CN113447362B - 一种煤岩层底板承压水反力模拟实验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种煤岩层底板承压水反力模拟实验装置及方法，装置：包括底部支撑机构、主架机构和自由承压水加载机构；主架机构由左侧竖梁、右侧竖梁和多对护墙板组成；自由承压水加载机构由基座梁、管箍梁、多个千斤顶、多个套板、多个垫板、多根弹簧、分流器和液压泵组成；多个千斤顶通过管箍梁设置在基座梁的上方；多根弹簧分别套设在千斤顶的外部，且上端和下端分别与连接在千斤顶顶端的套板和管箍梁抵接；液压泵通过分流器与多个千斤顶连接。方法：确定弹簧数量及应力；选择压缩量合适的弹簧；布置千斤顶；组装弹簧和套板；进行搭建；进行实验。该装置及方法可以实现对底板承压水压力和承水压力对底板隆起效应的精准模拟。

Description

一种煤岩层底板承压水反力模拟实验装置及方法
技术领域
本发明属于地下工程的模拟装置实验技术领域，具体是一种煤岩层底板承压水反力模拟实验装置及方法。
背景技术
由于煤炭地质构造复杂，进行现场实验会花费大量的财力物力，物理模拟实验是一种可以客观、直接反映物理现象的研究手段，广泛的应用于矿业、水利、地质等诸多领域。通过观察开挖过程所引起的沉降、坍塌、变形，可以得到问题的本质与机理。
相似模拟实验通过相似材料模拟地层地质条件，按照一定比例的呈现在实验模型上。通过分析实验现象，从而认识现场可能发生的问题，进而先一步得到问题发生的机理。
采煤工作下经常会经过一些含承压水煤层底板，掘进时所产生的扰动破坏会极大的影响周围岩体的赋存状态，导致煤层周围的裂隙发展，当裂隙与含水层相接触时，就会形成突水管道，地下水涌入巷道，造成煤炭突水灾害，极大的威胁工人安全，造成不可估计的财产损失。因此需要对含承压水底板在采动破坏下破坏深度进行研究，进而为煤炭安全开采设计提供理论支持。
目前，对于底板承压水的模拟有多种方式，如采用向橡胶袋中注水模拟含水层、直接采用流固耦合材料进行承压水实验，或者在试验台底部安装弹簧组模拟承压含水层。但在这几种方法中，总有诸多因素影响作用下，与实际模拟环境相背离，结果相差甚远，或只能模拟形象而不能按照真实的水压力反力进行真实的模拟。承压水袋、气袋制作不易，且压力较难控制，水袋、气袋容易破损，危害实验员生命安全，无法实现开采后承压水导升而造成的局部水压力降低，另外底板下含水层层对其煤岩层底板所施加的力包括孔隙水压力和有效应力。直接采用流固耦合材料进行试验对相似模拟材料及实验系统的密封性要求较高，不易于操作。采用纯弹簧的设计装置，不易控制弹簧压力，弹簧压力主要是由顶板所施加的覆岩上部压力所决定的，不能模拟真实水压力大小，并且，而且过量压缩弹簧，随着煤层开采，弹簧回弹容易使其对煤层底板严重的底鼓，限制其覆岩层的垮落，与真实环境模拟相背离。采用纯千斤顶的装置可以很好的控制位移大小，但也存在类似问题，堆载后千斤顶的升高量不易控制，极难精准控制应力，实验操作复杂，操作不当容易使整个实验失败。
相对而言，采用弹簧与千斤顶的新型组合装置模拟承压含水层既能模拟承压水对底板的垂直荷载，又能实现承压水在底板岩体因采动卸压后变形隆起、破裂而造成局部水压降低的效果，模拟含水层对其底板作用的有效应力(千斤顶)和孔隙水压力(弹簧)，但由于弹簧压缩量越大所提供的反力也越大，如何精准控制弹簧的压缩量，使其提供的反力满足相似理论，是承压水加载系统的关键问题。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种煤岩层底板承压水反力模拟实验装置及方法，该装置具有结构合理，制作成本低，变形可控性好，应力精准等特点，易于实现承压水作用下煤层底板的破坏的相似模拟实验，有利于精确模拟含水层对其底板作用的有效应力和孔隙水压力。该方法步骤简单、实施成本低，可以实现对底板承压水压力和承水压力对底板隆起效应的精准模拟。
为了实现上述目的，本发明提供一种煤岩层底板承压水反力模拟实验装置，包括底部支撑机构、主架机构和自由承压水加载机构；
所述底部支撑机构由底部支撑架和沿长度方向固定连接在底部支撑架上端的多个支柱组成；
所述主架机构由左侧竖梁、右侧竖梁和多对护墙板组成；所述左侧竖梁和右侧竖梁左右相对的固定连接在底部支撑架的左端和右端上部；多对护墙板均横向的设置，且纵向相邻接的设置，且每对护墙板相对的固定连接在左侧竖梁和右侧竖梁的前侧之间和后侧之间；
所述自由承压水加载机构由基座梁、管箍梁、多个千斤顶、多个套板、多个垫板、多根弹簧、分流器和液压泵组成；所述基座梁由槽口朝上的槽钢制成，且横向的设置在左侧竖梁和右侧竖梁之间的下部，其下端分别与多个支柱的上端固定连接，其左右两端分别与左侧竖梁和右侧竖梁固定连接；所述管箍梁由槽口朝下的槽钢制成，管箍梁的腹板上沿长度方向均匀的开设有多个安装孔，且其前侧的翼板下部沿长度方向均匀的开设有呈长方形的多个缺口；管箍梁横向的设置在基座梁槽口的内部，且其槽口端与基座梁的腹板固定连接，多个缺口位于基座梁上端的部分形成多个方形通口；多个千斤顶分别对应多个安装孔的设置，且底座穿过安装孔后与基座梁固定连接；多个套板分别对应多个千斤顶的设置，所述套板由刚性支撑板和固定连接在刚性支撑板下表面中部的套环组成，套板通过套环固定套装在千斤顶顶头的外部；多个垫板分别对应多个套板的设置，且垫板的尺寸与刚性支撑板的尺寸相同，并覆盖在刚性支撑板的上表面；多根弹簧分别对应多个千斤顶的设置，弹簧套设在千斤顶的外部，且上端和下端分别与刚性支撑板的下端面和管箍梁中腹板的上端面相抵接；所述分流器的多个出油口分别与多根高压管路的进油口连接，多根高压管路的出油口通过多个方形通口进入管箍梁的内部并分别与多个千斤顶的工作油口连接；所述液压泵通过供油管路与分流器的进油口连接。
所述底部支撑架由底部横梁、两根底部纵梁和两对斜拉杆组成，两根底部纵梁相对的固定连接在底部横梁的左右两端；一对斜拉杆位于左侧竖梁下端的前后两侧，且上端分别与左侧竖梁的前后两侧固定连接，下端分别与左侧的底部纵梁的前后两侧固定连接；另一对斜拉杆位于右侧竖梁下端的前后两侧，且上端分别与右侧竖梁的前后两侧固定连接，下端分别与右侧的底部纵梁的前后两侧固定连接。
作为一种优选，所述液压泵为手动液压泵或电动液压泵。
作为一种优选，所述垫板由尼龙或橡胶或塑料材料制成。
进一步，为了方便连接和拆除，所述护墙板由腹板两端开设有圆孔的槽钢制成，且通过穿过圆孔的螺栓固定连接在左侧竖梁和右侧竖梁上。
本装置中，通过在底部支撑机构上安装基座梁，并通过管箍梁安装多个千斤顶，能提供稳定的承载支撑；通过在多个千斤顶顶部对应的连接多个套板，可以形成承载地质相似模型的底梁板；通过主架系统中多对护墙板与左右侧竖梁的连接，可以在多个套板上方形成相似模型的填充区域，进而能方便填充物从底板梁从下向上堆积。使液压泵通过分流器分别连接多个千斤顶，能分别控制各个千斤顶的伸缩量。通过在千斤顶上套设弹簧，可以通过千斤顶模拟含水层对其底板作用的有效应力，同时，可以通过弹簧模拟含水层对其底板作用的孔隙水压力，进而该装置不仅可以精准的模拟煤层底板承压水反力，而且可以根据现场实际水压的不同，对模型中不同水压进行精准模拟预计反力，并且可以在一定条件下继续施加荷载，从而可以模拟底板有效隔水层从微裂隙产生、裂隙扩展到完全破环的全过程，有利于寻找出其极限水压力值。该装置结构合理，制作简单，使用过程方便且安全，同时，其在模拟过程中具有变形可控、应力精准等特点，易于实现承压水作用下煤层底板的破坏的相似模拟实验。该装置不仅可以模拟煤层，还可以模拟岩层、金属矿、半煤岩层、巷道、隧道、地铁等一切地下工程。
本发明还提供了一种煤岩层底板承压水反力模拟实验方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：根据相似比确定模拟水压力大小，然后确定弹簧数量，并根据公式(1)计算出每个弹簧的应力f；
式中，C为强度相似比，F为模拟煤层底板下的承压水压力，n为弹簧的个数，S为弹簧有效截面与套板的接触面积；
步骤二：采用试验机对不同规格的弹簧进行试验所需荷载力的加载，测量出各弹簧的试验力-位移曲线图，并计算出各弹簧的弹性系数；并根据荷载力选择弹性系数合适的弹簧，并根据公式(2)计算该荷载力下弹簧的压缩量ΔL1；
式中，ES为弹簧的弹性模量，L为弹簧的长度；
步骤三：根据确定的弹簧选出型号合适的千斤顶，并选出适合尺寸的管箍梁，再在管箍梁上开设好尺寸与千斤顶尺寸相适配的多个安装孔；
步骤四：组装底部支撑机构，并将主架机构中的左侧竖梁和右侧竖梁固定连接在底部支撑机构上；组装自由承压水加载机构，该过程中，先将千斤顶安装在管箍梁上的安装孔中，接着将弹簧套在千斤顶上，再在千斤顶顶头上固定安装套板，然后利用液压泵对千斤顶打压来调节千斤顶活塞杆的伸出量，直至升至计算压缩量位置并锁死千斤顶以防止卸压，同时，使千斤顶伸出后高度与弹簧压缩后高度满足公式(3)；在套板上的刚性支撑板上铺设同尺寸的垫板；
L1-ΔL1＝L2+ΔL2(3)；
式中，L1为弹簧原始状态的长度，L2为千斤顶原始状态的高度，ΔL2为千斤顶伸出量；
步骤五：在垫板上模型搭建，由下向上依次安装每对护墙板，并在安装完每对护墙板后于其间铺设一层试验所需材料，且相邻的两层试验所需材料之间铺设一层云母进行分层；通过多层试验所需材料形成地质相似体；
步骤六：在自然风干达到所需状态时，从上到下依次拆除多对护墙板，再进行模拟开挖，在开挖过程中，对模型进行数据采集和记录。
作为一种优选，在步骤四中，根据公式(4)确定相邻套板上的两个刚性支撑板之间的接触缝隙l；
式中，b为刚性支撑板沿底部横梁长度方向的长度；a为刚性支撑板沿底部横梁宽度方向的宽度。
本方法可以实现对底板承压水压力和承水压力对底板隆起效应的精准模拟。可以有效防止模型搭建过程后，由于相似材料的自重和顶部加载使弹簧的压缩量过大，对底板的荷载力超过模拟的水压力，进而造成工作面开采后底部压力释放，底板隆起变形严重甚至直接对底板形成贯通型破坏的情况发生。本方法可根据现场实际水压的不同，精准的模拟含水层对其底板作用的有效应力和孔隙水压力。亦可对模型中不同水压进行精准模拟设计反力，并且可以在一定条件下继续施加荷载，模拟底板有效隔水层从微裂隙产生、裂隙扩展到完全破环的整个过程，有助于寻找出其极限水压力值。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1的左视图；
图3是图1的右视图；
图4是图1的俯视图；
图5是本发明中管箍梁的结构示意图；
图6是本发明中套板的结构示意图；
图7是本发明中弹簧与千斤顶初始状态的状态示意图；
图8是本发明中填充区堆载后弹簧与千斤顶的状态示意图；
图9是本发明中部分开采后弹簧与千斤顶的状态示意图；
图10是本发明中完全开采后弹簧与千斤顶的状态示意图；
图11是本发明中寻找底板极限水压力的状态示意图。
图中：1、左侧竖梁，2、右侧竖梁，3、护墙板，4、垫板，5、千斤顶，6、弹簧，7、套板，8、基座梁，9、管箍梁，10、分流器，11、液压泵，12、支撑柱，13、底部横梁，14、斜拉杆，15、底部纵梁，16、底部支撑架，17、安装孔，18、缺口，19、方形通口，20、刚性支撑板，21、套环，22、高压管路，23、供油管路，24、回油管路。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步地说明。
如图1至11所示，一种煤岩层底板承压水反力模拟实验装置，包括底部支撑机构、主架机构和自由承压水加载机构；
所述底部支撑机构由底部支撑架16和沿长度方向固定连接在底部支撑架16上端的多个支柱12组成；
作为一种优选，支柱12采用“H”型钢制成，其翼缘固定连接于底部横梁13上，顶端固定连接在基座梁8上。作为进一步优选，相邻的两个支柱12之间的间距可以为400mm。
所述主架机构由左侧竖梁1、右侧竖梁2和多对护墙板3组成；所述左侧竖梁1和右侧竖梁2左右相对的固定连接在底部支撑架16的左端和右端上部；多对护墙板3均横向的设置，且纵向相邻接的设置，且每对护墙板相对的固定连接在左侧竖梁1和右侧竖梁2的前侧之间和后侧之间；
所述自由承压水加载机构由基座梁8、管箍梁9、多个千斤顶5、多个套板7、多个垫板4、多根弹簧6、分流器10和液压泵11组成；所述基座梁8由槽口朝上的槽钢制成，且横向的设置在左侧竖梁1和右侧竖梁2之间的下部，其下端分别与多个支柱12的上端固定连接，其左右两端分别与左侧竖梁1和右侧竖梁2固定连接；所述管箍梁9由槽口朝下的槽钢制成，管箍梁9的腹板上沿长度方向均匀的开设有多个安装孔17，且其前侧的翼板下部沿长度方向均匀的开设有呈长方形的多个缺口18；作为一种优选，安装孔17的内径尺寸较千斤顶5缸筒的外径尺寸大1-4mm；作为一种优选，缺口18长边沿管箍梁9的长度方向，且尺寸为50mm×100mm；
管箍梁9横向的设置在基座梁8槽口的内部，且其槽口端与基座梁8的腹板固定连接，多个缺口18位于基座梁8上端的部分形成多个方形通口19；多个千斤顶5分别对应多个安装孔17的设置，且底座穿过安装孔17后与基座梁8固定连接；
多个套板7分别对应多个千斤顶5的设置，所述套板7由刚性支撑板20和固定连接在刚性支撑板20下表面中部的套环21组成，套板通过套环21固定套装在千斤顶5顶头的外部；
多个垫板4分别对应多个套板7的设置，且垫板4的尺寸与刚性支撑板20的尺寸相同，并覆盖在刚性支撑板20的上表面；多根弹簧6分别对应多个千斤顶5的设置，弹簧6套设在千斤顶5的外部，且上端和下端分别与刚性支撑板20的下端面和管箍梁9中腹板的上端面相抵接；
为了提高模拟效果，可以使弹簧6和千斤顶5的数量尽可能多一些。
所述分流器10的多个出油口分别与多根高压管路22的进油口连接，多根高压管路22的出油口通过多个方形通口19进入管箍梁9的内部并分别与多个千斤顶5的工作油口连接；所述液压泵11通过供油管路23与分流器10的进油口连接。
作为一种优选，所述弹簧6弹簧腔的内径尺寸较千斤顶5缸筒的外径尺寸大2-5mm，优选为2mm，从而可以弹簧6在套设在千斤顶5上后受力能够垂直。
作为另一种优选，套环21的内径尺寸较弹簧6的外径尺寸大2-10mm，优选为4mm，从而可以使弹簧6的上端插装于套环21的内部，并与刚性支撑板20相抵接。且套环21的高度小于千斤顶5的活塞杆处于完全收缩状态下祼露于其缸筒上端外侧的高度。
所述底部支撑架16由底部横梁13、两根底部纵梁15和两对斜拉杆14组成，两根底部纵梁15相对的固定连接在底部横梁13的左右两端；一对斜拉杆14位于左侧竖梁1下端的前后两侧，且上端分别与左侧竖梁1的前后两侧固定连接，下端分别与左侧的底部纵梁15的前后两侧固定连接；另一对斜拉杆14位于右侧竖梁2下端的前后两侧，且上端分别与右侧竖梁2的前后两侧固定连接，下端分别与右侧的底部纵梁15的前后两侧固定连接。
作为一种优选，所述液压泵11为手动液压泵或电动液压泵。
作为一种优选，所述垫板4由尼龙或橡胶或塑料材料制成。
为了方便连接和拆除，所述护墙板3由腹板两端开设有圆孔的槽钢制成，且通过穿过圆孔的螺栓固定连接在左侧竖梁1和右侧竖梁2上。
本装置中，通过在底部支撑机构上安装基座梁，并通过管箍梁安装多个千斤顶，能提供稳定的承载支撑；通过在多个千斤顶顶部对应的连接多个套板，可以形成承载地质相似模型的底梁板；通过主架系统中多对护墙板与左右侧竖梁的连接，可以在多个套板上方形成相似模型的填充区域，进而能方便填充物从底板梁从下向上堆积。使液压泵通过分流器分别连接多个千斤顶，能分别控制各个千斤顶的伸缩量。通过在千斤顶上套设弹簧，可以通过千斤顶模拟含水层对其底板作用的有效应力，同时，可以通过弹簧模拟含水层对其底板作用的孔隙水压力，进而该装置不仅可以精准的模拟煤层底板承压水反力，而且可以根据现场实际水压的不同，对模型中不同水压进行精准模拟预计反力，并且可以在一定条件下继续施加荷载，从而可以模拟底板有效隔水层从微裂隙产生、裂隙扩展到完全破环的全过程，有利于寻找出其极限水压力值。该装置结构合理，制作简单，使用过程方便且安全，同时，其在模拟过程中具有变形可控、应力精准等特点，易于实现承压水作用下煤层底板的破坏的相似模拟实验。该装置不仅可以模拟煤层，还可以模拟岩层、金属矿、半煤岩层、巷道、隧道、地铁等一切地下工程。
本发明还提供了一种煤岩层底板承压水反力模拟实验方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：根据相似比确定模拟水压力大小，然后确定弹簧6数量，并根据公式(1)计算出每个弹簧6的应力f；
式中，C为强度相似比，F为模拟煤层底板下的承压水压力，n为弹簧6的个数，S为弹簧6有效截面与套板7的接触面积；
步骤二：采用试验机对不同规格的弹簧进行试验所需荷载力的加载，测量出各弹簧的试验力-位移曲线图，并计算出各弹簧的弹性系数；并根据荷载力选择弹性系数合适的弹簧6，并根据公式(2)计算该荷载力下弹簧6的压缩量ΔL1；
式中，ES为弹簧的弹性模量，L为弹簧的长度；
步骤三：根据确定的弹簧6选出型号合适的千斤顶5，并选出适合尺寸的管箍梁9，再在管箍梁9上开设好尺寸与千斤顶5尺寸相适配的多个安装孔17；
步骤四：组装底部支撑机构，并将主架机构中的左侧竖梁1和右侧竖梁2固定连接在底部支撑机构上；组装自由承压水加载机构，该过程中，先将千斤顶5安装在管箍梁9上的安装孔17中，接着将弹簧6套在千斤顶5上，再在千斤顶5顶头上固定安装套板7，然后利用液压泵11对千斤顶5打压来调节千斤顶5活塞杆的伸出量，直至升至计算压缩量位置并锁死千斤顶5以防止卸压，同时，使千斤顶5伸出后高度与弹簧6压缩后高度满足公式(3)；在套板7上的刚性支撑板20上铺设同尺寸的垫板4；
L1-ΔL1＝L2+ΔL2 (3)；
式中，L1为弹簧6原始状态的长度，L2为千斤顶5原始状态的高度，ΔL2为千斤顶5伸出量；
步骤五：在垫板4上模型搭建，由下向上依次安装每对护墙板3，并在安装完每对护墙板3后于其间铺设一层试验所需材料，且相邻的两层试验所需材料之间铺设一层云母进行分层；通过多层试验所需材料形成地质相似体；
步骤六：在自然风干达到所需状态时，从上到下依次拆除多对护墙板3，再进行模拟开挖，在开挖过程中，对模型进行数据采集和记录。
作为一种优选，在步骤四中，根据公式(4)确定相邻套板7上的两个刚性支撑板20之间的接触缝隙l；
式中，b为刚性支撑板20沿底部横梁13长度方向的长度；a为刚性支撑板20沿底部横梁13宽度方向的宽度，刚性支撑板20的长度b大于刚性支撑板20的宽度a；刚性支撑板20的宽度a大于l/2。
实施例：
弹簧6的选定，在市场中选择了5种不同规格的压缩弹簧，采用WDW-100M微机控制电子式万能试验机对不同规格的弹簧进行加载，测量各弹簧的试验力-位移曲线，计算其弹性系数。具体参数如表1所示。
表1弹簧规格
通过比较，弹簧3～5弹性系数较大，在试验所需的荷载力下，弹簧仅发生微小变形，无法体现出承压水对底板岩体的顶托作用，且不便于控制千斤顶升起高度。弹簧1和弹簧2在所需荷载力下分别被压缩12.03mm和13.4mm，均能够实现工作面采后局部水压力降低的效果，但由于弹簧2属于非标弹簧，需定制加工，最终本发明选用弹簧1来模拟承压水。
为便于模型搭建，每安装一层前后护墙板3铺设一层相似材料；每填充一层相似材料应铺设一层云母进行分层，铺设高度不应高与前后前后护墙板高度。进行下一步填充时在前后护墙上部安装前后护墙，直至达到所需要的实验高度。
地质相似体搭建完成后，应对模型进行自然风干，从上到下依次拆除前后护墙3，再进行模拟开挖。
模型开挖时，应根据相关数据，运用计算机对模型进行数据采集、记录。
如图7至图10所示，所描述的为煤岩层底板下定水压力下开拓开采实验过程。
图7表示实验开始前弹簧与千斤顶的初始状态。按照式(3)，计算出被堆载后弹簧6的压缩量ΔL1与千斤顶5的伸出量ΔL2。利用液压泵11调整千斤顶5的伸出量ΔL2，等待压力稳定后锁死千斤顶5的供油管路，防止泄压。此时，由多个套板7组成的底板梁上没有任何荷载，弹簧6为松弛状态，长度为L1，千斤顶5的高度为L2+ΔL2.弹簧5高度比千斤顶5高，套板7与弹簧5直接接触，千斤顶5顶端与套板7不接触。在图7至图10中，从左向右分别记为①、②、③、④、⑤、⑥、⑦、⑧号弹簧6与千斤顶5。
从图7到图8表示在底板梁上方填充区搭建地质相似体的过程。填充区被堆载后所有弹簧6都被均匀压缩，压缩量均为ΔL1，弹簧6长度为L1-ΔL1，千斤顶5的长度不变为L2+ΔL2此时千斤顶5与弹簧6的顶部共同与套板7接触，两者共同工作，弹簧6与千斤顶5的长度满足(3)式，处于协调状态。弹簧6由于其可变形性，模拟地层中的孔隙水压力，当弹簧6被压缩时，代表孔隙升高；弹簧6伸长时，代表孔隙水压力消散。千斤顶5由于其不可变形，模拟地层中的有效应力，这与实际地层相符。千斤顶5维持弹簧6作用力在竖直方向，限制弹簧6的长度最小为L1-ΔL1，这样可以防止弹簧6在搭建过程中压缩量过大而产生与水压力不相符的压力。
从图8到图9表示煤层开挖了一小段距离，微裂纹开始发展，开挖方向从右向左。如④、⑤、⑥、⑦所示，由于开挖后留下的采空区，采空区下方，弹簧6堆积荷载变小，逐渐回弹，回弹量最大为ΔL，ΔL由采空区中心处向两侧递减，处于采空区外的弹簧6没有变化如①、②、③、⑧所示。局部地质体被挤压向上拱起，并传递至底板，造成底板向上隆起现象，微裂纹开始发展。此时采空区下方弹簧6的高度为L1+ΔL1+ΔL，千斤顶5的高度不变为L2+ΔL2。处于采空区下方弹簧6的高度略高于千斤顶5。源于弹簧回升，弹簧6所提供的孔隙水压力减小，符合底板破坏后应力得到释放，水压力减小的事实。进而实现了承压水在底板岩体采动卸压后变形隆起、破裂和局部水压降低的效果。
从图9到图10表示煤层被充分开采，处于裂纹发展状态。如②、③、④、⑤、⑥、⑦所示，采空区区域变大，处于采空区下方位置的弹簧6回弹量增大，弹簧6相比于图9中的弹簧6高度进一步上升，千斤顶5的高度不变为L2+ΔL2。采空区中间位置的弹簧6回弹量最大，向两端逐渐减小，最外侧弹簧6没有变化。底板隆起高度也进一步上升，地质体处于裂纹发展状态。
从图10到图11所示地质体在充分开采后没有出现明显的裂隙，为液压泵11加压，寻找其极限水压力。此过程中水压力由弹簧6与千斤顶5共同提供。千斤顶5伸出量增大，直至与套板7接触，千斤顶5与弹簧6共同向地质体提供水压力。但由于采空区的存在，每一个弹簧6的伸出量是不一样的，有效弹簧6个数为采空区下方弹簧6个数，并向外辐射，辐射角最优选取90°。直至相似体表面出现明显裂纹，停止给压，计算极限破坏水压力。寻找极限水压力具体过程为：
A、充分开挖煤层，并仔细观察相似地质体的裂纹分布；
B、打开分流器10上与对应千斤顶5相对应的阀门，利用液压泵11向千斤顶5供压，增加千斤顶5的伸出量；
C、观察并记录地质相似体裂纹发展，直至裂纹贯通底板；
D、记录液压泵11的压力值与弹簧6的高度，并根据公式(5)计算极限破坏水压力P；
式中，M为地质相似体破坏时液压泵11压力值，S*为千斤顶5的伸出面积，L为地质相似体破坏时弹簧6的高度。
本方法步骤简单、实施成本低，可以实现对底板承压水压力和承水压力对底板隆起效应的精准模拟。可以有效防止模型搭建过程后，由于相似材料的自重和顶部加载使弹簧的压缩量过大，对底板的荷载力超过模拟的水压力，进而造成工作面开采后底部压力释放，底板隆起变形严重甚至直接对底板形成贯通型破坏的情况发生。本方法可根据现场实际水压的不同，精准的模拟含水层对其底板作用的有效应力和孔隙水压力。亦可对模型中不同水压进行精准模拟设计反力，并且可以在一定条件下继续施加荷载，模拟底板有效隔水层从微裂隙产生、裂隙扩展到完全破环的整个过程，有助于寻找出其极限水压力值。

Claims (7)

1.一种煤岩层底板承压水反力模拟实验装置，包括底部支撑机构，其特征在于，还包括主架机构和自由承压水加载机构；
所述底部支撑机构由底部支撑架（16）和沿长度方向固定连接在底部支撑架（16）上端的多个支柱（12）组成；
所述主架机构由左侧竖梁（1）、右侧竖梁（2）和多对护墙板（3）组成；所述左侧竖梁（1）和右侧竖梁（2）左右相对的固定连接在底部支撑架（16）的左端和右端上部；多对护墙板（3）均横向的设置，且纵向相邻接的设置，且每对护墙板（3）相对的固定连接在左侧竖梁（1）和右侧竖梁（2）的前侧之间和后侧之间；
所述自由承压水加载机构由基座梁（8）、管箍梁（9）、多个千斤顶（5）、多个套板（7）、多个垫板（4）、多根弹簧（6）、分流器（10）和液压泵（11）组成；所述基座梁（8）由槽口朝上的槽钢制成，且横向的设置在左侧竖梁（1）和右侧竖梁（2）之间的下部，其下端分别与多个支柱（12）的上端固定连接，其左右两端分别与左侧竖梁（1）和右侧竖梁（2）固定连接；所述管箍梁（9）由槽口朝下的槽钢制成，管箍梁（9）的腹板上沿长度方向均匀的开设有多个安装孔（17），且其前侧的翼板下部沿长度方向均匀的开设有呈长方形的多个缺口（18）；管箍梁（9）横向的设置在基座梁（8）槽口的内部，且其槽口端与基座梁（8）的腹板固定连接，多个缺口（18）位于基座梁（8）上端的部分形成多个方形通口（19）；多个千斤顶（5）分别对应多个安装孔（17）的设置，且底座穿过安装孔（17）后与基座梁（8）固定连接；多个套板（7）分别对应多个千斤顶（5）的设置，所述套板（7）由刚性支撑板（20）和固定连接在刚性支撑板（20）下表面中部的套环（21）组成，套板（7）通过套环（21）固定套装在千斤顶（5）顶头的外部；多个垫板（4）分别对应多个套板（7）的设置，且垫板（4）的尺寸与刚性支撑板（20）的尺寸相同，并覆盖在刚性支撑板（20）的上表面；多根弹簧（6）分别对应多个千斤顶（5）的设置，弹簧（6）套设在千斤顶（5）的外部，且上端和下端分别与刚性支撑板（20）的下端面和管箍梁（9）中腹板的上端面相抵接；所述分流器（10）的多个出油口分别与多根高压管路（22）的进油口连接，多根高压管路（22）的出油口通过多个方形通口（19）进入管箍梁（9）的内部并分别与多个千斤顶（5）的工作油口连接；所述液压泵（11）通过供油管路（23）与分流器（10）的进油口连接。
2.根据权利要求1所述的一种煤岩层底板承压水反力模拟实验装置，其特征在于，所述底部支撑架（16）由底部横梁（13）、两根底部纵梁（15）和两对斜拉杆（14）组成，两根底部纵梁（15）相对的固定连接在底部横梁（13）的左右两端；一对斜拉杆（14）位于左侧竖梁（1）下端的前后两侧，且上端分别与左侧竖梁（1）的前后两侧固定连接，下端分别与左侧的底部纵梁（15）的前后两侧固定连接；另一对斜拉杆（14）位于右侧竖梁（2）下端的前后两侧，且上端分别与右侧竖梁（2）的前后两侧固定连接，下端分别与右侧的底部纵梁（15）的前后两侧固定连接。
3.根据权利要求1或2所述的一种煤岩层底板承压水反力模拟实验装置，其特征在于，所述液压泵（11）为手动液压泵或电动液压泵。
4.根据权利要求3所述的一种煤岩层底板承压水反力模拟实验装置，其特征在于，所述垫板（4）由尼龙或橡胶或塑料材料制成。
5.根据权利要求4所述的一种煤岩层底板承压水反力模拟实验装置，其特征在于，所述护墙板（3）由腹板两端开设有圆孔的槽钢制成，且通过穿过圆孔的螺栓固定连接在左侧竖梁（1）和右侧竖梁（2）上。
6.一种煤岩层底板承压水反力模拟实验方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一：根据相似比确定模拟水压力大小，然后确定弹簧（6）数量，并根据公式（1）计算出每个弹簧（6）的应力f；
（1）；
式中，C为强度相似比，F为模拟煤层底板下的承压水压力，n为弹簧（6）的个数，S为弹簧（6）有效截面与套板（7）的接触面积；
步骤二：采用试验机对不同规格的弹簧进行试验所需荷载力的加载，测量出各弹簧的试验力-位移曲线图，并计算出各弹簧的弹性系数；并根据荷载力选择弹性系数合适的弹簧（6），并根据公式（2）计算该荷载力下弹簧（6）的压缩量；
（2）；
式中，E S 为弹簧（6）的弹性模量，L为弹簧（6）的长度；
步骤三：根据确定的弹簧（6）选出型号合适的千斤顶（5），并选出适合尺寸的管箍梁（9），再在管箍梁（9）上开设好尺寸与千斤顶（5）尺寸相适配的多个安装孔（17）；
步骤四：组装底部支撑机构，并将主架机构中的左侧竖梁（1）和右侧竖梁（2）固定连接在底部支撑机构上；组装自由承压水加载机构，该过程中，先将千斤顶（5）安装在管箍梁（9）上的安装孔（17）中，接着将弹簧（6）套在千斤顶（5）上，再在千斤顶（5）顶头上固定安装套板（7），然后利用液压泵（11）对千斤顶（5）打压来调节千斤顶（5）活塞杆的伸出量，直至升至计算压缩量位置并锁死千斤顶（5）以防止卸压，同时，使千斤顶（5）伸出后高度与弹簧（6）压缩后高度满足公式（3）；在套板（7）上的刚性支撑板（20）上铺设同尺寸的垫板（4）；
（3）；
式中，L 1 为弹簧（6）原始状态的长度，L 2 为千斤顶（5）原始状态的高度，为千斤顶（5）伸出量；
步骤五：在垫板（4）上模型搭建，由下向上依次安装每对护墙板（3），并在安装完每对护墙板（3）后于每对护墙板（3）间铺设一层试验所需材料，且相邻的两层试验所需材料之间铺设一层云母进行分层；通过多层试验所需材料形成地质相似体；试验所需要材料为相似材料；
步骤六：在自然风干达到所需状态时，从上到下依次拆除多对护墙板（3），再进行模拟开挖，在开挖过程中，对模型进行数据采集和记录。
7.根据权利要求6所述的一种煤岩层底板承压水反力模拟实验方法，其特征在于，在步骤四中，根据公式（4）确定相邻套板（7）上的两个刚性支撑板（20）之间的接触缝隙l；
（4）；
式中，b为刚性支撑板（20）沿底部横梁（13）长度方向的长度；a为刚性支撑板（20）沿底部横梁（13）宽度方向的宽度。
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