采动覆岩运动影响矿压的模拟实验装置及协同监测方法与流程

本发明涉及井工开采实验装置及监测方法，尤其采动覆岩运动影响矿压的模拟实验装置及协同监测方法，属于采矿工程领域。

背景技术：

采场矿压主要取决于采场覆岩性质及运动，研究采场矿压一般性规律与异常现象的内在联系离不开对采场覆岩运动及对采场影响机制的研究。为此，采用理论分析、现场实测和模拟实验等方法进行研究。

关于采场覆岩结构及运动的研究中，砌体梁理论及相应岩层控制的关键层理论的接受度最高、应用最为广泛。随着实测技术的进步，采场顶板覆岩运动的现场观测技术日臻完善，由观测地点的不同分为井下观测和井上观测。井下观测技术通常是由工作面上下顺槽内斜向工作面上方进行观测，主要手段是钻孔法(孔内位移计、钻孔窥视等)、微震法等，当工作面推进至观测站时即中止观测，而此时正是顶板覆岩活跃期，由此可见该方法观测范围、位置、时间都不是十分理想。此外，检修停采时在工作面内指定位置竖直向上进行顶板观测是一种静态观测方法，无法观测到随采动态过程。井上观测则是一种观测位置任意、范围全面、随采动态观测的理想观测方法，主要通过地面钻孔实现，可以在钻孔内布置位移观测点或利用钻孔窥视技术进行覆岩运动观测，但其成本极高，钻孔可能由于错孔、塌孔而中断观测。

对于这种复杂和不便于实测研究的问题，常采用相似模拟实验技术进行研究，除数值模拟实验外，随着相似理论和模拟实验技术的完善，物理相似模拟技术已经成为一种采矿工程研究领域主流、高效的研究手段。目前对于采场矿压的模拟实验研究中，存在以下几个问题：对于采场矿压和覆岩运动等多个量化观测指标中常仅针对其中一个或几个对象或指标进行观测；某些指标观测仅通过特定时刻静态观测，而采场覆岩运动对于采场矿压的影响是一个通过时间来显现的动态作用过程；红外能量观测、微震技术、声发射技术、动态摄影位移测量技术等观测方法虽然能够做到对覆岩的动态观测，但极容易受到实验环境和操作的干扰，使用要求极为苛刻；通过视觉现象判断、现象描述等方法无法与其他量化指标很好的同步对比分析。

技术实现要素：

技术目的：针对上述技术的不足之处，提供一种针对性强，有效全面的动态的对覆岩及采场进行实验监测，实现了相关数据的动态、同步、一体化监测，通过对覆岩运动影响采场矿压数据的同步对比分析，研究覆岩运动对采场矿压的影响规律，进而从本质上解释矿压规律及异常现象的采动覆岩运动影响矿压的模拟实验装置及协同监测方法。

技术方案：为实现上述技术目的，本发明的采动覆岩运动影响矿压的模拟实验装置，包括实验模型箱体，实验模型箱体的四壁活动连接，其特征在于：它还包括模拟采煤支架组和数据采集系统；

所述实验模型箱体可根据实际需要调整长度、宽度和高度；

所述实验模型箱体内部设有模拟实验模型，所述模拟实验模型底部为测试煤层，测试煤层上方为测试岩层，所述测试煤层为煤层，所述测试煤层两端分别设有开切眼和停采线，所述测试岩层顶层设有软岩层，测试岩层包括自下而上交替设置的软岩层和覆岩关键层，所述软岩层和覆岩关键层的层数根据实验需要调整；

其中最贴近煤层的覆岩关键层为第一层亚关键层，最靠近顶部的覆岩关键层为最高层位关键层，第一层亚关键层和最高层位关键层之间的覆岩关键层为第n层关键层，在所述每层覆岩关键层下方对应软岩层的上部界面布置有多个压力传感器，所述压力传感器16为土压力盒，并采用倾斜布置方式；

所述模拟采煤支架组包括并排设置在煤层处模拟采煤工作面左右两端的端部支架，两个端部支架中间并排设有中间支架，所述左右两个端部支架上分别设置有支架压缩量位移传感器，端部支架和中间支架的油缸上均安装有用于收集工作阻力数据的液压传感器；

所述数据采集系统包括采集传感器和数据处理装置，所述采集传感器包括设置在每层覆岩关键层的关键块运动测锚针组，每组关键块运动测锚针组均为间隔垂直插入覆岩关键层的关键块运动测锚针，模型外侧设有关键块块运动位移传感器固定架，关键块块运动位移传感器固定架上设有与关键块运动测锚针数量相同且一一对应的关键块块运动位移传感器，每个关键块块运动位移传感器与对应的关键块运动测锚针之间通过关键块运动联动绳连接，且运动联动绳处于绷紧状态，

所述数据处理装置包括PC主机，PC主机的输入端与动态采集卡的输出端相连接，动态采集卡的输入端分别与压力传感器、支架压缩量位移传感器、液压传感器和所有关键块块运动位移传感器的输出端相连接。

所述压力传感器为土压力盒，并采用倾斜布置方式。

所述动态采集卡的输入端与关键块块运动位移传感器输出端之间通过关键块运动位移传感器信号线相连接，动态采集卡的输入端与支架压缩量位移传感器的输出端之间通过液压信号线相连接，动态采集卡的输入端与液压传感器的输出端之间通过支架压缩量位移传感器信号线相连接。

所述压力传感器的倾斜布置方法为：在铺设完毕第n层关键层前一层软岩时，在该软岩顶界宽度W方向居中位置，从开切眼向停采线方向水平均匀间隔d放置一排压力传感器，该排第一个压力传感器距离开切眼水平距离s_n＝s₁-ΔH_n·cotθ，其中，s₁为最低层位关键层底界面第一个压力传感器内错开切眼的水平距离，s₁为25cm-40cm；ΔH_n为第n层关键层与最低层位关键层间的垂直距离；θ为覆岩断裂角，取75°，每排压力传感器共个，式中，L为模拟实验模型可采长度，s_n为第n层关键层底界面第一个压力传感器内错开切眼的水平距离，d为压力传感器的水平间距，由实验具体需要确定，每个压力传感器的压力信号线向模型外一侧引出，并对压力信号线逐个编号，以防混淆，其余各关键层按上述方法以同样方式布置。

采动覆岩运动影响矿压的模拟实验协同监测方法，步骤如下：

a.根据待测采场的煤层、软岩层和覆岩关键层数量及其位置信息利用实验模型箱体布置煤层、软岩层和覆岩关键层，并在覆岩各关键层底部界面设置多个压力传感器，从而构成模拟实验模型；

b.等待模拟实验模型成型后拆卸掉实验模型箱体的四壁，在试验模型外侧安装关键块块运动位移传感器固定架，在覆岩关键层上安装关键块运动测锚针，在关键块块运动位移传感器固定架上安装与关键块运动测锚针组的关键块运动测锚针数量相等的关键块块运动位移传感器，使用关键块运动联动绳将二者连接，且使运动联动绳处于绷紧状态，通过关键块运动测锚针和关键块块运动位移传感器监测覆岩关键层的运动情况；

c.将动态采集卡的输入端与关键块块运动位移传感器输出端之间通过关键块运动位移传感器信号线相连接，动态采集卡的输入端与支架压缩量位移传感器的输出端之间通过液压信号线相连接，动态采集卡的输入端与液压传感器的输出端之间通过支架压缩量位移传感器信号线相连接；

d.在模拟实验模型的煤层中布置开切眼和停采线，将模拟采煤支架组安装在开切眼处模拟采煤工作面，采煤工作面由开切眼向停采线方向进行回采，每次回采一个进尺后进行及时支护，模拟支架组逐个降架、移架、初撑，直到开采到停采线完成模拟开采，模拟开采中PC主机通过动态采集卡检测所有传感器发送来的数据，从而得到开采过程中进行的采场覆岩运动观测、采场覆岩应力传递观测和采场矿压显现观测获取的数据，并进行覆岩运动影响采场矿压数据分析。

所述监测覆岩关键层运动的方法包括初次破断时覆岩关键层运动的监测方法和周期破断时覆岩关键层运动的监测方法。

所述初次破断时覆岩关键层运动的监测方法：选取任意层覆岩关键层监测，随着模拟采煤工作面推进，在任意被测覆岩关键层的初次破断前，将一根关键块运动观测锚针垂直插在理论预测的断裂线前方1cm-3cm处，关键块运动位移传感器开始采集检测数据，继续模拟采煤工作面推进，直至该关键层继续发生两次周期破断后结束该测点关键层初次破断运动监测。

所述周期破断时覆岩关键层运动的监测方法：以任意层覆岩关键层为例，当该关键层初次破断后开始覆岩关键层周期破断运动监测，前2-3次周期破断关键层运动监测时，将一根关键块运动观测锚针垂直插在该关键层理论预测周期断裂步距断裂线前方水平距离1cm-2cm处，直至该测点所在块体及其下一块体完全从该关键层断裂，结束一次关键层周期破断运动观测；随工作面继续推进，在完成2-3次新的周期破断后，以此前2-3次新的周期破断所得的周期断裂步距平均值为参照，在各关键层关键块体断裂裂纹出现前等间距布置测点；重复上述方法对所有关键层的初次破断、每次周期破断均进行相同监测操作。

所述关键块运动测锚针插入覆岩关键层深度大于3cm、小于平面模型宽度的1/2，从而确保稳固的同时，减少对模型岩层损伤影响，而锚针外露长度为5cm，便于与关键块块运动位移传感器连接。

有益效果：

(1)将难于进行覆岩运动影响矿压数据观测的现场转化为理想化物理实验模型；

(2)该方法集采场覆岩运动监测、采场覆岩应力传递监测和采场矿压显现监测于一体，数据采集完整，实现相关数据的动态、同步、一体化监测；

(3)以关键层量为主要覆岩研究对象的实验方法突出了研究重点，排除次要因素，节省了监测硬件数量和操作，也降低后期数据分析系列量；

(4)快响应的传感器高频采集能够详细反映出随采覆岩运动及矿压动态变化过程；

(5)覆岩与采场动态、同步、一体化监测对于采场矿压的研究更为深刻，通过对覆岩运动影响采场矿压数据的同步对比分析，研究覆岩运动对采场矿压的影响规律，进而从本质上解释矿压规律及异常现象；

(6)为覆岩多关键层和高层位关键层的周期破断运动阶段对工作面矿压的影响研究提供有效的研究思路和手段。

附图说明

图1为本发明的采场覆岩应力传递监测压力传感器倾斜布置方法示意图；

图2为本发明的覆岩关键层破断模型结构示意图；

图3为本发明的覆岩关键层的破断后模型结构Ⅰ-Ⅰ剖面图；

图4为本发明的采动覆岩运动影响矿压的模拟实验协同监测系统示意图。

图中：1-煤层，2-软岩层，3-第一层亚关键层，4-第n层关键层，5-最高层位关键层，6-开切眼，7-停采线，8-关键块块运动位移传感器固定架，9-关键块块运动位移传感器，10-关键块运动联动绳，11-关键块运动测锚针，12-端部支架，13-中间支架，14-支架压缩量位移传感器，15-液压传感器，16-压力传感器，17-关键块运动位移传感器信号线，18-压力信号线，19-液压信号线，20-支架压缩量位移传感器信号线，21-动态采集卡，22-PC主机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步详细说明：

如图1和图4所示，本发明的采动覆岩运动影响矿压的模拟实验装置，它包括实验模型箱体，实验模型箱体的四壁活动连接，还包括模拟采煤支架组和数据采集系统；

所述实验模型箱体可根据实际需要调整长度、宽度和高度；

所述实验模型箱体内部设有模拟实验模型，所述模拟实验模型底部为测试煤层，测试煤层上方为测试岩层，所述测试煤层为煤层1，所述测试煤层1两端分别设有开切眼6和停采线7，所述测试岩层顶层设有软岩层2，测试岩层包括自下而上交替设置的软岩层2和覆岩关键层，所述软岩层2和覆岩关键层的层数根据实验需要调整；

其中最贴近煤层1的覆岩关键层为第一层亚关键层3，最靠近顶部的覆岩关键层为最高层位关键层5，第一层亚关键层3和最高层位关键层5之间的覆岩关键层为第n层关键层4，在所述每层覆岩关键层下方对应软岩层2的上部界面布置有多个压力传感器16，所述压力传感器16为土压力盒，并采用倾斜布置方式；

所述模拟采煤支架组包括并排设置在煤层1处模拟采煤工作面左右两端的端部支架12，两个端部支架12中间并排设有中间支架13，所述左右两个端部支架12上分别设置有支架压缩量位移传感器14，端部支架12和中间支架13的油缸上均安装有用于收集工作阻力数据的液压传感器15；

所述数据采集系统包括采集传感器和数据处理装置，所述采集传感器包括设置在每层覆岩关键层的关键块运动测锚针组，每组关键块运动测锚针组均为间隔垂直插入覆岩关键层的关键块运动测锚针11，模型外侧设有关键块块运动位移传感器固定架8，关键块块运动位移传感器固定架8上设有与关键块运动测锚针11数量相同且一一对应的关键块块运动位移传感器9，每个关键块块运动位移传感器9与对应的关键块运动测锚针11之间通过关键块运动联动绳10连接，且运动联动绳处于绷紧状态，

所述数据处理装置包括PC主机22，PC主机22的输入端与动态采集卡21的输出端相连接，动态采集卡21的输入端分别与压力传感器16、支架压缩量位移传感器14、液压传感器15和所有关键块块运动位移传感器9的输出端相连接。

所述动态采集卡21的输入端与关键块块运动位移传感器9输出端之间通过关键块运动位移传感器信号线17相连接，动态采集卡21的输入端与支架压缩量位移传感器14的输出端之间通过液压信号线19相连接，动态采集卡21的输入端与液压传感器15的输出端之间通过支架压缩量位移传感器信号线20相连接。

所述压力传感器16的倾斜布置方法为：在铺设完毕第n层关键层前一层软岩2时，在该软岩2顶界宽度W方向居中位置，从开切眼向停采线方向水平均匀间隔d放置一排压力传感器16，该排第一个压力传感器16距离开切眼6水平距离s_n＝s₁-ΔH_n·cotθ，其中，s₁为最低层位关键层3底界面第一个压力传感器16内错开切眼6的水平距离，s₁为25cm-40cm；ΔH_n为第n层关键层与最低层位关键层3间的垂直距离；θ为覆岩断裂角，取75°，每排压力传感器16共个，式中，L为模拟实验模型可采长度，s_n为第n层关键层底界面第一个压力传感器16内错开切眼6的水平距离，d为压力传感器的水平间距，由实验具体需要确定，每个压力传感器16的压力信号线18向模型外一侧引出，并对压力信号线18逐个编号，以防混淆，其余各关键层按上述方法以同样方式布置。

如图2和图3所示，采动覆岩运动影响矿压的模拟实验协同监测方法，其步骤如下：

a.根据待测采场的煤层、软岩层和覆岩关键层数量及其位置信息利用实验模型箱体布置煤层1、软岩层2和覆岩关键层，并在覆岩各关键层底部界面设置多个压力传感器16，从而构成模拟实验模型；

b.等待模拟实验模型成型后拆卸掉实验模型箱体的四壁，在试验模型外侧安装关键块块运动位移传感器固定架8，在覆岩关键层上安装关键块运动测锚针11，在关键块块运动位移传感器固定架8上安装与关键块运动测锚针组的关键块运动测锚针11数量相等的关键块块运动位移传感器9，使用关键块运动联动绳10将二者连接，且使运动联动绳处于绷紧状态，通过关键块运动测锚针11和关键块块运动位移传感器9监测覆岩关键层的运动情况；

所述监测覆岩关键层运动的方法包括初次破断时覆岩关键层运动的监测方法和周期破断时覆岩关键层运动的监测方法：

所述初次破断时覆岩关键层运动的监测方法：选取任意层覆岩关键层监测，随着模拟采煤工作面推进，在任意被测覆岩关键层的初次破断前，将一根关键块运动观测锚针11垂直插在理论预测的断裂线前方1cm-3cm处，关键块运动位移传感器9开始采集检测数据，继续模拟采煤工作面推进，直至该关键层继续发生两次周期破断后结束该测点关键层初次破断运动监测；

所述周期破断时覆岩关键层运动的监测方法：以任意层覆岩关键层为例，当该关键层初次破断后开始覆岩关键层周期破断运动监测，前2-3次周期破断关键层运动监测时，将一根关键块运动观测锚针11垂直插在该关键层理论预测周期断裂步距断裂线前方水平距离1cm-2cm处，直至该测点11所在块体及其下一块体完全从该关键层断裂，结束一次关键层周期破断运动观测；随工作面继续推进，在完成2-3次新的周期破断后，以此前2-3次新的周期破断所得的周期断裂步距平均值为参照，在各关键层关键块体断裂裂纹出现前等间距布置测点；重复上述方法对所有覆岩关键层的初次破断、每次周期破断均进行相同监测操作；

所述关键块运动测锚针11插入覆岩关键层深度大于3cm、小于平面模型宽度的1/2，从而确保稳固的同时，减少对模型岩层损伤影响，而锚针外露长度为5cm，便于与关键块块运动位移传感器9连接；

c.将动态采集卡21的输入端与关键块块运动位移传感器9输出端之间通过关键块运动位移传感器信号线17相连接，动态采集卡21的输入端与支架压缩量位移传感器14的输出端之间通过液压信号线19相连接，动态采集卡21的输入端与液压传感器15的输出端之间通过支架压缩量位移传感器信号线20相连接；

d.在模拟实验模型的煤层1中布置开切眼6和停采线7，将模拟采煤支架组安装在开切眼6处模拟采煤工作面，采煤工作面由开切眼6向停采线7方向进行回采，每次回采一个进尺后进行及时支护，模拟支架组逐个降架、移架、初撑，直到开采到停采线7完成模拟开采，模拟开采中PC主机22通过动态采集卡21检测所有传感器发送来的数据，从而得到开采过程中进行的采场覆岩运动观测、采场覆岩应力传递观测和采场矿压显现观测获取的数据，并进行覆岩运动影响采场矿压数据分析。

物理模拟实验模型制作前，首先根据研究原型钻孔全柱状信息进行关键层判别，确定覆岩关键层数量及其位置。

实验前，将关键块运动位移传感器9的信号线17、压力传感器16的信号线18、支架压缩量位移传感器14的信号线20、液压传感器15的信号线19接入动态采集卡21，动态采集卡21与上位机PC主机22连接，并对系统供电，启动动态、同步、一体化观测系统。

模型开采中，在煤层1开切眼6后，在工作面内布置模拟支架，端部支架12两侧各一架，且在模型外侧对支架顶梁、底座间安设位移传感器14，以实现支架压缩量观测。中间支架13的个数根据具体模型宽度W和支架宽度匹配情况而定，不安设支架压缩量观测的位移传感器14。所有模拟支架的油缸均配置液压传感器15，以实现支架工作阻力观测。工作面由开切眼6向停采线7方向进行回采。每个循环进尺1cm-5cm，每次回采一个进尺后进行及时支护，工作面支架12、13逐个降架、移架、初撑。

采场覆岩运动监测分为关键层初次破断运动监测和关键层周期破断运动监测以第k层关键层为例。随工作面推进，第k层关键层在初次破断前，将关键块运动观测的锚针11垂直插在理论预测初次断裂步距中部底界面裂缝前方1cm-3cm、岩层厚度中部位置，通过关键块运动联动机构绳与固定在关键块运动位移传感器固定架8上的关键块运动位移传感器9采用拉绳式位移传感器紧致连接，直至该关键层继续发生两次周期破断后结束该测点关键层初次破断运动监测。

第k层关键层初次破断后，开始进行关键层周期破断运动监测。将关键块运动监测的锚针11垂直插在第k层关键层周期破断断裂步距前端水平距离1cm-2cm、岩层厚度中部位置，直至该测点11所在块体及其下一块体完全从关键层断裂，结束本测点的关键层周期破断运动监测。按前述方法，对所有关键层的初次破断、每次周期破断均进行相同监测操作。

如此直至工作面回采至停采线7，停止上位机PC主机监测程序，保存并导出采集的数据，以便对覆岩运动影响采场矿压实验的相关数据进行同步对比分析。