CN115901476A - 一种模拟采动影响下覆岩运动特征的三维试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟采动影响下覆岩运动特征的三维试验装置及方法，该装置包括加载装置、试验箱及覆岩运动监测装置；加载装置包括压力机支撑架、液压油缸、油压控制器、试验箱压板；试验箱包括箱体和煤岩层模拟装置；煤岩层模拟装置包括底盘、垂直升降杆、小平板、铰接球、铰接控制器和小型液压控制器组成；覆岩运动监测装置，包括应力传感器、声发射传感器、热红外成像仪、3D激光扫描仪、微型高清摄像头、数据采集处理器。本发明结构简单、使用方便、能模拟各类开采方法、自由调整开采参数、内部观测上覆岩层破断形式及运动特征，为后续上行开采的可行性判别提供基础资料。

Description

一种模拟采动影响下覆岩运动特征的三维试验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种模拟采动影响下覆岩运动特征的三维试验装置及方法，属于煤炭开采试验研究技术领域。

背景技术

近年来，随着煤矿开采强度的增大，很多矿区开采条件较好的煤炭资源逐渐减少。而残采区上部遗留煤层的储量可观，具有良好的开采价值，其能缓解部分矿区煤炭资源储量不足的问题，有效延长矿区开采寿命。而残采区上部遗留煤层开采由于下部采空区的存在，使其上行开采过程中的稳定性判别等安全性问题日益凸显。为保证上行开采的安全有序进行，需对下部煤层开采引起的上覆岩层的运动特征、破断范围及裂纹扩展贯通情况进行研究分析。

目前，对上覆岩层运动规律的研究主要有现场实测（CN 103742127 B、CN103673982 B、CN 104315988 B、CN 107101617 B、CN 105019888 B）、数值模拟（CN106884657 B、CN 110018290 A）、物理模拟（CN 103489362 B、CN 105403684 B）和理论分析（CN 103606019 B、CN 110766293 A、CN 105257337 B、CN 108694272 B）四种方法。其中，现场实测方法周期长、费用高、受仪器及地质条件影响大；数值模拟由于软件的局限性仍难真实准确地计算采动条件下采场岩体的受力及变形状态，使得模拟结果往往无法反应真实的开采状态；理论分析主要有“砌体梁”理论、“传递岩梁”理论、“压力拱”假说、“悬臂梁”假说、“铰接岩梁”假说等，这些假说都有相应的假设及适用范围，对上覆岩层的运动及破坏判断亦存在不准确的现象。而物理相似模拟试验随着相似理论和模拟试验技术的完善，已经成为一种采矿工程研究领域主流、高效的研究手段。目前，相似模拟试验大多为二维模拟试验，对模型边界条件作了较大简化，且对上覆岩层变形破坏仅能进行表面观测，模拟结果往往也与实际情况存在着较大差异。三维相似模拟试验可以克服二维相似模拟试验的很多缺点，试验结果更符合实际开采情况。但目前三维相似模拟试验大多存在开采参数比较单一、模型内部裂纹发育情况无法直观观测、同一模拟平台无法适用于各类开采方法的问题。因此，有必要发明一种可以自由调整开采参数、内部观测上覆岩层破断形式及运动特征的、能适用于各类开采方法的试验装置，研究工作面采后上覆岩层的运移特征。

发明内容

本发明旨在提供一种结构简单、使用方便、能模拟各类开采方法、自由调整开采参数、内部观测上覆岩层破断形式及运动特征的三维试验装置，为后续上行开采的可行性判别提供基础资料。

本发明通过实验室采用三向加载试验装置模拟矿体开采过程中实际受力状态，根据矿体开采方法，调节具体开采参数，模拟矿体开采实际过程，并通过内部观测上覆岩层破断形式及运动特征，实现地下矿山开采模拟的可视化。

本发明提供了一种模拟采动影响下覆岩运动特征的三维试验装置，包括加载装置、试验箱及覆岩运动监测装置。

加载装置包括压力机支撑架、液压油缸、油压控制器、试验箱压板；其中，压力机支撑架构成整个三轴试验装置的外框架，包括压力机顶板、压力机底板和压力机立柱；压力机立柱连接压力机顶板和压力机底板，且嵌固于地面，形成稳定、可靠的连接；液压油缸固定在压力机支撑架上，液压油缸一端与油压控制器连接，油压控制器为油缸提供油压，另一端和试验箱压板连接，给试验箱提供围压；试验箱压板设置在试验箱箱体的外侧（上、左、右、前、后侧均有）；

试验箱包括箱体和煤岩层模拟装置；其中，箱体包括前后左右和上部的刚性箱体板以及连接刚性箱体板的柔性可变形角板；

优选地，刚性箱体板和柔性可变形角板的边部均设置有一排螺栓孔，刚性箱体板和柔性可变形角板通过螺栓连接；

优选地，柔性可变形角板材质为PVC高硬度软板、铝复合板、树脂类软板中的一种；

煤岩层模拟装置包括底盘、垂直升降杆、小平板、铰接球、铰接控制器和小型液压控制器组成；其中，底盘为由刚性较大的材料制成的矩形底盘，如铸铁；底盘固定于压力机底板上；垂直升降杆用于控制模拟开采底板的厚度以及模拟不同开采方式下煤层的开采；垂直升降杆固定于底盘上，且与小型液压控制器连接，通过小型液压控制器控制垂直升降杆压力实现垂直升降，模拟煤层的开采和充填，以及采后液压支架的支撑力；垂直升降杆呈平行排列布置，覆盖整个底盘。

一个垂直升降杆和一个小平板（每个垂直升降杆均与一个小平板连接，当每个垂直升降杆上的小平板角度与地面平行时，其平面面积约等于底盘面积）通过铰接球铰接，以控制小平板与水平地面的角度，模拟地层及煤层倾角；角度可调：即通过前述铰接控制器控制小平板的与水平地面的角度；铰接球通过铰接控制器控制角度，小平板焊接于铰接球上，通过控制铰接球的角度来控制小平板与水平地面所成的角度；

优选地，底盘四周边缘均设置有一排螺栓孔，通过螺栓孔与柔性可变形角板形成螺栓连接，与前后左右和上部的刚性箱体板形成封闭的试验箱；

优选地，小平板上表面带有弹簧装置，通过弹簧的弹力模拟煤层开采后，充填体的回填情况；小平板上表面和岩层接触，因为岩层重量比较大，当置于小平板上时，弹簧一直处于压缩状态，且弹簧的高度较小，与整个上覆岩层的厚度相比可以忽略。

覆岩运动监测装置，包括应力传感器、声发射传感器、热红外成像仪、3D激光扫描仪、微型高清摄像头、数据采集处理器；数据采集处理器与应力传感器、声发射传感器、热红外成像仪、3D激光扫描仪、微型高清摄像头电连接，记录相关数据并进行数据的存储和转换；

在试验箱内铺设岩层相似模拟材料时，在每层材料的下部埋设应力传感器，通过应力传感器对各层岩层在开采前、采动过程中的应力变化情况进行实时监测；

在试验箱内预判关键层的相似材料边缘处放置声发射传感器，用于监测上覆岩层破断的声发射信号和瞬时弹性波，以确定岩层破断的时间和位置；

热红外成像仪架设于试验箱外侧，架设高度与试验箱中心位置齐平，用于煤层开采前、开采过程中及开采后上覆岩层的位移和变形监测，以确定覆岩破断位置和发生时间；

3D激光扫描仪用于各岩层铺设阶段和模拟试验结束后的全景扫描，以获取开采前后各岩层形貌，并通过图像处理软件及测试数据进行3D裂隙重构和数值模拟计算；3D激光扫描仪架设于可移动支架上，可移动支架表面安装导轨，导轨内设滑块，滑块与3D激光扫描仪螺栓连接，供3D激光扫描仪移动扫描；可移动支架不与试验箱体连接，是一个可移动装备，支架上架设3D激光扫描仪的高度要高于试验箱内所铺岩土层的高度。

优选地，底盘平面上竖直方向设置一排小孔，用于微型高清摄像头由底盘进入模拟采空区内，实时观测各种采矿方法开采后上覆岩层的变形和破坏情况，记录裂纹的形成和扩展过程。微型高清摄像头类似于一个探头，可从小孔中进入到试验箱体内部，不用固定于底盘上。

本发明提供了一种模拟采动影响下覆岩运动特征的三维试验方法，其具体步骤如下：

（1）选定实际矿体开采试验模拟范围，对该范围内各地层煤、岩石物理力学参数进行测试，根据相似模拟原则，选择与实际矿体相似的砂、石膏、石灰、水泥相似模拟材料，并确定各种材料的试验用量；

（2）通过底盘四周边缘的螺栓孔与柔性可变形角板形成螺栓连接，并将柔性可变形角板与前后左右的刚性箱体板连接，形成四周封闭的试验箱；

（3）根据模拟开采工作面煤层的厚度及倾角，通过液压控制器及铰接控制器调节垂直升降杆高度和铰接球角度，使垂直升降杆高度等于实际煤层厚度的相似模拟高度，铰接球角度与实际煤层倾角一致；

（4）根据各地层的实际参数，将第（1）步中计算得到的各种相似模拟材料按比例混合，并在试验箱内按层均匀铺设在垂直升降杆和小平板组成的模拟工作面底板上；其中，在各地层相似材料铺设过程中在每层地层的下部安装应力传感器，在预判关键层的相似材料边缘处放置声发射传感器；并运用3D激光扫描仪对铺设相似材料后的每层地层进行全景扫描（不用拍摄全过程，就对每层铺设完后的地层表面进行扫描就行），以获取采动前各岩层形貌，并通过图像处理软件重构采动前相似模拟试验数值模型；

应力传感器根据采矿方法的不同，沿岩层倾向或走向布置若干条测线，各测线间距25±5cm，每条测线布置3～6个应力传感器，各应力传感器间距25±5cm，煤层开采前各地层应力及煤层开采过程各布置点的应力变化情况将通过各应力传感器进行实时监测并采集；

声发射传感器布置在试验箱内预判关键层的相似材料边缘处，距离试验箱体边缘20±3cm，实时监测并采集上覆岩层破断的声发射信号；

（5）待模拟被测岩层相似材料干硬后，运用3D激光扫描仪对最上层岩层进行扫描，并盖入试验箱上部刚性箱体板，将试验箱上部刚性箱体板与柔性可变形角板用螺栓连接固定，形成完整试验箱；

（6）开启加载装置，液压油缸通过试验箱压板向试验箱施加压力，直到三向（三个方向同时加载，三个方向是指三维的x、y、z三个方向，即前后、左右、上下）加载压力达到预定值，该预定值为模拟开采地层的实测地应力；加载过程应同时进行，三向应力加载速率恒定，保持协调，尽量同时达到压力控制点；加载结束后记录各应力传感器所测应力；开启热红外成像仪记录煤层开采前各模拟岩层的初始状态；

（7）根据所模拟区域工作面实际开采方法，使用小型液压控制器和铰接控制器控制底盘上的众多垂直升降杆上下移动及小平板的倾斜角度，精确模拟煤层开采；通过协调控制各个垂直升降杆是否下降，下降的高度和速率，下降后再提升高度和速率等，模拟不同采高、采宽和工作面推进速度的各种工况以及采矿方法；

试验过程中将微型高清摄像头经由底盘的小孔进入到试验箱内部采空区范围，实时观测各种采矿方法、各种工况开采后上覆岩层的变形和破坏情况，记录裂纹的形成和扩展过程；

此外，试验过程中覆岩运动监测装置的应力传感器、声发射传感器、热红外成像仪实时监测岩层的应力、变形及破断参数并记录；

（8）模拟开挖结束后，卸除试验箱***压并拆除试验箱上部刚性箱体板；从上到下沿层面逐层清理模型材料，每层清理前使用3D激光扫描仪全景扫描以获取本层表面形貌，同时采用高清摄像机全程记录逐层清理过程，以记录模型剖面变化情况；通过图像处理软件并结合测试试验数据进行3D裂隙重构和数值模拟计算。

本发明的有益效果：

（1）本发明通过调节垂直升降杆的高度和小平板与水平面的角度，模拟煤岩层不同起伏情况，通过控制垂直升降杆是否下降，下降的高度和速率，下降后再提升高度和速率等，有别于传统相似模拟试验的人工开挖，能精确控制开采高度、开采宽度和工作面开采速度，同时能模拟开采后的液压支架支撑或采场回填等各种工况及采矿方法，不需要拆除模型试验箱体，减少了外界对模拟岩层的扰动，有利于提高试验结果的精度和可靠性；同时在试验箱三维方向进行应力加载，能够真实模拟开采过程中煤岩体所处的应力状态和变形情况；

（2）本发明通过在模拟工作面实际开采前，运用覆岩运动监测装置中应力传感器、热红外成像仪、3D激光扫描仪等监测仪器，对模型初始应力状态和模型形态进行了监测，获得了工作面开采前模型的应力状态及变形情况，有别于传统模拟试验只监测开采过程中和开采后上覆岩层的变形和破裂情况，试验数据更齐全，信息量更大，为研究采动影响下上覆岩层破断和运动特征提供开采前、中、后期的数据基础；

（3）本发明通过微型高清摄像头进入模拟采空区内，实时观测各种采矿方法开采后上覆岩层的变形和破坏情况，记录裂纹的形成和扩展过程，有别于传统相似模拟试验只能观测模型表面各岩层的变形情况，能更精确的掌握开采后岩体内部的变形和破裂情况，为后期上覆岩层稳定性分析提供基础；

（4）本发明通过柔性可变形角板连接前后左右和上部的刚性箱体板形成封闭的试验箱，有助于防止围压加载过程中各刚性箱体板的相互挤压，保证三轴围压的顺利加载。

附图说明

图1为一种模拟采动影响下覆岩运动特征的三维试验装置的结构示意图；

图2为试验箱箱体示意图；

图3为试验箱煤岩层模拟装置示意图（轴测图）；

图4为3D激光扫描仪可移动支架示意图；

图中：1为压力机底板、2为压力机顶板、3为压力机立柱、4为地面、5为液压油缸、6为试验箱压板、7为刚性箱体板、8为柔性可变形角板、9为螺栓、10为底盘、11为垂直升降杆、12为小平板、13为铰接球、14为微型高清摄像头、15为3D激光扫描仪、16为导轨、17为滑块、18为油压控制器、19为应力传感器、20为声发射传感器、21为数据采集处理器、22为热红外成像仪、23为箱体、24为小型液压控制器、25为铰接控制器、26为高清摄像***。

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，下面将结合本发明附图，对本发明实施例中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一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动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。

结合图1-图4所示，本发明提供的一种模拟采动影响下覆岩运动特征的三维试验装置，包括加载装置、试验箱及覆岩运动监测装置三部分。

加载装置包括压力机支撑架、液压油缸5、油压控制器18、试验箱压板6。其中，压力机支撑架构成整个三轴试验装置的外框架，包括压力机顶板2、压力机底板1、压力机立柱3；压力机立柱3连接压力机顶板2、压力机底板1，且嵌固于地面，形成稳定、可靠的连接；试验箱位于压力机支撑架内部，试验箱外部设有试验箱压板6，试验箱压板6外部均匀连接液压油缸5；液压油缸5一端固定于压力机支撑架上，且与油压控制器18连接提供油压，另一端固定于试验箱压板6，给试验箱提供围压。

试验箱包括箱体和煤岩层模拟装置。其中，箱体通过螺栓9将边部设置有一排螺栓孔的前、后、左、右和上部的刚性箱体板7以及连接刚性箱体板7的柔性可变形角板8连接成整体，形成立方体结构箱体。柔性可变形角板8材质为PVC高硬度软板。图1中看到的层状结构是通过铺设不同材料的岩土层实现的。

煤岩层模拟装置由底盘10、垂直升降杆11、小平板12、铰接球13、铰接控制器25和小型液压控制器24组成；其中，底盘为由铸铁制成的2m×1m的矩形底盘，下端固定于压力机底板1上。底盘四周边缘各设置有一排螺栓孔，通过螺栓孔与柔性可变形角板8形成螺栓连接，与前、后、左、右和上部的刚性箱体板7形成封闭的立方体试验箱；图3中示出的试验箱煤岩层模拟装置，为图1中斜向下视角。

垂直升降杆11固定于底盘10上部，与小型液压控制器24连接，通过小型液压控制器24控制垂直升降杆11的垂直升降高度及垂直升降杆内压力，模拟煤层的开采和充填，以及采后液压支架的支撑力。垂直升降杆11上部通过铰接球13与一个5cm×5cm的小平板12铰接连接，铰接球13通过铰接控制器25控制小平板12与水平地面的角度，模拟地层及煤层倾角。

优选地，小平板上表面带有弹簧装置，通过弹簧的弹力模拟煤层开采后，充填体的回填情况。即：当模拟矿体需要充填时，可首先调控垂直升降杆的高度，确定充填体的回填高度，同时由于现有技术，充填体没有办法和上覆岩层完全贴合提供足够的支撑力，此时，由于弹簧上的压力被释放，不再处于压缩状态，能对上覆岩层起到一定的支撑作用但又没有提供很强的支撑力，以此来模拟矿体的回填情况。

覆岩运动监测装置，包括应力传感器19、声发射传感器20、热红外成像仪22、3D激光扫描仪15、微型高清摄像头14、数据采集处理器21。

在试验箱内铺设岩层相似模拟材料时，在每层材料的下部埋设应力传感器19，同时在预判关键层的相似材料边缘处放置声发射传感器20，监测各岩层在开采前、采动过程中的应力变化情况及岩层破断的声发射信号，确定岩层破断的时间和位置。

热红外成像仪22架设于试验箱外侧，架设高度与试验箱中心位置齐平，用于煤层开采前、开采过程中及开采后上覆岩层的位移和变形监测，以确定覆岩破断位置和发生时间。

3D激光扫描仪15用于各岩层铺设阶段和模拟试验结束后的全景扫描，以获取开采前后各岩层形貌，并通过图像处理软件及测试数据进行3D裂隙重构和数值模拟计算。3D激光扫描仪15架设于可移动支架上，可移动支架安装导轨16，导轨16内设滑块17，滑块17与3D激光扫描仪15螺栓连接，供3D激光扫描仪15移动扫描。如图4所示，可移动支架是一个独立的装置，其独立于试验箱上方，需要进行扫描时移动到试验箱体上方，将3D激光扫描仪移动进入未加载的空间中，不需扫描时，移出。

底盘10平面上竖直方向设置一排小孔，用于微型高清摄像头14由底盘10进入模拟采空区内，实时观测各种采矿方法开采后上覆岩层的变形和破坏情况，记录裂纹的形成和扩展过程；

数据采集处理器21与应力传感器19、声发射传感器20、热红外成像仪22、3D激光扫描仪15、微型高清摄像头14电连接，记录相关数据并进行数据的存储和转换。

本实施例提供的一种模拟采动影响下覆岩运动特征的三维试验方法，其模拟工况为：工作面开采22号煤层，该煤层平均倾角4°，平均厚度3.15m。直接顶为细砂岩，厚2.27m，老顶为中砂岩，厚12.78m；砂质泥岩，16.48m。上覆19号煤层，厚2m，19号煤层直接顶为细砂岩，厚4.6m，老顶为中细砂岩，厚8.72m。有1条落差为1.6m的断层穿过工作面，距开切口工作面300m。煤的瓦斯含量低。工作面采用长壁垮落采煤法，平均采高3.15m，工作面长150m，走向长度1000m。工作面采用四班制，三个班生产，一个班检修，日进尺13.5m。

具体试验步骤如下：

（1）根据模拟工况，对工况范围内各煤层、岩层物理力学参数进行测试，确定砂、石膏、石灰为所选相似模拟材料，并确定各材料的试验用量，见表1。

表1 各煤层、岩层物理力学参数及相似模拟材料用量

（2）将2m×1m的矩形底盘通过底盘四周边缘的螺栓孔与柔性可变形角板形成螺栓连接，并将柔性可变形角板与高度为1.5m的前后左右的刚性箱体板连接，形成四周封闭的立方体试验箱。

（3）根据模拟工况开采工作面煤层的厚度及倾角，通过液压控制器及铰接控制器调节断层左侧垂直升降杆高度至9.45cm、断层右侧垂直升降杆高度至14.28cm、小平板角度为4°。

（4）将步骤（1）中计算得到的各种相似模拟材料按比例混合，并在试验箱内按层均匀铺设在垂直升降杆和小平板组成的模拟工作面底板上。在各地层相似材料铺设过程中，在每层地层的下部沿岩层倾向（试验箱宽度方向）布置3条测线，测线间距30cm，每条测线上安装6个应力传感器，各应力传感器间距30cm，监测煤层开采前各地层应力及煤层开采过程各布置点的应力变化情况。在相似材料预判关键层内距试验箱边缘20cm处放置声发射传感器，实时监测并采集上覆岩层破断的声发射信号。同时运用3D激光扫描仪对铺设相似材料后的每层地层进行全景扫描，以获取采动前各岩层形貌，并通过图像处理软件重构采动前相似模拟试验数值模型。

（5）待模拟被测岩层相似材料干硬后，运用3D激光扫描仪对最上层岩层进行扫描，并盖入试验箱上部刚性箱体板，将试验箱上部刚性箱体板与柔性可变形角板用螺栓连接固定，形成完整封闭的立方体试验箱；

（6）开启加载装置，液压油缸通过试验箱压板以恒定加载速率同时向试验箱施加压力，直到三向加载压力达到模拟开采地层的实测地应力。加载结束后记录各应力传感器所测应力，开启热红外成像仪记录煤层开采前各模拟岩层的初始状态。

（7）模拟工况采用长壁垮落采煤法，保持最靠近前刚性箱体板的第一、二排垂直升降杆及小平板的位置不变，模拟两个采场间矿柱；首先，由前往后依次下降第一列的第三、四、五、六……十三、十四排垂直升降杆，下降速度为0.21cm/min；其次，当第一列垂直升降杆完全下降到原始位置后，由前往后依次下降第二列的第三、四、五、六……十三、十四排垂直升降杆，下降速度为0.21cm/min；之后，依次从前往后下降第三列、第四列……直到完成本工作面开采。

试验过程中将微型高清摄像头经由底盘的小孔进入到试验箱内部采空区范围，实时观测开采后上覆岩层的变形和破坏情况，记录裂纹的形成和扩展过程。

此外，试验过程中覆岩运动监测装置的应力传感器、声发射传感器、热红外成像仪实时监测岩层的应力、变形及破断参数并记录。

（8）模拟开挖结束后，卸除试验箱***压并拆除试验箱上部刚性箱体板。从上到下沿层面逐层清理模型材料，每层清理前使用3D激光扫描仪全景扫描以获取本岩层表面形貌，同时采用高清摄像机全程记录逐层清理过程，以记录模型剖面变化情况。之后通过图像处理软件并结合测试试验数据进行3D裂隙重构和数值模拟计算。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种模拟采动影响下覆岩运动特征的三维试验装置，其特征在于包括加载装置、试验箱及覆岩运动监测装置；

加载装置包括压力机支撑架、液压油缸、油压控制器、试验箱压板；其中，压力机支撑架构成整个三轴试验装置的外框架，包括压力机顶板、压力机底板和压力机立柱；压力机立柱连接压力机顶板和压力机底板，且嵌固于地面；液压油缸固定在压力机支撑架上，液压油缸一端与油压控制器连接，油压控制器为油缸提供油压，另一端和试验箱压板连接，给试验箱提供围压；试验箱压板设置在试验箱箱体的外侧面；

试验箱包括箱体和煤岩层模拟装置；其中，箱体包括前、后、左、右和上部的刚性箱体板以及连接刚性箱体板的柔性可变形角板；

煤岩层模拟装置包括底盘、垂直升降杆、小平板、铰接球、铰接控制器和小型液压控制器；其中，底盘为由刚性较大的材料制成的矩形底盘；底盘固定于压力机底板上；垂直升降杆用于控制模拟开采底板的厚度以及模拟不同开采方式下煤层的开采；垂直升降杆固定于底盘上，且与小型液压控制器连接，通过小型液压控制器控制垂直升降杆压力实现垂直升降，模拟煤层的开采和充填，以及采后液压支架的支撑力；垂直升降杆呈平行排列布置，覆盖整个底盘；一个垂直升降杆和一个小平板通过铰接球铰接，以控制小平板与水平地面的角度，模拟地层及煤层倾角；

覆岩运动监测装置，包括应力传感器、声发射传感器、热红外成像仪、3D激光扫描仪、微型高清摄像头、数据采集处理器；数据采集处理器与应力传感器、声发射传感器、热红外成像仪、3D激光扫描仪、微型高清摄像头电连接，记录相关数据并进行数据的存储和转换；在试验箱内铺设岩层相似模拟材料时，在每层材料的下部埋设应力传感器，通过应力传感器对各层岩层在开采前、采动过程中的应力变化情况进行实时监测；在试验箱内预判关键层的相似材料边缘处放置声发射传感器，用于监测上覆岩层破断的声发射信号和瞬时弹性波，以确定岩层破断的时间和位置；热红外成像仪架设于试验箱外侧，架设高度与试验箱中心位置齐平，用于煤层开采前、开采过程中及开采后上覆岩层的位移和变形监测，以确定覆岩破断位置和发生时间；3D激光扫描仪用于各岩层铺设阶段和模拟试验结束后的全景扫描；微型高清摄像头设置在底盘上方试验箱体内部，对上覆岩层的变形和破坏情况进行监测。

2.根据权利要求1所述的模拟采动影响下覆岩运动特征的三维试验装置，其特征在于：刚性箱体板和柔性可变形角板的边部均设置有一排螺栓孔，刚性箱体板和柔性可变形角板通过螺栓连接；柔性可变形角板材质为PVC高硬度软板、铝复合板、树脂类软板中的一种。

3.根据权利要求1所述的模拟采动影响下覆岩运动特征的三维试验装置，其特征在于：每个垂直升降杆均与一个小平板连接，通过所述铰接控制器控制小平板与水平地面的角度；铰接球通过铰接控制器控制角度，小平板焊接于铰接球上，通过控制铰接球的角度来控制小平板与水平地面所成的角度。

4.根据权利要求1所述的模拟采动影响下覆岩运动特征的三维试验装置，其特征在于：底盘四周边缘均设置有一排螺栓孔，通过螺栓孔与柔性可变形角板形成螺栓连接，与前后左右和上部的刚性箱体板形成封闭的试验箱。

5.根据权利要求1所述的模拟采动影响下覆岩运动特征的三维试验装置，其特征在于：小平板上表面带有弹簧装置，通过弹簧的弹力模拟煤层开采后，充填体的回填情况；小平板上表面和岩层接触，因为岩层重量比较大，当置于小平板上时，弹簧一直处于压缩状态。

6.根据权利要求1所述的模拟采动影响下覆岩运动特征的三维试验装置，其特征在于：3D激光扫描仪获取开采前后各岩层形貌，并通过图像处理软件及测试数据进行3D裂隙重构和数值模拟计算；3D激光扫描仪架设于可移动支架上，可移动支架表面安装导轨，导轨内设滑块，滑块与3D激光扫描仪螺栓连接，供3D激光扫描仪移动扫描；可移动支架不与试验箱体连接，是一个可移动装备，支架上架设3D激光扫描仪的高度要高于试验箱内所铺岩土层的高度。

7.根据权利要求1所述的模拟采动影响下覆岩运动特征的三维试验装置，其特征在于：底盘平面上竖直方向设置一排小孔，用于微型高清摄像头由底盘进入模拟采空区内，实时观测各种采矿方法开采后上覆岩层的变形和破坏情况，记录裂纹的形成和扩展过程。

8.一种模拟采动影响下覆岩运动特征的三维试验方法，采用权利要求1~7任一项所述的模拟采动影响下覆岩运动特征的三维试验装置，其特征在于具体步骤如下：

（1）选定实际矿体开采试验模拟范围，对该范围内各地层煤、岩石物理力学参数进行测试，根据相似模拟原则，选择与实际矿体相似的砂、石膏、石灰、水泥相似模拟材料，并确定各种材料的试验用量；

（2）通过底盘四周边缘的螺栓孔与柔性可变形角板形成螺栓连接，并将柔性可变形角板与前后左右的刚性箱体板连接，形成四周封闭的试验箱；

（3）根据模拟开采工作面煤层的厚度及倾角，通过液压控制器及铰接控制器调节垂直升降杆高度和铰接球角度，使垂直升降杆高度等于实际煤层厚度的相似模拟高度，铰接球角度与实际煤层倾角一致；

（4）根据各地层的实际参数，将第（1）步中计算得到的各种相似模拟材料按比例混合，并在试验箱内按层均匀铺设在垂直升降杆和小平板组成的模拟工作面底板上；其中，在各地层相似材料铺设过程中在每层地层的下部安装应力传感器，在预判关键层的相似材料边缘处放置声发射传感器；并运用3D激光扫描仪对铺设相似材料后的每层地层进行全景扫描，以获取采动前各岩层形貌，并通过图像处理软件重构采动前相似模拟试验数值模型；

（5）待模拟被测岩层相似材料干硬后，运用3D激光扫描仪对最上层岩层进行扫描，并盖入试验箱上部刚性箱体板，将试验箱上部刚性箱体板与柔性可变形角板用螺栓连接固定，形成完整试验箱；

（6）开启加载装置，液压油缸通过试验箱压板向试验箱施加压力，直到三向加载压力达到预定值，该预定值为模拟开采地层的实测地应力；加载过程应同时进行，三向应力加载速率恒定，保持协调，尽量同时达到压力控制点；加载结束后记录各应力传感器所测应力；开启热红外成像仪记录煤层开采前各模拟岩层的初始状态；

（7）根据所模拟区域工作面实际开采方法，使用小型液压控制器和铰接控制器控制底盘上的众多垂直升降杆上下移动及小平板的倾斜角度，精确模拟煤层开采；通过协调控制各个垂直升降杆是否下降，下降的高度和速率，下降后再提升高度和速率等，模拟不同采高、采宽和工作面推进速度的各种工况以及采矿方法；

试验过程中将微型高清摄像头经由底盘的小孔进入到试验箱内部采空区范围，实时观测各种采矿方法、各种工况开采后上覆岩层的变形和破坏情况，记录裂纹的形成和扩展过程；

此外，试验过程中覆岩运动监测装置的应力传感器、声发射传感器、热红外成像仪实时监测岩层的应力、变形及破断参数并记录；

（8）模拟开挖结束后，卸除试验箱***压并拆除试验箱上部刚性箱体板；从上到下沿层面逐层清理模型材料，每层清理前使用3D激光扫描仪全景扫描以获取本层表面形貌，同时采用高清摄像机全程记录逐层清理过程，以记录模型剖面变化情况；通过图像处理软件并结合测试试验数据进行3D裂隙重构和数值模拟计算。

9.根据权利要求8所述的模拟采动影响下覆岩运动特征的三维试验方法，其特征在于：步骤（4）中，应力传感器根据采矿方法的不同，沿岩层倾向或走向布置若干条测线，各测线间距25±5cm，每条测线布置3～6个应力传感器，各应力传感器间距25±5cm，煤层开采前各地层应力及煤层开采过程各布置点的应力变化情况将通过各应力传感器进行实时监测并采集；

声发射传感器布置在试验箱内预判关键层的相似材料边缘处，距离试验箱体边缘20±3cm，实时监测并采集上覆岩层破断的声发射信号。

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