CN110007061A - 一种模拟煤层开挖上覆岩层及地表变形的试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟煤层开挖上覆岩层及地表变形的试验装置及方法，包括水平调节底座、可剖面沉降控制试验箱和监测系统，所述可剖面沉降控制试验箱包括底板、左右挡板、前后挡板、中间挡板、中间预置挡板、煤层模拟组件，所述底板、左右挡板与前后挡板组成相似材料容器，所述中间挡板在煤层开挖模拟后将相似材料模型分割并紧固与一侧左右挡板上，所述底板上表面左右两侧有固定左右挡板的螺孔，下表面有固定支柱的螺孔，左右两侧有用于安装监测系统的前后移动导轨，在右侧导轨上表面有气泡水平仪。本发明与现有技术相比的优点在于：精确模拟，计算产量，模拟开挖，提高试验结果的精度和可靠性，采集全面的试验数据。

Description

一种模拟煤层开挖上覆岩层及地表变形的试验装置及方法

技术领域

本发明涉及采矿工程试验研究技术领域，具体是指一种模拟煤层开挖上覆岩层及地表变形的试验装置及方法。

背景技术

煤层开挖会破坏岩体原有的力学平衡状态，导致上覆岩层发生变形和移动，随着开采的推进，扰动将扩散到地表，导致地表产生沉陷，破坏现有土地资源并给周边建构筑物带来直接或间接危害。其复杂力学行为难以通过理论计算进行求解，数值模拟方法对该问题的模拟又受到岩层节理、非均质性的制约。为克服这些问题，研究人员基于相似材料模拟试验理论，使用砂石、明胶、石膏等材料在试验室中建立模型，还原复杂的地质条件并对其施加与工程中相似的扰动，依托试验室中比现场更精确的监测手段和更多的观察角度精确观测煤层开挖对上覆岩层及地表的影响，研究开采扰动与地表沉陷间的内在规律，从而解决实际问题。近年来相似材料模拟理论和技术不断发展，相似材料模拟试验已成为研究这一复杂岩石力学问题的重要科学手段。

现有相似材料模拟试验装置不能完全满足试验要求，发明(CN108508184A)通过拆卸下部挡板，使用工具手动对煤层进行开挖，拆卸挡板对煤层的卸荷和手动开挖造成的过大扰动会对试验结果产生影响；发明(CN105092816B)采用水平抽出煤层模拟填充块的方式进行煤层开挖，开挖过程中填充块与相似材料模型产生的摩擦力与实际工况不符；发明(CN105716950A)使用水囊模拟煤层，通过排水泄压模拟煤层开挖，水囊模拟煤层的侧压力系数相等，与实际工况不符，且排水泄压易使相似材料含水量发生变化，从而影响试验精度；发明(CN104820086B)及以上几种发明均无法观测相似材料内部，只能通过对模型表面现象进行分析，难以揭示模型内部试验现象。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术的不足，提供一种模拟煤层开挖上覆岩层及地表变形的三维试验装置及方法。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种模拟煤层开挖上覆岩层及地表变形的试验装置及方法，包括水平调节底座、可剖面沉降控制试验箱和监测系统，所述可剖面沉降控制试验箱包括底板、左右挡板、前后挡板、中间挡板、中间预置挡板、煤层模拟组件，所述底板、左右挡板与前后挡板组成相似材料容器，所述中间挡板在煤层开挖模拟后将相似材料模型分割并紧固与一侧左右挡板上，所述底板上表面左右两侧有固定左右挡板的螺孔，下表面有固定支柱的螺孔，左右两侧有用于安装监测系统的前后移动导轨，在右侧导轨上表面有气泡水平仪。

进一步的，所述煤层模拟组件包括标准沉降控制底座、开槽沉降控制底座、沉降控制轮盘，所述标准沉降控制底座为端面开口的长方体壳体，从内部伸出一根控制螺柱，螺柱端部为六棱柱形状，控制螺柱插入底板上表面的通孔阵列，所述开槽沉降控制底座为上侧开槽的长方体，底面伸出控制螺柱，螺柱端部为六棱柱形状，控制螺柱插入底板上表面的通孔阵列中间一行，其开槽相互串联形成一个长槽，可插入中间挡板。

进一步的，所述监测系统包括横梁支架、导轨滑块、扫描仪、激光测距仪、转轮，所述横梁支架横梁下侧有安装导轨滑块的左右移动导轨，支架下端内侧有安装转轮的支柱；所述导轨滑块为长方体，上表面有配合左右移动导轨的开槽，所述扫描仪和激光测距仪上部有用于固定在上述导轨滑块上的通孔，通过紧固螺钉与导轨滑块连接；所述转轮可安装在横梁支架上，转轮上有配合前后移动导轨的开槽。

进一步的，所述水平调节底座包括支柱和水平调节脚垫，所述支柱共四根，通过螺钉与底板相连，共同作用支撑试验装置，下端面有安装水平调节脚垫的螺孔，所述水平调节脚垫上部有螺纹，下部为橡胶底座。

进一步的，一种模拟煤层开挖上覆岩层及地表变形的试验方法，包括以下步骤：

第一步：通过气泡水平仪和水平调节脚垫将试验装置调整至水平，只保留最下层前后挡板，拆除其他前后挡板，将沉降控制底座上表面调至最高点且相互高度相同，将监测系统滑动至试验箱后侧。

第二步：根据现场工况，使用砂石、明胶、石膏等材料配置相似材料，按照工况分层填充相似材料，每填充一层相似材料安装一层前后挡板，直到全部填充完毕，使用激光测距仪测定相似材料模型上表面各点标高，使用扫描仪扫描模型上表面，保存数据以备处理。

第三步：根据现场工况，使用轮盘控制沉降控制底座下降一定高度，精确模拟煤层开采，通过协调控制各个沉降控制底座的下降高度、速率，模拟不同采高、采宽和工作面推进速度的各种工况，试验过程中在试验箱前后布置高速摄像机捕捉模型位移，使用激光测距仪监测模型上表面位移。

第四步：煤层开挖完成后使用监测仪器记录模型当前数据，拆除中间预置挡板，从上往下逐层清理模型中间一层材料，同时插入中间挡板，中间挡板插入开槽沉降控制底座并用紧固螺钉螺母固定后拆除前侧挡板，清理前半部分相似材料模型，观察并使用高清摄像机记录模型剖面变化。

本发明与现有技术相比的优点在于：

其一：本发明可在铺设相似材料前通过调节煤层模拟组件的高度模拟不同起伏情况的煤层，在试验中通过协调控制沉降控制底座以不同速率下降不同高度，可以精确模拟在不同开采速率下各种采宽、采高的工况，并可以通过沉降控制底座下降速率计算产量；

其二：本发明通过在试验箱外部控制煤层模拟组件下降进行煤层模拟开挖，不需要拆卸试验箱体，可大大减少外界对模拟岩层的扰动，有益于提高试验结果的精度和可靠性；

其三：本发明可在尽量小的扰动下暴露相似材料剖面，有助于采集更多更全面的试验数据，有助于深入研究煤层开挖对上覆岩层的扰动机理及对地表沉陷的影响。

结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的特点和有益效果将更加清楚。

附图说明

图1为本发明去除前挡板后的立体图。

图2为本发明去除前挡板后的主视图。

图3为本发明插入中间挡板后的立体图。

图4为本发明插入中间挡板并移除前侧挡板的示意图。

图5为监测系统立体图。

图6为底板立体图。

图7为中间挡板立体图。

图8为中间预置挡板立体图。

图9为标准沉降控制底座立体图。

图10为开槽沉降控制底座立体图。

图中：1、底板，2、左右挡板，3、前后挡板，4、中间挡板，5、中间预置挡板，6、标准沉降控制底座，7、开槽沉降控制底座，8、沉降控制轮盘，9、横梁支架，10、导轨滑块，11、扫描仪，12、激光测距仪，13、转轮，14、支柱，15、水平调节脚垫，16、气泡水平仪，17、前后移动导轨，18、左右移动导轨。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

如图1～10所示，本实施例提供了一种相似材料模拟煤层开挖上覆岩层及地表变形的三维试验装置，包括水平调节底座、可剖面沉降控制试验箱和监测系统。

所述可剖面沉降控制试验箱包括底板1、左右挡板2、前后挡板3、中间挡板4、中间预置挡板5、煤层模拟组件。所述底板1、左右挡板2与前后挡板3组成相似材料容器。所述中间挡板4在煤层开挖模拟后将相似材料模型分割并紧固与一侧左右挡板2上，清理另一半相似材料，拆除相似材料被清理一侧的挡板暴露相似材料剖面。

所述底板1上表面有通孔阵列共9行10列，间隔与标准沉降控制底座6宽度相同，每个通孔插入一个标准沉降控制底座6模拟煤层，其中中间一行插入开槽沉降控制底座7其开槽相互串联形成一个长槽，底板1上表面左右两侧有固定左右挡板2的螺孔，下表面有固定支柱14的螺孔，左右两侧有用于安装监测系统的前后移动导轨17，前后移动导轨17在底板1后侧延长二十五厘米，在装填相似材料和清理相似材料过程中可将监测系统移动到试验箱后侧以避免干扰工作，前后移动导轨17上侧有间隔一毫米的刻度，在右侧导轨17上表面有气泡水平仪16，可对试验装置进行水平校准；所述左右挡板2可使用紧固螺钉固定在底板1上，左右挡板2有用于固定前后挡板3和中间预置挡板4的通孔，其中后侧左右挡板2上部有用于固定中间挡板4的通孔；所述前后挡板3左右短边和一侧长边有一毫米间隔的刻度，左右短边有用于固定的通孔，使用紧固螺钉螺母固定在左右挡板2上；所述中间挡板4为长方形板，四边有间隔一毫米的刻度，中间挡板4上部有用于螺钉紧固的开槽，中间挡板4下部插入开槽沉降控制底座7的开槽中，上部使用紧固螺钉螺母固定在左右挡板2上；所述中间预置挡板5为长方形板，高度和宽度同左右挡板2，上部有为方便拆卸设置的凸起，前后两侧有用于固定的通孔，通过紧固螺钉螺母固定在左右挡板2上，各挡板共同作用组成试验箱体。

所述煤层模拟组件包括标准沉降控制底座6、开槽沉降控制底座7、沉降控制轮盘8，开槽沉降控制底座7、沉降控制轮盘8模拟煤层，沉降控制轮盘8控制标准沉降控制底座6、开槽沉降控制底座7高度模拟煤层，填充相似材料模拟上覆岩层，使用沉降控制轮盘6控制沉降控制底座以不同速率协调下降，模拟不同采高、采宽、工作面推进速度的开采过程。所述标准沉降控制底座6为端面开口的长方体壳体，从内部伸出一根控制螺柱，螺柱端部为六棱柱形状，控制螺柱插入底板1上表面的通孔阵列，使用沉降控制轮盘8转动控制螺柱可控制标准沉降控制底座6升降以模拟煤层开挖，标准沉降控制底座6上控制螺柱的螺距为一毫米，沉降控制轮盘8每旋转一周，标准沉降控制底座6运动一毫米，协调控制各个沉降控制底座以不同速率沉降不同高度来模拟不同采高、采宽和工作面推进速率；所述开槽沉降控制底座7为上侧开槽的长方体，底面伸出控制螺柱，螺柱端部为六棱柱形状，控制螺柱插入底板1上表面的通孔阵列中间一行，其开槽相互串联形成一个长槽，可插入中间挡板4，使用沉降控制轮盘8转动控制螺柱可控制开槽沉降控制底座7升降来模拟煤层开挖，开槽沉降控制底座7上控制螺柱的螺距为一毫米，沉降控制轮盘8每旋转一周，开槽沉降控制底座7运动一毫米；所述沉降控制轮盘8用于控制标准沉降控制底座6开槽沉降控制底座7升降。

所述监测系统包括横梁支架9、导轨滑块10、扫描仪11、激光测距仪12、转轮13。所述横梁支架9横梁下侧有安装导轨滑块10的左右移动导轨18，支架下端内侧有安装转轮13的支柱；所述导轨滑块10为长方体，上表面有配合左右移动导轨18的开槽，下表面有安装测量仪器的螺孔，通过前后移动导轨17与左右移动导轨18的配合，导轨滑块10可以带动监测仪器对整个相似材料模型上表面任意位置精确监测；所述扫描仪11和激光测距仪12上部有用于固定在上述导轨滑块10上的通孔，通过紧固螺钉与导轨滑块10连接；所述转轮13可安装在横梁支架9上，转轮13上有配合前后移动导轨17的开槽。

所述水平调节底座包括支柱14和水平调节脚垫15，所述支柱14共四根，通过螺钉与底板1相连，共同作用支撑试验装置，下端面有安装水平调节脚垫15的螺孔；所述水平调节脚垫15上部有螺纹，通过旋进支柱14不同深度控制支柱14高度，与气泡水平仪16配合校准使试验装置保持水平，下部为橡胶底座，增大摩擦使试验装置保持稳定。

本实施例还提供了一种试验方法：一种相似材料模拟煤层开挖上覆岩层及地表变形的试验方法，包括以下步骤：

第一步：通过气泡水平仪16和水平调节脚垫15将试验装置调整至水平，只保留最下层前后挡板3，拆除其他前后挡板3，将沉降控制底座上表面调至最高点且相互高度相同，将监测系统滑动至试验箱后侧。

第二步：根据现场工况，使用砂石、明胶、石膏等材料配置相似材料，按照工况分层填充相似材料，每填充一层相似材料安装一层前后挡板3，直到全部填充完毕。使用激光测距仪12测定相似材料模型上表面各点标高，使用扫描仪11扫描模型上表面，保存数据以备处理。

第三步：根据现场工况，使用轮盘18控制沉降控制底座下降一定高度，精确模拟煤层开采，通过协调控制各个沉降控制底座的下降高度、速率，模拟不同采高、采宽和工作面推进速度的各种工况。试验过程中在试验箱前后布置高速摄像机捕捉模型位移，使用激光测距仪12监测模型上表面位移。

第四步：煤层开挖完成后使用监测仪器记录模型当前数据，拆除中间预置挡板5，从上往下逐层清理模型中间一层材料，同时插入中间挡板4，中间挡板4插入开槽沉降控制底座7并用紧固螺钉螺母固定后拆除前侧挡板，清理前半部分相似材料模型(如图4所示)，观察并使用高清摄像机记录模型剖面变化。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具本的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”，“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种模拟煤层开挖上覆岩层及地表变形的试验装置及方法，包括水平调节底座、可剖面沉降控制试验箱和监测系统，其特征在于：所述可剖面沉降控制试验箱包括底板(1)、左右挡板(2)、前后挡板(3)、中间挡板(4)、中间预置挡板(5)、煤层模拟组件，所述底板(1)、左右挡板(2)与前后挡板(3)组成相似材料容器，所述中间挡板(4)在煤层开挖模拟后将相似材料模型分割并紧固与一侧左右挡板(2)上，所述底板(1)上表面左右两侧有固定左右挡板(2)的螺孔，下表面有固定支柱(14)的螺孔，左右两侧有用于安装监测系统的前后移动导轨(17)，在右侧导轨上表面有气泡水平仪(16)。

2.根据权利要求1所述的一种模拟煤层开挖上覆岩层及地表变形的试验装置，其特征在于：所述煤层模拟组件包括标准沉降控制底座(6)、开槽沉降控制底座(7)、沉降控制轮盘(8)，所述标准沉降控制底座(6)为端面开口的长方体壳体，从内部伸出一根控制螺柱，螺柱端部为六棱柱形状，控制螺柱插入底板1上表面的通孔阵列，所述开槽沉降控制底座(7)为上侧开槽的长方体，底面伸出控制螺柱，螺柱端部为六棱柱形状，控制螺柱插入底板(1)上表面的通孔阵列中间一行，其开槽相互串联形成一个长槽，可插入中间挡板(4)。

3.根据权利要求1所述的一种模拟煤层开挖上覆岩层及地表变形的试验装置，其特征在于：所述监测系统包括横梁支架(9)、导轨滑块(10)、扫描仪(11)、激光测距仪(12)、转轮(13)，所述横梁支架(9)横梁下侧有安装导轨滑块(10)的左右移动导轨(18)，支架下端内侧有安装转轮(13)的支柱；所述导轨滑块(10)为长方体，上表面有配合左右移动导轨(18)的开槽，所述扫描仪(11)和激光测距仪(12)上部有用于固定在上述导轨滑块(10)上的通孔，通过紧固螺钉与导轨滑块(10)连接；所述转轮(13)可安装在横梁支架(9)上，转轮(13)上有配合前后移动导轨(17)的开槽。

4.根据权利要求1所述的一种模拟煤层开挖上覆岩层及地表变形的试验装置，其特征在于：所述水平调节底座包括支柱(14)和水平调节脚垫(15)，所述支柱(14)共四根，通过螺钉与底板(1)相连，共同作用支撑试验装置，下端面有安装水平调节脚垫(15)的螺孔，所述水平调节脚垫(15)上部有螺纹，下部为橡胶底座。

5.根据权利要求1所述的，一种模拟煤层开挖上覆岩层及地表变形的试验方法，包括以下步骤：

第一步：通过气泡水平仪和水平调节脚垫将试验装置调整至水平，只保留最下层前后挡板，拆除其他前后挡板，将沉降控制底座上表面调至最高点且相互高度相同，将监测系统滑动至试验箱后侧。

第二步：根据现场工况，使用砂石、明胶、石膏等材料配置相似材料，按照工况分层填充相似材料，每填充一层相似材料安装一层前后挡板，直到全部填充完毕，使用激光测距仪测定相似材料模型上表面各点标高，使用扫描仪扫描模型上表面，保存数据以备处理。

第三步：根据现场工况，使用轮盘控制沉降控制底座下降一定高度，精确模拟煤层开采，通过协调控制各个沉降控制底座的下降高度、速率，模拟不同采高、采宽和工作面推进速度的各种工况，试验过程中在试验箱前后布置高速摄像机捕捉模型位移，使用激光测距仪监测模型上表面位移。

第四步：煤层开挖完成后使用监测仪器记录模型当前数据，拆除中间预置挡板，从上往下逐层清理模型中间一层材料，同时插入中间挡板，中间挡板插入开槽沉降控制底座并用紧固螺钉螺母固定后拆除前侧挡板，清理前半部分相似材料模型，观察并使用高清摄像机记录模型剖面变化。