CN111811856B - 一种煤柱坝体累积损伤演化综合实验装置及其实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤柱坝体累积损伤演化综合实验装置及其实验方法,属于岩体力学行为研究领域。装置包括:实验平台;煤矿地下水库单元,模拟目标区域的地质环境;多场信息生成单元,对煤矿地下水库单元施加静载、动载和水浸场景;信息交互单元,采集并传递各场景下产生的数据信息;可视化数据处理分析单元,接收信息交互单元采集传递的数据,分析处理后显示在智能终端设备上。本发明通过多场信息生成单元对煤矿地下水库单元实现多场耦合环境模拟,通过信息交互单元收集多场下地质参数的变化,经可视化数据处理分析单元处理分析后将实验结果显示在智能终端设备上,实现了复杂应力与水浸耦合环境下煤柱坝体的模拟实验与分析。
Description
技术领域
本发明属于岩体力学行为研究领域,更具体地说,涉及一种煤柱坝体累积损伤演化综合实验装置及其实验方法。
背景技术
煤矿地下水库工程是水资源保护利用的有效途径,煤柱坝体在长期水浸和动静载叠加环境下的稳定性机理成为煤矿地下水库长期安全运行的关键。当前对能够充分开展动静载与水浸耦合作用的多场作用岩体力学综合实验装置的需求是十分迫切的。
目前,实验室采用的岩体力学相似模拟实验装置多是单物理场布置,其监测方法与监测数据采集方式较局限,设计思路与实验方案较传统,智能化、综合化水平不高,不能满足复杂应力与水浸耦合环境下煤柱坝体的实验室实验要求。
例如,中国专利公开号:CN 108677866 A;公开日:2018年10月19日;公开了一种地下水库三维相似模拟装置,包括模拟实验平台、水库模拟***、智能均布加载***、实时监测***和智能骨料装载压实***;所述模拟实验平台包括所述水库模拟***和设置在所述水库模拟***上部和下部的若干岩层,所述水库模拟***包括坝体模拟***和设置在所述坝体模拟***内部的煤层模拟***,所述煤层模拟***由n个一天煤模拟水袋从左至右依次排列而成,所述坝体模拟***包括坝体底板和四个坝体侧护板。该申请案的相似模拟实验装置相比于传统的单场布置,能对地下水库结构进行静压、水浸环境的模拟,但无法模拟动载场合,且该申请案的采集***的结构布置有待优化,采集到的数据局限性过大。
发明内容
为了解决上述技术问题至少之一,根据本发明的一方面,提供了一种煤柱坝体累积损伤演化综合实验装置,该装置包括:
实验平台,其由顶板、左边板、底板和右边板依次对接组成;
煤矿地下水库单元,其置于实验平台中,模拟目标区域的地质环境;
多场信息生成单元,其置于煤矿地下水库单元中,对煤矿地下水库单元施加静载、动载和水浸场景;
信息交互单元,其置于实验平台中,采集并传递各场景下产生的数据信息;
可视化数据处理分析单元,其与信息交互单元信号连接,接收信息交互单元采集传递的数据,分析处理后显示在智能终端设备上。
根据本发明实施例的煤柱坝体累积损伤演化综合实验装置,可选地,所述煤矿地下水库单元包括模拟目标区域地质环境生成的开采工作面、采空区、煤柱坝体和人工坝体。
根据本发明实施例的煤柱坝体累积损伤演化综合实验装置,可选地,所述多场信息生成单元包括:
静态液压施加模块,其包括布置于顶板的液压千斤顶,对煤矿地下水库单元施加静载;
动态振动生成模块,其包括布置于煤柱坝体中的多频线性振动马达,对煤矿地下水库单元施加动载;
可控注水模块,其包括外部注水管、内部注水管和水阀开关,外部注水管配合水阀开关对煤矿地下水库单元上方注水,内部注水管配合水阀开关对采空区注水。
根据本发明实施例的煤柱坝体累积损伤演化综合实验装置,可选地,所述多场信息生成单元还包括搭载于智能终端设备的操作模块,用于控制静态液压施加模块、动态振动生成模块和可控注水模块的启动停止。
根据本发明实施例的煤柱坝体累积损伤演化综合实验装置,可选地,所述信息交互单元包括:
应力传感器,其接受并传递应力信息;
位移传感器,其接受并传递位移信息;
渗压传感器,其接受并传递渗压信息;
流量监测计,其设于外部注水管和内部注水管上,监测流量信息;
全景照相机,其设于实验平台上方;
激光定位仪,其设于实验平台一侧;
红外成像仪,其设于实验平台另一侧。
根据本发明实施例的煤柱坝体累积损伤演化综合实验装置,可选地,所述煤矿地下水库单元自上而下设有三处水平布置的监测层,依次为含水层监测层、隔水层监测层和煤柱坝体渗压-应力-位移监测层。
根据本发明实施例的煤柱坝体累积损伤演化综合实验装置,可选地,所述含水层监测层中部布置单条测线,若干渗压传感器布置于测线上,相邻渗压传感器间布置距离自测线中点至两端逐渐递增;
所述隔水层监测层中部布置两条测线,一条测线为渗压测线,其上布置若干渗压传感器,另一条测线为位移测线,其上布置若干位移传感器;所述渗压测线靠近外部注水管一侧均布若干渗压传感器,所述渗压测线远离外部注水管一侧相邻渗压传感器间布置距离自测线中点至两端逐渐递增;所述位移测线上相邻位移传感器间布置距离自测线中点至两端逐渐递增;
所述煤柱坝体渗压-应力-位移监测层中部布置三条测线,应力传感器、位移传感器和渗压传感器交替布置在各测线处的各煤柱坝体上;测线外的煤柱坝体渗压-应力-位移监测层上还布置有渗压传感器,其布置在远离左边板和右边板的煤柱坝体上。
根据本发明实施例的煤柱坝体累积损伤演化综合实验装置,可选地,所述外部注水管和内部注水管配合水阀开关能进行抽水动作。
根据本发明实施例的煤柱坝体累积损伤演化综合实验装置,可选地,每个煤柱坝体中布置五个多频线性振动马达,按照二排五眼的方式布置在一水平面上。
根据本发明的另一方面,提供了一种煤柱坝体累积损伤演化综合实验方法,步骤如下:
A、多场耦合模拟
a1、静载模拟:在智能终端设备的操作模块上控制静态液压施加模块启动,使液压千斤顶对煤矿地下水库单元施加静载液压,在智能终端设备的操作模块上控制可控注水模块启动,使外部注水管对煤矿地下水库单元的上方注水,施加静载水压;
a2、动载模拟:在智能终端设备的操作模块上控制动态振动生成模块启动,使多频线性振动马达对煤柱坝体施加动载;
a3、水浸模拟:在智能终端设备的操作模块上控制可控注水模块启动,使内部注水管对煤矿地下水库单元的内部注水;
B、信息采集
b1、布置于含水层监测层、隔水层监测层和煤柱坝体渗压-应力-位移监测层的各传感器采集对应信息并传递到可视化数据处理分析单元中;
b2、布置于煤矿地下水库单元外的全景照相机、激光定位仪和红外成像仪采集对应信息并传递到可视化数据处理分析单元中;
C、数据呈现
可视化数据处理分析单元分析接受的数据,并将分析结果呈现在智能终端设备上。
有益效果
(1)本发明的煤柱坝体累积损伤演化综合实验装置,通过多场信息生成单元,能对煤矿地下水库单元实现多场耦合环境模拟,通过信息交互单元收集多场下地质参数的变化,经可视化数据处理分析单元处理分析后将实验结果显示在智能终端设备上,实现了复杂应力与水浸耦合环境下煤柱坝体的实验室实验要求;
(2)本发明的煤柱坝体累积损伤演化综合实验装置,多场信息生成单元通过简单的构件配合,能对模拟煤矿地下水库单元结构进行静载、动载和水浸的多场耦合环境的模拟,简单有效的达到实验环境要求;
(3)本发明的煤柱坝体累积损伤演化综合实验装置,静载、动载和水浸环境模拟均可通过智能终端设备进行操作,简单方便;
(4)本发明的煤柱坝体累积损伤演化综合实验装置,信息交互单元信息交互单元采集多场耦合环境下的各参数信息并发送至可视化数据处理分析单元,通过可视化数据处理分析单元,能对各参数进行分析,最终在智能终端设备上显示各项数据发生位置的实时动态或是根据设定的临界参数来判断坝体各监测位置的危险等级并显示记录;数据监测全面准确,且能对数据进行有效的分析;
(5)本发明的煤柱坝体累积损伤演化综合实验装置,多频线性振动马达按照二排五眼的方式布置,进行动载环境模拟时,能更加符合目标矿井水库的地质赋存条件下的动载环境和工作面开采引发的扰动因素,产生的动载影响更加真实、均匀,且便于使采动围岩物理力学特征变化准确传递至对应传感器;
(6)本发明的煤柱坝体累积损伤演化综合实验装置,设置了三处监测层来设置应力传感器、位移传感器和渗压传感器,相比于传统实验装置中实验参数的获取装置,本发明的监测层构成,可以有效的采集煤矿地下水库单元中多处结构层的参数,避免参数获取存在局限性的弊端;
(7)本发明的煤柱坝体累积损伤演化综合实验装置,各监测层上设置不同测线来收集对应数据,不同测线上各传感器按照特定方式布置,保证全面接收数据的同时补偿影响因素带来的误差,进一步增加实验数据和实验结果的可靠性;
(8)本发明的煤柱坝体累积损伤演化综合实验方法,通过控制多场信息生成单元中各个模块的启动,对煤矿地下水库单元结构模拟多场耦合的环境,进行对应位置的参数采集,将数据处理后输出,通过简单的操作方法即可模拟煤柱坝体复杂的耦合环境,并得到实验可靠的数据和结果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例,而非对本发明的限制。
图1示出了本发明的煤柱坝体累积损伤演化综合实验装置示意图;
图2示出了本发明的实验平台结构左视图;
图3示出了本发明的实验平台结构右视图;
图4示出了本发明实验平台结构的顶板示意图;
图5示出了本发明实验平台结构的底板示意图;
图6示出了本发明的煤矿地下水库单元的示意图;
图7示出了本发明的多场信息生成单元的示意图;
图8示出了本发明的可视化数据处理分析单元的示意图;
图9示出了本发明的含水层、隔水层、煤柱坝体渗压-应力-位移的监测层位置示意图;
图10示出了本发明的含水层监测层各传感器布置位置示意图;
图11示出了本发明的隔水层监测层各传感器布置位置示意图;
图12示出了本发明的煤柱坝体渗压-应力-位移监测层各传感器布置位置示意图;
图13示出了本发明的动态振动生成模块的原理流程示意图。
附图标记:
1、实验平台;10、顶板;11、底板;12、左边板;13、右边板;
2、煤矿地下水库单元;20、开采工作面;21、采空区;22、煤柱坝体;23、人工坝体;
3、多场信息生成单元;30、静态液压施加模块;300、液压千斤顶;31、动态振动生成模块;310、多频线性振动马达;32、可控注水模块;320、外部注水管;321、内部注水管;322、水阀开关;
4、信息交互单元;40、应力传感器;41、位移传感器;42、渗压传感器;43、流量监测计;44、全景照相机;45、激光定位仪;46、红外成像仪;
5、可视化数据处理分析单元50、数据集成器;51、数据对比判断模块;52、三维实时显示模块;53、危险性评价模块;
60、含水层监测层;61、隔水层监测层;62、煤柱坝体渗压-应力-位移监测层。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例的附图,对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然,所描述的实施例是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例,本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
除非另作定义,此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“左”、“右”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性,而只是用来区分不同的组成部分。同样,“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制,而是表示存在至少一个。
实施例1
本实施例的煤柱坝体累积损伤演化综合实验装置,包括:
实验平台1,其由顶板10、左边板12、底板11和右边板13依次对接组成;
煤矿地下水库单元2,其置于实验平台1中,模拟目标区域的地质环境;
多场信息生成单元3,其置于煤矿地下水库单元2中,对煤矿地下水库单元2施加静载、动载和水浸场景;
信息交互单元4,其置于实验平台1中,采集并传递各场景下产生的数据信息;
可视化数据处理分析单元5,其与信息交互单元4信号连接,接收信息交互单元4采集传递的数据,分析处理后显示在智能终端设备上。
现有的岩体力学相似模拟实验装置多是单场物理布置,只能模拟单场合下的环境,且监测数据的采集方式也存在局限性,无法满足复杂应力与水浸耦合环境下的煤矿地下水库的实验室实验要求,针对此问题,本实施例设计了一种煤柱坝体累积损伤演化综合实验装置,更具体的说,是一种动静载与水浸耦合作用下的煤柱坝体累积损伤演化综合实验装置。
如图1所示,本实施例的实验平台1由顶板10、左边板12、底板11和右边板13依次对接组成约束铺设岩体层间应力、应变关系的外部环境结构,所述的各板件均由大刚度钢板加工而成,从而避免实验平台1施加/卸除动静载时实验平台1内部产生存储性附加弹性应变能,引起岩层多场变量参数发生突变,导致实验结果受到影响的情况发生;
如图6所示,本实施例的煤矿地下水库单元2的结构,为模拟目标区域的地质环境而铺设形成的岩体层结构,包括模拟目标区域地质环境生成的开采工作面20、采空区21、煤柱坝体22和人工坝体23,其构造,由石灰、水泥、细砂等材料根据煤岩性质相似配比进行层位铺设在底板11上,逐步开挖形成开采工作面20、采空区21、煤柱坝体22与人工坝体23形成的地下水库结构;
本实施例的多场信息生产单元3,可以对模拟的煤矿地下水库单元2施加静载、动载荷水浸场景,可单独施加,也可多场耦合,旨在还原目标区域地质的复杂环境,以达到必要的实验条件;
本实施例的信息交互单元4则收集多场信息生产单元3施加耦合环境后,煤矿地下水库单元2各处的实验信息参数,如应力信息、位移信息、渗压信息等,并将收集到的信息进行传递;
本实施例的可视化数据处理分析单元5收集由信息交互单元4采集传递的信息,并将这些信息参数进行处理,进一步地,可视化数据处理分析单元5中设置有数据集成器50、数据对比判断模块51、三维实时显示模块52和危险性评价模块53,信息交互单元4传递的信息经由数据集成器50处理,在数据对比判断模块51中设置应力、位移、压力临界数据,将接受的应力、位移和压力数据与设置的临界数据进行对比从而判断模拟耦合环境的极限值,从而及时对多场信息生产单元的输出进行控制;三维实时显示模块52则可将各项数据及发声位置实时动态显示在智能终端设备上,再经过危险性评价模块53划分为蓝黄橙红等级,对危险度较高、危险发生度大的位置进行实时记录。
实施例2
本实施例的煤柱坝体累积损伤演化综合实验装置,在实施例1的基础上做进一步改进,所述多场信息生成单元3包括:
静态液压施加模块30,其包括布置于顶板10的液压千斤顶300,对煤矿地下水库单元2施加静载;
动态振动生成模块31,其包括布置于煤柱坝体22中的多频线性振动马达310,对煤矿地下水库单元2施加动载;
可控注水模块32,其包括外部注水管320、内部注水管321和水阀开关322,外部注水管320配合水阀开关322对煤矿地下水库单元2上方注水,内部注水管321配合水阀开关322对采空区21注水。
本实施例的多场信息生成单元3能实现静载、动载与水浸环境的模拟,其中:
如图4所示,静态液压施加模块30的液压千斤顶300设于实验平台1的顶板10上,顶板10上均布若干液压千斤顶300,启动时,通过液压千斤顶300对煤矿地下水库单元2施加静载,进一步地,静态液压施加模块30还包括搭载于智能终端设备的操作模块,通过操作模块,可以在智能终端设备上控制液压千斤顶300的启动停止及施加静载的大小,如图7所示;
如图6所示,动态振动生成模块31的多频线性振动马达310布置于煤柱坝体22上,通过多频线性振动马达310产生振动波来对煤柱坝体22施加动载,进一步地,动态振动生成模块31还包括搭载于智能终端设备的操作模块,通过操作模块,可以在智能终端设备上控制多频线性振动马达310的启动停止及施加动载的大小,如图7所示,多频线性振动马达310的工作原理流程如图13所示,在智能终端设备的操作模块上输入振动信息,经放大器放大后,驱动多频线性振动马达310启动,多频线性振动马达310产生的横波、纵波传递至煤柱坝体22上,由信息交互单元4采集并输出到可视化数据处理分析单元5,经处理后在智能终端设备显示;
如图2和图3所示,可控注水模块32的外部注水管320从实验平台1的左边板12或右边板13顶部伸入至实验平台1中,对煤矿地下水库单元2的上方注水,同时,如图5所示,内部注水管321从实验平台1的后方或前方伸入至采空区21上方,对采空区21注水,通过外部注水管320和内部注水管321注水来模拟水浸环境,进一步地,可控注水模块32还包括搭载于智能终端设备的操作模块,通过操作模块,可以在智能终端设备上控制阀门开关322的启动停止来控制煤矿地下水库单元2外部或内部的注水量,如图7所示,同时,在阀门开关322的控制下,外部注水管320和内部注水管321还具有抽水疏水功能,在注水量过大或需要调整水浸环境参数时进行煤矿地下水库单元2外部或内部的抽水。
实施例3
本实施例的煤柱坝体累积损伤演化综合实验装置,在实施例2的基础上做进一步改进,如图1、图2、图3、图4和图6所示,所述信息交互单元4包括:
应力传感器40,其接受并传递应力信息;
位移传感器41,其接受并传递位移信息;
渗压传感器42,其接受并传递渗压信息;
流量监测计43,其设于外部注水管320和内部注水管321上,监测流量信息;
全景照相机44,其设于实验平台1上方;
激光定位仪45,其设于实验平台1一侧;
红外成像仪46,其设于实验平台1另一侧。
应力传感器40、位移传感器41和渗压传感器42记录多场耦合时相应的参数信息并传输到可视化数据处理分析单元5中,可视化数据处理分析单元5中的数据对比判断模块51对这些参数数据与设定的临界值进行对比,再配合全景照相机44、激光定位仪45与红外成像仪46传递的数据,在三维实时显示模块52中将各项数据及发声位置实时动态显示在智能终端设备上,并根据数据对比判断模块51的对比结果,将各位置的参数数据划分为蓝黄橙红等级,由危险性评价模块53显示并记录。
本实施例的信息交互单元4,通过应力传感器40、位移传感器41、渗压传感器42、流量监测计43、全景照相机44、激光定位仪45和红外成像仪46相互配合,可实现不同工作阶段模拟实验进行时岩层间、坝体空间与外部多场多因素作用的数据信息传输的对应性和联动性采集、输出。
实施例4
本实施例的煤柱坝体累积损伤演化综合实验装置,在实施例3的基础上做进一步改进,所述煤矿地下水库单元2自上而下设有三处水平布置的监测层,依次为含水层监测层60、隔水层监测层61和煤柱坝体渗压-应力-位移监测层62;
所述含水层监测层60中部布置单条测线,若干渗压传感器42布置于测线上,相邻渗压传感器42间布置距离自测线中点至两端逐渐递增;
所述隔水层监测层61中部布置两条测线,一条测线为渗压测线,其上布置若干渗压传感器42,另一条测线为位移测线,其上布置若干位移传感器41;所述渗压测线靠近外部注水管320一侧均布若干渗压传感器42,所述渗压测线远离外部注水管320一侧相邻渗压传感器42间布置距离自测线中点至两端逐渐递增;所述位移测线上相邻位移传感器41间布置距离自测线中点至两端逐渐递增;
所述煤柱坝体渗压-应力-位移监测层62中部布置三条测线,应力传感器40、位移传感器41和渗压传感器42交替布置在各测线处的各煤柱坝体22上;测线外的煤柱坝体渗压-应力-位移监测层62上还布置有渗压传感器42,其布置在远离左边板12和右边板13的煤柱坝体22上。
各监测层的位置如图9所示,本实施例设置了三处监测层来设置应力传感器40、位移传感器41和渗压传感器42,相比于传统实验装置中实验参数的获取装置,本实施例的监测层构成,可以有效的采集煤矿地下水库单元2中多处结构层的参数,避免参数获取存在局限性的弊端。
进一步地,含水层监测层60上的测线及传感器布置如图10所示(俯视视角),测线沿含水层监测层60长度方向布置,测线中部相邻渗压传感器41间距20mm,沿测线两端方向,相邻渗压传感器41间距依次增大到30mm,40mm,…;通过此种渗压传感器41的布置方式,能全面有效的接收含水层监测层60各处传递的渗压变化数据;
进一步地,隔水层监测层61上的测线及传感器布置如图11所示(俯视视角),渗压测线和位移测线相隔50mm,其中,渗压测线靠近外部注水管320一侧均布若干渗压传感器42,本实施例中外部注水管320位于左边板12处伸入煤矿地下水库单元2上方进行注水操作,因此,渗压测线中点左侧的渗压传感器42均布,由此可补偿传感器上方注水操作引起的渗压数据误差,增加实验数据及实验结果可靠性,渗压测线中点右侧的渗压传感器42相邻间距按照自中点向端部逐渐递增的方式布置,保证全面有效的接受隔水层监测层61各处传递的渗压变化数据;同理,位移测线上的位移传感器41布置方式参照含水层监测层60测线上渗压传感器42布置方式布置,采用这种布置方式能保证全面有效的接受隔水层监测层61各处传递的位移变化数据;
进一步地,煤柱坝体渗压-应力-位移监测层62上的测线及传感器布置如图12所示(俯视视角),三条测线各相隔50mm,每条测线上的煤柱坝体22上交替布置应力传感器40、位移传感器41和渗压传感器42,以全面接收煤柱坝体上传来的应力、位移和渗压变化数据,进一步地,在靠近两边板的两个煤柱坝体22上,除了测线位置,在监测层的其他位置还布置渗压传感器42接收渗压数据,由于煤柱坝体22靠近边板的部分不受渗压作用,因此在远离边板部分布置渗压传感器42,进一步全面的接收煤柱坝体上的渗压数据。
实施例5
本实施例的煤柱坝体累积损伤演化综合实验装置,在实施例1~4的基础上做进一步改进,每个煤柱坝体22中布置五个多频线性振动马达310,按照二排五眼的方式布置在一水平面上。
多频线性振动马达310的布置方式如图6放大处所示,所述“二排五眼”布置方式,如同骰子点数五的排布方式,通过这种方式布置在煤柱坝体22中的多频线性振动马达310,在进行动载环境模拟时,能更加符合目标矿井水库的地质赋存条件下的动载环境和工作面开采引发的扰动因素,产生的动载影响更加真实、均匀,且便于使采动围岩物理力学特征变化准确传递至对应传感器。
实施例6
本实施例的煤柱坝体累积损伤演化综合实验装置,由如下方法构建:
一、本实施例的实验平台1整体尺寸为长度5.0m×宽度2.0m×高度2.5m,根据目标矿井煤层地质赋存条件及对应覆岩物理力学参数,类比相似模拟实验,进行模拟实验前期材料准备工作:即实验所用建模材料、配比和质量要求,如骨料、胶结剂、保护剂、河沙、水泥、重晶石粉、滑石粉、凡士林等;
二、将上述模拟材料按配比混合并搅拌均匀;
三、按照目标煤矿地下水库位置和空间结构,确定相应模拟比例后,按从下向上的次序完成煤岩体铺设工作:煤层底板铺设过程中将多频线性振动马达310安装在煤柱坝体22位置,即如图6所示,每个煤柱坝体22底板纵向地层中按照“二排五眼”的方案进行安装后,继续进行上覆岩层铺设,在此期间按照预先设计的含水层监测层60、隔水层监测层61和煤柱坝体渗压-应力-位移监测层62的布置方案在相应层位铺设位移传感器41、应力传感器40和渗压传感器42,同时完成模拟地下水库内外水浸环境条件的管路布置工作;
含水层监测层60中部布置单条测线,若干渗压传感器42布置于测线上,相邻渗压传感器42间布置距离自测线中点至两端逐渐递增;
隔水层监测层61中部布置两条测线,一条测线为渗压测线,其上布置若干渗压传感器42,另一条测线为位移测线,其上布置若干位移传感器41;所述渗压测线靠近外部注水管320一侧均布若干渗压传感器42,所述渗压测线远离外部注水管320一侧相邻渗压传感器42间布置距离自测线中点至两端逐渐递增;所述位移测线上相邻位移传感器41间布置距离自测线中点至两端逐渐递增;
煤柱坝体渗压-应力-位移监测层62中部布置三条测线,应力传感器40、位移传感器41和渗压传感器42交替布置在各测线处的各煤柱坝体22上;测线外的煤柱坝体渗压-应力-位移监测层62上还布置有渗压传感器42,其布置在远离左边板12和右边板13的煤柱坝体22上;
四、按照煤岩层间关系铺设完成后,进行实验平台1外部实测管路的连接,包括水浸环境注水、数据传输线路并连接外部***如智能终端设备、可视化数据处理分析单元5等,随后定期进行模型养护;
五、当上述步骤完成后,运用静态液压施加模块30控制液压千斤顶300形成该地质工程条件下的模拟地应力状态,并调试实验 整体工作性能和各模块单元的接触状况,其中重点关注信息交互单元4中应力传感器40、位移传感器41和渗压传感器43的联动关系以及可视化数据处理分析单元5中由全景照相机44、激光定位仪45、红外成像仪46观测的模拟地层受载后空间应力-位移关系,结合数据比对判断模块51、三维实时显示模块52、危险性评价模块53完成模型可视化步骤的测试要求;
六、当实验装置各单元模块测试状态优良时,进行模型开挖工作,构件煤矿地下水库单元2的坝体空间,包括开采工作面20、采空区21和煤柱坝体22的构件,在开挖期间,保持静载施压,以模拟地应力状态下的开挖环件,增加后续实验装置监测结果的可靠性,开挖期间,根据全景照相机44、激光定位仪45与红外成像仪46观测开挖过程引起的覆岩运移和应力-应变特征;
七、开挖完成后构件人工坝体23,其由重晶石粉、石灰和防水材料等构成,根据模拟煤层厚度和开挖距离以及煤柱坝体22结构参数设。
本实施例的构建方法能简单方便的构建处符合对应地质条件需求的实验装置,且其中的各监测单元构件分布合理,能模仿自然环境下的复杂耦合环境场进行实验环境的模拟,并能全面的监测到所需实验参数的变化数据。
实施例7
本实施例的煤柱坝体累积损伤演化综合实验方法,步骤如下:
A、多场耦合模拟
a1、静载模拟:在智能终端设备的操作模块上控制静态液压施加模块30启动,使液压千斤顶300对煤矿地下水库单元2施加静载液压,在智能终端设备的操作模块上控制可控注水模块32启动,使外部注水管320对煤矿地下水库单元2的上方注水,施加静载水压;
a2、动载模拟:在智能终端设备的操作模块上控制动态振动生成模块31启动,使多频线性振动马达310对煤柱坝体22施加动载;
a3、水浸模拟:在智能终端设备的操作模块上控制可控注水模块32启动,使内部注水管321对煤矿地下水库单元2的内部注水;
B、信息采集
b1、布置于含水层监测层60、隔水层监测层61和煤柱坝体渗压-应力-位移监测层62的各传感器采集对应信息并传递到可视化数据处理分析单元5中;
b2、布置于煤矿地下水库单元2外的全景照相机44、激光定位仪45和红外成像仪46采集对应信息并传递到可视化数据处理分析单元5中;
C、数据呈现
可视化数据处理分析单元5分析接受的数据,并将分析结果呈现在智能终端设备上。
本方法中静载模拟环境包括两部分:静态液压加载和静态水压加载,动载模拟环境由多频线性振动马达310完成煤柱坝体22的动载损伤条件;水浸环境依靠可控注水模块32限定水流压力参数,运用流量监测计43分步连通并监测外部注水管320、内部注水管321的水流压力状态,若实验装置自身水压情况超限可采取疏水降压措施;采集煤柱坝体22在多场应力作用和水浸环境下的数据,然后输出到数据集成器50,如图8所示,然后输出到数据对比判断模块51,与煤柱坝体22临界渗流压力、渗流范围进行对比(或其他位移、应力判据),然后将各项数据及发生位置实时动态显现在三维显示模块52上,经过危险性评价模块53划分蓝黄橙红等级,对危险度较高、危险发生度大的位置进行实时记录。
本发明所述实例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述,并非对本发明构思和范围进行限定,在不脱离本发明设计思想的前提下,本领域工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进,均应落入本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种煤柱坝体累积损伤演化综合实验装置,其特征在于,包括:
实验平台;
煤矿地下水库单元,其置于实验平台中,模拟目标区域的地质环境;
多场信息生成单元,其置于煤矿地下水库单元中,对煤矿地下水库单元施加静载、动载和水浸场景;
信息交互单元,其置于实验平台中,采集并传递各场景下产生的数据信息;
可视化数据处理分析单元,其与信息交互单元信号连接,接收信息交互单元采集传递的数据,分析处理后显示在智能终端设备上;
所述实验平台由顶板、左边板、底板和右边板依次对接组成;
所述煤矿地下水库单元包括模拟目标区域地质环境生成的开采工作面、采空区、煤柱坝体和人工坝体;
所述信息交互单元包括:
应力传感器,其接受并传递应力信息;
位移传感器,其接受并传递位移信息;
渗压传感器,其接受并传递渗压信息;
流量监测计,其设于外部注水管和内部注水管上,监测流量信息;
全景照相机,其设于实验平台上方;
激光定位仪,其设于实验平台一侧;
红外成像仪,其设于实验平台另一侧;
所述煤矿地下水库单元自上而下设有三处水平布置的监测层,依次为含水层监测层、隔水层监测层和煤柱坝体渗压-应力-位移监测层;
所述含水层监测层中部布置单条测线,若干渗压传感器布置于测线上,相邻渗压传感器间布置距离自测线中点至两端逐渐递增;
所述隔水层监测层中部布置两条测线,一条测线为渗压测线,其上布置若干渗压传感器,另一条测线为位移测线,其上布置若干位移传感器;所述渗压测线靠近外部注水管一侧均布若干渗压传感器,所述渗压测线远离外部注水管一侧相邻渗压传感器间布置距离自测线中点至两端逐渐递增;所述位移测线上相邻位移传感器间布置距离自测线中点至两端逐渐递增;
所述煤柱坝体渗压-应力-位移监测层中部布置三条测线,应力传感器、位移传感器和渗压传感器交替布置在各测线处的各煤柱坝体上;测线外的煤柱坝体渗压-应力-位移监测层上还布置有渗压传感器,其布置在远离左边板和右边板的煤柱坝体上。
2.根据权利要求1所述的一种煤柱坝体累积损伤演化综合实验装置,其特征在于,所述多场信息生成单元包括:
静态液压施加模块,其包括布置于顶板的液压千斤顶,对煤矿地下水库单元施加静载;
动态振动生成模块,其包括布置于煤柱坝体中的多频线性振动马达,对煤矿地下水库单元施加动载;
可控注水模块,其包括外部注水管、内部注水管和水阀开关,外部注水管配合水阀开关对煤矿地下水库单元上方注水,内部注水管配合水阀开关对采空区注水。
3.根据权利要求2所述的一种煤柱坝体累积损伤演化综合实验装置,其特征在于:所述多场信息生成单元还包括搭载于智能终端设备的操作模块,用于控制静态液压施加模块、动态振动生成模块和可控注水模块的启动停止。
4.根据权利要求2所述的一种煤柱坝体累积损伤演化综合实验装置,其特征在于:所述外部注水管和内部注水管配合水阀开关能进行抽水动作。
5.根据权利要求2所述的一种煤柱坝体累积损伤演化综合实验装置,其特征在于:每个煤柱坝体中布置五个多频线性振动马达,按照二排五眼的方式布置在一水平面上。
6.一种基于权利要求1所述 的煤柱坝体累积损伤演化综合实验装置的实验方法,其特征在于,步骤如下:
A、多场耦合模拟
a1、静载模拟:在智能终端设备的操作模块上控制静态液压施加模块启动,使液压千斤顶对煤矿地下水库单元施加静载液压,在智能终端设备的操作模块上控制可控注水模块启动,使外部注水管对煤矿地下水库单元的上方注水,施加静载水压;
a2、动载模拟:在智能终端设备的操作模块上控制动态振动生成模块启动,使多频线性振动马达对煤柱坝体施加动载;
a3、水浸模拟:在智能终端设备的操作模块上控制可控注水模块启动,使内部注水管对煤矿地下水库单元的内部注水;
B、信息采集
b1、布置于含水层监测层、隔水层监测层和煤柱坝体渗压-应力-位移监测层的各传感器采集对应信息并传递到可视化数据处理分析单元中;
b2、布置于煤矿地下水库单元外的全景照相机、激光定位仪和红外成像仪采集对应信息并传递到可视化数据处理分析单元中;
C、数据呈现
可视化数据处理分析单元分析接受的数据,并将分析结果呈现在智能终端设备上。
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GR01 | Patent grant | ||
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