CN108593890A - 一种煤层开采的可视化组合块体物理相似模拟实验装置 - Google Patents

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段建杰
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Abstract

本发明公开了一种煤层开采的可视化组合块体物理相似模拟实验装置，包括一个实验箱体，在实验箱体中设有模型外刚性框架，模型外刚性框架中设有由若干个倾斜布置的可视化监测块体构成的模拟岩层，在模型外刚性框架上设有对模拟岩层的施加压力的加载系统，可视化监测块体底部通过可变角度衍架支撑；通过加载系统施加垂直向下的压力，通过可视化监测块体将压力传感器的采集数据传递至计算机终端，得到可视化监测块体在不同面的结构变化，得出可视化监测块体移动位置变化，模拟出整体岩层变形后的空间形态。本装置能够缩短实验周期，实现实验材料回收重复利用，实现空间三维精确定位与应力测试功能，最终实现采场空间应力、位移模拟可视化动态监测。

Description

一种煤层开采的可视化组合块体物理相似模拟实验装置
技术领域
本发明涉及一种矿山煤层开采实验方法，特别是一种煤层开采的可视化组合块体物理相似模拟实验方法。
背景技术
在矿山压力与岩层控制的研究过程中，传统的物理相似材料模拟实验使用的实验材料存在一些问题。比如，在实验过程中，现有物理模拟材不可视，导致很难监测材料内部的变形和应力参数，特别是对采场空间围岩结构的研究方面存在较大困难。而且实验周期长，准备工作量大，耗时耗力。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种可适应多比例物理相似模拟实验的可视化组合块体。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
一种煤层开采的可视化组合块体物理相似模拟实验装置，包括一个实验箱体，在实验箱体中设有模型外刚性框架，模型外刚性框架中设有由若干个倾斜布置的可视化监测块体构成的模拟岩层，在模型外刚性框架上设有对模拟岩层的施加压力的加载系统，可视化监测块体底部通过可变角度衍架支撑；通过加载系统施加垂直向下的压力，通过可视化监测块体将压力传感器的采集数据传递至计算机终端，得到可视化监测块体在不同面的结构变化，得出可视化监测块体移动位置变化，模拟出整体岩层变形后的空间形态。
对于上述技术方案，本发明还有进一步优选的方案：
进一步，所述可视化监测块体包括矩形结构的块体内部骨架，在块体内部骨架的六个面上分别设有表面承载板，在表面承载板与块体内部骨架相接触面上设有压力传感器。
进一步，所述承载板与内部骨架之间留有间隙。
进一步，可视化监测块体除顶底板外的各个面采用透明材料进行封闭。
进一步，所述可视化监测块体形状为长方体，若干个可视化监测块体相互平行分布，且沿模型外刚性框架内部呈45～60°布置°
进一步，若干个可视化监测块体通过内置磁片产生磁力相互连接，所述可视化监测块体的磁片大小或多少分布按照其不同层位、区域粘结力大小不同在组装前可调。
进一步，所述磁片大小范围占可视化监测块体面积的1/3到2/3，磁片大小以不大于承载板面积的2/3为准。进一步，若干个可视化监测块体的分布按照模拟岩层距离煤层距离底部可变角度衍架越远可视化监测块体体积越大设置。
进一步，所述可变角度衍架倾角可调，变化范围在0～60°。
进一步，所述加载系统中的油缸设为阵列形式，每台液压油缸可单独控制，加载力可达到3.75MPa。
本发明可视化块体不光能够缩短实验周期，实现实验材料回收重复利用，更重要的是具有空间三维精确定位与应力测试功能，最终实现采场空间应力、位移模拟可视化动态监测。可视化块体物理模拟实验装置是一种集模拟材料、监测手段以及数据分析于一身的多功能实验体系，很大程度促进了物理相似模拟的发展。本装置能够缩短实验周期，实现实验材料回收重复利用，实现空间三维精确定位与应力测试功能，最终实现采场空间应力、位移模拟可视化动态监测。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1(a)、(b)和(c)分别为本发明可视化块体主视图、左视图和俯视图；
图2是模型刚性加载框架。
图中：1-加载系统；2-工作面；3-可视化监测块体；4-可变角度衍架；5-模型外刚性框架；3-1-表面承载板；3-2-压力传感器；3-3-块体内部骨架。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
如图2所示，本发明的煤层开采的可视化组合块体物理相似模拟实验装置，其特征在于，包括一个实验箱体，在实验箱体中设有模型外刚性框架5，模型外刚性框架5中设有由若干个倾斜布置的可视化监测块体3构成的模拟岩层，在模型外刚性框架5上设有对模拟岩层的施加压力的加载系统1，可视化监测块体3底部通过可变角度衍架4支撑；若干个可视化监测块体3相互平行分布，且沿模型外刚性框架5内部呈45～60°布置°，通过加载系统1施加垂直向下的压力，通过可视化监测块体3将压力传感器的采集数据传递至计算机终端，得到可视化监测块体3在不同面的结构变化，得出可视化监测块体3移动位置变化，模拟出整体岩层变形后的空间形态。
如图1(a)、(b)和(c)所示，可视化监测块体3包括矩形结构的块体内部骨架3-3，在块体内部骨架3-3的六个面上分别设有表面承载板3-1，在表面承载板3-1与块体内部骨架3-3相接触面上设有压力传感器3-2。
可视化监测块体3主要由块体内部骨架3-3、应力-应变监测装置(压力传感器3-2)以及表面承载板3-1组成。组合块体各个方向承载板之间留有适当的活动间隙，可满足不同尺度岩层的模拟，基本形状为长方体，若干个可视化监测块体3相互平行分布，且沿模型外刚性框架5内部呈45～60°布置。可视化监测块体3最小尺寸可达：长*宽*厚＝10cm*5cm*1cm(另外可有10cm*5cm*2cm和20cm*10cm*5cm)，每个块体可以通过组合形成整体来模拟大尺度岩层。可视化监测块体之间的粘结力可以通过内置磁片产生磁力代替，其不同层位、区域粘结力大小通过磁片不同大小或磁片多少在组装前可调，磁片大小范围占可视化监测块体3面积的1/3到2/3，磁片大小以不大于承载板面积的2/3为准，以达到模拟接触面或节理裂隙等的目的。块体外壳有一定的强度，能够承载较大的外部载荷。
下面从可视化监测块体整体参数和性能进行进一步说明：
1.压力监测：
无线应力测试终端是块体实现应力监测的重要手段，其应该具有体积小，监测范围较大、精确度高的特点。且可以适应不同尺寸的块体。压力传感器布在块体内部，主应力方向传感器与块体顶底板连接；其他方向传感器置于内部骨架和对应方向承载板之间。实现对块体受到的三维应力的监测。压力传感器在各个方向布置方式如图1(a)、(b)和(c)中所示。
2.位移监测：
记录每个块体各个方向压力传感器的原始值，块体在工作面2推进过程中，位置发生移动，记录块体各个面上所受压力的变化后的值，传输到终端。终端对块体各个面变化后的压力值进行综合分析，得出块体移动后的位置状态后，模拟出整体岩层变形后的空间形态。
3.块体的组装方法：
模拟岩层距离煤层越远，块体体积越大。具体分布根据煤层赋存条件而定。
块体间、层间的粘结力视岩性和层位关系而定。每个粘结面四周在没有特定地质条件的前提下，不应有其他粘结面与之贯通。
4.刚性框架和加载系统(图2)：
外刚性加载框架为长方体，应具有高强度和很好的稳定性。另外，除顶底板外各个面以透明材料进行封闭，以便观察内部相似材料的变化过程。内可变角度桁架底座可实现对其上模拟岩层的倾角改变，变化范围在0～60°。可模拟工作面推进，并对支架载荷进行监测。外框架还应具备观测辅助设备，如：用于人员观测的阶梯、平台等。顶板施载油缸布置初步设计为3排，单排5个，共计15个。每台液压油缸可单独控制，实现对一架液压支架的单独加载。油缸加载力可达到3.75MPa。外部框架尺寸：2m*1m*2m。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种煤层开采的可视化组合块体物理相似模拟实验装置，其特征在于，包括一个实验箱体，在实验箱体中设有模型外刚性框架，模型外刚性框架中设有由若干个倾斜布置的可视化监测块体构成的模拟岩层，在模型外刚性框架上设有对模拟岩层的施加压力的加载系统，可视化监测块体底部通过可变角度衍架支撑；通过加载系统施加垂直向下的压力，通过可视化监测块体将压力传感器的采集数据传递至计算机终端，得到可视化监测块体在不同面的结构变化，得出可视化监测块体移动位置变化，模拟出整体岩层变形后的空间形态。
2.根据权利要求1所述的煤层开采的可视化组合块体物理相似模拟实验装置，其特征在于，所述可视化监测块体包括矩形结构的块体内部骨架，在块体内部骨架的六个面上分别设有表面承载板，在表面承载板与块体内部骨架相接触面上设有压力传感器。
3.根据权利要求2所述的煤层开采的可视化组合块体物理相似模拟实验装置，其特征在于，所述表面承载板与块体内部骨架之间留有间隙。
4.根据权利要求2所述的煤层开采的可视化组合块体物理相似模拟实验装置，其特征在于，可视化监测块体除顶底板外的各个面采用透明材料进行封闭。
5.根据权利要求1所述的煤层开采的可视化组合块体物理相似模拟实验装置，其特征在于，所述可视化监测块体形状为长方体，若干个可视化监测块体相互平行分布，且沿模型外刚性框架内部呈45～60°布置。
6.根据权利要求1所述的煤层开采的可视化组合块体物理相似模拟实验装置，其特征在于，若干个可视化监测块体通过内置磁片产生磁力相互连接，所述可视化监测块体的磁片大小或多少分布按照其不同层位、区域粘结力大小不同在组装前可调。
7.根据权利要求6所述的煤层开采的可视化组合块体物理相似模拟实验装置，其特征在于，所述磁片大小范围占可视化监测块体面积的1/3到2/3，磁片大小以不大于承载板面积的2/3为准。
8.根据权利要求6所述的煤层开采的可视化组合块体物理相似模拟实验装置，其特征在于，若干个可视化监测块体的分布按照模拟岩层距离煤层距离底部可变角度衍架越远可视化监测块体体积越大设置。
9.根据权利要求1所述的煤层开采的可视化组合块体物理相似模拟实验装置，其特征在于，所述可变角度衍架倾角可调，变化范围在0～60°。
10.根据权利要求1所述的煤层开采的可视化组合块体物理相似模拟实验装置，其特征在于，所述加载系统中的油缸设为阵列形式，每台液压油缸可单独控制，加载力可达到3.75MPa。
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