[发明专利]模拟三维煤层开采试验台的双向柔性加载系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及三维煤层开采试验台的模拟系统，具体涉及一种模拟三维煤层开采试验台的双向柔性加载系统及方法。

背景技术

三维物理模拟实验中煤层的开采是关乎试验真实性和可靠性的关键。目前三维物理模拟实验煤层开采一般采用一次性采出一进刀煤层、利用抽钢板或木板的方法模拟煤层开采，这种方法仅仅是二维开采方法，并不能满足三维开采的需要。以往的二维煤层开采方法促使上覆岩层在工作面上方一次性垮落，没有充足的时间使上方岩层形成结构，试验现象并不明显。

目前，柔性加载方式主要包括加载液压囊和活塞式柔性均布压力加载器。孟祥跃(柔性边界加载试验机研制[J].岩石力学与工程学报，2004，23(10)：1760–1764.)等利用液压囊加载，研制出了新型的岩土材料加载试验机，但存在注入液体过程中不能完全排出空气，导致测试结果不够准确等问题；姜耀东等(一种新型真三轴巷道模型试验台的研制[J].岩石力学与工程学报，2004，23(21)：3727–3731.)研制了真三轴巷道模型试验台，利用液压枕进行柔性加载，仍存在行程小、易漏油、寿命较短等问题；CN2532474Y公开了一种活塞式均布压力加载器，其制造了活塞式柔性均布压力加载器，采用多头连通组合液压油缸配以散粒状半流动物质的柔性垫层进行加载，一定程度上解决了柔性传力均匀加载难题。上述系统的加载装置往往采用液压油实现柔性加载，加载系统庞大且笨重，并且采用单一方向加载模式，不能实现双向柔性加载，不适用与模拟真实的煤矿开采环境。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模拟三维煤层开采试验台的加载系统及方法，其通过在顶板和底板设置气压加载装置，并且在试验台的中部铺设网格型气囊垫来模拟煤层开采，通过向每个网格单元内部注入气可实现煤层的三维模拟，本发明弥补了具有时间效应的煤层真三维的空白，有利于提高试验真实性，还原煤矿真实开采。

本发明的任务之一在于提供一种模拟三维煤层开采试验台的加载系统。

一种模拟三维煤层开采试验台的双向柔性加载系统，其包括承载模型的框式试验台、三维开采模拟系统、气压加载系统和数控系统，

所述试验台的顶部和底部分别设置有顶板柔性加载装置和底板柔性加载装置，以实现对模拟煤层的双向柔性加载；

所述试验台包括上开放口，位于前、后、左与右方的侧墙板，及底板；所述前、后侧墙板为有机玻璃板；

所述三维开采模拟系统包括网格型气囊装置和稳压装置，所述网格型气囊装置铺设在试验台的中部用以模拟煤层，所述稳压装置的一端依次与气压加载系统、数控系统连接，另一端与所述网格型气囊装置连接，所述网格型气囊装置是由若干个单元气囊组合排列成的长方形垫体，其中，每个单元气囊均为独立的空腔体，通过气压加载系统、数控系统与稳压装置配合对每个空腔体内输送气体。

上述技术方案直接带来的有益技术效果是：

采用顶底板双向柔性气囊加载方式，该加载方式利用气囊加载使得加载系统轻便更容易操作，而且采用顶底板双向加载不仅可以模拟煤矿开采矿压及水压共同的作用，且提高了试验模拟的真实性和可信程度。对比以往的物理模拟试验台，增加的底板柔性加载系统可以模拟受开采影响下底板底鼓破裂的过程，同时针对煤矿深部开采、承压水上开采、地质构造活化模拟等模拟对象均具有较高的模拟价值；

试验台的中部铺设网格型气囊垫来模拟煤层开采，通过向每个网格单元内部注入气可实现煤层的三维模拟，试验开始时期进行煤层的开采，导通三通阀，气囊在上覆岩层重力的影响作用下，每一个单元格气囊里面的气体得到释放，进而引起上覆岩层垮落，模拟了三维空间内的局部区域的开采，该开采方式弥补了具有时间效应的煤层真三维的空白，有利于提高试验真实性，还原煤矿真实开采。

作为本发明的一个优选方案，每个单元气囊均由硫化橡胶制成，在每个单元气囊的底部开设用以注气的通道，所述通道的中部设有注气孔，所述注气孔与单元气囊的空腔保持连通，所述注气孔处连接有注气管；所述稳压装置的出气管上连接有连通器，每个单元气囊的注气管均连接在所述连通器上。

上述技术方案直接带来的有益技术效果是：

每个气囊注入的是无毒的空气，气压加载系统相比液压加载系统占用空间小操作简单；注气管一端连接气源，中间设置阀门。阀门为气路开关，当开启后，压缩气体由气源进入单元气囊。数控系统检测注入气体压力大小，当到达标准值时停止注气，并开启保压功能。

作为本发明的另一个优选方案，所述注气管上设置有三通阀门。

上述技术方案直接带来的有益技术效果是：