模拟煤矿回采巷道裂隙演化的可视化试验装置及试验方法与流程

本发明涉及煤矿模拟实验装置领域，具体的说，涉及一种模拟煤矿回采巷道裂隙演化的可视化试验装置及其试验方法。

背景技术：

煤矿回采巷道围岩是由不同岩性的顶板、底板和两帮组成的一个复合结构。巷道围岩复合结构中各部分的强度、受力特征等力学特性是有差异的，而只有掌握煤岩体复合结构的裂隙演化规律，才能采取有效支护来实现巷道围岩稳定的精准控制。

由于地下工程环境的复杂性及难于现场研究的制约，相似模拟试验成为了实现此类岩土、地质及矿山等复杂工程环境再现的一种重要科学研究手段。而现有相似模拟试验只能观测模型表面变形和裂隙，难以满足对巷道围岩全域全程的变形及裂纹扩展进行深入的分析研究。

为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种设计科学、结构合理、方便制作煤矿回采巷道围岩结构的模型的模拟煤矿回采巷道裂隙演化的可视化试验装置及其试验方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

模拟煤矿回采巷道裂隙演化的可视化试验装置，包括真空桶、透明模型箱和颗粒均布箱，真空桶包括上盖和桶体，上盖上安装有压力测试仪和抽气管道，抽气管道的下端伸入到真空桶内部，抽气管道的上端连接有真空泵，上盖、桶体、透明模型箱和颗粒均布箱均为透明材料制成，透明模型箱和颗粒均布箱的外形均为中空长方体结构，透明模型箱固定安装在桶体内底部中心，颗粒均布箱安装在桶体内上部且位于透明模型箱的正上方，透明模型箱的上侧敞口，透明模型箱的前侧面中部开设有圆形排水孔，透明模型箱内设有沿前后水平方向布置的矩形水囊，矩形水囊连接有排水管，排水管的出水端穿过圆形排水孔设在透明模型箱的外侧，排水管的出水端设有排水阀，颗粒均布箱的上侧和下侧均敞口，颗粒均布箱的下侧固定连接有颗粒投放板组，颗粒投放板组水平设置，颗粒投放板组的前后两侧分别固定连接在桶体的前后两侧内壁上。

颗粒投放板组包括上板和下板，上板和下板均为水平设置的矩形板，上板和下板的大小相同，颗粒均布箱的横截面小于上板，颗粒均布箱的下侧固定连接在上板的上表面，上板与下板上下对应，下板滑设在上板下方的桶体上，上板的前后两侧边分别通过两根水平连接轴固定连接在桶体的前后两侧内壁上，下板的前后两侧边分别通过两根水平滑动轴滑动连接在桶体的前后两侧内壁上，前侧的两根水平滑动轴前端伸出桶体的前侧，后侧的两根水平滑动轴后端伸出桶体的后侧，上板上均匀开设有若干上投放通孔，下板上均匀开设有若干下投放通孔，当上板和下板上下正对齐时，各个上投放通孔与各个下投放通孔相互错开，当下板向前滑动与上板错开时，各个上投放通孔分别与各个下投放通孔一一上下对应。

上投放通孔和下投放通孔均为矩形孔。

排水管与圆形排水孔之间密封连接，抽气管道上设有气阀。

模拟煤矿回采巷道裂隙演化的可视化试验装置的试验方法，包括以下步骤：

（1）在透明模型箱内配置模拟底板；

（2）在透明模型箱内配置位于模拟底板顶部的模拟煤层；

（3）在透明模型箱内配置位于模拟煤层顶部的模拟顶板；

（4）从真空桶内取出透明模型箱；

（5）对透明模型箱内配制好的模拟底板、模拟煤层和模拟顶板施加压力，观察模拟煤矿回采巷道裂隙演化过程。

步骤（1）具体为：将透明模型箱放置在真空桶的桶体底部中心，然后向透明模型箱中加入计算好体积的孔隙液体，安装上板和下板，再将颗粒均布箱安装在上板的上表面，把定量的透明土颗粒放入颗粒均布箱中，之后将上盖盖在桶体上，使真空桶与外界隔绝，启动真空泵，当压力测试仪检测的真空桶内真空度达到指定值时，真空泵停止工作，抽动前侧的两根水平滑动轴，使下板向前滑动一段距离，上板与下板错开，各个上投放通孔分别与各个下投放通孔一一上下对应，从而使透明土颗粒均匀从颗粒均布箱中通过上投放通孔和下投放通孔散落入透明模型箱内的孔隙液体中，透明土颗粒与孔隙液体相互渗透融合形成模拟底板。

步骤（2）具体为：推动前侧的两根水平滑动轴，使下板向后滑动复位，上板与下板上下正对齐，各个上投放通孔与各个下投放通孔相互错开，打开上盖，将颗粒均布箱从桶体内取出，然后将矩形水囊沿前后方向放在底板的上表面中部，矩形水囊的前侧连接排水管，排水管穿过圆形排水孔，使其出水端设在透明模型箱的外侧，再向透明模型箱中加入计算好体积的孔隙液体，之后将颗粒均布箱安装在上板的上表面，把定量的透明土颗粒放入颗粒均布箱中，之后将上盖盖在桶体上，使真空桶与外界隔绝，启动真空泵，当压力测试仪检测的真空桶内真空度达到指定值时，真空泵停止工作，抽动前侧的两根水平滑动轴，使下板向前滑动一段距离，上板与下板错开，各个上投放通孔分别与各个下投放通孔一一上下对应，从而使透明土颗粒均匀从颗粒均布箱中通过上投放通孔和下投放通孔散落入透明模型箱内的孔隙液体中，透明土颗粒与孔隙液体相互渗透融合形成模拟煤层。

步骤（3）具体为：推动前侧的两根水平滑动轴，使下板向后滑动复位，上板与下板上下正对齐，各个上投放通孔与各个下投放通孔相互错开，打开上盖，将颗粒均布箱从桶体内取出，再向透明模型箱中加入计算好体积的孔隙液体，之后将颗粒均布箱安装在上板的上表面，把定量的透明土颗粒放入颗粒均布箱中，之后将上盖盖在桶体上，使真空桶与外界隔绝，启动真空泵，当压力测试仪检测的真空桶内真空度达到指定值时，真空泵停止工作，抽动前侧的两根水平滑动轴，使下板向前滑动一段距离，上板与下板错开，各个上投放通孔分别与各个下投放通孔一一上下对应，从而使透明土颗粒均匀从颗粒均布箱中通过上投放通孔和下投放通孔散落入透明模型箱内的模拟煤层上侧的孔隙液体中，透明土颗粒与孔隙液体相互渗透融合形成模拟顶板。

步骤（4）具体为：推动前侧的两根水平滑动轴，使下板向后滑动复位，上板与下板上下正对齐，各个上投放通孔与各个下投放通孔相互错开，打开上盖，将颗粒均布箱从桶体内取出，再将上板和下板拆卸取出，然后将透明模型箱取出，在透明模型箱的上侧加上矩形压板。

步骤（5）具体为：将透明模型箱放置在力学试验机上，再将矩形水囊中的水通过排水管排出，启动力学试验机，对透明模型箱施加压力，以模拟煤矿巷道开挖，通过透明模型箱观察模拟的煤矿回采巷道裂隙演化。

本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体地说，本发明的透明模型箱放置在真空桶的桶体内底部中心，颗粒均布箱设在透明模型箱的正上方，本发明依次向透明模型箱中加入一定体积的孔隙液体和定量的透明土颗粒来制作底板、顶板以及煤层的模型，并通过矩形水囊模拟煤矿回采巷道，以此来制作煤矿回采巷道围岩结构的模型，以便模拟煤矿回采巷道裂隙演化。

人工合成的透明土颗粒具有与真实土体相似的物理力学性质，且具备良好的透明度。利用透明土实验材料模拟煤矿回采巷道变形破坏，有助于我们全面掌握煤岩体复合结构的裂隙演化规律，为优化巷道设计和施工方案提供可靠的科学依据。

本发明的模拟煤矿回采巷道裂隙演化的可视化试验装置及其试验方法具有设计科学、结构合理、方便制作煤矿回采巷道围岩结构的模型的优点。

附图说明

图1是本发明的前视图。

图2是本发明的左视图。

图3是本发明的上板结构示意图。

图4是本发明的下板结构示意图。

图中：1.透明模型箱；2.颗粒均布箱；3.上盖；4.桶体；5.压力测试仪；6.抽气管道；7.圆形排水孔；8.矩形水囊；9.排水管；10.排水阀；11.上板；12.下板；13.水平连接轴；14.水平滑动轴；15.上投放通孔；16.下投放通孔；17.气阀。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明的实施例。

如图1-图4所示，模拟煤矿回采巷道裂隙演化的可视化试验装置，包括真空桶、透明模型箱1和颗粒均布箱2，真空桶包括上盖3和桶体4，上盖3上安装有压力测试仪5和抽气管道6，抽气管道6的下端伸入到桶体4内部，抽气管道6的上端连接有真空泵，上盖3、桶体4、透明模型箱1和颗粒均布箱2均为透明材料制成，透明模型箱1和颗粒均布箱2的外形均为中空长方体结构，透明模型箱1固定安装在桶体4内底部中心，颗粒均布箱2安装在桶体4内上部且位于透明模型箱1的正上方，透明模型箱1的上侧敞口，透明模型箱1的前侧面中部开设有圆形排水孔7，透明模型箱1内设有沿前后水平方向布置的矩形水囊8，矩形水囊8连接有排水管9，排水管9的出水端穿过圆形排水孔7设在透明模型箱1的外侧，排水管9的出水端设有排水阀10，颗粒均布箱2的上侧和下侧均敞口，颗粒均布箱2的下侧固定连接有颗粒投放板组，颗粒投放板组水平设置，颗粒投放板组的前后两侧分别固定连接在桶体4的前后两侧内壁上。

真空泵是常规技术，图中未示。

颗粒投放板组包括上板11和下板12，上板11和下板12均为水平设置的矩形板，上板11和下板12的大小相同，颗粒均布箱2的横截面小于上板11，颗粒均布箱2的下侧固定连接在上板11的上表面，上板11与下板12上下对应，下板12滑设在上板11下方的桶体4上，上板11的前后两侧边分别通过两根水平连接轴13固定连接在桶体4的前后两侧内壁上，下板12的前后两侧边分别通过两根水平滑动轴14滑动连接在桶体4的前后两侧内壁上，前侧的两根水平滑动轴14前端伸出桶体4的前侧，后侧的两根水平滑动轴14后端伸出桶体4的后侧，上板11上均匀开设有若干上投放通孔15，下板12上均匀开设有若干下投放通孔16，当上板11和下板12上下正对齐时，各个上投放通孔15与各个下投放通孔16相互错开，当下板12向前滑动与上板11错开时，各个上投放通孔15分别与各个下投放通孔16一一上下对应。

上投放通孔15和下投放通孔16均为矩形孔。

排水管9与圆形排水孔7之间密封连接，抽气管道6上设有气阀17。

模拟煤矿回采巷道裂隙演化的可视化试验装置的试验方法，包括以下步骤：

（1）在透明模型箱1内配置模拟底板；

（2）在透明模型箱1内配置位于模拟底板顶部的模拟煤层；

（3）在透明模型箱1内配置位于模拟煤层顶部的模拟顶板；

（4）从真空桶内取出透明模型箱1；

（5）对透明模型箱1内配制好的模拟底板、模拟煤层和模拟顶板施加压力，观察模拟煤矿回采巷道裂隙演化过程。

步骤（1）具体为：将透明模型箱1放置在真空桶的桶体4底部中心，然后向透明模型箱1中加入计算好体积的孔隙液体，安装上板11和下板12，再将颗粒均布箱2安装在上板11的上表面，把定量的透明土颗粒放入颗粒均布箱2中，之后将上盖3盖在桶体4上，使真空桶与外界隔绝，启动真空泵，当压力测试仪5检测的真空桶内真空度达到指定值时，真空泵停止工作，抽动前侧的两根水平滑动轴14，使下板12向前滑动一段距离，上板11与下板12错开，各个上投放通孔15分别与各个下投放通孔16一一上下对应，从而使透明土颗粒均匀从颗粒均布箱2中通过上投放通孔15和下投放通孔16散落入透明模型箱1内的孔隙液体中，透明土颗粒与孔隙液体相互渗透融合形成模拟底板。

步骤（2）具体为：当模拟底板达到一定强度时，推动前侧的两根水平滑动轴14，使下板12向后滑动复位，上板11与下板12上下正对齐，各个上投放通孔15与各个下投放通孔16相互错开，则透明土颗粒停止向下散落，打开上盖3，将颗粒均布箱2从桶体4内取出，然后将矩形水囊8沿前后方向放在底板的上表面中部，矩形水囊8的前侧连接排水管9，排水管9穿过圆形排水孔7，使其出水端设在透明模型箱1的外侧，再向透明模型箱1中加入计算好体积的孔隙液体，之后将颗粒均布箱2安装在上板11的上表面，把定量的透明土颗粒放入颗粒均布箱2中，之后将上盖3盖在桶体4上，使真空桶与外界隔绝，启动真空泵，当压力测试仪5检测的真空桶内真空度达到指定值时，真空泵停止工作，抽动前侧的两根水平滑动轴14，使下板12向前滑动一段距离，上板11与下板12错开，各个上投放通孔15分别与各个下投放通孔16一一上下对应，从而使透明土颗粒均匀从颗粒均布箱2中通过上投放通孔15和下投放通孔16散落入透明模型箱1内的孔隙液体中，透明土颗粒与孔隙液体相互渗透融合形成模拟煤层。

步骤（3）具体为：当模拟煤层达到一定强度时，推动前侧的两根水平滑动轴14，使下板12向后滑动复位，上板11与下板12上下正对齐，各个上投放通孔15与各个下投放通孔16相互错开，则透明土颗粒停止向下散落，打开上盖3，将颗粒均布箱2从桶体4内取出，再向透明模型箱1中加入计算好体积的孔隙液体，之后将颗粒均布箱2安装在上板11的上表面，把定量的透明土颗粒放入颗粒均布箱2中，之后将上盖3盖在桶体4上，使真空桶与外界隔绝，启动真空泵，当压力测试仪5检测的真空桶内真空度达到指定值时，真空泵停止工作，抽动前侧的两根水平滑动轴14，使下板12向前滑动一段距离，上板11与下板12错开，各个上投放通孔15分别与各个下投放通孔16一一上下对应，从而使透明土颗粒均匀从颗粒均布箱2中通过上投放通孔15和下投放通孔16散落入透明模型箱1内的模拟煤层上侧的孔隙液体中，透明土颗粒与孔隙液体相互渗透融合形成模拟顶板。

步骤（4）具体为：当模拟顶板达到一定强度时，推动前侧的两根水平滑动轴14，使下板12向后滑动复位，上板11与下板12上下正对齐，各个上投放通孔15与各个下投放通孔16相互错开，则透明土颗粒停止向下散落，打开上盖3，将颗粒均布箱2从桶体4内取出，再将上板11和下板12拆卸取出，然后将透明模型箱1取出，在透明模型箱1的上侧加上矩形压板。

步骤（5）具体为：将透明模型箱1放置在力学试验机上，再将矩形水囊8中的水通过排水管9排出，启动力学试验机，对透明模型箱1施加压力，以模拟煤矿巷道开挖，通过透明模型箱1观察模拟的煤矿回采巷道裂隙演化。

本发明的透明模型箱1放置在真空桶的桶体4内底部中心，颗粒均布箱2设在透明模型箱1的正上方，本发明依次向透明模型箱1中加入一定体积的孔隙液体和定量的透明土颗粒来制作底板、顶板以及煤层的模型，并通过矩形水囊模拟煤矿回采巷道，以此来制作煤矿回采巷道围岩结构的模型，以便模拟煤矿回采巷道裂隙演化。

人工合成的透明土颗粒具有与真实土体相似的物理力学性质，且具备良好的透明度。利用透明土实验材料模拟煤矿回采巷道变形破坏，有助于我们全面掌握煤岩体复合结构的裂隙演化规律，为优化巷道设计和施工方案提供可靠的科学依据。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解；依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。