[发明专利]一种矿井工作面底板采动破坏模拟试验装置

说明书

技术领域：

本发明属于煤矿工作面底板破坏模拟试验设备技术领域，涉及一种矿井工作面底板采动破坏模拟试验装置。

背景技术：

目前，随着煤层开采不断加深，地质构造及水文地质日趋复杂，矿山压力和采动应力对底板的破坏深度不断加大，开采下组煤时遇到的薄隔水层、高承压含水层采动突水问题越来越成为矿井水害主要威胁，我国在底板突水规律研究方面起始于60年代，当时注意到匈牙利底板相对隔水层理论在实践中的应用，在焦作矿区水文地质大会战中，以煤科总院西安勘探分院为代表，提出了采用突水系数作为预测预报底板突水与否的标准；在80年代初，由山东科技大学荆自刚在实践中提出“下三带”的理论观点，并由以李白英为代表的一批科研人员在实践中进行应用和发展；煤科总院北京开采所王作宇、刘鸿泉等人于上世纪90年代初提出原位张裂与零位破坏理论，煤科总院北京开采所刘天泉院士，张金才等于上世纪90年代提出了底板岩体“两带”的模型，中科院地质所提出于上世纪90年代提出“强渗通道”说；煤科院西安分院于上世纪90年代提出岩水应力关系”说。中国矿业大学钱鸣高院士、黎梁杰根据底板岩层的层状结构特征，于上世纪90年代中期建立了采场底板岩体的关键层理论。本世纪初由山东科技大学施龙青、宋振骐院士提出为开采煤层底板“下四带”理论的模型。上述底板突水及底板破坏研究主要以力学理论计算和数值软件模拟为主，而底板破坏深度探测以物探探测、钻孔注水及超声波探测为主。采场围岩运动中的顶板裂隙发育、运动可以利用室内相似模拟进行试验，但没有对采场底板破坏进行模拟试验；同时，目前煤层开采均为大型综采设备往返刀割落煤，冒落带岩石重新压实采空区底板，对这些开采技术条件也没用相似的模拟方法。因此，结合目前煤矿开采技术现状，开发一种矿井工作面底板采动破坏模拟试验装置，能够对底板受到的采动破坏行为进行试验模拟，结合岩石力学试验、损伤-断裂力学理论、数值模拟计算等手段，揭示底板采动破坏机理，解决目前受采动破坏底板突水难题。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计提供一种矿井工作面底板采动破坏模拟试验装置，开发矿井工作面底板采动破坏模拟试验平台。

为了实现上述目的，本发明涉及的矿井工作面底板采动破坏模拟试验装置主体结构包括主液压伺服加载器、顶部加载体、液压伺服卸载加载器、卸载加载板、侧向固定板、侧向加载固定器、平台底座、液压管路、顶部液压管路、应力监测点、应力采集系统、液压伺服控制系统、可拆卸侧边和测试岩体；平台底座两端对称式固定制有侧向加载固定器，用以模拟侧向构造应力对地层的加载作用；侧向加载固定器与侧向固定板固定连接，侧向加载固定器工作时，侧向固定板与测试岩体接触加载；侧向加载固定器通过侧向固定板将测试岩体固定在平台底座上；测试岩体同一深度水平方向以每米两个的分布密度均匀分布制有应力监测点，应力监测点采用应力应变片式传感器，采集底板应力分布特征；应力监测点与应力采集系统连接，应力采集系统自动采集测试岩体的应力应变数据；测试岩体的上端固定安装制有卸载加载板，卸载加载板两侧分布安装制有可拆卸侧边，可拆卸侧边在模拟试验中传递的应力是破坏底板的主要原因；顶部加载体和卸载加载板之间设有液压伺服卸载加载器，液压伺服卸载加载器由一组卸载加载器组成，卸载加载器的数量与卸载加载板的数量一致，并牢固连接，液压伺服卸载加载器模拟工作面煤层采出后对工作面底板的卸压作用，也模拟工作面顶板老空区内直接顶冒落后重新对底板进行恢复加载作用；顶部加载体上部安装制有主液压伺服加载器，主液压伺服加载器通过加载压力模拟垂直地应力，对试验初始阶段的总盈利加载，在工作面采动液压伺服卸载加载器卸压时，主液压伺服加载器仍保持原来状态，使总体压力一直存在；主液压伺服加载器与顶部液压管路连通；作为整个装置动力源和动力控制系统的液压控制伺服系统分别与主液压伺服加载器、液压伺服卸载加载器和侧向加载固定器连接。

本发明对矿井工作面底板采动破坏进行模拟试验包括测试岩体的制备、矿井工作面底板采动底板破坏模拟试验测试和矿井工作面采动底板破坏机理分析三个步骤，具体工艺过程为：