CN105319337A - 尺寸与倾角可调节式煤矿采场相似模型试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种尺寸与倾角可调节式煤矿采场相似模型试验系统及方法，包括：模型承载框架、压力加载装置、模型框架旋转装置、集中控制装置以及监测装置；模型承载框架用于铺设采场相似模型；集中控制装置用于根据试验设定的压力值向压力加载装置发送施压控制指令以及根据试验设定的倾角值向模型框架旋转装置发送旋转控制指令；压力加载装置用于根据施压控制指令向模型承载框架施加压力；模型框架旋转装置用于根据旋转控制指令使模型承载框架旋转设定的倾角；监测装置用于监测采场相似模型在开挖过程中的状态。通过采用本系统，可以在实验室内模拟煤矿现场不同倾角、不同埋深、不同煤厚的采煤工作面的压力显现特征。

Description

尺寸与倾角可调节式煤矿采场相似模型试验系统及方法

技术领域

本发明涉及采场矿山压力研究领域，具体涉及一种尺寸与倾角可调节式煤矿采场相似模型试验系统及方法。

背景技术

煤炭是中国的主要能源，在国民经济发展中具有重要的战略地位。目前中国煤矿开采深度以每年8m-12m的速度增加，东部矿井正以每10年100m-250m的速度发展。随着浅部煤炭资源逐渐枯竭，煤矿开采深度由最初浅部200m-300m逐步发展到深部700m-800m，部分煤矿开采深度已达1000m以上，在未来20年中国很多煤矿将进入到1000m-1500m的深度，深部开采面临的问题日益突出。与浅部、中深部开采相比，煤矿深部开采的最大难度在于围岩所处的复杂的力学环境难以估量。在大采深、高地应力、强烈的开采扰动作用下，深部围岩表现出诸如复杂的围岩应力场特征、大变形和强流变性、煤岩脆性-延性转化等力学特性。

而作为支撑深部开采研究的基础性研究领域，如：深部条件下工程岩体的力学特性研究、工程岩体的连续性问题研究、工程岩体的本构关系及参数确定方法研究、工程岩体的强度确定方法研究、工程岩体的强度破坏准则研究、工程岩体的大变形研究等基础科学问题都有待于深入研究，已有的基础性成果难以解答深部开采所面临的日益严重的工程技术问题。

相似模型是真实的物理实体，在基本满足相似原理的条件下，它能更真实地反映采场覆岩和工作面支护体的相互作用关系，更准确地模拟工作面开采过程和影响，并可给出更为直观的试验结果。然而，由于模型框架结构的强度刚度、模型铺设工作量、加载精度、模型量测等多方面的因素制约，长期以来采场矿压模型试验多是几何比尺1:100以下(最小为1:600)的中小比尺试验台，一方面模型尺寸较小，另一方面模型边界的加载强度、加载精度、稳压时长等方面略显不足。最为不利的是，相似材料的物理力学性质与真实煤岩体相去甚远，最大相差两个数量级以上。以1:100的模型试验为例，根据相似理论关于几何相似比与体积力、应力相似比的关系CγCL＝Cσ，可以看出，采场模型的几何比尺在很大程度上决定了相似材料的力学强度指标，中小比尺采场模型的相似材料其弹性模量、抗拉强度等力学指标最大仅为原始煤岩强度的0.75％左右，其力学指标远远低于真实的煤岩强度，相似材料配比以石膏、碳酸钙、河砂为主，其塑性、脆性与真实煤岩体有显著差异。再者，由于几何比尺偏小，在测试结果处理过程中，会导致测试误差被异常放大，降低了试验结果的相似性与可信度。此外，现有的采场矿压模型试验台尺寸相对固定，模型框架不能旋转或者可旋转角度不足，不能模拟大倾角煤层、工作面俯仰采等开采条件。

综上所述，常规的采场模型试验台对于不同倾角、不同厚度、不同埋深等开采案例缺乏普适性，为了深入揭示以大采深、大倾角、厚煤层为代表的复杂难采煤层的采场矿山压力特征，急需研发一种具有普适性的，模型尺寸与倾角可调的大比例尺高精度采场模型试验系统及试验方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是如何提供一种尺寸与倾角可调节式煤矿采场相似模型试验系统。

为此目的，本发明提出了一种尺寸与倾角可调节式煤矿采场相似模型试验系统，包括：模型承载框架、压力加载装置、模型框架旋转装置、集中控制装置以及监测装置；

所述模型承载框架用于铺设采场相似模型；

所述集中控制装置用于根据试验设定的压力值向所述压力加载装置发送施压控制指令以及根据试验设定的倾角值向所述模型框架旋转装置发送旋转控制指令；

所述压力加载装置用于根据所述施压控制指令向所述模型承载框架施加压力；

所述模型框架旋转装置用于根据所述旋转控制指令使所述模型承载框架旋转所述设定的倾角；

所述监测装置用于监测所述采场相似模型在开挖过程中的状态。

优选地，所述模型承载框架内的左右两侧分别设有传力垫块，所述传力垫块沿所述模型承载框架的中心线左右对称分布。

优选地，所述压力加载装置包括侧向压力加载装置和顶部压力加载装置；所述侧向压力加载装置用于向所述模型施加水平梯度压力；所述顶部压力加载装置用于向所述模型顶部施加垂直梯度压力，以模型所述采场的地貌。

优选地，所述压力加载装置包括压力加载油缸和与所述压力加载油缸连接的均布压力加载器，所述压力加载油缸沿所述模型承载框架的顶部横梁和竖梁等间距均匀分布，所述压力加载油缸通过所述均布压力加载器向所述模型均匀施加压力。

优选地，所述顶部横梁上的每个压力加载油缸都分别对应一个控制油路进行控制，所述竖梁上的同一高度的左右两个压力加载油缸对应同一个控制油路进行控制，所述竖梁上的不同高度的压力加载油缸对应不同的控制油路进行控制。

优选地，所述集中控制装置是高精度液压伺服控制装置，所述高精度液压伺服控制装置包括工业控制计算机、液压控制器、电液比例控制器、压力变送器；

所述工业控制计算机用于根据试验设定的压力值，将压力信号转换为控制信号并传输至所述电液比例控制器；

所述电液比例控制器用于根据所述控制信号向所述压力加载装置输出试验设定的压力值；

所述压力变送器用于监测所述压力加载装置向所述模型承载框架施加的压力并将监测结果传输至所述液压控制器；

所述液压控制器用于对比所述监测结果和所述试验设定的压力值并将对比结果传输至所述工业控制计算机；

所述工业控制计算机用于根据所述对比结果向所述电液比例控制器发送修正信号，所述电液比例控制器根据所述修正信号调整向所述压力加载装置输出的压力。

优选地，所述高精度液压伺服控制装置还包括定量泵、过滤器、安全阀、蓄能器以及开关或换向阀；

所述定量泵将液压油通过过滤器及安全阀输送到所述蓄能器；所述蓄能器储存一部分压力高于试验最高压力值的液压油；所述蓄能器的出油口连接所述电液比例控制器，所述电液比例控制器将所述蓄能器输出的液压油的压力值降低至所述试验设定的压力值。

优选地，所述模型框架旋转装置包括两个伸缩油缸，所述伸缩油缸通过无级变速的形式控制所述模型承载框架单侧旋转0-60°。

优选地，所述模型框架旋转装置还包括：旋转定位装置，所述旋转定位装置位于所述模型承载框架的底部，旋转定位装置用于通过旋转不同的角度模拟不用倾角的煤矿地层。

优选地，所述旋转定位装置连接所述集中控制装置，通过在所述集中控制装置中输入预设的角度，控制所述旋转定位装置旋转所述预设的角度。

优选地，该系统还包括：框架基座，所述框架基座位于所述模型承载框架的下部横梁的中心线偏左一定距离，使所述模型承载框架的重心始终位于所述模型承载框架的中心线的右侧，使得所述伸缩油缸始终受到轴向拉伸力的作用，避免所述伸缩油缸受压时发生失稳。

优选地，该系统还包括：模型成型约束结构，所述模型成型约束结构逐层插入所述模型承载框架，所述模型成型约束结构用于使采场相似材料铺设平整。

优选地，所述模型成型约束结构包括侧限板、卡子，所述侧限板插入所述模型承载框架的正面和背面，所述卡子用于夹紧所述侧限板，减小所述侧限板的跨度，确保所述采场相似材料铺设平整。

优选地，在所述模型承载框架与所述压力加载装置之间还铺设有双层聚四氟乙烯，用于降低所述压力加载装置与所述模型承载框架的接触部位之间的摩擦。

优选地，所述采场相似模型的正面和背面设有抗静电、耐磨的钢化玻璃板，用于观察所述采场相似模型的变形破坏过程。

另一方面，本发明还提供了一种利用上述任意一种尺寸与倾角可调节式煤矿采场相似模型试验系统进行煤矿采场相似模型试验的方法，包括如下步骤：

S1：所述集中控制装置根据试验设定的倾角值向所述模型框架旋转装置发送旋转控制指令；

S2：所述模型框架旋转装置根据所述旋转控制指令使所述模型承载框架旋转所述设定的倾角；

S3：在所述模型承载框架内铺设采场相似材料，铺设完成后，所述集中控制装置控制所述模型承载框架转回水平位置；

S4：所述集中控制装置根据试验设定的压力值向所述压力加载装置发送施压控制指令；

S5：所述压力加载装置根据所述施压控制指令向所述模型承载框架施加压力；

S6：所述监测装置监测所述采场相似模型在开挖过程中的状态。

通过采用本发明所提供的尺寸与倾角可调节式煤矿采场相似模型试验系统及方法，可以模拟不同采深、不同地层倾角、大比例尺等条件下的采场矿压规律，主要包括采煤工作面顶板初次来压、周期来压、来压强度、超前支承压力分布、煤壁片帮等矿山压力显现特征；能够观测覆岩运移破断过程。其中，在复杂煤层群开采工艺优化研究方面，能够对比不同开采顺序引起的采场矿压规律及覆岩运移特征的前期预研究，为矿井制定开采方案提供依据；在特厚煤层分层开采方面，能够模拟对比不同开采分层厚度时的矿压规律，为分层开采方案的优化设计提供依据；在大倾角煤层工作面矿压研究方面，能够得到顶板沿倾斜方向的破断规律及不同部位的顶板来压特征。

通过该尺寸与倾角可调节式煤矿采场相似模型试验系统可实现在实验室内对不同开采地质条件下的采场矿压规律进行预研究，并且对于已经发生的工作面顶板灾害也能够通过模型试验进行事故情景再现与案例分析，探究顶板灾害的发生机理及应对方案。该试验系统对于深入研究深部开采采场矿山压力特征、深化采场矿压理论研究、实现煤矿采煤工作面的安全高效开采具有重要意义。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1示出了本发明实施例1尺寸与倾角可调节式煤矿采场相似模型试验系统的结构示意图；

图2示出了本发明实施例2尺寸与倾角可调节式煤矿采场相似模型试验系统的结构示意图；

图3示出了本发明实施例3尺寸与倾角可调节式煤矿采场相似模型试验系统倾斜状态示意图；

图4-A至图4-C示出了本发明实施例4尺寸与倾角可调节式煤矿采场相似模型试验系统的视图；

图5示出了本发明尺寸与倾角可调节式煤矿采场相似模型试验系统中旋转定位装置的结构示意图。

图6示出了本发明尺寸与倾角可调节式煤矿采场相似模型试验系统中液压伺服控制装置的控制流程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施例进行详细描述。

实施例1

图1是本发明实施例1尺寸与倾角可调节式煤矿采场相似模型试验系统的结构示意图，如图1所示，本发明提供的尺寸与倾角可调节式煤矿采场相似模型试验系统，包括：模型承载框架1、压力加载装置、模型框架旋转装置2、集中控制装置以及监测装置；

模型承载框架用于铺设采场相似模型；集中控制装置用于根据试验设定的压力值向压力加载装置发送施压控制指令以及根据试验设定的倾角值向模型框架旋转装置发送旋转控制指令；压力加载装置用于根据施压控制指令向模型承载框架施加压力；模型框架旋转装置用于根据旋转控制指令使模型承载框架旋转预定的倾角；监测装置用于监测采场相似模型在开挖过程中的状态。

其中，模型承载框架通过框架基座10安装在地基基础14上，框架基座10包括销轴、台阶法兰、轴承座、轴承、滑动轴承，销轴上具有台阶，销轴与模型承载框架1通过台阶法兰和螺栓组进行紧固，轴承座与轴承之间采用滑动轴承进行连接。销轴材料可以选用40Cr，框架基座的销轴孔的定位选在模型承载框架1下部横梁的中心线偏左一定距离，使得在模型承载框架空载、铺设模型等各个阶段，模型承载框架1的重心始终位于框架中心线的右侧，使得模型框架旋转装置2始终受到轴向拉伸力的作用，避免斜拉油缸受压时发生失稳。

其中，模型承载框架1由上、下两个对称的C字形框架4、5组成，上、下两个C字型框架4、5之间采用法兰连接，接口15呈“Z”字形，连接时通过台阶和横向销来定位，并通过横向销和高强螺栓组进行紧固。该模型承载框架具有高刚度、高强度的特点，在进行大比例尺和高强度加载的模拟条件下，框架的上下横梁的相对变形量小于5mm，框架各部位受力不超过材料弹性强度极限的0.75。

图1属于在一般情况下，模拟采场地层倾角为零的情形，模型框架旋转装置2的旋转角度为零。由于在模型承载框架1内铺设采场相似材料时，采场各层存在差异，需要根据各分层的厚度及配比方案自下而上依次铺设各分层。较优的，该尺寸与倾角可调节式煤矿采场相似模型试验系统还包括：模型成型约束结构，模型成型约束结构逐层插入模型承载框架，模型成型约束结构用于使采场相似材料8铺设平整，防止模型的正面、背面发生鼓起。模型成型约束结构一般采用侧限板和卡子，在采场相似材料铺设过程中，预先在模型承载框架中插入侧限板7，用卡子夹紧侧限板7，减小侧限板7的跨度，增加其抗弯强度，防止侧限板7发生较大的弯曲变形，侧限板7内侧可用墨斗弹线标记，有利于分层铺设采场相似材料8，确保各分层铺设平整。在铺设各分层时，将预设配比的相似材料搅拌均匀后进行上料，用刮板初步刮平，然后可以用机械振捣装置分多轮压实，直至分层的上表面与侧限板上的标记线平齐，完成该分层的铺设，重复上述过程，依次完成各分层的铺设。其中，各分层的厚度及配比方案可以根据采煤工作面具体的开采地质条件，以相似模型理论为依据，确定模型试验合理的几何相似比和应力相似比，然后将采煤场顶板、煤层、底板的厚度与力学参数换算为各分层对应的厚度与力学参数，根据各分层的力学参数制定相似材料的配比方案，然后准备好试验所需的各类相似原材料。

其中，集中控制装置可以是高精度液压伺服控制装置，高精度液压伺服控制装置一般包括工业控制计算机、液压控制器、电液比例控制器、压力变送器；如图6所示，工业控制计算机根据试验设定的压力值，将压力信号转换为控制信号并传输至所述电液比例控制器；电液比例控制器根据所述控制信号向所述压力加载装置输出试验设定的压力值；压力加载装置根据电液比例控制器输出的压力值，向模型承载框架施加设定的压力；压力变送器监测压力加载装置向模型承载框架施加的压力并将监测结果传输至所述液压控制器；液压控制器对比所述监测结果和所述试验设定的压力值并将对比结果传输至所述工业控制计算机；工业控制计算机根据所述对比结果向所述电液比例控制器发送修正信号，所述电液比例控制器根据所述修正信号调整向所述压力加载装置输出的压力。较优的，液压控制器对比监测的压力值及对应的设定压力值，并将差值输入预先调好的函数中作为函数的输入参数，工业控制计算机将输入的压力差值通过计算转化为修正系数，并将修正系数传递给电液比例控制器，电液比例控制器再修正出口压力值，以提高实际压力值与设定压力值的一致性。其中较优的，该高精度液压伺服控制装置还包括定量泵、过滤器、安全阀、蓄能器以及开关或换向阀；所述定量泵将液压油通过过滤器及安全阀输送到所述蓄能器；所述蓄能器储存一部分压力高于试验最高压力值的液压油；所述蓄能器的出油口连接所述电液比例控制器，所述电液比例控制器将所述蓄能器输出的液压油的压力值降低至所述试验设定的压力值。其中，该开关或换向阀可以是电磁开关或电磁换向阀，可以通过液压控制器驱动电路控制电磁线圈实现电磁开关或换向阀的导通和闭合。通过上述控制方式，可以保证泵源间断性工作，防止泵源发热过多，延长定量泵的使用寿命。高精度液压伺服控制装置可以实现压力加载的高精度定量化控制，能够保证施加的油压与设定的油压的偏差小于±0.1MPa，采场相似模型表面的加载偏差小于±0.02MPa。另外，高精度液压伺服控制装置抗污染能力强，能够在NAS10级的油压中长期正常工作，可靠性高，保证试验台长期正常工作，降低维护成本。

其中较优地，所述压力加载装置包括侧向压力加载装置6和顶部压力加载装置3；所述侧向压力加载装置6用于向所述模型施加水平梯度压力；所述顶部压力加载装置3用于向所述模型顶部施加垂直梯度压力，以模拟所述煤矿的地表地貌。为了确保模型体边界受力均匀，所述压力加载装置包括压力加载油缸和与所述压力加载油缸连接的均布压力加载器9，所述压力加载油缸沿所述模型承载框架1的顶部横梁和竖梁等间距均匀分布，所述压力加载油缸通过所述均布压力加载器9向所述模型均匀施加压力。由于煤矿地表起伏多变，且采场不同深度的侧向压力不同，所以为了更加真实地模拟采场的地貌特征，所述顶部横梁上的每个压力加载油缸都分别对应一个控制油路进行控制，所述竖梁上的同一高度的左右两个压力加载油缸对应同一个控制油路进行控制，所述竖梁上的不同高度的压力加载油缸对应不同的控制油路进行控制。各个控制油路相互独立，互不干扰。高精度液压伺服控制装置预先设定各油路的输出压力，通过这些控制油路对压力加载油缸进行控制，可对相似材料模型体施加三角形、梯形及其他不规则边界的载荷分布。

其中较优的，模型框架旋转装置2可以包括两个伸缩油缸，所述伸缩油缸通过无级变速的形式控制所述模型承载框架1单侧旋转0-60°。较优的，可以是两个长行程伸缩油缸。为了方便控制，这两个伸缩油缸也由集中控制装置进行控制，可以通过高精度液压伺服控制装置的一个独立的伺服控制油路进行控制，实现模型承载框架1自动定位控制，确保两个长行程伸缩油缸的动作完全同步。模型承载框架1底部设置有旋转定位装置19，该旋转定位装置19的具体结构细节如图5所示，该旋转定位装置的中心轴每旋转过一个孔，代表倾角增加1°，能够模拟0°、1°、2°……60°等61种不同倾角的煤系地层，保证铺设模型的倾角与设计模型的倾角一致，且在设定的任意旋转角度下稳定可靠，不发生要求以外的翻转。所述旋转定位装置连接所述集中控制装置，通过在所述集中控制装置中输入预设的角度，控制所述旋转定位装置旋转所述预设的角度。在旋转模型承载框架1之前，在集中控制装置中输入角度，该旋转定位装置19会自动控制模型承载框架1旋转，当到达设定角度后，模型承载框架1自动停止旋转，自动锁住，便捷、安全。

其中较优的，在采场相似模型的顶部、左、右两侧三个压力加载面采用减摩工艺，即可以通过在模型与压力加载装置的加载板之间铺设双层聚四氟乙烯，降低压力加载装置与采场相似模型接触部位之间的摩擦。在采场相似模型达到规定的养护期限后，可以自上而下间隔拆除两侧的侧限板，其中，可以在采场相似模型的正面和背面覆盖抗静电、耐磨的19mm厚的钢化玻璃板，便于观察采场相似模型的变形破坏过程。

在采场相似模型铺设完成之后，根据开挖方案确定的开挖步距、时间相似比等要求，在煤层的正面和背面预先标出不同开挖阶段的标记线，在煤层开挖时，按照标记线的轮廓，用煤电钻从采场相似模型的正面和背面同时开挖，模型第一次开挖后，要及时安装模型液压支架，并将支架升紧至预定的初撑力，后续每次开挖后，都要及时降低支架的高度，并完成支架的移架升架等工序，使得支架顶梁前端紧靠煤壁，然后升紧至预定的初撑力。每次开挖结束，监测装置及时记录采场相似模型与支架的动态响应，如：模型液压支架立柱的载荷，顶梁与掩护梁的侧向载荷、模型液压支架顶梁姿态、模型液压支架顶梁下沉量等参数，以及采场相似模型监测层位的应力分布情况、表面测点的位移动态监测。其中较优的，对于重点研究的分层，可以在分层铺设完成后，在该层安装压力传感器。安装压力传感器时，用铲子等专用工具在分层内部挖出与传感器形状相同的空间，并挖出传感器引线所需的线性空间，将传感器及引线置于上述开挖空间内，再用该分层剩余的相似材料充填覆盖传感器和引线，保持该分层上表面整体的平整性。

实施例2

实施例2与实施例1基本相同，其主要区别在于，如果实验方案中采场相似模型长度较小，不足模型承载框架的可容纳宽度，如图2所示，在模型承载框架内的左右两侧分别设有传力垫块16，传力垫块16沿所述模型承载框架1的中心线左右对称分布，确保铺设的模型体位于框架中央，以便铺设不同长度规格的模型体。压力加载装置包括侧向压力加载装置6和顶部压力加载装置3；侧向压力加载装置6通过传力垫块16向所述模型施加水平梯度压力。由于可以在模型承载框架1内设置传力垫块16，所以可以将模型承载框架1的尺寸做得比较大，用以适应大比例尺、大采场的采场相似模型试验方案。当试验的采场相似模型尺寸较小时，通过设置传力垫块16，也可以进行试验，所以本发明建立的尺寸与倾角可调节式煤矿采场相似模型试验系统具有普适性。

实施例3

实施例3与实施例1基本相同，其主要区别在于，实施例3采用实施例1中的试验系统，针对具有一定倾角的地层开展试验，实施例1是针对模型倾角为零的地层进行的试验，如图3所示，是模拟倾斜地层时本发明试验系统的工作状态，为了模拟倾斜的地层，模型框架旋转装置2驱动模型承载框架1旋转了一定角度，旋转限位销12离开了旋转限位底座13，旋转限位销12插入旋转限位板11上的小孔中，使该试验系统保持稳定，之后在模型承载框架1内铺设采场相似模型，在铺设完成后，再将模型承载框架1转回水平位置，其他与实施例1相同。

实施例4

实施例4与实施例1基本相同，其主要区别在于，为了保证模型承载框架具有高强度和高刚度，如图4-A至4-C所示，C字形框架结构件的上下横梁之间通过拉杆17连接，以提高模型承载框架1的抗变形能力，减小相对移近变形量，为了防止拉杆的螺母发生局部损伤，可以在螺母与拉杆17之间增加高强度铝合金垫片。另外，为了使模型承载框架更加稳定，可以在上横梁与框架基座之间设置平衡缆绳18。

实施例5

采用实施例1、2、4提供的尺寸与倾角可调节式煤矿采场相似模型试验系统，本发明还提供了一种尺寸与倾角可调节式煤矿采场相似模型试验方法，包括如下步骤：S1：集中控制装置根据试验设定的倾角值向模型框架旋转装置发送旋转控制指令；S2：模型框架旋转装置根据旋转控制指令使模型承载框架旋转设定的倾角；S3：在模型承载框架内铺设采场相似材料，铺设完成后模型承载框架转回水平位置；S4：集中控制装置根据试验设定的压力值向所述压力加载装置发送施压控制指令；S5：压力加载装置根据所述施压控制指令向所述模型承载框架施加压力；S6：监测装置监测所述采场相似模型在开挖过程中的状态。

通过采用本发明所公开的尺寸与倾角可调节式煤矿采场相似模型试验系统及方法，可以模拟不同采深、不同地层倾角、大比例尺等条件下的采场矿压规律，主要包括采煤工作面顶板初次来压、周期来压、来压强度、超前支承压力分布、煤壁片帮等矿山压力显现特征；能够观测覆岩运移破断过程。其中，在复杂煤层群开采工艺优化研究方面，能够对比不同开采顺序引起的采场矿压规律及覆岩运移特征的预研究，为矿井制定开采方案提供依据；在特厚煤层分层开采方面，能够模拟对比不同开采分层厚度时的矿压规律，为分层开采方案的优化设计提供依据；在大倾角煤层工作面矿压研究方面，能够得到顶板沿倾斜方向的破断规律及不同部位的顶板来压特征。

通过该尺寸与倾角可调节式煤矿采场相似模型试验系统可实现在实验室内对不同开采地质条件下的采场矿压规律进行预研究，并且对于已经发生的工作面顶板灾害也能够通过模型试验进行事故情景再现与案例分析，探究顶板灾害的发生机理及应对方案。该试验系统对于深入研究深部开采采场矿山压力特征、深化采场矿压理论研究、实现煤矿采煤工作面的安全高效开采具有重要意义。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (16)

1.一种尺寸与倾角可调节式煤矿采场相似模型试验系统，其特征在于，包括：模型承载框架、压力加载装置、模型框架旋转装置、集中控制装置以及监测装置；

所述模型承载框架用于铺设采场相似模型；

所述集中控制装置用于根据试验设定的压力值向所述压力加载装置发送施压控制指令以及根据试验设定的倾角值向所述模型框架旋转装置发送旋转控制指令；

所述压力加载装置用于根据所述施压控制指令向所述模型承载框架施加压力；

所述模型框架旋转装置用于根据所述旋转控制指令使所述模型承载框架旋转所述设定的倾角；

所述监测装置用于监测所述采场相似模型在开挖过程中的状态。

2.根据权利要求1所述的尺寸与倾角可调节式煤矿采场相似模型试验系统，其特征在于，所述模型承载框架内的左右两侧分别设有传力垫块，所述传力垫块沿所述模型承载框架的中心线左右对称分布。

3.根据权利要求2所述的尺寸与倾角可调节式煤矿采场相似模型试验系统，其特征在于，所述压力加载装置包括侧向压力加载装置和顶部压力加载装置；所述侧向压力加载装置用于向所述模型施加水平梯度压力；所述顶部压力加载装置用于向所述模型顶部施加垂直梯度压力，以模拟煤矿的地表地貌。

4.根据权利要求1或2所述的尺寸与倾角可调节式煤矿采场相似模型试验系统，其特征在于，所述压力加载装置包括压力加载油缸和与所述压力加载油缸连接的均布压力加载器，所述压力加载油缸沿所述模型承载框架的顶部横梁和竖梁等间距均匀分布，所述压力加载油缸通过所述均布压力加载器向所述模型均匀施加压力。

5.根据权利要求4所述的尺寸与倾角可调节式煤矿采场相似模型试验系统，其特征在于，所述顶部横梁上的每个压力加载油缸都分别对应一个控制油路进行控制，所述竖梁上的同一高度的左右两个压力加载油缸对应同一个控制油路进行控制，所述竖梁上的不同高度的压力加载油缸对应不同的控制油路进行控制。

6.根据权利要求1或2所述的尺寸与倾角可调节式煤矿采场相似模型试验系统，其特征在于，所述集中控制装置是高精度液压伺服控制装置，所述高精度液压伺服控制装置包括工业控制计算机、液压控制器、电液比例控制器、压力变送器；

所述工业控制计算机用于根据试验设定的压力值，将压力信号转换为控制信号并传输至所述电液比例控制器；

所述电液比例控制器用于根据所述控制信号向所述压力加载装置输出试验设定的压力值；

所述压力变送器用于监测所述压力加载装置向所述模型承载框架施加的压力并将监测结果传输至所述液压控制器；

所述液压控制器用于对比所述监测结果和所述试验设定的压力值并将对比结果传输至所述工业控制计算机；

所述工业控制计算机用于根据所述对比结果向所述电液比例控制器发送修正信号，所述电液比例控制器根据所述修正信号调整向所述压力加载装置输出的压力。

7.根据权利要求6所述的尺寸与倾角可调节式煤矿采场相似模型试验系统，其特征在于，所述高精度液压伺服控制装置还包括定量泵、过滤器、安全阀、蓄能器以及开关或换向阀；

所述定量泵将液压油通过过滤器及安全阀输送到所述蓄能器；所述蓄能器储存一部分压力高于试验最高压力值的液压油；所述蓄能器的出油口连接所述电液比例控制器，所述电液比例控制器将所述蓄能器输出的液压油的压力值降低至所述试验设定的压力值。

8.根据权利要求1或2所述的尺寸与倾角可调节式煤矿采场相似模型试验系统，其特征在于，所述模型框架旋转装置包括两个伸缩油缸，所述伸缩油缸通过无级变速的形式控制所述模型承载框架单侧旋转0-60°。

9.根据权利要求8所述的尺寸与倾角可调节式煤矿采场相似模型试验系统，所述模型框架旋转装置还包括：旋转定位装置，所述旋转定位装置位于所述模型承载框架的底部，旋转定位装置用于通过旋转不同的角度模拟不用倾角的煤矿地层。

10.根据权利要求9所述的尺寸与倾角可调节式煤矿采场相似模型试验系统，其特征在于，所述旋转定位装置连接所述集中控制装置，通过在所述集中控制装置中输入预设的角度，控制所述旋转定位装置旋转所述预设的角度。

11.根据权利要求8所述的尺寸与倾角可调节式煤矿采场相似模型试验系统，其特征在于，还包括：框架基座，所述框架基座位于所述模型承载框架的下部横梁的中心线偏左一定距离，使所述模型承载框架的重心始终位于所述模型承载框架的中心线的右侧，使得所述伸缩油缸始终受到轴向拉伸力的作用，避免所述伸缩油缸受压时发生失稳。

12.根据权利要求1或2所述的尺寸与倾角可调节式煤矿采场相似模型试验系统，其特征在于，该系统还包括：模型成型约束结构，所述模型成型约束结构逐层插入所述模型承载框架，所述模型成型约束结构用于使采场相似材料铺设平整。

13.根据权利要求12所述的尺寸与倾角可调节式煤矿采场相似模型试验系统，其特征在于，所述模型成型约束结构包括侧限板、卡子，所述侧限板插入所述模型承载框架的正面和背面，所述卡子用于夹紧所述侧限板，减小所述侧限板的跨度，确保所述采场相似材料铺设平整。

14.根据权利要求1或2所述的尺寸与倾角可调节式煤矿采场相似模型试验系统，其特征在于，在所述模型承载框架与所述压力加载装置之间还铺设有双层聚四氟乙烯，用于降低所述压力加载装置与所述模型承载框架的接触部位之间的摩擦。

15.根据权利要求1或2所述的尺寸与倾角可调节式煤矿采场相似模型试验系统，其特征在于，所述采场相似模型的正面和背面设有抗静电、耐磨的钢化玻璃板，用于观察所述采场相似模型的变形破坏过程。

16.一种利用权利要求1-15任意一项所述的尺寸与倾角可调节式煤矿采场相似模型试验系统进行煤矿采场相似模型试验的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：所述集中控制装置根据试验设定的倾角值向所述模型框架旋转装置发送旋转控制指令；

S2：所述模型框架旋转装置根据所述旋转控制指令使所述模型承载框架旋转所述设定的倾角；

S3：在所述模型承载框架内铺设采场相似材料，铺设完成后，所述集中控制装置控制所述模型承载框架转回水平位置；

S4：所述集中控制装置根据试验设定的压力值向所述压力加载装置发送施压控制指令；

S5：所述压力加载装置根据所述施压控制指令向所述模型承载框架施加压力；

S6：所述监测装置监测所述采场相似模型开挖过程中的状态。