[发明专利]基于岩块回转的动态覆岩运动模拟装置及方法

权利要求书

1.一种基于岩块回转的动态覆岩运动模拟装置，其特征在于，包括：

可视化框架系统，包括相似模拟试验平台和设置于所述相似模拟试验平台周侧的模型箱体，所述模型箱体配置有透明板；

岩块回转模拟系统，设置于所述相似模拟试验平台上，所述岩块回转模拟系统包括多个岩块单元，以及连接于相似模拟试验平台底部和每一所述岩块单元间的施力单元；

岩土体接触面模拟系统，设置在所述岩块单元上；

松散层相似模拟系统，设置在所述岩土体接触面模拟系统上并与所述岩土体接触面模拟系统接触；

实时监测系统，对所述松散层相似模拟系统、岩土体接触面模拟系统和所述相似模拟试验平台进行监测；所述施力单元启动后向所述岩块单元施加不同方向的压力，在所述压力的作用下相邻所述岩块单元之间旋转错动，模拟现场煤炭开采上覆破断岩块场景；所述实时监测系统实时获取监测结果，根据监测结果得到松散层内部应力分析结果、覆岩回转运动前后的不同结果状态和位移路径的分析结果和表面裂缝宽度、深度和张开闭合规律的分析结果。

2.根据权利要求1所述的基于岩块回转的动态覆岩运动模拟装置，其特征在于：

所述实时监测系统包括预埋在所述松散层相似模拟系统中的应力传感器，安装在所述相似模拟试验平台上方的三维激光扫描仪，以及设置在所述相似模拟试验平台正前方的摄像仪；所述实时监测系统实时采集所述应力传感器、所述三维激光扫描仪和所述摄像仪的检测数据，根据所述应力传感器的检测数据得到回采过程中松散层内部应力分析结果，根据所述摄像仪的检测数据得到松散层在覆岩回转运动前后的不同结果状态和位移路径的分析结果，根据所述三维激光扫描仪的检测结果得到表面裂缝宽度、深度和张开闭合规律的分析结果。

3.根据权利要求1所述的基于岩块回转的动态覆岩运动模拟装置，其特征在于，所述施力单元包括伸缩部件：

所述伸缩部件包括上旋转轴、伸缩杆、下旋转轴、伺服电机和支座；所述上旋转轴固定在所述岩块单元上与所述岩块单元铰接；所述伸缩杆的两端分别与所述上旋转轴和伺服电机上部连接，伺服电机下部与所述下旋转轴连接；所述下旋转轴铰接地安装在所述支座上，所述支座安装在相似模拟试验平台底部。

4.根据权利要求3所述的基于岩块回转的动态覆岩运动模拟装置，其特征在于：

每一所述岩块单元均安装有两个所述伸缩部件，两个所述伸缩部件的安装位置沿所述岩块单元的中心线对称分布。

5.根据权利要求4所述的基于岩块回转的动态覆岩运动模拟装置，其特征在于，所述施力单元还包括旋转轴锁定部件：

所述下旋转轴的两端装配有第一齿轮；所述旋转轴锁定部件的内部设置有第二齿轮；所述旋转轴锁定部件被安装后，所述第一齿轮与所述第二齿轮相互啮合以阻止所述伸缩部件的旋转动作。

6.根据权利要求1所述的基于岩块回转的动态覆岩运动模拟装置，其特征在于：

所述岩土体接触面模拟系统包括砂布材料，所述砂布材料铺设于所述岩块单元的表面。

7.根据权利要求1所述的基于岩块回转的动态覆岩运动模拟装置，其特征在于：

所述松散层相似模拟系统，采用不同粒径的有机玻璃颗粒与弱粘结剂混合而成。

8.根据权利要求1所述的基于岩块回转的动态覆岩运动模拟装置，其特征在于：

所述岩块单元为长方体结构，所述长方体结构的边缘处成型为圆角结构。

9.根据权利要求1所述的基于岩块回转的动态覆岩运动模拟装置，其特征在于：

所述相似模拟试验平台为刚性合金材料，所述模型箱体为长方体结构，所述模型箱体的第一方向上的挡板均为透明有机玻璃板，所述模型箱体的第二方向上的挡板为刚性合金板。

10.一种基于岩块回转的动态覆岩运动模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：

a.获取岩土层力学参数及岩土层实际赋存信息，基于组合梁原理及关键层理论，逐层计算岩土层中各覆岩层所受荷载值并计算在该荷载下其极限跨距，并获得上位关键层的极限跨距、运动方式及下沉值；结合相似三定理，确定模拟装置的各相似常数；

b.松散层相似模拟参数确定：根据现场松散层土的力学试验测定结果，结合几何相似常数和物理相似常数，确定有机玻璃颗粒、水和粘结剂的比例；

c.岩土体接触面粗糙度参数确定：根据岩土体接触面基岩层与松散层的岩性，确定岩土体接触面砂布的粗糙度；

d.相似模拟系统搭建：在相似模拟试验平台岩块回转模拟系统岩块单元表面设置一定粗糙度的砂布，其上部逐层铺设松散层相似模拟材料，每层材料浸染不同的颜色；

e.安装实时监测系统：在d步骤搭建相似模拟系统时，在预设位置安装应力传感器；在相似模拟试验平台正前方安装摄像仪；在相似模拟试验平台的正上方安装三维激光扫描仪；

f.岩块回转模拟：按顺序控制伸缩装置控制岩块单元旋转下沉与回转，模拟煤炭开采引起的覆岩运动；待岩块单元运动到固定位置后，采用旋转轴锁定装置固定伸缩装置，以固定覆岩运动方式；

g.监测结果获取：监测岩块回转过程中松散层相似材料的运移破碎过程，并收集实时监测系统获得的数据，根据试验获得的应力传感器数据对回采过程中松散层内部应力进行分析；根据设置在相似模拟试验平台正前方的摄像仪图像数据，运用图像灰度化处理方法，对松散层在覆岩回转运动前后的不同结果状态、位移路径进行分析；根据设置在相似模拟试验平台正上方的三维激光扫描仪图像数据，对模型表面的裂缝宽度、深度和张开闭合规律进行分析。