CN111271060A - 多场耦合矿井智能开采模型试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多场耦合矿井智能开采模型试验系统，组合式密封反力装置包括组合式框架，组合式框架前后两侧均设置反力墙模块；高精度实时同步监测系统正对组合式密封反力装置前侧设置，以对试验过程的图像进行采集；动静组合高精度液压控制系统包括设置于组合式框架顶部和两侧部的多个边界储能油缸，边界储能油缸与液压泵站连接，液压泵站与控制器连接；智能倾斜岩层模拟装置设置于组合式密封反力装置底部并可将组合式密封反力装置顶起使其倾斜；自动采煤及巷道仿形掘进系统设置于组合式密封反力装置后侧，对巷道掘进和采煤进行模拟；切缝模拟装置位于模型体内部，对切缝进行真实模拟。

Description

多场耦合矿井智能开采模型试验系统

技术领域

本公开属于矿山开采模型试验技术领域，具体涉及一种多场耦合矿井智能开采模型试验系统。

背景技术

近年来，随着浅部资源的逐渐枯竭，煤炭开采不断向深部发展。开挖深度的不断增加，使巷道常面临高地应力、高渗透压、极软岩、断层破碎带等不良地质条件，极易导致深部巷道在施工过程中灾害频发，发生顶板冒落、大变形、底臌、突水突泥等具有隐蔽性以及突发性的安全事故，造成重大安全事故和经济损失。为保障煤矿安全生产，提高煤矿经济效益，需要从根本上认识深部巷道的变形破坏机理，提出合理的控制方法与支护对策。面对深部巷道，采用理论分析、数值模拟和现场实测等方法进行研究均存在一定的局限性，即数值模拟存在模型简化、输入参数不精确等问题，难以准确反映工程实际；现场实测只有在工作面回采过程中进行，投入较大，周期长、见效慢，且大量的监测仪器是在滞后工作面一定距离安装的，往往无法监测和记录到围岩全过程变形；传统的理论分析也仅能处理理想化的模型。力学模型试验能够弥补理论分析、数值模拟和现场实测的不足，模拟不同地质条件和开采条件下的巷道围岩变形特征。要开展复杂条件下矿井开采力学模型试验就必须要有相应的力学模型试验系统。但目前，国内外力学模型试验系统存在以下问题：

(1)国内外模型试验系统，大多采用均质材料，较少考虑模拟倾斜岩层的影响。

(2)国内外模型试验系统，多为人工开挖，难以模拟不同形状和尺寸巷道的自动开挖以及工作面的自动回采过程。

(3)国内外模型试验系统，大多只能模拟一种到两种复杂地质条件，无法同时模拟高地应力、高渗流场、倾斜岩层、冲击地压、煤与瓦斯突出等因素共同作用下的矿井开采过程。

发明内容

本公开目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种多场耦合矿井智能开采模型试验系统；该试验系统可模拟矿山工程领域的各种复杂地质条件下矿井开采情况，实现一机多用，能够实现多场耦合的模型试验的要求。

本公开的发明目的是提出一种多场耦合矿井智能开采模型试验系统，为实现上述目的，本公开采用下述技术方案：

多场耦合矿井智能开采模型试验系统，包括组合式密封反力装置、高精度实时同步监测系统、动静组合高精度液压控制系统、智能倾斜岩层模拟装置、自动采煤及巷道仿形掘进系统、切缝模拟装置；

所述组合式密封反力装置作为模型试验的加载反力装置，并容纳模型体及高压气体等，其包括组合式框架，组合式框架前后两侧均设置反力墙模块；

所述高精度实时同步监测系统用于自动精确的采集、分析试验过程中的各项数据，其正对组合式密封反力装置前侧设置，以对试验过程的图像进行采集；

所述动静组合高精度液压控制系统利用控制软件通过独立油路按力或位移伺服施加静载和动载，其包括设置于组合式框架顶部和两侧部的多个边界储能油缸，边界储能油缸与液压泵站连接，液压泵站与控制器连接；

所述智能倾斜岩层模拟装置用于模拟含倾斜岩层的地质构造，其设置于组合式密封反力装置底部并可将组合式密封反力装置顶起使其倾斜；

所述自动采煤及巷道仿形掘进系统用于自动开挖巷道及工作面回采，其设置于组合式密封反力装置内部，对巷道掘进和采煤进行模拟；

所述切缝模拟装置预先埋置于模型体内部，可对切缝进行真实模拟。

作为进一步的技术方案，所述组合式框架由多榀框架拼装组合而成，组合式框架内壁涂抹纳米减摩涂料，组合式框架、反力墙模块的连接处均设置有凹槽结构，凹槽结构内充填防水橡胶垫块及防水胶。

作为进一步的技术方案，所述高精度实时同步监测系统包括并排设置的数字照相系统、高精度数字散斑成像系统和红外热成像系统，组合式框架前侧设置有机玻璃可视化窗口，数字照相系统、高精度数字散斑成像系统和红外热成像系统均正对有机玻璃可视化窗口设置；所述有机玻璃可视化窗口中部预留开挖带，开挖带处设置可拆卸的有机玻璃板；高精度实时同步监测系统还包括用以对围岩应力数据进行监测的应变测试系统、用以对围岩位移数据进行监测的光栅多点位移量测系统。

作为进一步的技术方案，所述边界储能油缸端部设有储能装置，储能装置与组合式框架接触配合；所述组合式密封反力装置顶部安装多个冲击能量块，冲击能量块可通过自身重量对组合式密封反力装置进行冲击。

作为进一步的技术方案，所述智能倾斜岩层模拟装置包括底座，底座内部设置多个液压千斤顶，液压千斤顶顶部与滑块铰接，滑块与滑轨滑动配合，滑轨固定于组合式密封反力装置底部，液压千斤顶通过高压油管与液压泵站连接，液压泵站与控制器连接，通过控制多个液压千斤顶顶起不同高度使组合式密封反力装置发生倾斜；所述底座上固设铰接支撑装置，铰接支撑装置顶部与组合式密封反力装置底部中部连接；所述液压千斤顶与铰接支撑装置均设置在底座内部，使用时顶升出底座，使用完毕后，回缩至底座内部。

作为进一步的技术方案，所述自动采煤及巷道仿形掘进系统包括工作面及巷道模拟装置、自动开采装置，工作面及巷道模拟装置包括轴承滑动单元，轴承滑动单元顶部支撑设置上隔板，轴承滑动单元底部设置下隔板，轴承滑动单元还通过纵向拉杆与自动开采装置连接，由自动开采装置带动轴承滑动单元水平移动。

作为进一步的技术方案，所述自动采煤及巷道仿形掘进系统包括煤层及巷道模拟滑块板，煤层及巷道模拟滑块板顶部支撑设置上隔板，煤层及巷道模拟滑块板底部设置下隔板，煤层及巷道模拟滑块板两侧设有滑轮，每排滑轮通过履带进行连接，煤层及巷道模拟滑块板内部设有驱动电机，驱动电机由数控中心控制，进而带动滑轮和履带运作。

作为进一步的技术方案，所述自动采煤及巷道仿形掘进系统包括掘进开采模拟部件，掘进开采模拟部件设置于开挖带处，所述掘进开采模拟部件为长条状柔性液压囊或电熔材料板。

作为进一步的技术方案，还包括断层模拟装置，断层模拟装置为扁平状柔性液压囊或电熔材料板，断层模拟装置设置于组合式框架内设定位置，扁平状柔性液压囊通过液压管与液压泵连通，对扁平状柔性液压囊进行泄压以模拟断层。

作为进一步的技术方案，还包括温度调节系统，所述温度调节系统包括温度调节板，温度调节板与组合式密封反力装置内壁紧贴，温度调节板与温度控制器连接；还包括风量调节系统，所述风量调节系统包括鼓风机，鼓风机通过风筒与组合式框架连通。

作为进一步的技术方案，还包括高精度气体控制系统，高精度气体控制系统包括设置于组合式框架内部的高压抽充透气板，高压抽充透气板与高压置气箱连通，高压置气箱设置高压气泵，高压置气箱还与高压储气箱连通，通过高压抽充透气板抽气使组合式密封反力装置内部形成真空或通过高压抽充透气板充气对煤与瓦斯突出进行模拟；还包括高精度水储存与渗透系统，高精度水储存与渗透系统包括水箱，水箱通过水通道与组合式密封反力装置连通，向组合式密封反力装置内注水。

作为进一步的技术方案，所述切缝模拟装置包括高强切缝板，高强切缝板尾端通过纵向拉杆与自动开采装置相连，通过自动开采装置带动高强切缝板移动，将切缝板从组合式密封反力装置后部拉出，形成切缝。

作为进一步的技术方案，所述切缝模拟装置包括微型无线定向爆破装置，微型无线定向爆破装置由数控中心控制，通过数控中心设定切缝预裂程序，并将指令传输到位于微型无线定向爆破装置内部的无线信号接收装置，使无线定向爆破装置按照程序进行定向爆破形成切缝。

作为进一步的技术方案，所述切缝模拟装置包括电熔材料板，电熔材料板通过高温导线与高温电机连接，高温电机由数控中心控制，通过数控中心设定切缝预裂程序，并将指令传输到位于高温电机内部的无线信号接收装置，使高温电机按照预定程序工作，通过高温导线，使电熔材料板熔化，形成切缝。

本公开的有益效果为：

(1)本公开的模型试验系统可通过拼装，调整系统尺寸，实现不同尺寸模型体的动静组合加载。

(2)本公开的模型试验系统能够模拟高地应力、高渗流场、滑移断层、倾斜岩层、冲击地压、煤与瓦斯突出等复杂条件，实现一机多用，能够实现多场耦合的模型试验的要求，避免资源浪费。

(3)本公开的模型试验系统可实现多模式自动开采，实时精确操控开采过程。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为试验系统的整体效果图；

图2为组合式密封反力装置示意图；

图3(a)、图3(b)为智能倾斜岩层模拟装置示意图；

图4(a)、图4(b)、图4(c)、图4(d)、图4(e)为自动采煤及巷道仿形掘进系统及切缝模拟示意图；

图5(a)、图5(b)、图5(c)为断层模拟装置示意图；

图6为温度调节系统示意图；

图7为风量调节系统示意图；

图8为高精度气体控制系统示意图；

图9为高精度水储存与渗透系统示意图；

图中，1.组合式密封反力装置，2.高精度实时同步监测系统，3.动静组合高精度液压控制系统，4.智能倾斜岩层模拟装置，5.自动采煤及巷道仿形掘进系统，6.断层模拟装置，7.温度调节系统，8.风量调节系统，9.高精度气体控制系统，10.高精度水储存与渗透系统，11.切缝模拟装置，12.组合式框架，13.前后反力墙模块，14.加强肋，15.高强螺栓，16.焊接连接，17.纳米减摩涂料，18.中空导向框，19.凹槽结构，20.防水橡胶垫块，21.防水胶，22.有机玻璃可视化窗口，23.开挖带，24.数字照相系统，25.高精度数字散斑成像系统，26.红外热成像系统，27.边界储能油缸，28.液压泵站，29.高(低)频交变加载控制系统，30.高压油管，31.储能装置，32.冲击能量块，33.智能控制台，34.液压千斤顶，35.滑轨，36.滑块，37.铰接支撑装置，38.底座，39.轴承滑动单元，40.上隔板，41.下隔板，42.高强纵向拉杆，43.横向拉杆，44.纵向油缸，45.支架，46.煤层及巷道模拟滑块板，47.滑轮，48.履带，49.数控中心，50.长条状柔性液压囊，51.电熔材料板，52.扁平状柔性液压囊，53.液压管，54.液压泵，55.电熔材料板，56.电熔材料板导线，57.电路控制装置，58.温度调节板，59.温控导管，60.温度控制器，61.鼓风机，62.流量控制器，63.风筒，64.高压抽充透气板，65.高压气管，66.高压气泵，67.高压储气箱,68.高压置气箱，69.高精度气体流量控制器，70.高精度气压传感器，71.水通道，72.水泵，73.水箱，74.高精度液体流量控制器，75.高精度流量计，76.高强切缝板，77.微型无线定向爆破装置，78.电熔材料板，79.高温导线，80.高温电机。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本公开中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。

正如背景技术所介绍的，现有技术存在不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种多场耦合矿井智能开采模型试验系统。

本申请提供了一种多场耦合矿井智能开采模型试验系统，包括组合式密封反力装置、高精度实时同步监测系统、动静组合高精度液压控制系统、智能倾斜岩层模拟装置、自动采煤及巷道仿形掘进系统、切缝模拟装置；

所述组合式密封反力装置包括组合式框架，组合式框架前后两侧均设置反力墙模块；

所述高精度实时同步监测系统正对组合式密封反力装置前侧设置，以对试验过程的图像进行采集；

所述动静组合高精度液压控制系统包括设置于组合式框架顶部和两侧部的多个边界储能油缸，边界储能油缸与液压泵站连接，液压泵站与控制器连接；

所述智能倾斜岩层模拟装置设置于组合式密封反力装置底部并可将组合式密封反力装置顶起使其倾斜；

所述自动采煤及巷道仿形掘进系统设置于组合式密封反力装置后侧，对巷道掘进和采煤进行模拟。

所述切缝模拟装置预先埋置于模型体内部，可对切缝进行真实模拟。

实施例1

下面结合附图1-附图9对本实施例公开的试验系统做进一步的说明；

参照附图1所示，一种可模拟滑移断层、倾斜岩层、实现模块化、高精同步实时监测、自动采煤和巷道仿形掘进的多场耦合矿井智能开采模型试验系统主要由组合式密封反力装置1、高精度实时同步监测系统2、动静组合高精度液压控制系统3、智能倾斜岩层模拟装置4、自动采煤及巷道仿形掘进系统5组成。

多场耦合矿井智能开采模型试验系统配备断层模拟装置6、温度调节系统7、风量调节系统8、高精度气体控制系统9、高精度水储存与渗透系统10、切缝模拟装置11。

如图2所示，组合式密封反力装置1由可自由拼装的组合式框架12、前后反力墙模块13及加强肋14通过高强螺栓15和焊接连接16组合而成，其尺寸可根据实际工况进行调整。

组合式密封反力装置1内填充岩层相似材料。

组合式框架12由多榀框架拼装组合而成，单榀框架由顶梁、侧梁和底梁组成；组合式框架12前后两侧均设置前后反力墙模块13，并在组合式框架11外侧设置加强肋14进行结构加强，加强肋14和组合式框架12、前后反力墙模块13通过焊接连接16连接，前后反力墙模块13与组合式框架12通过高强螺栓15连接。

组合式密封反力装置1内壁涂抹纳米减摩涂料17，以降低组合式密封反力装置1对模型体产生的边界效应。

组合式密封反力装置1顶部及左右侧面均固定设置多个边界储能油缸27，且组合式密封反力装置1对应于边界储能油缸27处设置有长方体中空导向框18，中空导向框可有效解决顶部、侧部相邻加载板因三维加载引起模型体压缩而出现的相互妨碍；边界储能油缸前方的加载板间和加载板与模型体的接触面上涂抹纳米减摩涂料17，保证模型体受力均匀。

可自由拼装的组合式框架12、前后反力墙模块13的连接处均设置有凹槽结构19，可在凹槽结构19内充填柔性防水橡胶垫块20及防水胶21。

可自由拼装的组合式框架11前部配置高强有机玻璃可视化窗口22，根据巷道和工作面尺寸，在有机玻璃可视化窗口22中部预留出开挖带23。

开挖带23在开挖前可采用与其大小形状一致的高强有机玻璃进行密封，使整个组合式密封反力装置1形成一个完全密封的腔体。

高精度实时同步监测系统2由应变测试系统、光栅多点位移量测系统、数字照相系统24、高精度数字散斑成像系统25和红外热成像系统26组成。应变测试系统由应变砖、应变花、导线及应变仪组成，应变砖由岩层相似材料制成并埋设在模型体内，应变砖上粘贴有应变花，导线一端与应变花相连，另一端穿过组合式密封反力装置1与放置在组合式密封反力装置1外侧的应变仪相连，用以对围岩应力数据进行实时监测。光栅多点位移量测系统由光栅位移测点、特殊柔性细钢丝绳、光栅尺以及数据采集系统组成。光栅测点埋设在模型体内，通过特殊柔性细钢丝绳与固定在组合式密封反力装置1外部台架上的光栅尺连接，光栅尺将真实物理位移量转换为光学信号，光学信号经与光栅尺连接的信号转换系统转换为数字信号后传递给数据采集系统，用以对围岩位移数据进行实时监测。数字照相系统24、高精度数字散斑成像系统25和红外热成像系统26均对准组合式密封反力装置1的有机玻璃可视化窗口22以对整个模拟过程进行成像。数字照相系统24、高精度数字散斑成像系统25和红外热成像系统26采用现有已知设备即可，在此不再赘述。

动静组合高精度液压控制系统3主要由边界储能油缸27、液压泵站28、高(低)频交变加载控制系统29和高压油管30组成。

边界储能油缸27通过高压油管30与液压泵站28连接，液压泵站28与高(低)频交变加载控制系统29连接。

边界储能油缸27前端设有储能装置31，储能装置31与组合式框架12接触配合，在加载过程中储存能量，在巷道破坏的瞬间释放能量，可对冲击地压进行模拟。储能装置31内部设置有弹簧，在加载过程中弹簧受压缩储存能量，在试验过程中通过高(低)频交变加载控制系统控制储能装置瞬间释放弹簧储存的能量，对冲击地压进行模拟。

在组合式密封反力装置外侧可安装冲击能量块32，冲击能量块可根据试验要求调节其重量及冲击高度，通过冲击能量块32定向冲击模型体产生动载，可对冲击地压进行模拟。冲击能量块32可采用重锤式结构，其与吊绳连接，不工作时其距离组合式密封反力装置一定距离，工作时其向组合式密封反力装置进行冲击。

液压泵站28可根据具体试验要求进行油路设置，顶部及左右两侧油路均可由液压泵站28自由控制提供液压动力源及变频调节流量，通过伺服阀调节压力，控制双作用液压缸进行加载和保持。

高(低)频交变加载控制系统29装有控制主油泵的电脑主机，利用控制软件通过独立油路按力或位移伺服施加静载和动载，可实时动态监控和调整系统运行压力，快捷方便获取系统压力时程变化曲线。

如图3(a)、图3(b)所示，智能倾斜岩层模拟装置4由智能控制台33、液压泵站28、高压油管30、液压千斤顶34、滑轨35、滑块36、铰接支撑装置37和底座38组成。滑轨35固定于组合式密封反力装置1底部，滑块36卡于滑轨35内，可沿滑轨35方向滑动，以便于组合式密封反力装置1被可靠顶起倾斜，液压千斤顶34顶端与滑块36铰接连接，液压千斤顶34通过高压油管30与液压泵站28连接，液压泵站28由智能控制台33控制，通过智能控制台33设置组合式密封反力装置1需要倾斜的角度，从而控制液压千斤顶34自动精确升降，实现组合式密封反力装置1倾斜角度的改变。

液压千斤顶34底部固定于底座38内部，本实施例中，在组合式密封反力装置底部四个边角处分别设置滑轨35，配合设置滑块36、液压千斤顶34；组合式密封反力装置1中部底部与铰接支撑装置37铰接连接，铰接支撑装置37对组合式密封反力装置1进行支撑，铰接支撑装置37底部固定于底座38内部。液压千斤顶34，与铰接支撑装置37在使用时顶升出底座38，使用完毕后，回缩至底座38内部。

如图4(a)、图4(b)、图4(c)所示，自动采煤及巷道仿形掘进系统5包括工作面及巷道模拟装置、自动开采装置，通过自动开采装置带动工作面及巷道模拟装置行进，可实现煤层自动回采要求。

自动采煤及巷道仿形掘进系统5设置于组合式密封反力装置1未设置有机玻璃可视化窗口22的后侧。

工作面及巷道模拟装置主要由轴承滑动单元39、上隔板40、下隔板41及高强纵向拉杆42组成。

在轴承滑动单元39顶部、底部分别布设上隔板40、下隔板41，避免轴承滑动单元39与岩层相似材料直接接触。上隔板40由多个单元板组成，在失去轴承滑动单元39的支撑后掉落，起到不妨碍顶板垮落的效果，下隔板41为整体设计。上隔板40和下隔板41的尺寸通过模型试验中的采煤工作面尺寸确定。高强纵向拉杆42一端与轴承滑动单元39连接，另一端与自动开采装置的横向拉杆43连接。

自动开采装置由横向拉杆43、纵向油缸44、支架45组成。支架45和纵向油缸44固定安装在组合式密封反力装置1上，纵向油缸44和横向拉杆43连接，通过控制纵向油缸44的伸缩，带动横向拉杆43，从而拉动整个轴承滑动单元39同步运动，从而实现自动开挖和回采要求。

另一实施方式中，自动采煤及巷道仿形掘进系统5设置于组合式密封反力装置1内部，与开挖带23高度齐平。工作面及巷道模拟装置包括下隔板41、煤层及巷道模拟滑块板46、滑轮47、履带48和上隔板40，煤层及巷道模拟滑块板46内部设有驱动电机，煤层及巷道模拟滑块板46顶部、底部分别布设上隔板40、下隔板41，避免煤层及巷道模拟滑块与岩层相似材料直接接触，上隔板由多个单元板组成，在失去煤层及巷道模拟滑块的支撑后掉落，起到不妨碍顶板垮落的效果，下隔板为整体设计，煤层及巷道模拟滑块板46两侧设有滑轮47，每排滑轮通过履带48进行连接；自动开采装置包括位于煤层及巷道模拟滑块板内部的若干驱动电机和数控中心49，通过数控中心设定工作面开采程序，并将指令传输到位于驱动电机内部的无线信号接收装置，使驱动电机转动，从而带动滑轮47和履带48运作，实现巷道的掘进和工作面的开采。

另一实施方式中，自动采煤及巷道仿形掘进系统5包括在组合式密封反力装置1的开挖带23处设置的若干个特制的长条状柔性液压囊50，通过对长条状柔性液压囊50进行卸压模拟巷道的掘进和工作面的开采。长条状柔性液压囊50与液压源连通，液压源设置液压泵，液压泵与控制器连接，由控制器控制长条状柔性液压囊50泄压。

另一实施方式中，长条状柔性液压囊50还可替换为若干个特制的电熔材料板51，每块电熔材料板51相互独立，用于模拟煤层或巷道，电熔材料板51与电源连接，电源与控制器连接，通过一定的顺序对每块电熔材料板51通电，使电熔材料板51依次熔化，可实现对巷道掘进和工作面开采的模拟。电熔材料板51是由电熔材料组成的具有一定厚度的板，在通电后该材料板熔化丧失承载能力，使上部的岩层相似材料在重力作用下往下掉落，形成断层，该材料板在熔化后不可恢复到原状态。

以上方案中，长条状柔性液压囊、电熔材料板以及两套滑动采掘装置为四个模拟掘进和开采的并列方案，根据实际情况选择四个方案中的一种即可模拟掘进和开采。

图5(a)、图5(b)、图5(c)所示，断层模拟装置6由特制的扁平状柔性液压囊52、液压管53和液压泵54组成。扁平状柔性液压囊52预埋在组合式框架11内需要模拟断层的位置，扁平状柔性液压囊52通过液压管53和液压泵54连通，液压泵54通过液压管53将液压囊52充满，在试验预加载后对扁平状柔性液压囊52进行卸压，使上部岩层向下滑移，可对滑移断层进行模拟。

替换方案中，断层模拟装置可由电熔材料板55、电熔材料板导线56及电路控制装置57组成。电熔材料板55通过电熔材料板导线56与电路控制装置57连接，电熔材料板55具有一定的厚度，预埋在需要模拟断层的位置，电熔材料板导线56与电路控制装置57连接，通过电路控制装置57通电后融化电熔材料板55，如图5(c)所示，使上部岩层向下滑移，可对滑移断层进行模拟。

如图6所示，温度调节系统7由温度调节板58、温控导管59、温度控制器60组成。温度调节板58通过温控导管59与温度控制器60连接，温度调节板58与组合式密封反力装置1内壁紧贴，通电后通过温度控制器60设定装置内部的温度，可对高(低)温开采环境进行模拟。

如图7所示，风量调节系统8由鼓风机61、流量控制器62以及风筒63组成。鼓风机61与流量控制器62连接，鼓风机61还通过风筒63与组合式框架11连通，流量控制器62控制鼓风机61鼓风的速率，通过风筒63将风灌入巷道中，根据开采方式的不同，可实现实际工程现场中的U型、Y型和Z型通风。

如图8所示，高精度气体控制系统9由高压抽充透气板64、高压气管65、高压气泵66、高压储气箱67、高压置气箱68以及高精度气体流量控制器69及高精度气压传感器70组成。

高压储气箱67和高压置气箱68作为高压气体的存储容器。

高压抽充透气板64通过高压气管65与高压置气箱68连通，高压置气箱68与高压储气箱67连通，高压置气箱68与高压气泵66连接，高压气泵66设置高精度气体流量控制器69，高压气管65上设置高精度气压传感器70，高压抽充透气板64设置于组合式框架11内部，其具体放置的位置，根据不同的试验需求来进行埋设。

高压气泵66可以通过高压抽充透气板64将组合式密封反力装置1内部的气体抽出，存储在高压置气箱68内，使组合式密封反力装置1内部形成真空；同时，也可将高压储气箱67中的气体充入组合式密封反力装置1，可对煤与瓦斯突出进行模拟。

高精度气体流量控制器69通过高精度气压传感器70得到组合式密封反力装置1内部的气压，对高压气泵66压力进行调节，从而对气体灌注压力进行实时调节。

如图9所示，高精度水储存与渗透系统10由水通道71、水泵72、水箱73、高精度液体流量控制器74以及高精度流量计75组成。

高压水箱73作为高压水体的存储容器。

水箱73与水泵72连接，水泵72设置高精度流量计75，水箱73与水通道71连通，水通道71设置高精度液体流量控制器74，水通道71与组合式密封反力装置1连通，高压水泵72通过水通道71的连接将高压水箱73中的水体灌注到组合式密封反力装置1中。

高精度流量计75用于实时监控水通道71中水的流量。

高精度液体流量控制器74通过高精度流量计75得到的流量可对水泵72的压力进行调节，从而对水流量进行实时调节。

切缝模拟装置由特制的高强切缝板76组成，通过预埋的方式，预先埋置在需要进行切缝模拟的模型体内部，高强切缝板76尾端通过高强纵向拉杆42与自动开采装置相连，通过自动开采装置带动高强切缝板76移动，将高强切缝板76从组合式密封反力装置1后部拉出，形成切缝。自动开采装置采用前文所述自动开采装置即可。

替换方案中，切缝模拟装置可由微型无线定向爆破装置77和数控中心49组成，微型无线定向爆破装置77预埋在模型体需要进行切缝的部位，通过数控中心49设定切缝预裂程序，并将指令传输到位于无线定向爆破装置77内部的无线信号接收装置，使无线定向爆破装置77按照程序进行定向爆破形成切缝。

替换方案中，切缝模拟装置可由电熔材料板78、高温导线79、高温电机80以及数控中心49组成，电熔材料板78可以采用新型低熔点材料板，电熔材料板78通过高温导线79与高温电机80连接，通过数控中心49设定切缝预裂程序，并将指令传输到位于高温电机80内部的无线信号接收装置，使高温电机80按照预定程序工作，通过高温导线79，使新型低熔点材料板78熔化形成切缝。

利用本方案开展多场耦合作用下矿井开采模型试验的过程如下：

(1)结合工程现场的地质构造，采用本方案的智能倾斜岩层模拟装置4制备内含倾斜岩层的模型体，并在分层制作模型体的过程中，根据试验需求埋设应变砖、光栅位移测点、高压抽充透气板、水通道、温度调节板、电熔材料板(或长条状柔性液压囊，或轴承滑动单元)、高强切缝板等装置；

(2)在模型体制备完成后，根据工程现场地应力分布情况，按照相似定理，采用本方案中的动静组合高精度液压控制系统3对模型体进行加载，加载至原岩应力状态；

(3)根据工程现场地质条件及试验需求，按照相似准则，采用本方案的温度调节系统7，调节模型体内部的温度；采用本方案的高精度气体控制系统9，模拟煤与瓦斯突出；采用本方案的高精度水储存与渗透系统10，对模型体内部进行水渗透加载；采用本方案的智能倾斜岩层模拟装置4，对模型体进行断层模拟；

(4)待模型体地应力加载稳定后，采用自动采煤及巷道仿形掘进系统5和切缝模拟装置11对模型体进行自动开挖、回采以及切缝的模拟；

(5)在模型体开挖和回采过程中，采用本方案的高精度实时同步监测系统2自动采集模型体内部测点的位移、应力等试验数据并进行存储；

(6)分析整理试验数据及试验现象，根据分析结果揭示煤矿开采过程中的位移、应力演化规律及巷道变形破坏机制。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.多场耦合矿井智能开采模型试验系统，其特征是，包括组合式密封反力装置、高精度实时同步监测系统、动静组合高精度液压控制系统、智能倾斜岩层模拟装置、自动采煤及巷道仿形掘进系统、切缝模拟装置；

所述组合式密封反力装置包括组合式框架，组合式框架前后两侧均设置反力墙模块；

所述高精度实时同步监测系统正对组合式密封反力装置前侧设置，以对试验过程的图像进行采集；

所述动静组合高精度液压控制系统包括设置于组合式框架顶部和两侧部的多个边界储能油缸，边界储能油缸与液压泵站连接，液压泵站与控制器连接；

所述智能倾斜岩层模拟装置设置于组合式密封反力装置底部并可将组合式密封反力装置顶起使其倾斜；

所述自动采煤及巷道仿形掘进系统设置于组合式密封反力装置内部，对巷道掘进和采煤进行模拟；

所述切缝模拟装置预先埋置于模型体内部，可对切缝进行真实模拟。

2.如权利要求1所述的多场耦合矿井智能开采模型试验系统，其特征是，所述组合式框架由多榀框架拼装组合而成，组合式框架内壁涂抹纳米减摩涂料，组合式框架、反力墙模块的连接处均设置有凹槽结构，凹槽结构内充填防水橡胶垫块及防水胶。

3.如权利要求1所述的多场耦合矿井智能开采模型试验系统，其特征是，所述高精度实时同步监测系统包括并排设置的数字照相系统、高精度数字散斑成像系统、红外热成像系统，组合式框架前侧设置有机玻璃可视化窗口，数字照相系统、高精度数字散斑成像系统和红外热成像系统均正对有机玻璃可视化窗口设置；所述有机玻璃可视化窗口中部预留开挖带，开挖带处设置可拆卸的有机玻璃板；高精度实时同步监测系统还包括用以对围岩应力数据进行监测的应变测试系统、用以对围岩位移数据进行监测的光栅多点位移量测系统。

4.如权利要求1所述的多场耦合矿井智能开采模型试验系统，其特征是，所述边界储能油缸端部设有储能装置，储能装置与组合式框架接触配合；所述组合式密封反力装置顶部安装多个冲击能量块，冲击能量块可通过自身重量对组合式密封反力装置进行冲击。

5.如权利要求1所述的多场耦合矿井智能开采模型试验系统，其特征是，所述智能倾斜岩层模拟装置包括底座，底座内部设置多个液压千斤顶，液压千斤顶顶部与滑块铰接，滑块与滑轨滑动配合，滑轨固定于组合式密封反力装置底部，液压千斤顶通过高压油管与液压泵站连接，液压泵站与控制器连接，通过控制多个液压千斤顶顶起不同高度使组合式密封反力装置发生倾斜；所述底座上固设铰接支撑装置，铰接支撑装置顶部与组合式密封反力装置底部中部连接；所述液压千斤顶与铰接支撑装置均设置在底座内部，使用时顶升出底座，使用完毕后，回缩至底座内部。

6.如权利要求1所述的多场耦合矿井智能开采模型试验系统，其特征是，所述自动采煤及巷道仿形掘进系统包括工作面及巷道模拟装置、自动开采装置，工作面及巷道模拟装置包括轴承滑动单元，轴承滑动单元顶部支撑设置上隔板，轴承滑动单元底部设置下隔板，轴承滑动单元还通过纵向拉杆与自动开采装置连接，由自动开采装置带动轴承滑动单元水平移动。

7.如权利要求1所述的多场耦合矿井智能开采模型试验系统，其特征是，所述自动采煤及巷道仿形掘进系统包括煤层及巷道模拟滑块板，煤层及巷道模拟滑块板顶部支撑设置上隔板，煤层及巷道模拟滑块板底部设置下隔板，煤层及巷道模拟滑块板两侧设有滑轮，每排滑轮通过履带进行连接，煤层及巷道模拟滑块板内部设有驱动电机，驱动电机由数控中心控制，进而带动滑轮和履带运作；

或者，所述自动采煤及巷道仿形掘进系统包括掘进开采模拟部件，掘进开采模拟部件设置于开挖带处，所述掘进开采模拟部件为长条状柔性液压囊或电熔材料板。

8.如权利要求1所述的多场耦合矿井智能开采模型试验系统，其特征是，还包括断层模拟装置，断层模拟装置为扁平状柔性液压囊或电熔材料板，断层模拟装置设置于组合式框架内设定位置，扁平状柔性液压囊通过液压管与液压泵连通，对扁平状柔性液压囊进行泄压以模拟断层；

还包括温度调节系统，所述温度调节系统包括温度调节板，温度调节板与组合式密封反力装置内壁紧贴，温度调节板与温度控制器连接；还包括风量调节系统，所述风量调节系统包括鼓风机，鼓风机通过风筒与组合式框架连通。

9.如权利要求1所述的多场耦合矿井智能开采模型试验系统，其特征是，还包括高精度气体控制系统，高精度气体控制系统包括设置于组合式框架内部的高压抽充透气板，高压抽充透气板与高压置气箱连通，高压置气箱设置高压气泵，高压置气箱还与高压储气箱连通，通过高压抽充透气板抽气使组合式密封反力装置内部形成真空或通过高压抽充透气板充气对煤与瓦斯突出进行模拟；还包括高精度水储存与渗透系统，高精度水储存与渗透系统包括水箱，水箱通过水通道与组合式密封反力装置连通，向组合式密封反力装置内注水。

10.如权利要求1所述的多场耦合矿井智能开采模型试验系统，其特征是，所述切缝模拟装置包括高强切缝板，高强切缝板尾端通过纵向拉杆与自动开采装置相连；

或者，所述切缝模拟装置包括微型无线定向爆破装置，微型无线定向爆破装置由数控中心控制；

或者，所述切缝模拟装置包括电熔材料板，电熔材料板通过高温导线与高温电机连接，高温电机由数控中心控制。

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