CN111119879B - 反演围岩应力变化相似材料模拟试验***及使用方法 - Google Patents
反演围岩应力变化相似材料模拟试验***及使用方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种反演围岩应力变化相似材料模拟试验***及使用方法，该***包括：框架结构单元，用于分层铺设相似材料；应力加载单元，用于对相似材料施加应力；钻进***单元，用于对相似材料进行不同位置的钻进；监测单元，用于监测相似材料内部的应力状况及钻进***单元的控制参数，并生成监测数据；控制单元，分别控制应力加载单元和钻进***单元，且控制单元还用于收集监测数据并进行分析。本发明可从理论上掌握钻机的响应特征与煤(岩)体应力之间的关系，建立特定地质及岩性条件下的关系式，通过这一关系式即可在现场钻进过程中钻进参数变化反演现场工程煤(岩)体的应力特征，从而实现对煤岩体高应力危险区域进行圈定。
Description
技术领域
本发明涉及矿山开采技术领域，尤其涉及一种反演围岩应力变化相似材料模拟试验***及使用方法。
背景技术
矿山开发过程中，冲击地压等煤矿动力灾害事故时常发生，且伴随开采深度和开发强度的增加愈演愈烈，成为深部矿井安全高效开采的一大威胁。若能准确预测井下采掘过程中冲击危险性，将为实施卸压解危措施提供可靠依据，具有重大实际应用价值。目前，对深部矿井冲击地压危险区域进行预测的方法主要有微震法、电磁辐射法、钻屑法等。钻屑法是根据排出煤粉量及其变化规律和有关动力效应来鉴别冲击危险性的方法，因投入少、技术简单，常作为冲击危险监测、进一步确认和解危效果检验的辅助手段。然而这种方法主要依赖工人操作经验，难以实现自动、智能预测，也缺乏严格理论支撑，若能建立钻孔过程中钻杆推力、扭矩等参数变化规律与围岩应力变化之间的关系，即可在此基础上预测冲击危险性，极大丰富冲击地压的预测手段。同时，钻孔卸压作为冲击地压卸压解危的一种主要手段，现场往往需要打多个钻孔，根据钻进参数与围岩应力关系能实现冲击危险性实时自动准确预警，具有重要意义。
现有通过钻机响应特征反演煤岩体应力研究多集中于现场实践，缺乏严格理论支撑，目前还没有关于钻进参数和围岩应力的定量换算关系。且在现场实践过程中许多参数难以获取有效值，如采动应力变化实时准确监测难度很大，也就无法得出钻进参数和围岩应力的关系。相似材料模拟作为岩土工程和采矿工程研究过程的重要试验手段，近年来已经成为国内外进行重大岩体工程可行性研究不可缺少的方法之一。相似材料模拟试验是在试验室利用相似材料，依据现场柱状图和煤岩体物理力学性质，按照相似理论和相似准则，制作与现场相似的模型然后进行模拟的试验，可为现场提供决策依据。目前国内外研发了多种相似材料试验***，如：
中国发明专利“201811386851.9”公开了一种可旋转相似材料模拟试验装置，可实现倾斜煤层的相似材料模拟；国家发明专利“201711144603.9”公开了一种动静组合载荷下巷道支护体力学模拟试验台，该试验台虽然可实现巷道围岩和支护体受力的相似材料模拟，但是它主要围绕模拟现场围岩应力与倾角进行试验，无法实施钻孔，无法研究钻进参数与围岩应力之间的关系。
中国发明专利“201410831360.6”公开了一种三向精确定位相似模拟巷道微型钻机，该钻机虽然可在相似材料巷道中进行模拟钻孔，但是只能按照固定的钻进参数进行钻孔，也无法对钻进过程中钻机动力、推力、钻杆扭矩等参数进行实时监测，更无法研究钻进参数与围岩应力之间的关系。
发明内容
本发明主要是解决现有技术中所存在的技术问题，从而提供一种可以获得不同应力状态及岩性条件下钻进参数变化规律，建立煤(岩)体应力状态与钻进参数定量关系的反演围岩应力变化相似材料模拟试验***及使用方法。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
本发明提供的反演围岩应力变化相似材料模拟试验***，其包括：
框架结构单元，用于分层铺设相似材料；
应力加载单元，用于对所述相似材料施加应力；
钻进***单元，用于对所述相似材料进行不同位置的钻进；
监测单元，用于监测相似材料内部的应力状况及钻进***单元的控制参数，并生成监测数据；
控制单元，分别控制所述应力加载单元和钻进***单元，且所述控制单元还用于收集所述监测数据并进行分析。
进一步地，所述框架结构单元包括由底座、左右反力墙、顶部横梁、后部反力墙、左右侧位限位板和前部反力挡板，所述底座、左右反力墙、顶部横梁、后部反力墙围合成前部开口的腔体，所述左右侧位限位板设置在所述腔体内，且位于所述底座的左右两侧，所述前部反力挡板的两端分别与所述左右侧位限位板固定连接，所述底座的上表面设有工作台，所述相似材料分层铺设在所述工作台上，且相似材料位于所述左右侧位限位板、前部反力挡板和后部反力墙围合成的凹槽内部。
进一步地，所述前部反力挡板上开设有多个螺纹孔，所述螺纹孔上封堵有螺栓。
进一步地，所述应力加载单元包括分别设置在所述左右反力墙、顶部横梁和后部反力墙上的左右加载油缸、顶部加载油缸和后部加载油缸，所述左右加载油缸分别穿过所述左右侧位限位板后与左右充液橡胶板相连接，所述左右充液橡胶板与所述相似材料的左右两侧相接触；所述顶部加载油缸和后部加载油缸分别经顶部充液橡胶板和后部充液橡胶板与所述相似材料的顶部和后部相接触。
进一步地，所述钻进***单元包括：
上下位置调节机构，包括上下位移伺服电机和上下位移螺纹杆，所述上下位移螺纹杆对称设置在所述前部反力挡板的外部左右两侧，所述上下位移伺服电机连接在所述上下位移螺纹杆上，且可沿所述上下位移螺纹杆上下移动；
左右位置调节机构，包括左右位移伺服电机和左右位移螺纹杆，所述左右位移螺纹杆水平连接在上下位移伺服电机上，所述左右位移伺服电机连接在所述左右位移螺纹杆，且可沿所述左右位移螺纹杆左右移动；
钻进机构，设置在所述左右位移伺服电机上，所述钻进机构包括钻进位移伺服电机、钻进位移螺纹杆、转速伺服电机，钻杆夹持装置、钻杆和钻头，所述钻进位移伺服电机与所述钻进位移螺纹杆相连接，所述转速伺服电机与所述钻杆相连接，且所述钻杆的两端分别与所述钻杆夹持装置和钻头相连接。
进一步地，所述钻杆的两端分别设有螺纹凸起和螺纹凹槽，相邻两个钻杆的所述螺纹凸起和所述螺纹凹槽相配合。
进一步地，所述监测单元包括应力监测膜、应力监测器、位移监测器、转速监测器、信号中继器、信号收集器；
所述应力监测膜设置在相似材料中；
所述应力监测器布置在最前部钻杆与钻头连接部位；
所述位移监测器分别设置在上下位移伺服电机、左右位移伺服电机和钻进位移伺服电机的内部；
所述转速监测器设置在转速伺服电机与钻杆夹持装置的连接部位；
所述信号中继器通过无线信号接收所述应力监测器的监测信号；
所述信号收集器分别与所述应力监测膜、位移监测器、信号中继器、转速监测器和控制单元相连接。
进一步地，所述控制单元包括计算机与电液伺服控制***。
本发明提供的反演围岩应力变化相似材料模拟试验***的使用方法，其包括以下步骤：
S1、模型设计：按照相似理论、原型条件及模拟目的，选择并确定相似比，计算并确定相似材料中各模拟岩层厚度和材料配比，以模拟现场地质状况；
S2、铺设相似材料模拟现场某一区域岩层，完成后晾干；
S3、对所述相似材料施加应力，由应力监测膜实时监测加载过程中围岩应力；
S4、设置钻进参数，并按照设定参数进行钻进，具体钻进方法是：
S41、通过所述计算机预设的钻进位置，由上下位移伺服电机通过上下位移螺纹杆控制钻头的上下位移，由左右位移伺服电机通过左右位移螺纹杆控制钻头的左右位移，通过位移监测器监测钻头移动到钻进的指定位置；
S42、完成钻进位置的定位；
S43、打开前部反力挡板上与钻头位置相对的螺纹孔上的螺栓；
S44、设置钻头的目标钻压或钻进的轴向进速，以及转速伺服电机的转速，然后钻进位移伺服电机通过钻进位移螺纹杆控制钻头的轴向进速，钻杆夹持装置后部与转速伺服电机连接控制钻头的转速，按照设置的轴向进速和转速开始钻进，并通过位移监测器监测钻进速度。
S45、钻进过程中，应力监测器实时监测钻头的钻压与扭矩，并通过无线信号发送给信号中继器，转速监测器实时监测钻头的钻进的轴向进速和转速；
S46、钻进完成后，停止转速伺服电机的旋转，将转速伺服电机的退位到初始位置。
S5、调整钻进参数，直至完成同一岩层所需的不同位置的钻进；
S6、对监测单元采集到的围岩应力监测数据以及钻进参数(钻进参数包括钻头钻压与扭矩，以及钻头的轴向进速和转速)进行分析，得出该岩层钻进参数与围岩应力的对应关系；
S7、重复步骤S1-S 6，得到现场所有岩层的钻进参数与围岩应力的对应关系，也就是说获得不同应力状态及岩性条件下钻进参数变化规律；
S8、根据试验***得到的不同应力状态及岩性条件下钻进参数变化规律，可以反推出现场不同应力状态及岩性条件下钻进参数变化规律。
进一步地，所述步骤S2包括：
S21、根据需要模拟的煤层厚度，加装前部反力挡板，在工作台上铺设相似材料并夯实；
S22、将相似材料按照现场地质情况从下往上依次铺设，并在需要监测的层位铺设应力监测膜，同时，将前部反力挡板依次从下往上安装好，铺设完成后将相似材料晾干。
进一步地，所述步骤S3包括：通过控制单元的计算机设定各个方向的补偿压力值，由控制单元的电液伺服控制***控制应力加载单元进行加载，对相似材料的前后、左右、上下方向施加应力。
进一步地，所述步骤S5包括：设置其它目标钻压、钻进的轴向进速，或维持原有设定参数并将钻头调整到其他位置进行钻进，直至完成所需的不同位置的钻进。
本发明的有益效果在于：
1.设置了钻进***单元，包括上下位置调节机构、左右位置调节机构，可实现钻机的钻头在相似材料试验体钻进位置的精准定位；钻进机构通过钻进位移伺服电机以及转速伺服电机分别独立控制钻头钻进的轴向进速及转速，使得钻头钻进更加精准。
2.应力加载单元的各油缸端部，分别设置了充液橡胶板，有效避免了其三个加载方向上的互相干扰，减小了边界效应的影响，可以实现相似材料的三维主动加载。
3.本发明采用计算机控制电液伺服控制***，可完成钻进位置以及钻进参数的精准调节与记录；计算机对信号收集器传回的监测信号进行处理分析，可实时调节电液伺服控制***的动力输出，使位移伺服电机的轴向进速达到设定的钻压值或位移值，完成恒力钻进与恒速钻进两种钻进方式；此外采用计算机控制的电液伺服控制***具有使用简单方便，测量精度高等优点。
4.通过相似材料铺设的模拟模型建立，可实现试验室内仿真不同应力状态下钻机的响应机制，通过分析不同围岩应力状态下钻机的钻杆转速、扭矩以及钻头钻压、钻进的轴向进速的响应特征，可从理论上掌握钻机的响应特征与煤(岩)体应力之间的关系，建立特定地质及岩性条件下的关系式，通过这一关系式即可在现场钻进过程中钻进参数变化反演现场工程煤(岩)体的应力特征，从而实现对煤岩体高应力危险区域进行圈定，对现场有着较好的指导意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的反演围岩应力变化相似材料模拟试验***的结构示意图；
图2是本发明的反演围岩应力变化相似材料模拟试验机的平面图；
图3是本发明的反演围岩应力变化相似材料模拟试验机的右侧剖视图；
图4是本发明的反演围岩应力变化相似材料模拟试验***的钻进机构的结构示意图；
图5是本发明的反演围岩应力变化相似材料模拟试验***的钻杆半剖图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
参阅图1-5所示，本发明的反演围岩应力变化相似材料模拟试验***，其包括：
框架结构单元1，用于分层铺设相似材料6；
应力加载单元2，用于对相似材料6施加应力；
钻进***单元3，用于对相似材料6进行不同位置的钻进；
监测单元4，用于监测相似材料6内部的应力状况及钻进***单元3的控制参数，并生成监测数据；
控制单元5，分别控制应力加载单元2和钻进***单元3，且控制单元5还用于收集监测数据并进行分析。
本发明中，框架结构单元1包括由底座11、左右反力墙12、顶部横梁13、后部反力墙14、左右侧位限位板15和前部反力挡板16，底座11、左右反力墙12、顶部横梁13、后部反力墙14围合成前部开口的腔体，左右侧位限位板15设置在腔体内，且位于底座11的左右两侧，前部反力挡板16的两端分别与左右侧位限位板15固定连接，底座11的上表面设有工作台17，相似材料6分层铺设在工作台17上，且相似材料6位于左右侧位限位板15、前部反力挡板16和后部反力墙14围合成的凹槽内部。优选地，为了便于铺设不同高度的相似材料6，前部反力挡板16可由多个前部反力挡板本体并排排列而成。
优选地，为了便于钻头对相似材料6的钻进，前部反力挡板16上开设有多个螺纹孔，螺纹孔上封堵有螺栓18，当使用钻头进行钻进时，只需打开相应位置的螺栓18即可，实现了在三维加载状态下钻头的钻进过程。
本发明中，应力加载单元2包括分别设置在左右反力墙12、顶部横梁13和后部反力墙14上的左右加载油缸21、顶部加载油缸22和后部加载油缸23，左右加载油缸21分别穿过左右侧位限位板15后与左右充液橡胶板24相连接，左右充液橡胶板24与相似材料6的左右两侧相接触；顶部加载油缸22和后部加载油缸23分别经顶部充液橡胶板25和后部充液橡胶板26与相似材料6的顶部和后部相接触。本发明中，通过左右加载油缸21、顶部加载油缸22和后部加载油缸23的作用，即可驱动左右充液橡胶板24、顶部充液橡胶板25和后部充液橡胶板26挤压相似材料6的左右两侧、顶部和后部，实现多个方向的应力施加。
本发明的钻进***单元3包括：
上下位置调节机构，包括上下位移伺服电机31和上下位移螺纹杆32，上下位移螺纹杆32对称设置在前部反力挡板16的外部左右两侧，上下位移伺服电机31连接在上下位移螺纹杆32上，且可沿上下位移螺纹杆32上下移动；
左右位移调节机构，包括左右位移伺服电机33和左右位移螺纹杆34，左右位移螺纹杆34水平连接在上下位置伺服电机31上，左右位移伺服电机33连接在左右位移螺纹杆34，且可沿左右位移螺纹杆34左右移动；
钻进机构，设置在左右位移伺服电机33上，钻进机构包括钻进位移伺服电机35、钻进位移螺纹杆36、转速伺服电机37，钻杆夹持装置38、钻杆39和钻头310，钻进位移伺服电机35与钻进位移螺纹杆36相连接，转速伺服电机37与钻杆39相连接，且钻杆39的两端分别与钻杆夹持装置38和钻头310相连接。
本发明中，上下位移伺服电机31通过上下位移螺纹杆32控制钻头310的上下位移，左右位移伺服电机33通过左右位移螺纹杆34控制钻头310的左右位移，钻进位移伺服电机35通过钻进位移螺纹杆36控制钻头310的轴向进速，钻杆夹持装置38后部与转速伺服电机37连接控制钻头310的转速。
优选地，钻杆39的两端分别设有螺纹凸起311和螺纹凹槽312，相邻两个钻杆39的螺纹凸起311和螺纹凹槽312相配合。钻杆39通过螺纹凸起311和螺纹凹槽312的配合可连接多个，以延长钻进距离。
本发明的监测单元4包括应力监测膜410、应力监测器411、位移监测器412、转速监测器413、信号中继器414、信号收集器415；
应力监测膜410设置在相似材料6中；
应力监测器411布置在最前部钻杆39与钻头310连接部位；
位移监测器412分别设置在上下位移伺服电机31、左右位移伺服电机33和钻进位移伺服电机35的内部；通过监测上下位移伺服电机31、左右位移伺服电机33和钻进位移伺服电机35的转动来完成钻头310的三维位置定位；
转速监测器413设置在转速伺服电机37与钻杆夹持装置38的连接部位，用以监测钻头310的转速；
信号中继器414通过无线信号接收应力监测器411的监测信号；
信号收集器415分别与应力监测膜410、位移监测器412、信号中继器414、转速监测器413和控制单元5相连接。
本发明的控制单元5包括计算机51与电液伺服控制***52。计算机51对信号收集器415传回的监测信号进行处理分析，并根据所得数据控制电液伺服控制***52的动力输出；电液伺服控制***52根据计算机51输入信号，完成对应力加载单元2的液压控制与伺服电机的电压控制。
本发明的反演围岩应力变化相似材料模拟试验***的使用方法，其包括以下步骤：
S1、模型设计：按照相似理论、原型条件及模拟目的，选择并确定相似比，计算并确定相似材料6中各模拟岩层厚度和材料配比,以模拟现场地质状况；
S2、铺设相似材料6模拟现场某一区域岩层，完成后晾干；具体地，步骤S2包括：
S21、根据需要模拟的煤层厚度，加装前部反力挡板16，在工作台17上铺设相似材料6并夯实；
S22、将相似材料6按照现场地质情况从下往上依次铺设，并在需要监测的层位铺设应力监测膜410，同时，将前部反力挡板本体依次从下往上安装好，铺设完成后将相似材料6晾干。
S3、对相似材料6施加应力，由应力监测膜410实时监测加载过程中围岩应力；具体地，通过控制单元5的计算机51设定各个方向的补偿压力值，由控制单元5的电液伺服控制***52控制应力加载单元2进行加载，对相似材料6的前后、左右、上下方向施加应力。
S4、设置钻进参数，并按照设定参数进行钻进；具体包括：
S41、通过所述计算机处预设的钻进位置，由上下位移伺服电机31通过上下位移螺纹杆32控制钻头310的上下位移，由左右位移伺服电机33通过左右位移螺纹杆34控制钻头310的左右位移，通过位移监测器412监测钻头310移动到钻进的指定位置；
S42、完成钻进位置的定位；
S43、打开前部反力挡板16上与钻头310位置相对的螺纹孔上的螺栓18；
S44、设置钻头310的目标钻压或钻进的轴向进速，以及转速伺服电机37的转速，然后钻进位移伺服电机37通过钻进位移螺纹杆36控制钻头的轴向进速，钻杆夹持装置后部与转速伺服电机37连接控制钻头310的转速，按照设置的轴向进速和转速开始钻进，并通过位移监测器412监测钻进速度。
S45、钻进过程中，应力监测器411实时监测钻头310的钻压与扭矩，并通过无线信号发送给信号中继器414，转速监测器413实时监测钻头310的钻进的轴向进速和转速；
S46、钻进完成后，停止转速伺服电机37的旋转，将转速伺服电机37的退位到初始位置。
S5、调整钻进参数，直至完成所需的不同位置的钻进；具体地，设置其它目标钻压、钻进的轴向进速，或维持原有设定参数并将钻头310调整到其他位置进行钻进，直至完成所需的不同位置的钻进。
S6、对监测单元4采集到的围岩应力监测数据以及钻进参数(钻进参数包括钻头钻压与扭矩，以及钻头的轴向进速和转速)进行分析，得出该岩层钻进参数与围岩应力的对应关系；
S7、重复步骤S1-S 6，得到现场所有岩层的钻进参数与围岩应力的对应关系，也就是说获得不同应力状态及岩性条件下钻进参数变化规律；
S8、根据试验***得到的不同应力状态及岩性条件下钻进参数变化规律，可以反推出现场不同应力状态及岩性条件下钻进参数变化规律。
本发明的步骤S44中，当选用恒力钻进时，通过计算机51设置好钻压数值，电液伺服控制***52控制电信号输出给钻进位移伺服电机35，钻进时，应力监测器411实时反馈钻压，由计算机51分析应力监测器411反馈的数据，实时调整钻进位移伺服电机35钻进的轴向进速以达到设定的钻压；当选用恒速钻进时，通过计算机51设置好钻进的轴向进速，电液伺服控制***52控制电信号输出给钻进位移伺服电机35。
综上所述，本发明的优点在于：
1.通过相似材料铺设的模拟模型建立，可实现试验室内仿真不同应力状态下钻机的响应机制，通过分析不同围岩应力状态下钻机的钻杆转速、扭矩以及钻头钻压、钻进的轴向进速的响应特征，可从理论上掌握钻机的响应特征与煤(岩)体应力之间的关系，建立特定地质及岩性条件下的关系式，通过这一关系式即可在现场钻进过程中钻进参数变化反演现场工程煤(岩)体的应力特征，从而实现对煤岩体高应力危险区域进行圈定，对现场有着较好的指导意义。
2.本发明采用计算机控制电液伺服控制***，可完成钻进位置以及钻进参数的精准调节与记录；计算机对信号收集器传回的监测信号进行处理分析，可实时调节电液伺服控制***的动力输出，使位移伺服电机的轴向进速达到设定的钻压值或位移值，完成恒力钻进与恒速钻进两种钻进方式；此外采用计算机控制的电液伺服控制***具有使用简单方便，测量精度高等优点。
3.应力加载单元的结构设计有效避免了其三个加载方向上的互相干扰，减小了边界效应的影响，可以实现相似材料的三维主动加载。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种反演围岩应力变化相似材料模拟试验***的使用方法，其特征在于，所述的模拟试验***包括：
框架结构单元，用于分层铺设相似材料；所述框架结构单元包括底座、左右反力墙、顶部横梁、后部反力墙、左右侧位限位板和前部反力挡板，所述底座、左右反力墙、顶部横梁、后部反力墙围合成前部开口的腔体，所述左右侧位限位板设置在所述腔体内，且位于所述底座的左右两侧，所述前部反力挡板的两端分别与所述左右侧位限位板固定连接，所述底座的上表面设有工作台，所述相似材料分层铺设在所述工作台上，且相似材料位于所述左右侧位限位板、前部反力挡板和后部反力墙围合成的凹槽内部；
应力加载单元，用于对所述相似材料施加应力；
钻进***单元，用于对所述相似材料进行不同位置的钻进；所述钻进***单元包括：上下位置调节机构，包括上下位移伺服电机和上下位移螺纹杆，所述上下位移螺纹杆对称设置在所述前部反力挡板的外部左右两侧，所述上下位移伺服电机连接在所述上下位移螺纹杆上，且能沿所述上下位移螺纹杆上下移动；左右位置调节机构，包括左右位移伺服电机和左右位移螺纹杆，所述左右位移螺纹杆水平连接在上下位移伺服电机上，所述左右位移伺服电机连接在所述左右位移螺纹杆上，且能沿所述左右位移螺纹杆左右移动；钻进机构，设置在所述左右位移伺服电机上，所述钻进机构包括钻进位移伺服电机、钻进位移螺纹杆、转速伺服电机、钻杆夹持装置、钻杆和钻头，所述钻进位移伺服电机与所述钻进位移螺纹杆相连接，所述转速伺服电机与所述钻杆相连接，且所述钻杆的两端分别设有螺纹凸起和螺纹凹槽，相邻两个钻杆的所述螺纹凸起和所述螺纹凹槽相配合；
监测单元，用于监测相似材料内部的应力状况及钻进***单元的控制参数，并生成监测数据；
控制单元，分别控制所述应力加载单元和钻进***单元，且所述控制单元还用于收集所述监测数据并进行分析；
使用方法是：
S1、模型设计：按照相似理论、原型条件及模拟目的，选择并确定相似比，计算并确定相似材料中各模拟岩层厚度和材料配比，以模拟现场地质状况；
S2、铺设相似材料模拟现场某一区域岩层，完成后晾干；
S3、对所述相似材料施加应力，由监测单元的应力监测膜实时监测加载过程中围岩应力；
S4、设置钻进参数，并按照设定参数进行钻进，具体钻进方法是：
S41、通过计算机预设的钻进位置，由上下位移伺服电机通过上下位移螺纹杆控制钻头的上下位移，由左右位移伺服电机通过左右位移螺纹杆控制钻头的左右位移，通过位移监测器监测钻头移动到钻进的指定位置；
S42、完成钻进位置的定位；
S43、打开前部反力挡板上与钻头位置相对的螺纹孔上的螺栓；
S44、设置钻头的目标钻压或钻进的轴向进速，以及转速伺服电机的转速，然后钻进位移伺服电机通过钻进位移螺纹杆控制钻头的轴向进速，钻杆夹持装置后部与转速伺服电机连接控制钻头的转速，按照设置的轴向进速和转速开始钻进，并通过位移监测器监测钻进速度；
S45、钻进过程中，应力监测器实时监测钻头的钻压与扭矩，并通过无线信号发送给信号中继器，转速监测器实时监测钻头的钻进的轴向进速和转速；
S46、钻进完成后，停止转速伺服电机的旋转，将转速伺服电机退位到初始位置；
S5、调整钻进参数，直至完成同一岩层所需的不同位置的钻进；
S6、对监测单元采集到的围岩应力监测数据以及钻进参数进行分析，得出该岩层钻进参数与围岩应力的对应关系；
S7、重复步骤S1 - S6，得到现场所有岩层的钻进参数与围岩应力的对应关系，也就是说获得不同应力状态及岩性条件下钻进参数变化规律；
S8、根据试验***得到的不同应力状态及岩性条件下钻进参数变化规律，反推出现场不同应力状态及岩性条件下钻进参数变化规律。
2.如权利要求1所述的反演围岩应力变化相似材料模拟试验***的使用方法，其特征在于，所述应力加载单元包括分别设置在所述左右反力墙、顶部横梁和后部反力墙上的左右加载油缸、顶部加载油缸和后部加载油缸，所述左右加载油缸分别穿过所述左右侧位限位板后与左右充液橡胶板相连接，所述左右充液橡胶板与所述相似材料的左右两侧相接触；所述顶部加载油缸和后部加载油缸分别经顶部充液橡胶板和后部充液橡胶板与所述相似材料的顶部和后部相接触。
3.如权利要求1所述的反演围岩应力变化相似材料模拟试验***的使用方法，其特征在于，所述监测单元包括应力监测膜、应力监测器、位移监测器、转速监测器、信号中继器、信号收集器；其中：
所述应力监测膜设置在相似材料中；
所述应力监测器布置在最前部钻杆与钻头连接部位；
所述位移监测器分别设置在上下位移伺服电机、左右位移伺服电机和钻进位移伺服电机的内部；
所述转速监测器设置在转速伺服电机与钻杆夹持装置的连接部位；
所述信号中继器通过无线信号接收所述应力监测器的监测信号；
所述信号收集器分别与所述应力监测膜、位移监测器、信号中继器、转速监测器和控制单元相连接。
4.如权利要求1所述的反演围岩应力变化相似材料模拟试验***的使用方法，其特征在于，所述控制单元包括计算机与电液伺服控制***。
5.一种如权利要求1所述的反演围岩应力变化相似材料模拟试验***的使用方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
S21、根据需要模拟的煤层厚度，加装前部反力挡板，在工作台上铺设相似材料并夯实；
S22、将相似材料按照现场地质情况从下往上依次铺设，并在需要监测的层位铺设应力监测膜，同时，将前部反力挡板依次从下往上安装好，铺设完成后将相似材料晾干。
6.一种如权利要求1所述的反演围岩应力变化相似材料模拟试验***的使用方法，其特征在于，所述步骤S5包括：设置其它目标钻压、钻进的轴向进速，或维持原有设定参数并将钻头调整到其他位置进行钻进，直至完成所需的不同位置的钻进。
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