[发明专利]一种矿井开采动态扰动的二维相似模拟试验装置和方法

权利要求书

1.一种矿井开采动态扰动的二维相似模拟试验装置，其特征在于：包括物理模型框架、液压加载与扰动装置、控制系统、试验测试系统；

物理模型框架包括底座、钢板、立柱、顶梁、顶板、槽钢、固定螺栓以及左右挡板，实验时从底座开始向上均匀铺设与模拟矿井地层条件相对应的不同配比相似材料，相似材料的左右两侧设有立柱，立柱外侧设有侧向加载装置；最上层相似材料的顶部设有顶梁，顶梁上设有顶板，顶梁与顶板之间安装有轴向加载装置；挡板与槽钢垂直相交，对模拟岩层紧密包围，用来充填和固定模拟岩层，相似材料干燥后取下左右挡板和一侧槽钢进行需要模拟的开挖作业；

液压加载与扰动装置包括轴向加载装置、侧向加载装置、液压供油系统；其中顶部轴向加载组件通过滑动凹槽嵌在顶梁中，上下固定的同时也能左右滑动，侧向加载组件固定在左右立柱上，实验时通过加载装置施加轴向和侧向加载，模拟垂直和水平方向的地应力和扰动力；液压供油系统包括液压泵、液压油、液压缸、安全阀、动态阀、油箱、密封圈、供油管路和回油管路；其中动态阀又与控制系统连接；

控制系统包括控制柜、电脑和电子控制器；电子控制器分别连接电脑和控制柜用来控制扰动波形的输入和液压缸动态阀的工作，电脑安装图像采集卡，与实验测试系统中的高速相机相连控制DIC测试分析系统的图像输出，电脑又与实验测试系统中的动态应变仪相连控制图像的输出；

试验测试系统包括钢化玻璃板、瞬变电磁仪、动态应变仪、压力盒、压力表、声发射探头，DIC测试分析系统、高速相机、计算机、图像采集卡和拉力、压力传感器；在相似物理模拟材料铺料过程中按设计埋设压力盒和拉力、压力传感器，其中压力盒与压力表相连，拉力、压力传感器与动态应变仪相连检测内部应力变化；在相似物理模拟材料表面布置散斑，运用DIC测试分析系统分析位移变化规律；瞬变电磁仪用来模拟矿井勘探；在检测位置布置声发射探头，检测相似模拟岩层断裂位置。

2.根据权利要求1所述的矿井开采动态扰动的二维相似模拟试验装置，其特征在于：所述轴向加载组件由顶板与顶梁上下固定，顶板与顶梁开设有凹槽实现轴向加载组件的上下固定、左右移动；所述顶梁上开有螺纹孔，通过螺栓与立柱固定；所述液压缸活塞底部设计为矩形板，增加了施力面积，避免模拟岩层受力过于集中从而增大了测量误差。

3.根据权利要求1所述的矿井开采动态扰动的二维相似模拟试验装置，其特征在于：所述槽钢，由钢板制成，两端分别上下布置两个螺纹孔，由螺栓连接固定在立柱上。

4.根据权利要求1所述的矿井开采动态扰动的二维相似模拟试验装置，其特征在于：所述液压缸采用双套缸设计，在外部施加静态力的主油缸内部嵌入一套能通过动态阀控制泵油的扰动油缸，以便分别施加静态压力和输入指定频率的动态扰动，扰动油缸的注油口与主油缸同侧，回油口在液压缸侧后方，由回油管路连接油箱，可以施加频率为0~20HZ、幅值为0~10MPa的正余弦波、矩形波形的动态扰动加载。

5.根据权利要求1所述的矿井开采动态扰动的二维相似模拟试验装置，其特征在于：所述加载系统各动态阀能独立作用进行控制，施加不同属性的扰动波，也能根据需要通过控制系统联合协同作用加载。

6.根据权利要求1所述的矿井开采动态扰动的二维相似模拟试验装置，其特征在于：所述顶板与顶梁的凹槽为贯通状，便于轴向加载组件的安装、移动与拆卸。

7.一种矿井开采动态扰动的二维相似模拟试验方法，采用权利要求1~6任一项所述的矿井开采动态扰动的二维相似模拟试验装置，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：根据收集到的矿井地质水文资料、开采技术条件，选择合适的相似物理模拟材料，设计不同地层的相似物理模拟材料的配比；

步骤二：按照相似模拟材料配比制作模拟地层材料，在相似物理模型框架底板两侧分别安装第一层槽钢，在相似物理模型框架内铺设模拟地层材料并压实；之后安装第二层槽钢，继续铺设模拟地层材料，并压实；以此进行其他模拟地层的铺设，在模型顶部铺设一层钢板，在需要检测地层按预先设计在相应位置埋设压力盒和拉力、压力传感器；

步骤三：相似模拟材料晾干达到设计要求，拆除左右挡板与一侧槽钢，清理整理相似模拟材料表面，布设DIC检测散斑；

步骤四：所有的相似模拟材料以及监测传感器在相似物理模型框架铺设以及安装完毕后，调试DIC、高速相机、应变仪、瞬变电磁仪和计算机并检测设备；

步骤五：将上部轴向加载系统安装进顶梁凹槽并滑动到相应位置，调试加载与扰动加载系统，顶部加载系统运行加压，施加轴向应力补充；

步骤六：按照设计开采，开挖的同时施加轴向和侧向的动态扰动，模拟井下开采爆破、机械振动、放顶煤等动态扰动对围岩破断和岩层变形垮落的影响；

步骤七：开采进行的同时，检测系统对岩层变形、岩层应力以及内部破断进行检测。