[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

说明书

本发明公开一种矿井开采动态扰动的二维相似模拟试验装置和方法，包括物理模型框架、液压加载与扰动装置、控制系统、实验测试系统；物理模型框架与模拟底面平行，包括顶梁、槽钢、边立柱、底座、钢板、左右挡板、顶板和固定螺栓；液压加载与扰动装置包括液压泵、液压油、液压缸、安全阀、油箱、过滤器、供油管路、回油管路、密封圈和动态阀；控制系统包括电脑、控制柜、和电子控制器；实验测试系统包括高速相机、应变仪、压力盒、压力表、DIC测试分析系统、计算机、图像采集卡、钢化玻璃板、瞬变电磁仪和拉力、压力传感器。该装置添加了扰动装置，可模拟地下开采中的工程扰动，所测量的数据与现有系统相比误差更小，在工程领域中有重要参考价值。

技术领域

本发明涉及一种矿井开采动态扰动的二维相似模拟试验装置和方法，属于矿井开采模拟实验技术领域。

背景技术

随着浅部矿产资源的逐渐减少和甚至枯竭，煤炭资源井工开采深度逐步增加，我国千米级的矿井日益增多，由于深部岩体所处环境的特殊性和应力场的复杂性，特别是处于“三高一扰动”环境下的高地应力深部岩体，极易受掘进或开采扰动而破坏失稳，原有的相似模拟系统只能模拟静态的岩层变形与应力演化规律，不符合实际的工程背景，模拟系统中岩层的应力与实际相差甚远，无法满足深部煤层开采的相似模拟需求，亟需一种可以施加扰动的二维相似模拟系统。

此外，我国许多矿井遗弃煤炭资源储量可观，尤其以整层遗弃煤炭资源复采意义最大，而整层遗煤赋存条件复杂，受多重采动的叠加影响，开采时的矿业显现和控制技术等与传统的常规开采相比都具有明显的差异性，因此传统的常规二维相似模拟试验系统只能模拟静态的岩层变形和应力演化规律过于简单，已经无法满足相关试验要求，亟需一种可以模拟残煤复采的相似模拟试验，可以在实验室模拟上煤层遗煤复采扰动对围岩和采空区煤柱稳定性的影响。

发明内容

本发明旨在提供一种矿井开采动态扰动的二维相似模拟试验装置和方法，用于对矿井掘进的动态扰动影响进行相似模拟，以研究地下采掘过程的动态扰动对围岩地层的损伤破坏规律。

本发明提供了一种矿井开采动态扰动的二维相似模拟试验装置，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；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。

槽钢用来模拟岩层的充填，每一层的槽钢分前和后，左右是用挡板固定，挡板与槽钢关系为垂直相交，对模拟岩层紧密包围，用来充填和固定模拟岩层，如图一所示，本图纸是假定每层的模拟地层高度一样，其中槽钢由固定螺栓，可以固定在侧边立柱上，加以稳定，立柱上设有螺纹孔，既固定顶梁，也固定槽钢，保护模拟平台，防止坍塌散架。

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、供油管路、油箱和密封圈。

特别地该设备所有的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可以通过动态阀控制泵油的扰动油缸，扰动油缸的注油口与主油缸同侧，回油口在液压缸侧后方，由输油管连接油箱，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；

特别地，所述加载系统各动态阀可独立作用进行控制，施加不同属性的扰动波，也可以根据需要通过控制系统联合协同作用加载。