[发明专利]工作面巷旁切顶留巷相似材料模拟试验系统及使用方法

权利要求书

1.一种工作面巷旁切顶留巷相似材料模拟试验系统的试验方法，其特征在于，工作面巷旁切顶留巷相似材料模拟试验系统包括：

相似材料铺设单元，用于分层铺设煤岩层相似材料和模拟巷道的开挖，模拟工作面及其周围岩层情况；所述相似材料铺设单元包括：底座，固定在地面上；左立架和右立架，对称设置在所述底座的左右两侧；挡板，设置在所述底座的前后两侧，挡板由若干个挡板本体并排排列而成，挡板的两端分别与所述左立架和右立架固定连接；顶梁，设置在所述底座的上方，且所述顶梁的两端分别与所述左立架和右立架的上部相连接；所述底座、左立架、右立架、挡板、顶梁围成一封闭空间，所述封闭空间内设置有煤岩层相似材料模型；

液压加载单元，用于对所述煤岩层相似材料模型进行加载；

模拟钻机单元，用于在所述煤岩层相似材料模型形成的巷道围岩中开设钻孔；模拟钻机单元包括：巷道导轨，设置在所述煤岩层相似材料模型形成的巷道中；垂直固定板，设置在所述挡板的外侧，所述垂直固定板的一端与所述巷道导轨的一端固定连接，所述垂直固定板的另一端与所述底座的前表面固定连接；升降台，滑动安装在所述巷道导轨上，所述升降台与控制单元相连接；所述控制单元可用于控制所述升降台沿所述巷道导轨滑动，还可用于控制所述升降台调整升降高度；半圆盘，竖直固定在所述升降台上；第一电机，安装在所述半圆盘上，所述第一电机的输出端装有钻杆；导杆，一端与所述第一电机相连接，其另一端穿过所述半圆盘与第二电机的输出轴相连接，所述第二电机固定在所述升降台上，所述第二电机用于驱动所述导杆旋转，带动所述第一电机相对于所述半圆盘旋转；

检测单元，用于监测所述巷道围岩及支护体的受力、变形以及围岩内部裂隙发育情况；所述的检测单元包括检测单元一、检测单元二、工业高速相机和信号采集器；

控制单元，用于对所述液压加载单元和模拟钻机单元进行伺服控制，并对所述检测单元的监测数据进行收集和处理；

试验方法包括以下步骤：

S1.预先设计实验方案，依据实验方案在相似材料铺设单元内分层铺设煤岩层相似材料模型，用于模拟工作面及其周围岩层情况，铺设过程中，在设定位置处预埋检测单元一，并对设定的工作面回采巷道位置进行标记，回采巷道位于相似材料模拟煤层中，在设定工作面两侧;

S2.拆除部分挡板，通过控制单元控制液压加载单元对煤岩层相似材料模型施加垂直压力和水平压力，模拟应力环境，检测单元一开始实时监测；

S3.在标记处开挖回采巷道，开挖完成后安装模拟钻机单元，利用所述模拟钻机单元在所述煤岩层相似材料模型的巷道顶板及实体煤侧进行打孔支护，以及在巷道工作面侧钻孔并安装检测单元二，具体方法为：

S3.1.在控制单元的控制下，将模拟钻机单元移动到煤岩层相似材料模型前侧，在第一电机的输出端上安装所需直径的钻杆；

S3.2.将模拟钻机单元移动到特定位置处，控制单元控制第二电机驱动导杆使第一电机转动到水平位置处，然后控制升降台调整其垂直高度；

S3.3.随后在控制单元的控制下，第一电机驱动钻杆在巷道实体煤侧钻取钻孔；

S3.4.控制单元继续控制升降台和第二电机调整第一电机的钻取角度和高度，并控制第一电机继续在巷道实体煤侧和顶板处钻取一定数量的钻孔；

S3.5.在钻好的钻孔中安装锚杆/索对巷道顶板及实体煤侧进行支护，之后安装检测单元二；

S3.6.控制升降台将其移动到煤岩层相似材料模型的前侧，根据实验方案设计，更换另一直径的钻杆，然后将其移动到指定位置处，在控制单元的控制下，调整好第一电机的角度，随后控制第一电机在巷道工作面侧钻取一定数量的超前预裂钻孔；

S4.撤走模拟钻机单元，检测单元二开始实时监测，按照实验方案设计的循环进尺对工作面煤层逐步开挖，每完成一次循环进尺后，都需要再次安装模拟钻机单元，用其钻取下一阶段所需的超前预裂钻孔;

S5.在开挖过程中观察采空区顶板垮落情况、巷道围岩的应力应变情况、锚杆/索受力情况以及巷道周围岩层的表面位移，并保存监测数据；通过监测数据，绘制出切顶过程中巷道围岩的应力应变曲线、声发射结果图以及数字散斑结果图；

S6.重复步骤S1-S5，在工作面侧钻取不同直径、角度和深度的超前预裂钻孔，重复多组试验，分析所有试验组得到的应力应变曲线和工作面顶板垮落情况，二者结合选出最优的方案，即优选的切顶参数。