尺寸与倾角可调节式煤矿采场相似模型试验系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及采场矿山压力研究领域，具体涉及一种尺寸与倾角可调节式煤矿采场相似模型试验系统。
【背景技术】
[0002]煤炭是中国的主要能源，在国民经济发展中具有重要的战略地位。目前中国煤矿开采深度以每年8m-12m的速度增加，东部矿井正以每10年100m-250m的速度发展。随着浅部煤炭资源逐渐枯竭，煤矿开采深度由最初浅部200m-300m逐步发展到深部700m-800m，部分煤矿开采深度已达1000m以上，在未来20年中国很多煤矿将进入到1000m-1500m的深度，深部开采面临的问题日益突出。与浅部、中深部开采相比，煤矿深部开采的最大难度在于围岩所处的复杂的力学环境难以估量。在大采深、高地应力、强烈的开采扰动作用下，深部围岩表现出诸如复杂的围岩应力场特征、大变形和强流变性、煤岩脆性一延性转化等力学特性。
[0003]而作为支撑深部开采研究的基础性研究领域，如:深部条件下工程岩体的力学特性研究、工程岩体的连续性问题研究、工程岩体的本构关系及参数确定方法研究、工程岩体的强度确定方法研究、工程岩体的强度破坏准则研究、工程岩体的大变形研究等基础科学问题都有待于深入研究，已有的基础性成果难以解答深部开采所面临的日益严重的工程技术问题。
[0004]相似模型是真实的物理实体，在基本满足相似原理的条件下，它能更真实地反映采场覆岩和工作面支护体的相互作用关系，更准确地模拟工作面开采过程和影响，并可给出更为直观的试验结果。然而，由于模型框架结构的强度刚度、模型铺设工作量、加载精度、模型量测等多方面的因素制约，长期以来采场矿压模型试验多是几何比尺1:100以下(最小为1:600)的中小比尺试验台，一方面模型尺寸较小，另一方面模型边界的加载强度、加载精度、稳压时长等方面略显不足。最为不利的是，相似材料的物理力学性质与真实煤岩体相去甚远，最大相差两个数量级以上。以1: 100的模型试验为例，根据相似理论关于几何相似比与体积力、应力相似比的关系CyCL = Co，可以看出，采场模型的几何比尺在很大程度上决定了相似材料的力学强度指标，中小比尺采场模型的相似材料其弹性模量、抗拉强度等力学指标最大仅为原始煤岩强度的0.75 %左右，其力学指标远远低于真实的煤岩强度，相似材料配比以石膏、碳酸钙、河砂为主，其塑性、脆性与真实煤岩体有显著差异。再者，由于几何比尺偏小，在测试结果处理过程中，会导致测试误差被异常放大，降低了试验结果的相似性与可信度。此外，现有的采场矿压模型试验台尺寸相对固定，模型框架不能旋转或者可旋转角度不足，不能模拟大倾角煤层、工作面俯仰采等开采条件。
[0005]综上所述，常规的采场模型试验台对于不同倾角、不同厚度、不同埋深等开采案例缺乏普适性，为了深入揭示以大采深、大倾角、厚煤层为代表的复杂难采煤层的采场矿山压力特征，急需研发一种具有普适性的，模型尺寸与倾角可调的大比例尺高精度采场模型试验系统及试验方法。【实用新型内容】
[0006]本实用新型所要解决的技术问题是如何提供一种尺寸与倾角可调节式煤矿采场相似模型试验系统。
[0007]为此目的，本实用新型提出了一种尺寸与倾角可调节式煤矿采场相似模型试验系统，包括:模型承载框架、压力加载装置、模型框架旋转装置、集中控制装置以及监测装置；
[0008]所述模型承载框架用于铺设采场相似模型；
[0009]所述集中控制装置用于根据试验设定的压力值向所述压力加载装置发送施压控制指令以及根据试验设定的倾角值向所述模型框架旋转装置发送旋转控制指令；
[0010]所述压力加载装置用于根据所述施压控制指令向所述模型承载框架施加压力；[0011 ]所述模型框架旋转装置用于根据所述旋转控制指令使所述模型承载框架旋转所述设定的倾角；
[0012]所述监测装置用于监测所述采场相似模型在开挖过程中的状态。
[0013]优选地，所述模型承载框架内的左右两侧分别设有传力垫块，所述传力垫块沿所述模型承载框架的中心线左右对称分布。
[0014]优选地，所述压力加载装置包括侧向压力加载装置和顶部压力加载装置;所述侧向压力加载装置用于向所述模型施加水平梯度压力;所述顶部压力加载装置用于向所述模型顶部施加垂直梯度压力，以模型所述采场的地貌。
[0015 ]优选地，所述压力加载装置包括压力加载油缸和与所述压力加载油缸连接的均布压力加载器，所述压力加载油缸沿所述模型承载框架的顶部横梁和竖梁等间距均匀分布，所述压力加载油缸通过所述均布压力加载器向所述模型均匀施加压力。
[0016]优选地，所述顶部横梁上的每个压力加载油缸都分别对应一个控制油路进行控制，所述竖梁上的同一高度的左右两个压力加载油缸对应同一个控制油路进行控制，所述竖梁上的不同高度的压力加载油缸对应不同的控制油路进行控制。
[0017]优选地，所述集中控制装置是高精度液压伺服控制装置，所述高精度液压伺服控制装置包括工业控制计算机、液压控制器、电液比例控制器、压力变送器；
[0018]所述工业控制计算机用于根据试验设定的压力值，将压力信号转换为电信号并传输至所述电液比例控制器；
[0019]所述电液比例控制器用于根据所述电信号向所述压力加载装置输出试验设定的压力值；
[0020]所述压力变送器用于监测所述压力加载装置向所述模型承载框架施加的压力并将监测结果传输至所述液压控制器；
[0021]所述液压控制器用于对比所述监测结果和所述试验设定的压力值并将对比结果传输至所述工业控制计算机；
[0022]所述工业控制计算机用于根据所述对比结果向所述电液比例控制器发送修正信号，所述电液比例控制器根据所述修正信号调整向所述压力加载装置输出的压力。
[0023]优选地，所述高精度液压伺服控制装置还包括定量栗、过滤器、安全阀、蓄能器以及开关或换向阀；
[0024]所述定量栗将液压油通过过滤器及安全阀输送到所述蓄能器;所述蓄能器储存一部分压力高于试验最高压力值的液压油;所述蓄能器的出油口连接所述电液比例控制器，所述电液比例控制器将所述蓄能器输出的液压油的压力值降低至所述试验设定的压力值。
[0025]优选地，所述模型框架旋转装置包括两个伸缩油缸，所述伸缩油缸通过无级变速的形式控制所述模型承载框架单侧旋转0-60°。
[0026]优选地，所述模型框架旋转装置还包括:旋转定位装置，所述旋转定位装置位于所述模型承载框架的底部，旋转定位装置用于通过旋转不同的角度模拟不用倾角的煤矿地层。
[0027]优选地，所述旋转定位装置连接所述集中控制装置，通过在所述集中控制装置中输入预设的角度，控制所述旋转定位装置旋转所述预设的角度。
[0028]优选地，该系统还包括:框架基座，所述框架基座位于所述模型承载框架的下部横梁的中心线偏左一定距离，使所述模型承载框架的重心始终位于所述模型承载框架的中心线的右侧，使得所述伸缩油缸始终受到轴向拉伸力的作用，避免所述伸缩油缸受压时发生失稳。
[0029]优选地，该系统还包括:模型成型约束结构，所述模型成型约束结构逐层插入所述模型承载框架，所述模型成型约束结构用于使采场相似材料铺设平整。
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