CN105044305B - 一种煤矿覆岩破断预测实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种煤矿覆岩破断预测实验装置，包括实验平台、应力补偿系统、热红外成像系统、声发射系统、液压支架载荷监测系统以及数据信息采集和处理系统；本发明实施例通过设置实验平台能够实时监测工作面推进过程中顶板能量的聚积过程以及破断时的能量分布状态、支架工作阻力、煤层及顶板应力变化；通过数据信息采集系统可以在实验结束后得到支架载荷及煤、岩层中的应力变化监测数据；经数据处理系统对上述信息进行处理对比，结合顶底板岩性及支架工作状态等基础参数对覆岩破断前兆信息进行预测，获得工作面矿压显现和覆岩移动规律，为采场围岩控制提供实验基础。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿开采技术领域，尤其涉及一种煤矿覆岩破断预测实验装置。
背景技术
岩石是一种非均质复合结构材料，内部节理裂隙随机分布,当受外部作用时，岩石内部的裂隙经历闭合、扩展和贯通过程，当超过一定强度极限时就会发生失稳破坏。在煤层覆岩破断理论方面，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，以上理论或假说对上覆岩层的破断和失稳特征进行了描述，但以上思想均没有考虑岩层变形所蓄积的能量对岩层破断的影响。固体屈服或破坏都必须克服保持物体固有形状及物体强度的分子力，就必须消耗能量，因此，能量是物理反应的本质特征。许多学者从能量的角度分析并给出了岩体的破坏准则和判据，但都没有直接地研究岩体开挖过程中能量的聚集和分布特征。另外，鉴于岩层破断时会产生瞬时弹性波、并对工作面液压支架产生动载荷的实际，收集上覆岩层破断时产生的多种信息，并通过信息融合与处理，对于监测和预测上覆岩层破断位置、发生的时间、产生的影响等具有重要的意义。
发明内容
为了能够用于研究煤矿工作面上覆岩层自开切眼推进过程中顶板岩层的能量聚积过程、沿工作面的分布特征、顶板破断时的能量释放过程以及来压时的支架载荷变化，同时能够直观地看到顶板破断前夕的能量分布状态，本发明的实施例提供了一种煤矿覆岩破断预测实验装置，包括实验平台、应力补偿系统、热红外成像系统、声发射系统、液压支架载荷监测系统以及数据信息采集和处理系统；所述实验平台用于承载所述实验材料；所述应力补偿系统用于为所述实验平台提供应力补偿加载；所述热红外成像系统用于监测工作面上覆岩层推进和破断过程中的能量聚集和释放，用以确定覆岩破断位置和发生时间；所述声发射系统用于接收覆岩在加载过程中突然破断产生的瞬时弹性波；所述液压支架载荷监测系统布置在采煤工作面，用于实现随着工作面开挖逐步推进，监测覆岩破断时对液压支架形成的动载荷，测量覆岩破断时液压支架活柱的下缩量；所述数据信息采集和处理系统用于融合热红外成像系统、声发射系统、液压支架载荷监测系统收集的数据，将数据进行融合与分析，对覆岩破断发生时间、位置和强度进行监测和预测。
进一步地，所述实验平台包括底座、顶梁、底梁、立柱、背板、轴和角度调节液压缸；所述立柱的两端分别连接所述顶梁和所述底梁；所述背板设在所述立柱与所述顶梁和所述底梁的连接处；所述底梁通过轴连接所述底座；所述立柱通过角度调节液压缸连接所述底座。
进一步地，所述应力补偿系统包含数个大行程液压缸、游动加载梁、数个小行程液压缸、数个加载应力转换板、恒压供液泵站、供液控制系统、压力监测系统和液压油管；所述数个大行程液压缸均匀分布固定在所述顶梁上；所述游动加载梁连接所述大行程液压缸底部；所述数个小行程液压缸固定在所述游动加载梁底部；所述数个加载应力转换板分别设在所述数个小行程液压缸的底部；所述恒压供液泵站通过液压油管分别连接所述数个大行程液压缸和所述数个小行程液压缸；所述压力监测系统将压力变送器分别用三通连接在供液泵站出油管路上；所述供液控制系统电连接所述恒压供液泵站。
进一步地，所述热红外成像系统包括热红外成像仪和红外图像处理系统；所述红外图像处理系统电连接所述红外成像仪。
进一步地，所述声发射系统包含声发射仪和处理系统，所述声发射仪电连接所述处理系统；所述处理系统包含声发射传感器、放大器、数据采集卡和处理器；所述声发射传感器设置在模拟实验工作面覆岩中；所述处理器分别电连接所述声发射传感器、所述放大器和所述数据采集卡。
进一步地，所述液压支架载荷监测系统包括液压支架和液压支架载荷监测装置；所述液压支架载荷监测装置设在所述液压支架上；所述液压支架载荷监测系统包含荷载传感器、位移计、数据采集卡及处理器；所述处理器分别与所述传感器、所述位移计和所述数据采集卡电连接。
进一步地，所述数据信息采集和处理系统包括综合数据采集卡和综合数据处理器；所述综合数据处理器电连接所述综合数据采集卡；所述综合数据采集卡信号连接所述红外成像系统、声发射系统和所述液压支架载荷监测系统。
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例通过设置实验平台能够实时监测工作面推进过程中顶板能量的聚积过程以及破断时的能量分布状态、支架工作阻力、煤层及顶板应力变化；通过数据信息采集系统可以在实验结束后得到支架载荷及煤、岩层中的应力变化监测数据；经数据处理系统对上述信息进行处理对比，结合顶底板岩性及支架作用状态等基础参数对坚硬岩层破断前兆进行预测，确定顶板载荷的估算方法，提高采高采场围岩控制技术水平。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例一种煤矿覆岩破断预测实验装置的系统结构图；
图2是本发明实施例一种煤矿覆岩破断预测实验装置的实验平台结构图；
图3是本发明实施例一种煤矿覆岩破断预测实验装置的应力补偿系统结构示意图；
图4是本发明实施例一种煤矿覆岩破断预测实验装置的热红外成像系统结构示意图；
图5是本发明实施例一种煤矿覆岩破断预测实验装置的声发射系统结构示意图；
图6是本发明实施例一种煤矿覆岩破断预测实验装置的数据信息采集和处理系统的示意结构图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
实施例一
为了解决上述现有技术的缺点，本发明实施例设计了一种煤矿覆岩破断预测实验装置，如图1至图6所示，包括实验平台1、应力补偿系统2、热红外成像系统3、声发射系统4、液压支架载荷监测系统5以及数据信息采集和处理系统6；实验平台1用于承载实验材料；应力补偿系统2用于为实验平台1提供应力补偿加载；热红外成像系统3用于监测工作面上覆岩层推进和破断过程中的能量聚集和释放，用以确定覆岩破断位置和发生时间；声发射系统4用于接收覆岩在加载过程中突然破断产生的瞬时弹性波；液压支架载荷监测系统5布置在采煤工作面，用于实现随着工作面开挖逐步推进，监测覆岩破断时对液压支架形成的动载荷，测量覆岩破断时液压支架活柱的下缩量；数据信息采集和处理系统6用于融合热红外成像系统3、声发射系统4、液压支架载荷监测系统5收集的数据，将数据进行融合与分析，对覆岩破断发生时间、位置和强度进行监测和预测。
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例通过设置实验平台1能够实时监测工作面推进过程中顶板能量的聚积过程以及破断时的能量分布状态、支架工作阻力、煤层及顶板应力变化；通过数据信息采集系统可以在实验结束后得到支架载荷及煤、岩层中的应力变化监测数据；经数据处理系统对上述信息进行处理对比，结合顶底板岩性及支架作用状态等基础参数对坚硬岩层破断前兆进行预测，确定顶板载荷的估算方法，提高采高采场围岩控制技术水平。
实施例二
为了解决上述现有技术的缺点，本发明实施例设计了一种煤矿覆岩破断预测实验装置，如图1至图6所示，包括实验平台1、应力补偿系统2、热红外成像系统3、声发射系统4、液压支架载荷监测系统5以及数据信息采集和处理系统6；实验平台1用于承载实验材料；应力补偿系统2用于为实验平台1提供应力补偿加载；热红外成像系统3用于监测工作面上覆岩层推进和破断过程中的能量聚集和释放，用以确定覆岩破断位置和发生时间；声发射系统4用于接收覆岩在加载过程中突然破断产生的瞬时弹性波；液压支架载荷监测系统5布置在采煤工作面，用于实现随着工作面开挖逐步推进，监测覆岩破断时对液压支架形成的动载荷，测量覆岩破断时液压支架活柱的下缩量；数据信息采集和处理系统6用于融合热红外成像系统3、声发射系统4、液压支架载荷监测系统5收集的数据，将数据进行融合与分析，对覆岩破断发生时间、位置和强度进行监测和预测。实验平台1包括底座7、顶梁10、底梁8、立柱9、背板11、铰接轴13和角度调节液压缸14；立柱9的两端分别连接顶梁10和底梁8；背板11设在立柱9与顶梁10和底梁8的连接处；底梁8通过铰接轴13连接底座7；立柱9通过角度调节液压缸14连接底座7。
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例通过设置实验平台1能够实时监测工作面推进过程中顶板能量的聚积过程以及破断时的能量分布状态、支架工作阻力、煤层及顶板应力变化；通过数据信息采集系统可以在实验结束后得到支架载荷及煤、岩层中的应力变化监测数据；经数据处理系统对上述信息进行处理对比，结合顶底板岩性及支架作用状态等基础参数对坚硬岩层破断前兆进行预测，确定顶板载荷的估算方法，提高采高采场围岩控制技术水平。
实施例三
为了解决上述现有技术的缺点，本发明实施例设计了一种煤矿覆岩破断预测实验装置，如图1至图6所示，包括实验平台1、应力补偿系统2、热红外成像系统3、声发射系统4、液压支架载荷监测系统5以及数据信息采集和处理系统6；实验平台1用于承载实验材料；应力补偿系统2用于为实验平台1提供应力补偿加载；热红外成像系统3用于监测工作面上覆岩层推进和破断过程中的能量聚集和释放，用以确定覆岩破断位置和发生时间；声发射系统4用于接收覆岩在加载过程中突然破断产生的瞬时弹性波；液压支架载荷监测系统5布置在采煤工作面，用于实现随着工作面开挖逐步推进，监测覆岩破断时对液压支架形成的动载荷，测量覆岩破断时液压支架活柱的下缩量；数据信息采集和处理系统6用于融合热红外成像系统3、声发射系统4、液压支架载荷监测系统5收集的数据，将数据进行融合与分析，对覆岩破断发生时间、位置和强度进行监测和预测。实验平台1包括底座7、顶梁10、底梁8、立柱9、背板11、铰接轴13和角度调节液压缸14；立柱9的两端分别连接顶梁10和底梁8；背板11设在立柱9与顶梁10和底梁8的连接处；底梁8通过铰接轴13连接底座7；立柱9通过角度调节液压缸14连接底座7。应力补偿系统2包含3个大行程液压缸16、游动加载梁15、7个小行程液压缸17、7个加载应力转换板18、恒压供液泵站19、供液控制系统20和液压油管21；3个大行程液压缸16均匀分布固定在顶梁8上；游动加载梁15连接大行程液压缸16底部；7个小行程液压缸固定在游动加载梁15底部；7个加载应力转换板18分别设在7个小行程液压缸17的底部；恒压供液泵站19通过液压油管21分别连接3个大行程液压缸16和7个小行程液压缸17；供液控制系统20电连接恒压供液泵站19。通过供液控制系统20使恒压供液泵站19给大行程液压缸16和小行程液压缸17分别供液，实现竖直方向的应力补偿加载。
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例通过设置实验平台1能够实时监测工作面推进过程中顶板能量的聚积过程以及破断时的能量分布状态、支架工作阻力、煤层及顶板应力变化；通过数据信息采集系统可以在实验结束后得到支架载荷及煤、岩层中的应力变化监测数据；经数据处理系统对上述信息进行处理对比，结合顶底板岩性及支架作用状态等基础参数对坚硬岩层破断前兆进行预测，确定顶板载荷的估算方法，提高采高采场围岩控制技术水平。
实施例四
为了解决上述现有技术的缺点，本发明实施例设计了一种煤矿覆岩破断预测实验装置，如图1至图6所示，包括实验平台1、应力补偿系统2、热红外成像系统3、声发射系统4、液压支架载荷监测系统5以及数据信息采集和处理系统6；实验平台1用于承载实验材料；应力补偿系统2用于为实验平台1提供应力补偿加载；热红外成像系统3用于监测工作面上覆岩层推进和破断过程中的能量聚集和释放，用以确定覆岩破断位置和发生时间；声发射系统4用于接收覆岩在加载过程中突然破断产生的瞬时弹性波；液压支架载荷监测系统5布置在采煤工作面，用于实现随着工作面开挖逐步推进，监测覆岩破断时对液压支架形成的动载荷，测量覆岩破断时液压支架活柱的下缩量；数据信息采集和处理系统6用于融合热红外成像系统3、声发射系统4、液压支架载荷监测系统5收集的数据，将数据进行融合与分析，对覆岩破断发生时间、位置和强度进行监测和预测。实验平台1包括底座7、顶梁10、底梁8、立柱9、背板11、铰接轴13和角度调节液压缸14；立柱9的两端分别连接顶梁10和底梁8；背板11设在立柱9与顶梁10和底梁8的连接处；底梁8通过铰接轴13连接底座7；立柱9通过角度调节液压缸14连接底座7。应力补偿系统2包含3个大行程液压缸16、游动加载梁15、7个小行程液压缸17、7个加载应力转换板18、恒压供液泵站19、供液控制系统20和液压油管21；3个大行程液压缸16均匀分布固定在顶梁8上；游动加载梁15连接大行程液压缸16底部；7个小行程液压缸固定在游动加载梁15底部；7个加载应力转换板18分别设在7个小行程液压缸17的底部；恒压供液泵站19通过液压油管21分别连接3个大行程液压缸16和7个小行程液压缸17；供液控制系统20电连接恒压供液泵站19。通过供液控制系统20使恒压供液泵站19给大行程液压缸16和小行程液压缸17分别供液，实现竖直方向的应力补偿加载。热红外成像系统3包括热红外成像仪23和红外图像处理系统24；红外图像处理系统24电连接红外成像仪23。红外成像仪23用于监测工作面上覆岩层推进和破断过程中的能量聚集和释放，用以确定覆岩破断位置和发生时间。
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例通过设置实验平台1能够实时监测工作面推进过程中顶板能量的聚积过程以及破断时的能量分布状态、支架工作阻力、煤层及顶板应力变化；通过数据信息采集系统可以在实验结束后得到支架载荷及煤、岩层中的应力变化监测数据；经数据处理系统对上述信息进行处理对比，结合顶底板岩性及支架作用状态等基础参数对坚硬岩层破断前兆进行预测，确定顶板载荷的估算方法，提高采高采场围岩控制技术水平。
实施例五
为了解决上述现有技术的缺点，本发明实施例设计了一种煤矿覆岩破断预测实验装置，如图1至图6所示，包括实验平台1、应力补偿系统2、热红外成像系统3、声发射系统4、液压支架载荷监测系统5以及数据信息采集和处理系统6；实验平台1用于承载实验材料；应力补偿系统2用于为实验平台1提供应力补偿加载；热红外成像系统3用于监测工作面上覆岩层推进和破断过程中的能量聚集和释放，用以确定覆岩破断位置和发生时间；声发射系统4用于接收覆岩在加载过程中突然破断产生的瞬时弹性波；液压支架载荷监测系统5布置在采煤工作面，用于实现随着工作面开挖逐步推进，监测覆岩破断时对液压支架形成的动载荷，测量覆岩破断时液压支架活柱的下缩量；数据信息采集和处理系统6用于融合热红外成像系统3、声发射系统4、液压支架载荷监测系统5收集的数据，将数据进行融合与分析，对覆岩破断发生时间、位置和强度进行监测和预测。实验平台1包括底座7、顶梁10、底梁8、立柱9、背板11、铰接轴13和角度调节液压缸14；立柱9的两端分别连接顶梁10和底梁8；背板11设在立柱9与顶梁10和底梁8的连接处；底梁8通过铰接轴13连接底座7；立柱9通过角度调节液压缸14连接底座7。应力补偿系统2包含3个大行程液压缸16、游动加载梁15、7个小行程液压缸17、7个加载应力转换板18、恒压供液泵站19、供液控制系统20和液压油管21；3个大行程液压缸16均匀分布固定在顶梁8上；游动加载梁15连接大行程液压缸16底部；7个小行程液压缸固定在游动加载梁15底部；7个加载应力转换板18分别设在7个小行程液压缸17的底部；恒压供液泵站19通过液压油管21分别连接3个大行程液压缸16和7个小行程液压缸17；供液控制系统20电连接恒压供液泵站19。通过供液控制系统20使恒压供液泵站19给大行程液压缸16和小行程液压缸17分别供液，实现竖直方向的应力补偿加载。热红外成像系统3包括热红外成像仪23和红外图像处理系统24；红外图像处理系统24电连接红外成像仪23。红外成像仪23用于监测工作面上覆岩层推进和破断过程中的能量聚集和释放，用以确定覆岩破断位置和发生时间。声发射系统4包含声发射仪25和处理系统26，声发射仪25电连接处理系统26；处理系统26包含声发射传感器、放大器、数据采集卡和处理器；声发射传感器设置在模拟实验工作面覆岩中；处理器分别电连接声发射传感器、放大器和数据采集卡。声发射系统4用于接收覆岩在加载过程中突然破断产生的瞬时弹性波，通过放大器与数据采集卡，并经过处理器，预测工作面上覆岩层破断的位置。
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例通过设置实验平台1能够实时监测工作面推进过程中顶板能量的聚积过程以及破断时的能量分布状态、支架工作阻力、煤层及顶板应力变化；通过数据信息采集系统可以在实验结束后得到支架载荷及煤、岩层中的应力变化监测数据；经数据处理系统对上述信息进行处理对比，结合顶底板岩性及支架作用状态等基础参数对坚硬岩层破断前兆进行预测，确定顶板载荷的估算方法，提高采高采场围岩控制技术水平。
实施例六
为了解决上述现有技术的缺点，本发明实施例设计了一种煤矿覆岩破断预测实验装置，如图1至图6所示，包括实验平台1、应力补偿系统2、热红外成像系统3、声发射系统4、液压支架载荷监测系统5以及数据信息采集和处理系统6；实验平台1用于承载实验材料；应力补偿系统2用于为实验平台1提供应力补偿加载；热红外成像系统3用于监测工作面上覆岩层推进和破断过程中的能量聚集和释放，用以确定覆岩破断位置和发生时间；声发射系统4用于接收覆岩在加载过程中突然破断产生的瞬时弹性波；液压支架载荷监测系统5布置在采煤工作面，用于实现随着工作面开挖逐步推进，监测覆岩破断时对液压支架形成的动载荷，测量覆岩破断时液压支架活柱的下缩量；数据信息采集和处理系统6用于融合热红外成像系统3、声发射系统4、液压支架载荷监测系统5收集的数据，将数据进行融合与分析，对覆岩破断发生时间、位置和强度进行监测和预测。实验平台1包括底座7、顶梁10、底梁8、立柱9、背板11、铰接轴13和角度调节液压缸14；立柱9的两端分别连接顶梁10和底梁8；背板11设在立柱9与顶梁10和底梁8的连接处；底梁8通过铰接轴13连接底座7；立柱9通过角度调节液压缸14连接底座7。应力补偿系统2包含3个大行程液压缸16、游动加载梁15、7个小行程液压缸17、7个加载应力转换板18、恒压供液泵站19、供液控制系统20和液压油管21；3个大行程液压缸16均匀分布固定在顶梁8上；游动加载梁15连接大行程液压缸16底部；7个小行程液压缸固定在游动加载梁15底部；7个加载应力转换板18分别设在7个小行程液压缸17的底部；恒压供液泵站19通过液压油管21分别连接3个大行程液压缸16和7个小行程液压缸17；供液控制系统20电连接恒压供液泵站19。通过供液控制系统20使恒压供液泵站19给大行程液压缸16和小行程液压缸17分别供液，实现竖直方向的应力补偿加载。热红外成像系统3包括热红外成像仪23和红外图像处理系统24；红外图像处理系统24电连接红外成像仪23。红外成像仪23用于监测工作面上覆岩层推进和破断过程中的能量聚集和释放，用以确定覆岩破断位置和发生时间。声发射系统4包含声发射仪25和处理系统26，声发射仪25电连接处理系统26；处理系统26包含声发射传感器、放大器、数据采集卡和处理器；声发射传感器设置在模拟实验工作面覆岩中；处理器分别电连接声发射传感器、放大器和数据采集卡。声发射系统4用于接收覆岩在加载过程中突然破断产生的瞬时弹性波，通过放大器与数据采集卡，并经过处理器，预测工作面上覆岩层破断的位置。
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例通过设置实验平台1能够实时监测工作面推进过程中顶板能量的聚积过程以及破断时的能量分布状态、支架工作阻力、煤层及顶板应力变化；通过数据信息采集系统可以在实验结束后得到支架载荷及煤、岩层中的应力变化监测数据；经数据处理系统对上述信息进行处理对比，结合顶底板岩性及支架作用状态等基础参数对坚硬岩层破断前兆进行预测，确定顶板载荷的估算方法，提高采高采场围岩控制技术水平。
实施例七
为了解决上述现有技术的缺点，本发明实施例设计了一种煤矿覆岩破断预测实验装置，如图1至图6所示，包括实验平台1、应力补偿系统2、热红外成像系统3、声发射系统4、液压支架载荷监测系统5以及数据信息采集和处理系统6；实验平台1用于承载实验材料；应力补偿系统2用于为实验平台1提供应力补偿加载；热红外成像系统3用于监测工作面上覆岩层推进和破断过程中的能量聚集和释放，用以确定覆岩破断位置和发生时间；声发射系统4用于接收覆岩在加载过程中突然破断产生的瞬时弹性波；液压支架载荷监测系统5布置在采煤工作面，用于实现随着工作面开挖逐步推进，监测覆岩破断时对液压支架形成的动载荷，测量覆岩破断时液压支架活柱的下缩量；数据信息采集和处理系统6用于融合热红外成像系统3、声发射系统4、液压支架载荷监测系统5收集的数据，将数据进行融合与分析，对覆岩破断发生时间、位置和强度进行监测和预测。实验平台1包括底座7、顶梁10、底梁8、立柱9、背板11、铰接轴13和角度调节液压缸14；立柱9的两端分别连接顶梁10和底梁8；背板11设在立柱9与顶梁10和底梁8的连接处；底梁8通过铰接轴13连接底座7；立柱9通过角度调节液压缸14连接底座7。应力补偿系统2包含3个大行程液压缸16、游动加载梁15、7个小行程液压缸17、7个加载应力转换板18、恒压供液泵站19、供液控制系统20和液压油管21；3个大行程液压缸16均匀分布固定在顶梁8上；游动加载梁15连接大行程液压缸16底部；7个小行程液压缸固定在游动加载梁15底部；7个加载应力转换板18分别设在7个小行程液压缸17的底部；恒压供液泵站19通过液压油管21分别连接3个大行程液压缸16和7个小行程液压缸17；供液控制系统20电连接恒压供液泵站19。通过供液控制系统20使恒压供液泵站19给大行程液压缸16和小行程液压缸17分别供液，实现竖直方向的应力补偿加载。热红外成像系统3包括热红外成像仪23和红外图像处理系统24；红外图像处理系统24电连接红外成像仪23。红外成像仪23用于监测工作面上覆岩层推进和破断过程中的能量聚集和释放，用以确定覆岩破断位置和发生时间。声发射系统4包含声发射仪25和处理系统26，声发射仪25电连接处理系统26；处理系统26包含声发射传感器、放大器、数据采集卡和处理器；声发射传感器设置在模拟实验工作面覆岩中；处理器分别电连接声发射传感器、放大器和数据采集卡。声发射系统4用于接收覆岩在加载过程中突然破断产生的瞬时弹性波，通过放大器与数据采集卡，并经过处理器，预测工作面上覆岩层破断的位置。
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例通过设置实验平台1能够实时监测工作面推进过程中顶板能量的聚积过程以及破断时的能量分布状态、支架工作阻力、煤层及顶板应力变化；通过数据信息采集系统可以在实验结束后得到支架载荷及煤、岩层中的应力变化监测数据；经数据处理系统对上述信息进行处理对比，结合顶底板岩性及支架作用状态等基础参数对坚硬岩层破断前兆进行预测，确定顶板载荷的估算方法，提高采高采场围岩控制技术水平。
实施例八
为了解决上述现有技术的缺点，本发明实施例设计了一种煤矿覆岩破断预测实验装置，如图1至图6所示，包括实验平台1、应力补偿系统2、热红外成像系统3、声发射系统4、液压支架载荷监测系统5以及数据信息采集和处理系统6；实验平台1用于承载实验材料；应力补偿系统2用于为实验平台1提供应力补偿加载；热红外成像系统3用于监测工作面上覆岩层推进和破断过程中的能量聚集和释放，用以确定覆岩破断位置和发生时间；声发射系统4用于接收覆岩在加载过程中突然破断产生的瞬时弹性波；液压支架载荷监测系统5布置在采煤工作面，用于实现随着工作面开挖逐步推进，监测覆岩破断时对液压支架形成的动载荷，测量覆岩破断时液压支架活柱的下缩量；数据信息采集和处理系统6用于融合热红外成像系统3、声发射系统4、液压支架载荷监测系统5收集的数据，将数据进行融合与分析，对覆岩破断发生时间、位置和强度进行监测和预测。实验平台1包括底座7、顶梁10、底梁8、立柱9、背板11、铰接轴13和角度调节液压缸14；立柱9的两端分别连接顶梁10和底梁8；背板11设在立柱9与顶梁10和底梁8的连接处；底梁8通过铰接轴13连接底座7；立柱9通过角度调节液压缸14连接底座7。应力补偿系统2包含3个大行程液压缸16、游动加载梁15、7个小行程液压缸17、7个加载应力转换板18、恒压供液泵站19、供液控制系统20和液压油管21；3个大行程液压缸16均匀分布固定在顶梁8上；游动加载梁15连接大行程液压缸16底部；7个小行程液压缸固定在游动加载梁15底部；7个加载应力转换板18分别设在7个小行程液压缸17的底部；恒压供液泵站19通过液压油管21分别连接3个大行程液压缸16和7个小行程液压缸17；供液控制系统20电连接恒压供液泵站19。通过供液控制系统20使恒压供液泵站19给大行程液压缸16和小行程液压缸17分别供液，实现竖直方向的应力补偿加载。热红外成像系统3包括热红外成像仪23和红外图像处理系统24；红外图像处理系统24电连接红外成像仪23。红外成像仪23用于监测工作面上覆岩层推进和破断过程中的能量聚集和释放，用以确定覆岩破断位置和发生时间。声发射系统4包含声发射仪25和处理系统26，声发射仪25电连接处理系统26；处理系统26包含声发射传感器、放大器、数据采集卡和处理器；声发射传感器设置在模拟实验工作面覆岩中；处理器分别电连接声发射传感器、放大器和数据采集卡。声发射系统4用于接收覆岩在加载过程中突然破断产生的瞬时弹性波，通过放大器与数据采集卡，并经过处理器，预测工作面上覆岩层破断的位置。液压支架载荷监测系统5包括液压支架27和液压支架载荷监测装置28；液压支架载荷监测装置28设在液压支架27上；液压支架载荷监测装置28包含荷载传感器、位移计、数据采集卡及处理器；处理器分别与荷载传感器、位移计和数据采集卡电连接。
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例通过设置实验平台1能够实时监测工作面推进过程中顶板能量的聚积过程以及破断时的能量分布状态、支架工作阻力、煤层及顶板应力变化；通过数据信息采集系统可以在实验结束后得到支架载荷及煤、岩层中的应力变化监测数据；经数据处理系统对上述信息进行处理对比，结合顶底板岩性及支架作用状态等基础参数对坚硬岩层破断前兆进行预测，确定顶板载荷的估算方法，提高采高采场围岩控制技术水平。
实施例九
为了解决上述现有技术的缺点，本发明实施例设计了一种煤矿覆岩破断预测实验装置，如图1至图6所示，包括实验平台1、应力补偿系统2、热红外成像系统3、声发射系统4、液压支架载荷监测系统5以及数据信息采集和处理系统6；实验平台1用于承载实验材料；应力补偿系统2用于为实验平台1提供应力补偿加载；热红外成像系统3用于监测工作面上覆岩层推进和破断过程中的能量聚集和释放，用以确定覆岩破断位置和发生时间；声发射系统4用于接收覆岩在加载过程中突然破断产生的瞬时弹性波；液压支架载荷监测系统5布置在采煤工作面，用于实现随着工作面开挖逐步推进，监测覆岩破断时对液压支架形成的动载荷，测量覆岩破断时液压支架活柱的下缩量；数据信息采集和处理系统6用于融合热红外成像系统3、声发射系统4、液压支架载荷监测系统5收集的数据，将数据进行融合与分析，对覆岩破断发生时间、位置和强度进行监测和预测。实验平台1包括底座7、顶梁10、底梁8、立柱9、背板11、铰接轴13和角度调节液压缸14；立柱9的两端分别连接顶梁10和底梁8；背板11设在立柱9与顶梁10和底梁8的连接处；底梁8通过铰接轴13连接底座7；立柱9通过角度调节液压缸14连接底座7。应力补偿系统2包含3个大行程液压缸16、游动加载梁15、7个小行程液压缸17、7个加载应力转换板18、恒压供液泵站19、供液控制系统20和液压油管21；3个大行程液压缸16均匀分布固定在顶梁8上；游动加载梁15连接大行程液压缸16底部；7个小行程液压缸固定在游动加载梁15底部；7个加载应力转换板18分别设在7个小行程液压缸17的底部；恒压供液泵站19通过液压油管21分别连接3个大行程液压缸16和7个小行程液压缸17；供液控制系统20电连接供液泵站19。通过供液控制系统20使恒压供液泵站19给大行程液压缸16和小行程液压缸17分别供液，实现竖直方向的应力补偿加载。还包含压力监测系统和压力变送器，压力检测系统将压力变送器分别用三通连接在恒压供液泵站19的出油管路上。热红外成像系统3包括热红外成像仪23和红外图像处理系统24；红外图像处理系统24电连接红外成像仪23。红外成像仪23用于监测工作面上覆岩层推进和破断过程中的能量聚集和释放，用以确定覆岩破断位置和发生时间。声发射系统4包含声发射仪25和处理系统26，声发射仪25电连接处理系统26；处理系统26包含声发射传感器、放大器、数据采集卡和处理器；声发射传感器设置在模拟实验工作面覆岩中；处理器分别电连接声发射传感器、放大器和数据采集卡。声发射系统4用于接收覆岩在加载过程中突然破断产生的瞬时弹性波，通过放大器与数据采集卡，并经过处理器，预测工作面上覆岩层破断的位置。液压支架载荷监测系统5包括液压支架27和液压支架载荷监测装置28；液压支架载荷监测装置28设在液压支架27上；液压支架载荷监测装置28包含荷载传感器、位移计、数据采集卡及处理器；处理器分别与荷载传感器、位移计和数据采集卡电连接。数据信息采集和处理系统6包括综合数据采集卡29和综合数据处理器30；综合数据处理器30电连接综合数据采集卡29；综合数据采集卡29信号连接红外成像系统、声发射系统4和液压支架载荷监测系统5。
工作原理：
煤、岩层铺设完成并开切眼后，实验用液压支架27布置在角度可调节的实验平台1上，并能够随工作面的推进而前移。应力补偿系统2布置在角度可调节的实验平台1的上部。实验时，首先在角度可调节的实验平台1上按照煤层综合柱状图及相似材料配比由下至上依次铺设，同时在相应的煤、岩层中预置应变片34，用来对开挖时煤、岩层中的应力进行实时监测。利用应力补偿系统2对模型施加载荷。
数据信息采集和处理系统66收集布置在煤和岩层中的应变片34、应力补偿系统2、热红外成像系统3、声发射系统4、液压支架载荷监测系统5的相关数据，并进行信息融合与对比处理。采用本发明的实验平台1模拟工作面开挖过程中的上覆岩层破断释放能量研究时，首先需要在角度可调节的实验平台1上按照煤层综合柱状图及相似材料配比铺设实验材料，铺设材料的同时在相应岩层中埋设应变片34，并将信号线与数据信息采集和处理系统66相连。然后，应力补偿系统2对铺设的模型施加补充地应力。待模型稳定、工作开切眼前后分别用热红外成像系统3对煤、岩层进行一次热成像记录，以与开挖后的图像进行对比；并用声发射系统4监测检测破断时瞬时弹性波的释放。
开切眼后，将实验用液压支架27安放在开切眼处，同时将液压支架载荷监测系统5所采集的数据线接入数据信息采集和处理系统66。观察数据信息采集和处理系统66所监测的相关数据，待所有数据均正常后进行开挖。在工作面推进过程中，上覆岩层弯曲下沉并产生变形，此时岩层中积聚一定能量从而引起温度的细微变化，工作面继续推进，顶板能量积聚至其最大值时顶板破断，并形成结构，积聚的变形能释放，温度降低，此时通过热红外成像系统3不间断地对煤、岩层的红外成像数据进行实时监测并存储，并用声发射系统4对岩层破断瞬间产生的瞬时弹性波进行收集，用于监测和判断顶板的发生时空关系，直至工作面推进至模型边界，完成实验。
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例通过设置实验平台能够实时监测工作面推进过程中顶板能量的聚积过程以及破断时的能量分布状态、支架工作阻力、煤层及顶板应力变化；通过数据信息采集系统可以在实验结束后得到支架载荷及煤、岩层中的应力变化监测数据；经数据处理系统对上述信息进行处理对比，结合顶底板岩性及支架作用状态等基础参数对坚硬岩层破断前兆进行预测，确定顶板载荷的估算方法，提高采高采场围岩控制技术水平。
以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，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的保护范围为准。
Claims (3)
1.一种煤矿覆岩破断预测实验装置，其特征在于，
包括实验平台、应力补偿系统、热红外成像系统、声发射系统、液压支架载荷监测系统以及数据信息采集和处理系统；
所述实验平台用于承载实验材料；
所述应力补偿系统用于为所述实验平台提供应力补偿加载；
所述热红外成像系统用于监测工作面上覆岩层推进和破断过程中的能量聚集和释放，用以预测覆岩破断位置和发生时间；所述热红外成像系统包括热红外成像仪和红外图像处理系统，所述红外图像处理系统电连接所述红外成像仪；
所述声发射系统用于接收覆岩在加载过程中突然破断产生的瞬时弹性波，用以监测覆岩破断位置；
所述液压支架载荷监测系统布置在采煤工作面，用于实现随着工作面开挖逐步推进，监测覆岩破断时对液压支架形成的动载荷，测量覆岩破断时液压支架活柱的下缩量；所述液压支架载荷监测系统包括液压支架和液压支架载荷监测装置，所述液压支架载荷监测装置设在所述液压支架上，所述液压支架载荷监测装置包含荷载传感器、位移计、数据采集卡及处理器一，所述处理器分别与所述荷载传感器、所述位移计和所述数据采集卡电连接；
所述数据信息采集和处理系统用于融合热红外成像系统、声发射系统、液压支架载荷监测系统收集的数据，将数据进行融合与分析，对覆岩破断发生时间、位置和强度进行监测和预测；所述数据信息采集和处理系统包括综合数据采集卡和综合数据处理器；所述综合数据处理器电连接所述综合数据采集卡；所述综合数据采集卡信号连接所述红外成像系统、声发射系统和所述液压支架载荷监测系统；
所述应力补偿系统包含数个大行程液压缸、游动加载梁、数个小行程液压缸、数个加载应力转换板、恒压供液泵站、供液控制系统、压力监测系统和液压油管；
所述数个大行程液压缸均匀分布固定在顶梁上；
所述游动加载梁连接所述大行程液压缸底部；
所述数个小行程液压缸固定在所述游动加载梁底部；
所述数个加载应力转换板分别设在所述数个小行程液压缸的底部；
所述恒压供液泵站通过液压油管分别连接所述数个大行程液压缸和所述数个小行程液压缸；
所述供液控制系统电连接所述恒压供液泵站，通过供液控制系统使恒压供液泵站给大行程液压缸和小行程液压缸分别供液，实现竖直方向的应力补偿加载。
2.根据权利要求1所述的煤矿覆岩破断预测实验装置，其特征在于：
所述实验平台包括底座、顶梁、底梁、立柱、背板、轴和角度调节液压缸；
所述立柱的两端分别连接所述顶梁和所述底梁；
所述背板设在所述立柱与所述顶梁和所述底梁的连接处；
所述底梁通过轴连接所述底座；
所述立柱通过角度调节液压缸连接所述底座。
3.根据权利要求1所述的煤矿覆岩破断预测实验装置，其特征在于，
所述声发射系统包含声发射仪和处理系统，
所述声发射仪电连接所述处理系统；
所述处理系统包含声发射传感器、放大器、数据采集卡和处理器二；
所述声发射传感器设置在模拟实验工作面覆岩中；
所述处理器二分别电连接所述声发射传感器、所述放大器和所述数据采集卡。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |