一种天然地震对矿井工作面稳定性的模拟装置及方法

1.本发明属于矿井开采模拟实验技术领域，具体涉及一种天然地震对矿井工作面稳定性的模拟装置及方法。


背景技术：

2.随着开采规模、开采深度和开采地质复杂程度的逐渐提高，采场应力环境不断恶化，冲击地压、煤与瓦斯突出等动力灾害频繁发生，严重威胁了矿井安全生产及人员生命安全。天然地震是指地球内部缓慢积累的能量突然释放引起的地球表层的振动。其与矿震的区别是，矿震仅发生在矿区附近，均是由于人为的采矿活动而诱发，难以聚集较大的能量。由于地震的最大震级要远大于目前全球发生过的最大矿震震级，因此，天然地震所造成的危害也远大于矿震所带来的危害。我国现有的专业地震监测台网主要针对天然地震监测设置，全国仅有1000余个测震台站能在矿山突发事件中发挥作用，特别是西部地区测震台站尤为稀疏，在台网布局和专业设备选型上尚无法做到对矿山事件进行精准监测。近年来的天然地震对井下产生的影响事故频有发生，尤其是针对废旧矿井，一旦发生地震将产生不可预估的严重后果。
3.中国专利申请cn114113316a公开了一种三维相似模拟装置和覆岩运动的三维试验监测方法。该方法即提供一种三维相似模拟装置，通过震动波激发装置产生振动，并通过监测装置监测材料模型内部的波速分布情况，根据波速推演出应力分布情况，用离层仪对模型地表沉陷情况进行监测，结合二者监测相似材料模型覆岩结构整体的变化情况。然而该装置所提供的为模拟炸药爆破产生的振动，仍局限于局部的矿震活动，且未考虑岩层在地下所处的梯度应力状态以及该处煤体所赋存的构造应力状态，难以探究天然地震对矿井整个生产系统的影响，在实际应用中产生误差较大。
4.因此现有技术需要一种能够真实反映不同类型的天然地震波对井下支护系统稳定性影响的试验方法，来模拟天然地震对井下的影响机理以及探究发生地震时对井下支护系统和各岩层之间应力传递及地面塌陷的影响，并且需要一种真实反应应力状态的用于支护系统抗震稳定性研究的模拟装置，来提高试验可靠度和试验效率，便于更好的将实验结果应用到井下真实环境中。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明提供了一种天然地震对矿井工作面稳定性的模拟装置及方法，目的是为了研究不同类型的天然震波对井下支护系统的影响机理，以及地震对各岩层之间力的传递影响规律。
6.为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：一种天然地震对矿井工作面稳定性的模拟装置，其包括龙门式反力架、试验箱体、井下支护平台系统、不均匀载荷加载系统、振动发生系统、数据采集系统及控制系统；其中，所述试验箱体位于龙门式反力架内，其包括模型架、高透亚克力板、前挡板和承压
板，所述前挡板和高透亚克力板与模型架可拆卸连接，所述高透亚克力板安装在前挡板与模型架之间，所述前挡板为间隔排布，位于底部的前挡板设置于紧贴煤层底板以方便安装扰动发生装置，所述承压板设置于箱体内部左右两侧，并设置有多个，用于传递梯度水平应力，箱体内部还铺设有用于模拟煤层和岩层的相似模拟材料；所述井下支护平台系统包括顶板锚杆、金属网和电动液压支架模拟装置，所述顶板锚杆与所述金属网之间通过金属垫片接触连接，顶板锚杆与金属网铺设在右侧模拟开挖的回撤巷道内；所述电动液压支架模拟装置设置于左侧模拟回采工作面内；所述不均匀载荷加载系统包括垂直应力加载系统、两侧梯度水平应力加载系统、背侧梯度水平应力加载系统和构造应力场产生装置，所述垂直应力加载系统设置于试验箱体上方，与所述龙门式反力架上部相连，所述两侧梯度水平应力加载系统设置于试验箱体左右两侧，与龙门式反力架的左右两侧相连，并通过模型架与模型架内部左右两侧的承压板相连；所述背侧梯度水平应力加载系统设置于试验箱体背侧，与模型架相连，用于形成梯度水平应力；所述构造应力场产生装置设置于试验箱体底部，其包括多个底部承压水囊，通过底部承压水囊体积膨胀而产生塑性变形，以对煤层底部施加构造应力，形成倾斜、褶曲的地质构造；所述振动发生系统包括工作面开采扰动发生装置和地震模拟震动台，分别设置于紧贴煤层底板的前挡板和龙门式反力架底部，工作面开采扰动发生装置用于模拟工作面开采产生的扰动，地震模拟震动台用于模拟产生采空区大面积塌陷的天然地震。
7.优选的，模型架由铁质材料制成，所述高透亚克力板安装在前挡板与模型架之间，所述前挡板为间隔排布，用于提供作用反力以提高结构稳定性，且在煤层开采水平形成一定高度观察窗口，方便模拟煤层开挖并方便可视化观测内部岩层变化状况。
8.优选的，所述顶板锚杆、金属网和金属垫片由胶水提前黏合成多个整体，并在回撤巷道开挖后用长夹子伸入巷道分别插入巷道顶板，所述顶板锚杆为螺旋状长金属钉，在金属网上侧的所述顶板锚杆上布置有测力传感器，用于模拟监测巷道顶板应力变化。
9.优选的，所述电动液压支架模拟装置由多个电动液压支架车并排组成，所述电动液压支架车由支撑板、应力传感器、弧形伸缩机构、架体和电动滚轮组成，所述电动滚轮通过外部的所述控制系统控制行进方向，模拟液压支架自动跟机移架，所述架体和支撑板之间由弧形伸缩机构连接，模拟支撑顶板压力，所述支撑板上安装有应力传感器，用于模拟监测顶板来压。
10.优选的，所述背侧梯度水平应力加载系统包括注水装置和多排背侧承压水囊，所述背侧承压水囊之间由隔板分隔开，所述注水装置与背侧承压水囊相连，通过所述注水装置7注入和监测水压以形成梯度水平应力。
11.优选的，所述构造应力场产生装置包括软板和底部承压水囊，设置于试验箱体底部，与模型架相连，所述注水装置与底部承压水囊相连，通过注入和监测水压以形成底部构造应力；所述底部承压水囊设置为多个且通过底部隔板隔开，所述底部承压水囊上部盖有所述软板，所述软板为光滑塑性软板，可随底部承压水囊体积膨胀而产生塑性变形，通过单一或组合底部承压水囊注水加压向上升起可对煤层底部施加构造应力，形成倾斜、褶曲的地质构造。
12.优选的，所述工作面开采扰动发生装置由导轨、电动滑块、铆钉和小型振动发生器
组成，所述小型振动发生器通过铆钉与电动滑块连接，所述电动滑块与导轨滑动连接，可通过所述控制系统驱动以沿导轨行进，所述导轨与紧贴煤层底板的所述前挡板连接，所述小型振动发生器可贴近工作面前方煤体以产生可调节的振动频率，模拟工作面开采产生的扰动，所述地震模拟震动台设置于所述龙门式反力架架座内的底部，与所述模型架底部通过卡扣相连，用于模拟产生采空区大面积塌陷的天然地震。
13.优选的，所述数据采集系统包括声发射监测系统、应力监测系统和微震监测系统，分别通过声发射传感器、应力传感器和拾震式传感器埋置于不同岩层之间，当工作面回采以及采空区垮落时各传感器监测相应信号并通过连线传送至外部的控制系统进行分析。
14.优选的，在模拟地层中还布设有位移采集系统，其利用位移传感器探究天然地震发生后井下至地表各岩层应力传递的时空演变规律。
15.优选的，所述控制系统为外部计算机，计算机中安装实时记录软件和分析软件，计算机分别通过连接线连接所述各传感器。
16.作为进一步优选的实施方案，本发明还提供了一种天然地震对矿井工作面稳定性的模拟方法，其采用上文所述的天然地震对矿井工作面稳定性的模拟装置来实现，其模拟方法具体包括以下步骤：步骤1、设计试验方案与试验配比：试验参数主要包括模型相似常数、模拟煤层地质构造、煤岩三向应力状态以及煤岩的相似材料配比，并依照配比制作所需强度的相似材料；步骤2、制作模块化煤体：采用模块化煤体制作装置来制作，所述模块化煤体制作装置包括塑料薄膜、麻绳和煤体制作模具，所述煤体制作模具为可拆卸式模具，煤体制作模具前后两侧各开一孔，便于安放麻绳，所述麻绳中部打有若干绳结；具体在进行制作时，将配比好的煤体材料混合均匀倒入铺有塑料薄膜和麻绳的煤体制作模具中，麻绳两端留一定余量，之后放入养护箱养护，完成后取下煤体制作模具；步骤3、铺设相似材料和数据采集系统：根据工程计算铺设煤层所在高度，有序组装模型架上的前挡板和高透亚克力板，使煤层开采水平处留有一定高度可拆卸窗口，将混合好的材料和模块化煤体依次有序铺设到模型架中，并在铺设过程中有序埋置声发射传感器、应力传感器、位移传感器以及拾震式传感器所对应的监测系统，并分别连接至外部控制系统；步骤4、模拟应力状态：通过垂直应力加载系统进行加载提供垂直应力，通过两侧梯度水平应力液压加载系统提供左右方向梯度侧压，通过注水装置向背侧承压水囊注入不同水压以提供前后方向梯度侧压，其中，左右方向和前后方向的梯度侧压均自下而上依次减小，通过注水装置向一侧的底部承压水囊注入一定水压以推动塑性软板向上升起从而推动煤层底板形成倾斜、褶曲的构造应力形态；步骤5、模拟煤层开采和引起的矿震活动：拆卸开采窗口处的高透亚克力板，露出模拟煤层，在紧贴煤层底板的所述前挡板上安装导轨、滑块、铆钉和振动发生器，并将振动发生器移动至距边界一定距离的模块化煤体的右侧处，开启振动发生器，并缓慢抽出振动发生器所在位置预留的模块化煤体，模拟巷
道掘进过程，形成回撤巷道；之后，利用长夹子将由胶水提前黏合顶板锚杆、金属网和金属垫片而形成的所述多个整体分段插入回撤巷道的上部顶板并压实，使之具有一定初始应力状态，模拟回撤巷道支护；之后，将振动发生器关闭，移动至左侧后重新开启，并缓慢抽出该处模块化煤体，形成模拟开切眼，依次放入电动液压支架模拟装置进行顶板支撑；随着工作面的推进，振动发生器也缓慢移动，此时缓慢抽出此处所在的模块化煤体，模块煤体每抽出一定长度，操控电动液压支架模拟装置依次缓慢降柱-前移-升柱，直至该处模块煤体全部抽出，电动液压支架装置整体前进一个截深长度，开始下一轮回采；往复进行，直至工作面开采结束；回采过程中，利用数据采集系统实时监测并传输数据至控制系统进行记录分析，所采集的数据包括采空区垮落产生的矿震数据；步骤6、模拟天然地震活动发生：当工作面回采距离达到采区中部时，开启底部地震模拟震动台并暂停回采工作；逐步提高地震强度，记录天然地震时各传感器数值变化；步骤7、试验结束：当井下支护平台系统监测的压力超过其预定数值时发出报警，代表支护系统被大面积压死或失稳，关闭试验系统结束试验，回收试验材料并拆除试验装置，通过控制系统分析整理所得实验数据；重复步骤1至步骤7，进行多次试验，改变地震波类型或设置固定的地震发生时长，探究不同类型天然地震对井下工作面的影响，由此评价井下的支护系统和矿井的抗震稳定性能力。
17.与现有技术相比，本发明具有以下优点：该模拟装置对试验箱体进行结构化改进，既保证了其可视化试验过程，又保证了其结构稳定性，通过两侧设置的多轴液压系统以及背侧的承压水囊实现了水平应力的梯度加载，通过上部垂直应力加载系统提供了不同深度的自重应力，并通过底部柔性水囊加压的方式提供了各岩层处于地层中的所受的构造应力，模拟了构造应力场的形成过程，真实模拟了岩层所受复杂的三向应力状态；对煤层采用了模块化的模拟开采方式，简化了试验步骤，提高了试验精度；振动发生系统提供模拟工作面开采扰动以及天然地震产生的大范围震动影响，可带动试验箱体整体震动模拟不同类型地震的过程，根据监测系统等可精确获取相关实验数据，并搭建了井下支护平台系统，精确的构建了矿井三维立体模拟开采过程，以探究天然地震波对支护系统的稳定性影响，并可用于评价现有支护装置的抗震稳定性；对研发抗震性能强的支护装置以及监测能力强的矿震监测系统提供重要的试验基础。
附图说明
18.图1为本发明一种天然地震对矿井工作面稳定性的模拟装置的主视图；图2为本发明一种天然地震对矿井工作面稳定性的模拟装置左视图；图3为本发明一种天然地震对矿井工作面稳定性的模拟装置工作面支护系统示意图；图4为本发明一种天然地震对矿井工作面稳定性的模拟装置巷道支护系统示意图；图5为本发明一种天然地震对矿井工作面稳定性的模拟装置扰动发生装置示意
图；图6为本发明一种天然地震对矿井工作面稳定性的模拟装置传感器测点布置示意图；图7为本发明一种天然地震对矿井工作面稳定性的模拟装置模块化煤体制作装置示意图；图中，1-龙门式反力架；2-垂直应力加载系统；3-模型架；4-前挡板；5-螺钉；6-模拟开切眼；7-注水装置；8-控制系统；9-地震模拟震动台；10-底部承压水囊；11-回撤巷道；12-两侧梯度水平应力加载系统；13-承压板；14-背侧承压水囊；15-背部隔板；16-电动液压支架模拟装置；17-高透亚克力板；18-支撑板；19-应力传感器；20-弧形伸缩机构；21-架体；22-电动滚轮；23-导轨；24-塑性软板；25-底部隔板；26-模块化煤体；27-锚杆测力传感器；28-金属垫片；29-金属网；30-模拟锚杆（索）；31-电动滑块；32-铆钉；33-小型振动发生器；34-应力传感器；35-拾震式传感器；36-声发射传感器；37-塑料薄膜；38-麻绳；39-煤体制作模具。
具体实施方式
19.为了更清楚地说明本发明所提供的技术方案，下面结合附图进行清楚、完整的详细说明。
20.如图1至图7所示，本发明提供了一种天然地震对矿井工作面稳定性的模拟装置，其包括龙门式反力架1、试验箱体、井下支护平台系统、不均匀载荷加载系统、振动发生系统、数据采集系统及控制系统8；其中，所述试验箱体包括由铁质材料制成的模型架3、高强度的高透亚克力板17、前挡板4和承压板13，所述前挡板4和高透亚克力板17分别用螺钉5与模型架3可拆卸连接，所述高透亚克力板17安装在前挡板4与模型架3之间，所述前挡板4为间隔排布，用于提供作用反力以提高结构稳定性，且在煤层开采水平形成一定高度观察窗口（相邻前挡板4之间的间隔），方便模拟煤层开挖并方便可视化观测内部岩层变化状况，前挡板4中位于底部的前挡板4设置于紧贴煤层底板以方便安装扰动发生装置；所述承压板13设置于箱体内部左右两侧，并设置有多个，用于传递梯度水平应力，模型架3体内部铺设有用于模拟煤层和岩层的相似模拟材料；试验箱体位于龙门式反力架内；模拟煤层的相似模拟材料采用为模块化煤体26；所述井下支护平台系统包括顶板锚杆30、金属网29、电动液压支架模拟装置16，所述顶板锚杆30与所述金属网29之间通过金属垫片28接触连接，锚杆30与金属网29铺设在右侧模拟开挖的回撤巷道11内，所述顶板锚杆30、金属网29和金属垫片28由胶水提前黏合成多个整体，并在回撤巷道11开挖后用长夹子伸入巷道分别插入巷道顶板，所述顶板锚杆30选用螺旋状长金属钉来模拟，在金属网29上侧的所述顶板锚杆30上布置有测力传感器27，用于模拟监测巷道顶板应力变化；所述电动液压支架模拟装置16设置于左侧模拟回采工作面内，其由多个电动液压支架车并排组成，所述电动液压支架车由支撑板18、应力传感器19、弧形伸缩机构20、架体21和电动滚轮22组成，所述电动滚轮22通过外部的控制系统8控制行进方向，模拟液压支架自动跟机移架，所述架体21和支撑板18之间由弧形伸缩机构20连接，模拟支撑顶板压力，所述支撑板18上安装有应力传感器19，用于模拟监测顶板来压；所述不均匀载荷加载系统包括垂直应力加载系统2、两侧梯度水平应力加载系统
12、背侧梯度水平应力加载系统和构造应力场产生装置，所述垂直应力加载系统2设置于试验箱体上方，与所述反力架1上部相连，所述两侧梯度水平应力加载系统12设置于试验箱体左右两侧，与反力架1的左右两侧相连，并通过模型架3与箱体内部左右两侧的承压板13相连，所述两侧梯度水平应力加载系统12由多个液压加载轴组成，可实现侧向分级加载，荷载加载方式通过力的大小或位移两种方式来反映，控制精度为0.5%；所述背侧梯度水平应力加载系统设置于试验箱体背侧，与模型架3相连，其包括注水装置7、多排承压水囊14，所述承压水囊14之间由隔板15分隔开，所述注水装置7与承压水囊14相连，通过所述注水装置7注入和监测水压以形成梯度水平应力；所述构造应力场产生装置包括软板24和承压水囊10，设置于试验箱体底部，与模型架3相连，所述注水装置7与底部承压水囊10相连，通过注入和监测水压以形成底部构造应力；所述底部承压水囊10设置为多个且通过底部隔板25隔开，所述底部承压水囊10上部盖有所述软板24，所述软板24为光滑塑性软板，可随底部承压水囊10体积膨胀而产生塑性变形，通过单一或组合底部承压水囊10注水加压向上升起可对煤层底部施加构造应力，形成倾斜、褶曲等地质构造；所述振动发生系统包括工作面开采扰动发生装置和地震模拟震动台9，所述工作面开采扰动发生装置由导轨23、电动滑块31、铆钉32和小型振动发生器33组成，所述小型振动发生器33通过铆钉32与电动滑块31连接，所述电动滑块31与导轨23滑动连接，可通过所述控制系统8驱动以沿导轨23行进，所述导轨23与紧贴煤层底板的所述前挡板4连接，所述小型振动发生器33可贴近工作面前方煤体26以产生可调节的振动频率，模拟工作面开采产生的扰动，所述地震模拟震动台9设置于所述反力架1架座内的底部，与所述模型架3底部通过卡扣相连，可模拟产生采空区大面积塌陷的天然地震；所述数据采集系统包括声发射监测系统、应力监测系统和微震监测系统，分别通过声发射传感器36、应力传感器34和拾震式传感器35埋置于不同岩层之间，当工作面回采以及采空区垮落时各传感器监测相应信号并通过连线传送至外部的控制系统8进行分析；还可设置位移传感器的位移监测系统以进行地层位移监测；所述控制系统8为外部计算机，计算机中安装实时记录软件和分析软件，计算机分别通过连接线连接所述各传感器。
21.作为进一步优选的实施方案，本发明还提供了一种天然地震对矿井工作面稳定性的模拟方法，其采用上文所述的天然地震对矿井工作面稳定性的模拟装置来实现，其模拟方法具体包括以下步骤：步骤1、设计试验方案与试验配比：试验参数主要包括模型相似常数、模拟煤层地质构造、煤岩三向应力状态以及煤岩的相似材料配比，并依照配比制作所需强度的相似材料；步骤2、制作模块化煤体：采用模块化煤体制作装置来制作，所述模块化煤体制作装置包括塑料薄膜37、麻绳38和煤体制作模具39，所述煤体制作模具39为可拆卸式模具（可根据地质条件调节大小，方便拆装），煤体制作模具39前后两侧各开一孔，便于安放麻绳38，所述麻绳38中部打有若干绳结，以增加摩擦力和模块化煤体的稳固性，便于直接拉动并取下煤体；所述模具38使用时需铺设一层塑料薄膜37，使模块化煤体26整体被薄膜37包裹，在保证各模块之间力的传递不受影响条件下能够更好的分隔开，便于模拟回采时控制定量的截深；具体在进行制作
时，将配比好的煤体材料混合均匀倒入铺有塑料薄膜37和麻绳38的煤体制作模具39中，麻绳38两端留一定余量，之后放入养护箱养护，完成后取下煤体制作模具39；步骤3、铺设相似材料和数据采集系统：根据工程计算铺设煤层所在高度，有序组装模型架3上的前挡板4和高透亚克力板17，使煤层开采水平处留有一定高度可拆卸窗口，将混合好的材料和模块化煤体26依次有序铺设到模型架3中，并在铺设过程中有序埋置声发射传感器36、应力传感器34、位移传感器以及拾震式传感器35等监测系统，并分别连接至外部控制系统8；步骤4、模拟应力状态：通过垂直应力加载系统2进行加载提供垂直应力，通过两侧梯度水平应力液压加载系统12提供左右方向梯度侧压，通过注水装置7向背侧承压水囊14注入不同水压以提供前后方向梯度侧压，其中，左右方向和前后方向的梯度侧压均自下而上依次减小，通过注水装置7向一侧（例如右侧）的底部承压水囊10注入一定水压以推动塑性软板24向上升起从而推动煤层底板形成倾斜、褶曲等构造应力形态；步骤5、模拟煤层开采和引起的矿震活动：拆卸开采窗口处的高透亚克力板17，露出模拟煤层，在紧贴煤层底板的所述前挡板4上安装导轨23、滑块31、铆钉32和振动发生器33，并将振动发生器33移动至距边界一定距离的模块化煤体26的右侧处，开启振动发生器33，并缓慢抽出振动发生器33所在位置预留的模块化煤体26，模拟巷道掘进过程，形成回撤巷道11；之后，利用长夹子将由胶水提前黏合顶板锚杆30、金属网29和金属垫片28而形成的所述多个整体分段插入回撤巷道11的上部顶板并压实，使之具有一定初始应力状态，模拟回撤巷道支护；之后，将振动发生器33关闭，移动至左侧后重新开启，并缓慢抽出该处模块化煤体26，形成模拟开切眼6，依次放入电动液压支架模拟装置16进行顶板支撑；随着工作面的推进，振动发生器33也缓慢移动，此时缓慢抽出此处所在的模块化煤体26，模块煤体每抽出一定长度，操控电动液压支架模拟装置16依次缓慢降柱-前移-升柱，直至该处模块煤体全部抽出，电动液压支架装置整体前进一个截深长度，开始下一轮回采；往复进行，直至工作面开采结束；回采过程中，利用数据采集系统实时监测并传输数据至控制系统进行记录分析，所采集的数据包括采空区垮落产生的矿震数据；步骤6、模拟天然地震活动发生：当工作面回采距离达到采区中部时，开启底部地震模拟震动台9并暂停回采工作；逐步提高地震强度，记录天然地震时各传感器数值变化；步骤7、试验结束：当井下支护平台系统监测的压力超过其预定数值时发出报警，代表支护系统被大面积压死或失稳，关闭试验系统结束试验，回收试验材料并拆除试验装置，通过控制系统8分析整理所得实验数据，在此试验步骤的基础上进行多次试验，改变震波类型：纵波（p波）、横波（s波）和面波（l波）；或设置固定的地震发生时长等，探究不同类型天然地震对井下工作面的影响，并可根据本试验系统评价井下的支护系统和矿井的抗震稳定性能力。
22.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”等术语应做广义理解。例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接连接，也可以通过媒介间接相连，可以是两个元件
内部的连通或者两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对应本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
23.当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。