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

技术特征：

1.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，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(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。

2.根据权利要求1所述的采动覆岩运动影响矿压的模拟实验装置，其特征在于：所述压力传感器(16)为土压力盒，并采用倾斜布置方式。

3.根据权利要求1所述的采动覆岩运动影响矿压的模拟实验装置，其特征在于：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。

4.根据权利要求1所述的采动覆岩运动影响矿压的模拟实验装置，其特征在于所述压力传感器(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。

5.一种使用权利要求1所述试验装置的采动覆岩运动影响矿压的模拟实验协同监测方法，其特征在于步骤如下：

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；

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。

6.根据权利要求5所述的采动覆岩运动影响矿压的模拟实验协同监测方法，其特征在于：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。

7.根据权利要求6所述的采动覆岩运动影响矿压的模拟实验协同监测方法，其特征在于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。

8.根据权利要求是6所述的采动覆岩运动影响矿压的模拟实验协同监测方法，其特征在于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关键层的初次破断、每次周期破断均进行相同监测操作。

9.根据权利要求7或8所述的采动覆岩运动影响矿压的模拟实验协同监测方法，其特征在于：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。