CN108645714A - 相似材料底臌模拟试验系统及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相似材料底臌模拟试验系统及试验方法，属于相似材料模拟技术领域。其包括试验箱、气囊组件、气压加载装置、数据采集装置、位移监测装置及计算机，气囊组件铺设在底板上，气囊组件包括气囊和进出气口，气囊长度与试验箱宽度匹配，其宽度与工作面采煤步距匹配；气囊包括若干个气囊体，每个气囊体上均设置有各自的进出气口，每个气囊体上的进出气口通过各自对应的第一管路连接至气压加载装置。模拟开挖后，气压加载装置可同步向采空区下部的气囊内冲入适量的气体，以等效代替上覆岩层自重，随时观察并记录下煤层底板处的移动变形现象，并通过计算机收集的应力传感器和气囊数据，进一步分析采动过程中底板岩层的变形破坏特征。

Description

相似材料底臌模拟试验系统及试验方法

技术领域

本发明涉及相似材料模拟技术领域，具体涉及一种相似材料底臌模拟试验系统及试验方法。

背景技术

采矿活动过程中，地下岩体受采动影响，原有的应力平衡状态被打破，岩体内应力重新分布直到达到新的平衡状态。在达到二次应力平衡的过程中，由于围岩的移动和变形矿山压力显现从而对煤层底板造成破坏，巷道底板发生向上隆起的现象称之为底臌。底臌现象会导致巷道及采煤空间缩小，引发阻碍通风和人员物资的运输，在底板岩层含水情况下容易导致底板突水事故的发生，严重制约着矿井的安全生产。近些年随着浅部资源的枯竭，开采深度逐年增加向深部发展，地质条件变得复杂，开采环境变得恶劣，矿井所受水平地应力和竖直地应力明显增大，巷道底臌现象愈加明显，所以为了确保矿井安全高效生产，开展有关底臌现象的研究势在必行。

相似材料模拟试验按照相似原理用与天然岩石物理力学性质相似的人工材料，制作与矿山原型相似的模型，进行模拟开挖来观察煤层顶底板岩层移动变形规律，目前有关顶板的相似材料模拟技术相对已经成熟，但有关底板破坏的相似材料模拟技术需要进一步改进。

目前，有关底臌相似材料的模拟中，无法实现对采动底板底臌的有效模拟，现有技术中在这方面的研究主要有：

CN102360087A提出了一种用于模拟采动底板突水的试验系统及方法，通过试验台底部水箱向相似模型加载高压水来实现对底板破坏的模拟，但该装置由于底部存在位移约束，无法向模型底板处提供一定的应力来源，无法还原真实的底臌现象。

CN204731039U提出了一种适用于矿井巷道底臌模拟的试验台架，该装置通过底部弹簧反力形式模拟底部荷载，为底部鼓出提供主要应力来源，弹簧带动底部承载板移动从而实现对底臌现象的模拟，但该装置底部的承载板并不能实现对底板处的柔性加载，存在内部应力分配不均的缺陷，而其弹簧的变形不易控制，试验过程中会发生不同程度的偏移，影响试验效果，且其无法实现对底臌变形数据的实时准确监测。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种相似材料底臌模拟试验系统，其可实现对煤层采动过程中煤层底板分区破坏的模拟，且在试验中可直观地观察底板岩层移动变形规律，可为矿山的安全高效开采提供一定科学依据。

为实现上述目的，本发明所需解决的主要技术难题为：

如何在保持对底板柔性加载过程的同时，实现对底臌变形数据的实时准确监测。

为了解决上述技术问题，所采用的技术方案为：

一种相似材料底臌模拟试验系统，其包括试验箱、气囊组件、气压加载装置、数据采集装置、位移监测装置及计算机，所述的试验箱是由底板、安装在底板左右两侧的立柱以及安装在底板前后面的可视化挡板组成，所述的气囊组件铺设在所述的底板上，所述的气囊组件包括气囊和进出气口，所述的气囊长度与所述的试验箱宽度匹配，其宽度与工作面采煤步距匹配；

所述的气囊包括若干个气囊体，每个气囊体上均设置有各自的进出气口，每个气囊体上的进出气口通过各自对应的第一管路连接至所述气压加载装置，所述气压加载装置与所述计算机连接；

所述的位移监测装置包括监测盒及监测线路，在每个气囊体的顶面的中心位置设置所述监测盒，所述监测盒通过监测线路与该气囊体的底面中心处相连，每个监测盒通过各自对应的第一管线连接至所述数据采集装置，所述数据采集装置与计算机连接；

所述的气压加载装置可对所述的气囊体实现分步加载。

作为本发明的一个优选方案，位于后面的可视化挡板的下部设置有一排圆孔，所述的第一管路、第一管线均经过该圆孔引出。

作为本发明的另一个优选方案，在每个圆孔的周边布置有密封橡皮囊。

进一步的，所述的立柱与所述的可视化挡板通过螺栓连接。

进一步的，在与进出气口连接的第一管路上均设置有自动阀门。

本发明的另一任务在于提供一种相似材料底臌模拟试验方法，其采用上述的相似材料底臌模拟试验系统，试验方法包括如下步骤：

a气囊力学标定试验：

对所述气囊进行力学标定试验，得到每个气囊体在不同压力P状态下的竖直变形量Y，以Y为自变量，以P为因变量进行线性拟合，得到拟合方程，如式(1)所示：

P＝kY (1)

其中，k为变形系数，在误差允许范围之内将k值进行统一；

b制备相似材料；

c铺设相似材料模型：首先铺设煤层底板，通过气压加载装置向每个气囊体内充入气体，并使得每个气囊体的内部压力为P₁；然后将气囊铺设在底部的中部，将第一管路、第一管线引出；接着进行煤层和顶板的铺设，铺设完成后，气囊内所承受的实际压力为P₁+P₂；

c模拟开挖，将引出的第一管线接入数据采集装置进行开挖，随着开挖的进行，处于采空区下方的气囊体所承受的上覆岩层自重被解除，此时将引出的第一管路接入气压加载装置，通过气压加载装置向采空区下方气囊体内充入气体，并使得采空区下方气囊体的压力为P₁+P₂，气囊体内部压力增大发生膨胀，从而为底板处提供一定应力来源，并引起底板处鼓起；

d数据采集，随时观察气囊体的变形情况并记录煤层底板处的移动变形与计算机采集的信息，然后展开下一步有关煤层底板破坏的研究。

本发明所带来的有益技术效果为：

在相似模型的煤层底板中部铺设一层紧密排列的柔性气囊，通过气囊内部压力来模拟底部荷载，提供底板破坏的力源，可实现对煤层底板的柔性均匀加载，通过在气囊体内顶面中心布设监测盒，并通过监测线路与气囊体底面中心相连，方便监测煤层底板处的变形情况，模拟开挖后通过记录并观察煤层底板处岩层移动变形情况以及传感器所采集的应力应变信息。

气囊的长度与试验箱宽度匹配，其宽度与工作面采煤步距匹配，模拟更加接近实际工况。

本发明可有效模拟矿山开采过程底板岩层的破坏过程和破坏特征，为进一步的研究深部开采围岩支护、底板突水等提供一种试验手段和试验方法。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1是本发明相似材料底臌模拟试验系统结构示意图；

图2是本发明试验箱后侧结构示意图；

图3是本发明相似材料底臌模拟试验系统的整体结构简图；

图4是本发明中所用气囊的结构示意图；

图5是本发明中所用气囊开挖前后受力分析示意图；

图中，1、底板，2、立柱，3、可视化挡板，4、气囊，4-1、监测盒，4-2、监测线，5、传感线(第一管线)，6、进出气管(第一管路)，7、自动阀门，8、气压计，9、数据采集装置，10、气压加载装置，11、计算机，12、煤层。

具体实施方式

本发明提出了一种相似材料底臌模拟试验系统及试验方法，为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做详细说明。

结合图1和图3所示，相似材料底臌模拟试验系统，包括试验箱、气囊组件、气压加载装置10、数据采集装置9、位移监测装置及计算机11，试验箱是由底板1、安装在底板左右两侧的立柱2以及安装在底板前后面的可视化挡板3组成，其中，由于整体为箱体结构，立柱其形状分为三个面，位于中间的面和位于前后的两面，这样设计可便于与前后可视化挡板进行连接，如在前后面上布置若干螺纹孔，在可视化挡板对应面也布置有螺纹孔，通过螺栓将二者连接，左右立柱其结构及安装方式是相同的。

作为本发明的一个主要改进点，气囊组件铺设在底板1上，如图4所示，气囊组件包括气囊4和进出气口，进出气口连接进出气管6，在进出气管6上设置有气压计8，气囊选用抗拉伸且强度较好的橡胶材质，气囊整体长度与试验箱宽度相同，宽度与工作面采煤步距相同，与现有技术中气囊不相同之处还在于，本发明气囊是由若干个气囊体组成的，也就是说其中每个气囊体都是一个独立的个体，且每个气囊体对应连接有各自的进出气口与进出气管，如此设计，与进出气管连接的气压加载装置10即可实现对气囊的分步加载。

作为本发明的另一个主要改进点，在每个气囊体内的顶面中心均设置有监测盒4-1，监测盒4-1通过监测线4-2与该气囊体的底面中心处相连，每个监测盒通过各自对应的第一管线(传感线)5连接至数据采集装置，从而方便监测煤层底板处的变形情况。

在进出气管6上布置有自动阀门7，可控制气体的自动进出。气压加载装置10具备自保护功能，供气过程中气囊4一旦发生破裂或损坏，气压加载装置10便可自动感应停止向该破损气囊4供气。

进一步的，气囊4满足如下关系式：P＝kY，其中，P为气囊内部压力，Y为气囊竖直变形量，k为变形系数。

如图2所示，后侧刚性可视挡板3下部靠近底座位置布置有一排圆孔，进出气管6与传感线5均由此孔穿过，圆孔周围布置有橡皮囊，可避免试验过程中相似材料侧漏。

本发明还提供了一种相似材料底臌模拟试验方法，其主要包括以下步骤：

第一步、气囊力学标定试验：由于不同气囊的加工过程和材质存在一定差异，在进行相似材料模拟之前对所要铺设的气囊4进行力学标定试验，得到每个气囊体在不同压力P状态下的竖直变形量Y，以Y为自变量，以P为因变量进行线性拟合，得到拟合方程：P＝kY，其中，k为变形系数，在误差允许范围之内将k值进行统一；

第二步、相似材料的制备：用与天然岩石物理性质相似的材料，按照矿山地质原型，采用一定的配比完成相似材料的制备；

第三步、相似模型的铺设：首先进行煤层底板的铺设，通过气压加载装置10向气囊体内充入一定量的气体，使其内部压力为P₁，如图5-(a)所示。然后将气囊4铺设在相似模型的底板中部，将每个气囊体的进出气管6和传感线5均穿过后侧可视挡板3的下部圆孔。然后进行煤层12和顶板的铺设，岩层之间铺设云母粉进行分层。将前侧可视挡板3安装在立柱2上使模型进行静置处理。模型铺设完成后，气囊体所承受因上覆岩层自重引起的压力为P₂，则气囊内所承受的实际气压为P₁+P₂，如图5-(b)所示。

第四步、模拟开挖并进行数据采集：模型静置完毕后，取下前侧可视挡板3，将传感线5接入数据采集装置9并开始进行模拟开挖，开挖后，处于采空区下方的气囊体所承受的上覆岩层自重被解除，为模拟气囊体下部岩层的反作用力P₂，通过气压加载装置10向采空区下方气囊体内充入一定量的气体使得气囊体内部压力达到P₁+P₂，如图5-(c)所示，从而等效代替因上覆岩层自重引起的压力P₂，气囊体内部压力增大发生膨胀，从而为底板处提供一定应力来源引起底板处鼓起。试验中，随时观察气囊的变形情况并记录煤层底板处的移动变形现象和计算机11采集的信息，然后进行下一步有关煤层底板破坏的研究。

本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。

尽管本文中较多的使用了诸如立柱2、可视化挡板3、气囊4等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

需要进一步说明的是，本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明的精神所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (6)

1.一种相似材料底臌模拟试验系统，其包括试验箱、气囊组件、气压加载装置、数据采集装置、位移监测装置及计算机，所述的试验箱是由底板、安装在底板左右两侧的立柱以及安装在底板前后面的可视化挡板组成，其特征在于：

所述的气囊组件铺设在所述的底板上，所述的气囊组件包括气囊和进出气口，所述的气囊长度与所述的试验箱宽度匹配，其宽度与工作面采煤步距匹配；

所述的气囊包括若干个气囊体，每个气囊体上均设置有各自的进出气口，每个气囊体上的进出气口通过各自对应的第一管路连接至所述气压加载装置，所述气压加载装置与所述计算机连接；

所述的位移监测装置包括监测盒及监测线路，在每个气囊体的顶面的中心位置设置所述监测盒，所述监测盒通过监测线路与该气囊体的底面中心处相连，每个监测盒通过各自对应的第一管线连接至所述数据采集装置，所述数据采集装置与计算机连接；

所述的气压加载装置可对所述的气囊体实现分步加载。

2.根据权利要求1所述的一种相似材料底臌模拟试验系统，其特征在于：位于后面的可视化挡板的下部设置有一排圆孔，所述的第一管路、第一管线均经过该圆孔引出。

3.根据权利要求2所述的一种相似材料底臌模拟试验系统，其特征在于：在每个圆孔的周边布置有密封橡皮囊。

4.根据权利要求1所述的一种相似材料底臌模拟试验系统，其特征在于：所述的立柱与所述的可视化挡板通过螺栓连接。

5.根据权利要求1所述的一种相似材料底臌模拟试验系统，其特征在于：在与进出气口连接的第一管路上均设置有自动阀门。

6.一种相似材料底臌模拟试验方法，其特征在于：其采用权利要求1～5任一项所述的相似材料底臌模拟试验系统，所述模拟试验方法包括如下步骤：

a气囊力学标定试验：

对所述气囊进行力学标定试验，得到每个气囊体在不同压力P状态下的竖直变形量Y，以Y为自变量，以P为因变量进行线性拟合，得到拟合方程，如式(1)所示：

P＝kY (1)

其中，k为变形系数，在误差允许范围之内将k值进行统一；

b制备相似材料；

c铺设相似材料模型：首先铺设煤层底板，通过气压加载装置向每个气囊体内充入气体，并使得每个气囊体的内部压力为P₁；然后将气囊铺设在底部的中部，将第一管路、第一管线引出；接着进行煤层和顶板的铺设，铺设完成后，气囊内所承受的实际压力为P₁+P₂；

c模拟开挖，将引出的第一管线接入数据采集装置进行开挖，随着开挖的进行，处于采空区下方的气囊体所承受的上覆岩层自重被解除，此时将引出的第一管路接入气压加载装置，通过气压加载装置向采空区下方气囊体内充入气体，并使得采空区下方气囊体的压力为P₁+P₂，气囊体内部压力增大发生膨胀，从而为底板处提供一定应力来源，并引起底板处鼓起；

d数据采集，随时观察气囊体的变形情况并记录煤层底板处的移动变形与计算机采集的信息，然后展开下一步有关煤层底板破坏的研究。