对应设置有一个应力传感器，应力传感器的压力盒与离层计安装位置间隔4～6cm，岩层在采动过程的应力变化情况通过压力传感器实时监测并采集；

在相似模型试件箱的顶部盖板上布置四个检波孔，作为声发射监测***的检波孔用于监测岩层开采全过程的微震信号，检波孔布置在靠近试件箱箱体边缘处，距离箱体边缘25±5cm，深度为1.2～2m，根据各检波孔深度制备相应长度的PVC管，管径为50±10mm；

在试件箱箱体最上方安装地质雷达进行监测，每隔1.5～2m布置一条测线，共2条；

在裂隙带底部和弯曲变形带中部岩层中分别埋设姿态角传感器，裂隙带底部岩层中走向和倾向分别布置2个姿态角传感器；弯曲变形带中部岩层沿走向和倾向各1个姿态角传感器；

分别沿岩层走向、倾向和法向布置传感光纤进行应力监测，煤层上方岩层共布置8个光纤水平面，其中走向与倾向交替布置；煤层下方底板位置布置2个光纤水平面，走向和倾向各布置一个光纤平面，上述每个水平面内布置4～6条光纤，间距50±5cm；法向光纤布置5个切面，每个切面布置4～6条光纤，相邻光纤间隔50±5cm，布置过程中光纤转弯半径需大于10cm；

(6)试件箱复位

待相似材料干燥后，将试件箱回复到水平位置；

(7)试验加载

以上下方向为Z向，左右方向为X向，前后方向为Y向，采用力控制方式进行三向加载，对X向水平加载静载荷和动载荷、Y向水平加载静载荷和动载荷、Z向垂直加载静载荷；同时加载X向和Y向，然后加载Z向，直至三向加载压力达到预定值，该预定值为工况现场实测的地应力，三向应力加载速率恒定，加载结束后记录各离层计的位置；

(8)煤层开挖

开挖过程中，测控***通过钻孔成像仪、离层计、应力传感器、声发射监测***、地质雷达、姿态角传感器和光纤应力分析仪实时监测覆岩应力与变形特性。

2.按照权利要求1所述的基于相似模拟试验***的覆岩应力与变形特性试验方法，其特征在于，所述步骤(8)的煤层开挖步骤如下：

步骤一：打开箱体一侧堵板，将开挖机具用行车起吊，通过换向装置将其送入机具放置预留巷道，刀头置于机具一端，将机具切割面调至与被切割面平行，连通机具控制台电源及气路；

步骤二：顶紧气缸顶紧，推进气缸推进，让开挖机具紧贴被切割面；

步骤三：推进气缸、顶紧气缸复位，开挖电机、进给电机正转；

步骤四：刀头运动到机具的另一端，限位指示灯亮，开挖电机正转，进给电机反转，刀头退回原位；

步骤五：重复步骤二至步骤四，往复多次；

步骤六：开挖结束后，推进气缸推进，顶紧气缸顶紧，推进气缸回缩，实现开挖机具向后退出，利用换向装置使用行车将机具拉出；

步骤七：按程序卸载、关机；待各参数资料整理完毕后，拆除试件箱各部件，从上到下沿亚层面或层面逐层揭开试样，并使用3D激光扫描仪逐层全景扫描以获取表面形貌，最后通过图像处理软件并结合测试数据进行3D裂隙重构和数值模拟计算。

3.按照权利要求1所述的基于相似模拟试验***的覆岩应力与变形特性试验方法，其特征在于：所述步骤(8)中，按照现场掘进工作面的推进速度换算的切割速度模拟开挖，通过数据采集***采集岩层在开挖过程中不同岩层面的应力；

考虑到吸尘器集尘桶的容量及其在工作中温升的情况，开挖机具每工作一个进尺，进行吸尘器冷却，在试验过程中应及时手动清理扇叶上粉尘、集尘桶中岩粉，防止吸尘管堵塞。

4.按照权利要求1所述的基于相似模拟试验***的覆岩应力与变形特性试验方法，其特征在于：所述离层计由定滑轮(56a)、细钢丝线(56b)、毛细线(56c)、固定托盘(56d)、千分尺(56e)组成，细钢丝线(56b)的一端通过毛细线(56c)***安装，毛细线(56c)外分段安装有固定托盘(56d)，细钢丝线(56b)的另一端绕过两个水平间隔设置的定滑轮(56a)后，通过挂钩安装有若干个千分尺(56e)。

Images