[发明专利]采动覆岩破断型式及运动特征的三维多功能实验平台及试验方法

说明书

一种采动覆岩破断型式及运动特征的三维多功能实验平台及试验方法。适用于煤炭科学研究领域使用。包括试验桌体和设置在试验桌体上方的岩体模拟装置。在垂直升降板上设置所有水平抽板和横梁的位置形成模拟工作面底板，用千斤顶将垂直升降板撑起顶住模拟工作面底板；从支架一端开始依次将水平抽板向外抽出一定距离，从而模拟覆岩下开采的工作面宽度，并通过顺序将水平抽板向外抽出模拟工作面推进，所有水平抽板抽完，模拟覆岩下的工作面开采完毕其结构简单，使用方便，能够模拟研究采动覆岩在不同采宽、采高和埋深等条件下的关键层时空破断型式及运动特征，为研究采动覆岩破断型式及运动特征对采场矿压的影响提供了可靠的物理模拟模型及方法。

技术领域

本发明涉及一种三维岩层移动相似物理模拟实验平台，尤其涉及采动覆岩破断型式及运动特征的三维多功能实验平台，属于煤炭开采领域。

背景技术

为了更好地保证地下矿山的安全生产,最大限度地开采矿产资源、保护矿区环境和地面设施,必须掌握矿山压力及岩层活动规律,这是采矿学科最基础的研究之一。

随着采矿工程学科的发展，在研究矿山压力及岩层运动规律的过程中逐渐形成了数值模拟，物理模拟及现场实测三种研究方法。其中现场实测所固有的周期较长、耗费大量的人力、物力,受现场条件限制严重、局限性大；矿山现有的测量仪器功能单一，或仅能得到采场空间局部数据，对未测区域需进行合理的理论分析且很难得到验证；而在引进其他领域的先进仪器过程中要考虑煤矿井下恶劣的工作环境，到目前为止仍是一个没能很好解决的问题。采矿方面的数值模拟由于软件的局限性目前还难以精确地处理采动后岩体应力分布、大变形移动破坏、冒落后的物性变化等的演变过程,缺乏进行精确计算所必须的真实原岩应力场,真实岩体物理力学参数等基础数据,其计算结果也就往往无法模拟真实结果。而在进行研究采场上覆岩层破裂，冒落和移动规律以及关键层破断规律时，相似物理模拟实验成为一种公认的可行的研究手段。

目前，国内外的相似模拟实验大多为二维模拟实验，对模型边界条件作了很大的简化，模拟结果往往也与实际情况存在着较大差异，同时也无法观察某一层岩层在采动过程中的空间破断特征。部分学者也对三维相似模拟实验平台进行了研究，但是对开采参数如工作面面宽、采高、埋深等控制比较单一。因此，有必要发明一种可以自由调整开采参数的研究采动覆岩破断型式及运动特征的三维物理模拟实验平台，研究工作面采后覆岩破断结构的运移特征，模型开采后自上而下分层剥离相似材料岩层，重点揭露覆岩各关键层的平剖面裂隙产状，再三维重现远近场关键层历次破断结构的空间对应关系；通过在煤层底板遍布压力监测系统，以反映工作面的来压位置及强度状况。

发明内容

为了克服技术的不足之处，本发明提供结构简单，使用方便，不仅能得到采场覆岩破断型式及运动特征，而且能模拟多重采矿场景的采动覆岩破断型式及运动特征的三维多功能实验平台。

为了实现上述目的，本发明的采动覆岩破断型式及运动特征的三维多功能实验平台，包括试验桌体和设置在试验桌体上方的岩体模拟装置：

试验桌体包括支架，支架一侧对边设有两块固定横梁，两侧固定横梁的中下部焊接带有螺孔的托架，支架另一侧对边设有两块宽夹板，固定横梁和宽夹板通过焊接在支架上形成四边框体，支架下方设有与支架面积匹配的垂直升降板，垂直升降板上横向排布有多个水平抽板，垂直升降板下方的四角位置设有短支撑柱，多组水平抽板成对横向排布固定在宽夹板中,便于向外抽出，成对的水平抽板之间纵向设有附加横梁；

岩体模拟装置包括用于制作模拟岩层的模具，支架包括四块相互拼接组合的竖直薄板，埋深模拟装置包括气袋，气袋上方设有多块透明板，多块透明板的面积与支架顶部相匹配。

水平抽板为“工”字型。气袋与透明板采用PVC透明材料。两侧固定横梁中下部的托架，托架与附加横梁的两端用螺母固定。薄板的上边界设有可以与三块透明板连接的螺孔，并使用螺母连接封顶。

一种采动覆岩破断型式及运动特征试验方法，其步骤如下：