一种基于立体化巷道布置的三维相似模拟试验系统和方法与流程

本发明涉及一种基于立体化巷道布置的三维相似模拟试验系统和方法，属于矿山开采模拟试验领域。

背景技术：

随着浅部易采煤炭资源的枯竭，深部大倾角等地质条件复杂的煤炭资源逐渐成为开采主流，为解决此类地质条件下矿压显现强烈、煤炭回采率低以及设备稳定性差等问题，越来越多的矿井采用立体化巷道布置，即将运输巷和回风巷分别沿煤层的底板和顶板布置，工作面一端由底板以平缓圆弧逐渐抬升至顶板，与回风巷相连。此类巷道布置方式下工作面形态呈现非对称性，导致工作面顶板岩层应力分布及破断规律在倾向和走向上均呈现非对称性。

对于立体化巷道布置的非对称性，其相似模拟试验研究目前多采用二维相似模拟试验，建立沿工作面延伸方向的二维相似模拟试验模型。由于模型不是沿工作面推进方向的，所以无法得到顶板来压步距的关键信息，并且顶板破断规律也与实际情况相差较大。

三维相似模拟试验则存在操作难度大、相似性差等问题，而且立体化巷道布置方式由于工作面存在圆弧弯曲段，常规的伸缩杆等开采模拟装置难以应用，进一步增大了立体化巷道布置方式进行三维相似模拟试验的难度。

技术实现要素：

针对目前煤矿开采领域使用越来越多的立体化巷道布置方式，本发明对现有的大型三维相似模拟试验系统进行改进，提供一种基于立体化巷道布置的三维相似模拟试验系统，主要解决立体化巷道布置方式工作面圆弧弯曲段难以进行三维相似模拟试验的问题，实现对水平或倾斜煤层条件下此类布置方式工作面形态、开采速度以及截割深度的精准模拟，获得准确的立体化巷道布置顶板应力分布及破断规律。

本发明将可弯曲滑动导轨嵌入三维相似模拟实验模型中，来模拟立体化巷道布置中的弯曲工作面。通过转动旋钮使导轨上的滑块滑出来模拟煤炭采出过程，进而模拟出立体化巷道布置下整个工作面煤炭资源的回采过程。通过应力传感器得到整个回采过程中工作面走向和倾向方向上的顶、底板应力变化规律。

本发明提供了一种基于立体化巷道布置的三维相似模拟试验系统，包括三维相似模拟试验台、开采模拟系统和三维相似模拟试验模型；

所述三维相似模拟试验台为长方体，内尺寸为1.5m(长)×1.5m(宽)×1m(高)，包括试验台底座、l型钢架、钢化玻璃板、条形钢带和顶部框架，顶部框架上均匀设有若干个液压加载装置；试验台的四个边角由l型钢架支撑，试验台前面及左侧面为钢化玻璃板，钢化玻璃板通过螺丝固定在l型钢架上，用于对试验过程的观察；试验台后面及右侧面为横向安装的多条可拆卸钢带，通过钢带两侧的螺丝固定在l型钢架上，用于约束内部的三维相似模拟试验模型；试验台底座及顶部框架与四个边角的l型钢架焊接为一体，顶部框架中间为液压加载装置，通过计算机进行控制，用于对相似模拟试验模型进行加载。

所述开采模拟系统由多个并排的开采模拟单元组成，每个开采模拟单元由可弯曲导轨、滑块及透明胶带组成；可弯曲导轨的中部有向上凸起的倒梯形卡槽，卡槽中部有能左右活动的齿条，滑块底部内凹且存在同样的锯齿，卡槽与滑块啮合；导轨一端的旋钮可带动卡槽齿条及其上滑块沿导轨左右滑动；各滑块上部通过透明胶带粘贴在一起，防止岩体碎块碎渣进入滑块缝隙影响滑块移动。

进一步地，所述的可弯曲导轨有多个铁片铰接而成，长度根据需要通过在导轨左侧铰接铁片进行调整。

进一步地，所述的滑块宽度为所模拟的采煤机截割深度，根据实际情况通过在滑块侧面粘贴附加块进行调整。

进一步地，所述的开采模拟单元总高度为所模拟的开采高度，能根据实际情况通过在滑块上面粘贴附加块进行调整。

所述三维相似模拟试验模型由各模拟岩层组成，各模拟岩层强度根据所要模拟的各实际岩层岩石力学参数经强度相似比换算得出，各模拟岩层厚度根据所要模拟的各岩层经几何相似比换算得出；在模拟岩层上等间距均匀设置有若干个应力传感器。模拟岩层的制作原料包括但不限于细砂、石灰、石膏、云母、水、水泥等，各组分按照各模拟岩层需达到的强度进行配制。

本发明还提供了一种采用上述针对立体化巷道布置的三维相似模拟试验系统的三维相似模拟试验方法，包括以下步骤：

（1）相似模拟材料的制备

对所需进行相似模拟的各岩层岩石试样进行力学参数测试，根据强度相似比计算各模拟岩层的强度，之后用石灰或水泥中的一种以及细砂、石膏为原料配制出符合各模拟岩层强度的相似模拟材料；

具体配比需根据所模拟的矿井各岩层强度具体确定，不同矿井岩层不同强度不同，不同矿井相同岩层强度亦有差异，配比需根据一系列实验确定。可参考下表。

相似模拟材料配比表

（2）模拟岩层铺设

根据需进行相似模拟的各岩层厚度及几何相似比计算各模拟岩层厚度，并按照实际煤层倾角逐层进行铺设，并在层间安装应力传感器等监测装置，首先完成底板各岩层的铺设；

（3）安装开采模拟系统

按照实际的立体化巷道布置工作面弯曲形态，对可弯曲导轨形态进行调整，使导轨形态与所模拟的工作面形态相同；沿走向并排铺设导轨，使导轨覆盖整个采面；并使导轨右端伸出试验台，以方便操作；之后在各导轨上安装滑块，滑块铺满导轨，且滑块之间尽量不留缝隙；滑块安装完毕后，用透明胶带连接同一导轨上的所有滑块，防止岩体碎块碎渣进入滑块缝隙影响滑块移动；

（4）顶板岩层铺设

继续对各顶板岩层逐层进行铺设，并在层间安装应力传感器等监测装置；铺设完毕后，安装试验台后面及右侧面的条形钢带，有导轨伸出的部分不安装条形钢带；

（5）试验加载

待相似模拟材料干燥后，通过试验台顶部的液压加载装置对试验模型进行加载，所加载荷根据实际岩层载荷经强度相似比换算得出；

（6）煤层开挖

待加载稳定后，对模拟煤层进行开挖；首先转动第一个可弯曲导轨的旋钮，使滑块缓慢平滑地退出煤层，滑块移动速度根据实际开采速度经时间相似比换算得到；待第一个导轨上的滑块全部退出后，转动第二个导轨旋钮，重复上述操作，直至所有导轨上的所有滑块全部退出煤层即开采完毕；

（7）记录试验结果

观察并记录顶板破断情况及应力监测装置所记录的顶板应力分布变化情况。

本发明的有益效果：

（1）本发明所述的开采模拟单元采用可弯曲导轨+滑块的方式对工作面形态进行模拟，可根据实际矿井工作面弯曲程度进行调节，解决了立体化巷道布置方式工作面圆弧段难模拟的问题；

（2）本发明所述的开采模拟单元采用旋钮带动滑块的方式模拟采煤机运行状态，可实现滑块的无级运行；

（3）本发明所述的开采单元高度及宽度均可通过粘贴附加块的方式进行调节，能够实现对不同截深、不同采高工作面的模拟；

（4）本发明操作简单，准确高效，各开采参数易于调整，可用于各种矿井条件下立体化巷道布置的三维相似模拟试验，为获得准确的立体化巷道布置顶板岩层运移破断规律及应力分布状态创造了条件，具有很好的应用前景。

附图说明

图1为三维相似模拟试验台立体图；

图2为倾斜煤层立体化巷道布置三维相似模拟试验模型立体图；

图3为开采模拟单元细节图；

图4为可弯曲导轨（部分）细节图。

图中：1为试验台底座，2为l型钢架，3为钢化玻璃板，4为条形钢带，5为液压加载装置，6为开采模拟单元，7为模拟岩层，8为应力传感器，9为可弯曲导轨，10为旋钮，11为齿条，12为滑块，13为透明胶带。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

实施例1：

如图1~4所示，一种基于立体化巷道布置的三维相似模拟试验系统，包括三维相似模拟试验台、开采模拟系统和三维相似模拟试验模型；

所述三维相似模拟试验台为长方体，内尺寸为1.5m(长)×1.5m(宽)×1m(高)，包括试验台底座1、l型钢架2、钢化玻璃板3、条形钢带4和顶部框架，顶部框架上均匀设有若干个液压加载装置5；试验台的四个边角由l型钢架2支撑，试验台前面及左侧面为钢化玻璃板3，钢化玻璃板3通过螺丝固定在l型钢架2上，用于对试验过程的观察；试验台后面及右侧面为横向安装的多条可拆卸条形钢带4，通过钢带两侧的螺丝固定在l型钢架2上，用于约束内部的三维相似模拟试验模型；试验台底座及顶部框架与四个边角的l型钢架2焊接为一体，顶部框架中间为液压加载装置5，通过计算机进行控制，用于对相似模拟试验模型进行加载。

所述开采模拟系统由多个并排的开采模拟单元组成，每个开采模拟单元由可弯曲导轨9、滑块12及透明胶带13组成；可弯曲导轨9的中部有向上凸起的倒梯形卡槽，卡槽中部有能左右活动的齿条，滑块12底部内凹且存在同样的锯齿，卡槽与滑块啮合；导轨一端的旋钮10可带动卡槽齿条及其上滑块沿导轨左右滑动；各滑块12上部通过透明胶带13粘贴在一起，防止岩体碎块碎渣进入滑块缝隙影响滑块移动。

进一步地，所述的可弯曲导轨9有多个铁片铰接而成，长度根据需要通过在导轨左侧铰接铁片进行调整。

进一步地，所述的滑块12宽度为所模拟的采煤机截割深度，根据实际情况通过在滑块侧面粘贴附加块进行调整。

进一步地，所述的开采模拟单元总高度为所模拟的开采高度，能根据实际情况通过在滑块上面粘贴附加块进行调整。

所述三维相似模拟试验模型由各模拟岩层7组成，各模拟岩层强度根据所要模拟的各实际岩层岩石力学参数经强度相似比换算得出，各模拟岩层厚度根据所要模拟的各岩层经几何相似比换算得出；在模拟岩层上等间距均匀设置有若干个应力传感器8。模拟岩层的制作原料包括但不限于细砂、石灰、石膏、云母、水、水泥等，各组分按照各模拟岩层需达到的强度进行配制。

本发明还提供了一种采用上述针对立体化巷道布置的三维相似模拟试验系统的三维相似模拟试验方法，包括以下步骤：

（1）相似模拟材料的制备

对所需进行相似模拟的各岩层岩石试样进行力学参数测试，根据强度相似比计算各模拟岩层的强度，之后用石灰或水泥中的一种以及细砂、石膏为原料配制出符合各模拟岩层强度的相似模拟材料；

具体配比需根据所模拟的矿井各岩层强度具体确定，不同矿井岩层不同强度不同，不同矿井相同岩层强度亦有差异，配比需根据一系列实验确定。可参考下表。

相似模拟材料配比表

（2）模拟岩层铺设

根据需进行相似模拟的各岩层厚度及几何相似比计算各模拟岩层厚度，并按照实际煤层倾角逐层进行铺设，并在层间安装应力传感器等监测装置，首先完成底板各岩层的铺设；

（3）安装开采模拟系统

按照实际的立体化巷道布置工作面弯曲形态，对可弯曲导轨形态进行调整，使导轨形态与所模拟的工作面形态相同；沿走向并排铺设导轨，使导轨覆盖整个采面；并使导轨右端伸出试验台，以方便操作；之后在各导轨上安装滑块，滑块铺满导轨，且滑块之间尽量不留缝隙；滑块安装完毕后，用透明胶带连接同一导轨上的所有滑块，防止岩体碎块碎渣进入滑块缝隙影响滑块移动；

（4）顶板岩层铺设

继续对各顶板岩层逐层进行铺设，并在层间安装应力传感器等监测装置；铺设完毕后，安装试验台后面及右侧面的条形钢带，有导轨伸出的部分不安装条形钢带；

（5）试验加载

待相似模拟材料干燥后，通过试验台顶部的液压加载装置对试验模型进行加载，所加载荷根据实际岩层载荷经强度相似比换算得出；

（6）煤层开挖

待加载稳定后，对模拟煤层进行开挖；首先转动第一个可弯曲导轨的旋钮，使滑块缓慢平滑地退出煤层，滑块移动速度根据实际开采速度经时间相似比换算得到；待第一个导轨上的滑块全部退出后，转动第二个导轨旋钮，重复上述操作，直至所有导轨上的所有滑块全部退出煤层即开采完毕；

（7）记录试验结果

观察并记录顶板破断情况及应力监测装置所记录的顶板应力分布变化情况。