權(quán)利要求

1.礦井開采動態(tài)擾動的二維相似模擬試驗(yàn)裝置，其特征在于：包括物理模型框架、液壓加載與擾動裝置、控制系統(tǒng)、試驗(yàn)測試系統(tǒng)；

物理模型框架包括底座、鋼板、立柱、頂梁、頂板、槽鋼、固定螺栓以及左右擋板，實(shí)驗(yàn)時(shí)從底座開始向上均勻鋪設(shè)與模擬礦井地層條件相對應(yīng)的不同配比相似材料，相似材料的左右兩側(cè)設(shè)有立柱，立柱外側(cè)設(shè)有側(cè)向加載裝置；最上層相似材料的頂部設(shè)有頂梁，頂梁上設(shè)有頂板，頂梁與頂板之間安裝有軸向加載裝置；擋板與槽鋼垂直相交，對模擬巖層緊密包圍，用來充填和固定模擬巖層，相似材料干燥后取下左右擋板和一側(cè)槽鋼進(jìn)行需要模擬的開挖作業(yè)；

液壓加載與擾動裝置包括軸向加載裝置、側(cè)向加載裝置、液壓供油系統(tǒng)；其中頂部軸向加載組件通過滑動凹槽嵌在頂梁中，上下固定的同時(shí)也能左右滑動，側(cè)向加載組件固定在左右立柱上，實(shí)驗(yàn)時(shí)通過加載裝置施加軸向和側(cè)向加載，模擬垂直和水平方向的地應(yīng)力和擾動力；液壓供油系統(tǒng)包括液壓泵、液壓油、液壓缸、安全閥、動態(tài)閥、油箱、密封圈、供油管路和回油管路；其中動態(tài)閥又與控制系統(tǒng)連接；

控制系統(tǒng)包括控制柜、電腦和電子控制器；電子控制器分別連接電腦和控制柜用來控制擾動波形的輸入和液壓缸動態(tài)閥的工作，電腦安裝圖像采集卡，與實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)中的高速相機(jī)相連控制DIC測試分析系統(tǒng)的圖像輸出，電腦又與實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)中的動態(tài)應(yīng)變儀相連控制圖像的輸出；

試驗(yàn)測試系統(tǒng)包括鋼化玻璃板、瞬變電磁儀、動態(tài)應(yīng)變儀、壓力盒、壓力表、聲發(fā)射探頭，DIC測試分析系統(tǒng)、高速相機(jī)、計(jì)算機(jī)、圖像采集卡和拉力、壓力傳感器；在相似物理模擬材料鋪料過程中按設(shè)計(jì)埋設(shè)壓力盒和拉力、壓力傳感器，其中壓力盒與壓力表相連，拉力、壓力傳感器與動態(tài)應(yīng)變儀相連檢測內(nèi)部應(yīng)力變化；在相似物理模擬材料表面布置散斑，運(yùn)用DIC測試分析系統(tǒng)分析位移變化規(guī)律；瞬變電磁儀用來模擬礦井勘探；在檢測位置布置聲發(fā)射探頭，檢測相似模擬巖層斷裂位置。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的礦井開采動態(tài)擾動的二維相似模擬試驗(yàn)裝置，其特征在于：所述軸向加載組件由頂板與頂梁上下固定，頂板與頂梁開設(shè)有凹槽實(shí)現(xiàn)軸向加載組件的上下固定、左右移動；所述頂梁上開有螺紋孔，通過螺栓與立柱固定；所述液壓缸活塞底部設(shè)計(jì)為矩形板，增加了施力面積，避免模擬巖層受力過于集中從而增大了測量誤差。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的礦井開采動態(tài)擾動的二維相似模擬試驗(yàn)裝置，其特征在于：所述槽鋼，由鋼板制成，兩端分別上下布置兩個(gè)螺紋孔，由螺栓連接固定在立柱上。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的礦井開采動態(tài)擾動的二維相似模擬試驗(yàn)裝置，其特征在于：所述液壓缸采用雙套缸設(shè)計(jì)，在外部施加靜態(tài)力的主油缸內(nèi)部嵌入一套能通過動態(tài)閥控制泵油的擾動油缸，以便分別施加靜態(tài)壓力和輸入指定頻率的動態(tài)擾動，擾動油缸的注油口與主油缸同側(cè)，回油口在液壓缸側(cè)后方，由回油管路連接油箱，可以施加頻率為0~20HZ、幅值為0~10MPa的正余弦波、矩形波形的動態(tài)擾動加載。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的礦井開采動態(tài)擾動的二維相似模擬試驗(yàn)裝置，其特征在于：所述加載系統(tǒng)各動態(tài)閥能獨(dú)立作用進(jìn)行控制，施加不同屬性的擾動波，也能根據(jù)需要通過控制系統(tǒng)聯(lián)合協(xié)同作用加載。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的礦井開采動態(tài)擾動的二維相似模擬試驗(yàn)裝置，其特征在于：所述頂板與頂梁的凹槽為貫通狀，便于軸向加載組件的安裝、移動與拆卸。

7.一種礦井開采動態(tài)擾動的二維相似模擬試驗(yàn)方法，采用權(quán)利要求1~6任一項(xiàng)所述的礦井開采動態(tài)擾動的二維相似模擬試驗(yàn)裝置，其特征在于包括以下步驟：

步驟一：根據(jù)收集到的礦井地質(zhì)水文資料、開采技術(shù)條件，選擇合適的相似物理模擬材料，設(shè)計(jì)不同地層的相似物理模擬材料的配比；

步驟二：按照相似模擬材料配比制作模擬地層材料，在相似物理模型框架底板兩側(cè)分別安裝第一層槽鋼，在相似物理模型框架內(nèi)鋪設(shè)模擬地層材料并壓實(shí)；之后安裝第二層槽鋼，繼續(xù)鋪設(shè)模擬地層材料，并壓實(shí)；以此進(jìn)行其他模擬地層的鋪設(shè)，在模型頂部鋪設(shè)一層鋼板，在需要檢測地層按預(yù)先設(shè)計(jì)在相應(yīng)位置埋設(shè)壓力盒和拉力、壓力傳感器；

步驟三：相似模擬材料晾干達(dá)到設(shè)計(jì)要求，拆除左右擋板與一側(cè)槽鋼，清理整理相似模擬材料表面，布設(shè)DIC檢測散斑；

步驟四：所有的相似模擬材料以及監(jiān)測傳感器在相似物理模型框架鋪設(shè)以及安裝完畢后，調(diào)試DIC、高速相機(jī)、應(yīng)變儀、瞬變電磁儀和計(jì)算機(jī)并檢測設(shè)備；

步驟五：將上部軸向加載系統(tǒng)安裝進(jìn)頂梁凹槽并滑動到相應(yīng)位置，調(diào)試加載與擾動加載系統(tǒng)，頂部加載系統(tǒng)運(yùn)行加壓，施加軸向應(yīng)力補(bǔ)充；

步驟六：按照設(shè)計(jì)開采，開挖的同時(shí)施加軸向和側(cè)向的動態(tài)擾動，模擬井下開采爆破、機(jī)械振動、放頂煤等動態(tài)擾動對圍巖破斷和巖層變形垮落的影響；

步驟七：開采進(jìn)行的同時(shí)，檢測系統(tǒng)對巖層變形、巖層應(yīng)力以及內(nèi)部破斷進(jìn)行檢測。

說明書

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種礦井開采動態(tài)擾動的二維相似模擬試驗(yàn)裝置和方法，屬于礦井開采模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

隨著淺部礦產(chǎn)資源的逐漸減少和甚至枯竭，煤炭資源井工開采深度逐步增加，我國千米級的礦井日益增多，由于深部巖體所處環(huán)境的特殊性和應(yīng)力場的復(fù)雜性，特別是處于“三高一擾動”環(huán)境下的高地應(yīng)力深部巖體，極易受掘進(jìn)或開采擾動而破壞失穩(wěn)，原有的相似模擬系統(tǒng)只能模擬靜態(tài)的巖層變形與應(yīng)力演化規(guī)律，不符合實(shí)際的工程背景，模擬系統(tǒng)中巖層的應(yīng)力與實(shí)際相差甚遠(yuǎn)，無法滿足深部煤層開采的相似模擬需求，亟需一種可以施加擾動的二維相似模擬系統(tǒng)。

此外，我國許多礦井遺棄煤炭資源儲量可觀，尤其以整層遺棄煤炭資源復(fù)采意義最大，而整層遺煤賦存條件復(fù)雜，受多重采動的疊加影響，開采時(shí)的礦業(yè)顯現(xiàn)和控制技術(shù)等與傳統(tǒng)的常規(guī)開采相比都具有明顯的差異性，因此傳統(tǒng)的常規(guī)二維相似模擬試驗(yàn)系統(tǒng)只能模擬靜態(tài)的巖層變形和應(yīng)力演化規(guī)律過于簡單，已經(jīng)無法滿足相關(guān)試驗(yàn)要求，亟需一種可以模擬殘煤復(fù)采的相似模擬試驗(yàn)，可以在實(shí)驗(yàn)室模擬上煤層遺煤復(fù)采擾動對圍巖和采空區(qū)煤柱穩(wěn)定性的影響。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明旨在提供一種礦井開采動態(tài)擾動的二維相似模擬試驗(yàn)裝置和方法，用于對礦井掘進(jìn)的動態(tài)擾動影響進(jìn)行相似模擬，以研究地下采掘過程的動態(tài)擾動對圍巖地層的損傷破壞規(guī)律。

本發(fā)明提供了一種礦井開采動態(tài)擾動的二維相似模擬試驗(yàn)裝置，包括物理模型框架、液壓加載與擾動裝置、控制系統(tǒng)、試驗(yàn)測試系統(tǒng)；

物理模型框架包括底座、鋼板、立柱、頂梁、頂板、槽鋼、固定螺栓以及左右擋板，實(shí)驗(yàn)時(shí)從底座開始向上均勻鋪設(shè)與模擬礦井地層條件相對應(yīng)的不同配比相似材料，相似材料的左右兩側(cè)設(shè)有立柱，立柱外側(cè)設(shè)有側(cè)向加載裝置；最上層相似材料的頂部設(shè)有頂梁，頂梁上設(shè)有頂板，頂梁與頂板之間安裝有軸向加載裝置；干燥后取下左右擋板和一側(cè)槽鋼進(jìn)行需要模擬的開挖作業(yè)。

槽鋼用來模擬巖層的充填，每一層的槽鋼分前和后，左右是用擋板固定，擋板與槽鋼關(guān)系為垂直相交，對模擬巖層緊密包圍，用來充填和固定模擬巖層，如圖一所示，本圖紙是假定每層的模擬地層高度一樣，其中槽鋼由固定螺栓，可以固定在側(cè)邊立柱上，加以穩(wěn)定，立柱上設(shè)有螺紋孔，既固定頂梁，也固定槽鋼，保護(hù)模擬平臺，防止坍塌散架。

液壓加載與擾動裝置包括軸向加載裝置、側(cè)向加載裝置、液壓供油系統(tǒng)；其中頂部軸向加載組件通過滑動凹槽嵌在頂梁中，上下固定的同時(shí)也能左右滑動，側(cè)向加載組件固定在左右立柱上，實(shí)驗(yàn)時(shí)通過加載裝置施加軸向和側(cè)向加載，模擬垂直和水平方向的地應(yīng)力和擾動力；液壓供油系統(tǒng)包括液壓泵、液壓油、液壓缸、安全閥、動態(tài)閥、供油管路、油箱和密封圈。

特別地該設(shè)備所有的液壓缸采用雙套缸設(shè)計(jì)，在外部施加靜態(tài)力的主油缸內(nèi)部嵌入一套可以通過動態(tài)閥控制泵油的擾動油缸，擾動油缸的注油口與主油缸同側(cè)，回油口在液壓缸側(cè)后方，由輸油管連接油箱，可以施加頻率為0~20HZ、幅值為0~10MPa的正余弦波、矩形波形的動態(tài)擾動加載；

特別地，所述加載系統(tǒng)各動態(tài)閥可獨(dú)立作用進(jìn)行控制，施加不同屬性的擾動波，也可以根據(jù)需要通過控制系統(tǒng)聯(lián)合協(xié)同作用加載。

控制系統(tǒng)包括控制柜、電腦和電子控制器；電子控制器分別連接電腦和控制柜用來控制擾動波形的輸入和液壓缸動態(tài)閥的工作，電腦安裝圖像采集卡，與實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)中的高速相機(jī)相連控制DIC測試分析系統(tǒng)的圖像輸出，電腦又與實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)中的動態(tài)應(yīng)變儀相連控制圖像的輸出。

試驗(yàn)測試系統(tǒng)包括鋼化玻璃板、瞬變電磁儀、動態(tài)應(yīng)變儀、壓力盒、聲發(fā)射探頭，DIC測試分析系統(tǒng)、高速相機(jī)和計(jì)算機(jī)；在相似物理模擬材料鋪料過程中按設(shè)計(jì)埋設(shè)壓力盒和拉力、應(yīng)力傳感器，連接動態(tài)應(yīng)變儀檢測內(nèi)部應(yīng)力變化；在相似物理模擬材料表面布置散斑（由噴漆方法制備），運(yùn)用DIC測試分析系統(tǒng)分析位移變化規(guī)律；在檢測位置布置聲發(fā)射探頭，檢測相似模擬巖層斷裂位置。

上述裝置中，所述軸向加載組件由頂板與頂梁上下固定，頂板與頂梁開設(shè)有凹槽實(shí)現(xiàn)軸向加載組件的上下固定、左右移動；所述頂梁其上開有螺紋孔，通過螺栓與立柱固定；所述液壓缸活塞底部設(shè)計(jì)為矩形板，增加了施力面積，避免模擬巖層受力過于集中從而增大了測量誤差。

上述裝置中，所述槽鋼，由鋼板制成，為便于拆卸，兩端分別設(shè)計(jì)有兩個(gè)螺紋孔，相距一定距離對稱排列，可以由螺栓固定，因?yàn)椴垆撦^高，用一對螺栓加強(qiáng)穩(wěn)定。

上述裝置中，所述加載組件，側(cè)向加載組件與軸向加載組件分別連接供油管路與控制系統(tǒng)，為了方便施加擾動，可單獨(dú)控制，也可協(xié)調(diào)作用。

上述裝置中，所述液壓缸采用雙套缸設(shè)計(jì)，分別可施加靜態(tài)壓力和輸入指定頻率的動態(tài)擾動，更好的滿足模擬實(shí)驗(yàn)需求。

上述裝置中，所述頂板與頂梁的凹槽為貫通狀，便于軸向加載組件的安裝、移動與拆卸。

本發(fā)明提供了一種礦井開采動態(tài)擾動的二維相似模擬試驗(yàn)方法，包括以下步驟：

步驟一：根據(jù)收集到的礦井地質(zhì)水文資料、開采技術(shù)條件，選擇合適的相似物理模擬地層材料，設(shè)計(jì)不同地層的相似物理模擬材料的配比。

步驟二：按照相似模擬材料配比制作模擬地層材料，在相似物理模型框架底板兩側(cè)分別安裝第一層槽鋼，在相似物理模型框架內(nèi)鋪設(shè)模擬地層材料并壓實(shí)；之后安裝第二層槽鋼，繼續(xù)鋪設(shè)模擬地層材料，并壓實(shí)；以此進(jìn)行其他模擬地層的鋪設(shè)，在模型頂部鋪設(shè)一層鋼板，在需要檢測地層按預(yù)先設(shè)計(jì)在相應(yīng)位置埋設(shè)壓力盒和拉力、應(yīng)力傳感器。

步驟三：相似模擬材料晾干達(dá)到設(shè)計(jì)要求，拆除左右擋板與一側(cè)槽鋼，清理整理相似模擬材料表面，布設(shè)DIC檢測散斑。

步驟四：所有的相似模擬材料以及監(jiān)測傳感器在相似物理模型框架鋪設(shè)以及安裝完畢后，調(diào)試DIC、高速相機(jī)、應(yīng)變儀、瞬變電磁儀和計(jì)算機(jī)并檢測設(shè)備。

步驟五：將上部軸向加載系統(tǒng)安裝進(jìn)頂梁凹槽并滑動到相應(yīng)位置，調(diào)試加載與擾動加載系統(tǒng)，頂部加載系統(tǒng)運(yùn)行加壓，施加軸向應(yīng)力補(bǔ)充。

步驟六：按照設(shè)計(jì)開采，開挖的同時(shí)施加軸向和側(cè)向的動態(tài)擾動，模擬井下開采爆破、機(jī)械振動、放頂煤等動態(tài)擾動對圍巖破斷和巖層變形垮落的影響。

步驟七：開采進(jìn)行的同時(shí)，檢測系統(tǒng)對巖層變形、巖層應(yīng)力以及內(nèi)部破斷進(jìn)行檢測。

本發(fā)明的有益效果：

（1）該裝置能簡單有效模擬深部開采圍巖所處的“三高一擾動”的環(huán)境，更符合現(xiàn)場情況，對我國逐步加深的礦井開采而言，有更好的發(fā)展前景。

（2）煤炭等不可再生資源的日益短缺，對于遺棄煤炭資源的上行開采、充填開采等工業(yè)現(xiàn)場試驗(yàn)成本較高的情況，該相似模擬系統(tǒng)可以進(jìn)行附加上行開采擾動的模擬試驗(yàn)，以試驗(yàn)結(jié)果作為參考。

附圖說明

圖1為本發(fā)明二維相似模擬試驗(yàn)裝置示意圖；

圖2為受高地應(yīng)力和動態(tài)擾動協(xié)同影響開采的相似物理模擬試驗(yàn)裝置示意圖；

圖3為上層遺煤上行開采擾動研究的相似物理模擬試驗(yàn)裝置示意圖；

圖4為軸向液壓加載組件俯視圖；

圖5為圖2中A-A剖視圖；

圖6為圖5右側(cè)斜視圖；

圖7為液壓油缸活塞末端矩形板的示意圖。

圖中：1-軸向加載組件，2-頂梁固定螺栓，3-頂梁，4-槽鋼，5-立柱，6-側(cè)向加載組件，7-底座，8-鋼板，9-待開采煤層，10-回采工作面，11-液壓油泵，12-控制柜，13-電腦，14-供油管路，15-螺栓，16-采空區(qū)，17-回采巷道，18-遺留煤柱，19-模擬底層，20-頂板，21-液壓缸，22-矩形板，23-模擬地層。

具體實(shí)施方式

下面通過實(shí)施例來進(jìn)一步說明本發(fā)明，但不局限于以下實(shí)施例。

實(shí)施例1：

如圖1~7所示，一種礦井開采動態(tài)擾動的二維相似模擬試驗(yàn)裝置，包括物理模型框架、液壓加載與擾動裝置、控制系統(tǒng)、試驗(yàn)測試系統(tǒng)；

物理模型框架包括底座7、鋼板8、立柱5、頂梁3、頂板20、槽鋼4、螺栓15以及左右擋板，實(shí)驗(yàn)時(shí)從底座7開始向上均勻鋪設(shè)與模擬礦井地層條件相對應(yīng)的不同配比相似材料，相似材料的左右兩側(cè)設(shè)有立柱5，立柱5外側(cè)設(shè)有側(cè)向加載組件6；最上層相似材料的頂部設(shè)有頂梁3，頂梁3上設(shè)有頂板20，頂梁3與頂板20之間安裝有軸向加載組件1；干燥后取下左右擋板和一側(cè)槽鋼進(jìn)行需要模擬的開挖作業(yè)。

槽鋼4用來模擬巖層的充填，每一層的槽鋼4分前和后，左右是用擋板固定，擋板與槽鋼4為垂直相交，對模擬巖層緊密包圍，用來充填和固定模擬巖層，如圖一所示，本圖紙是假定每層的模擬地層23高度一樣，其中槽鋼由固定螺栓，可以固定在側(cè)邊立柱上，加以穩(wěn)定，立柱上設(shè)有螺紋孔，既固定頂梁，也固定槽鋼，保護(hù)模擬平臺，防止坍塌散架。

頂梁3由螺栓15固定在立柱5上，槽鋼4根據(jù)需要也可由螺栓15固定在立柱5上。

液壓加載與擾動裝置包括軸向加載組件1、側(cè)向加載組件6、液壓供油系統(tǒng)；其中頂部軸向加載組件通過滑動凹槽嵌在頂梁3中，上下固定的同時(shí)也能左右滑動，側(cè)向加載組件6固定在左右立柱5上，實(shí)驗(yàn)時(shí)通過加載裝置施加軸向和側(cè)向加載，模擬垂直和水平方向的地應(yīng)力和擾動力；液壓供油系統(tǒng)包括液壓泵、液壓油、液壓缸、安全閥、供油管路、油箱和密封圈。

特別地，該設(shè)備所有的液壓缸采用雙套缸設(shè)計(jì)，在外部施加靜態(tài)力的主油缸內(nèi)部嵌入一套可以通過動態(tài)閥控制泵油的擾動油缸，擾動油缸的注油口與主油缸同側(cè)，回油口在液壓缸側(cè)后方，由輸油管連接油箱，可以施加頻率為0~20HZ、幅值為0~10MPa的正余弦波、矩形波形的動態(tài)擾動加載；

特別地，所述加載系統(tǒng)各加載動態(tài)閥可獨(dú)立作用進(jìn)行控制，施加不同屬性的擾動波，也可以根據(jù)需要通過控制系統(tǒng)聯(lián)合協(xié)同作用加載。

控制系統(tǒng)包括控制柜12、電腦13和電子控制器（安裝在控制柜中）；電子控制器分別連接電腦13和控制柜12用來控制擾動波形的輸入和液壓缸動態(tài)閥的工作，電腦安裝圖像采集卡，與實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)中的高速相機(jī)相連控制DIC測試分析系統(tǒng)的圖像輸出，電腦又與實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)中的動態(tài)應(yīng)變儀相連控制圖像的輸出。

試驗(yàn)測試系統(tǒng)包括鋼化玻璃板、瞬變電磁儀、動態(tài)應(yīng)變儀、壓力盒、壓力表、聲發(fā)射探頭，DIC測試分析系統(tǒng)、高速相機(jī)、計(jì)算機(jī)、圖像采集卡和拉力、壓力傳感器；在相似物理模擬材料鋪料過程中按設(shè)計(jì)埋設(shè)壓力盒和拉力、壓力傳感器，其中壓力盒與壓力表相連，拉力、壓力傳感器與動態(tài)應(yīng)變儀相連檢測內(nèi)部應(yīng)力變化；在相似物理模擬材料表面布置散斑（由噴漆方法制備），運(yùn)用DIC測試分析系統(tǒng)分析位移變化規(guī)律；在檢測位置布置聲發(fā)射探頭，檢測相似模擬巖層斷裂位置。

上述裝置中，所述軸向加載組件1由頂板20與頂梁3上下固定，頂板20與頂梁3開設(shè)有凹槽實(shí)現(xiàn)軸向加載組件1的上下固定、左右移動；所述頂梁3其上開有螺紋孔，通過螺栓15與立柱5固定；所述液壓缸活塞底部設(shè)計(jì)為矩形板22，如圖7所示，增加了施力面積，避免模擬巖層受力過于集中從而增大了測量誤差。

上述裝置中，所述槽鋼4，由鋼板制成，為便于拆卸，其上開設(shè)有螺紋孔，由螺栓連接固定，所述槽鋼，每層的兩端設(shè)計(jì)有上下兩個(gè)螺紋孔，相距一定距離對稱排列，因?yàn)椴垆撦^高，用一對螺栓加強(qiáng)穩(wěn)定。

上述裝置中，所述加載組件，側(cè)向加載組件6與軸向加載組件1分別連接供油管路14與控制系統(tǒng)，為了方便施加擾動，可單獨(dú)控制，也可協(xié)調(diào)作用。

上述裝置中，所述液壓缸21采用雙套缸設(shè)計(jì)如圖4所示，分別可施加靜態(tài)壓力和輸入指定頻率的動態(tài)擾動（由動態(tài)閥來完成），更好的滿足模擬實(shí)驗(yàn)需求。

上述裝置中，所述頂板20與頂梁3的凹槽為貫通狀，如圖6所示，便于軸向加載組件的安裝、移動與拆卸。

下面通過具體實(shí)施例來說明采用上述裝置進(jìn)行礦井開采動態(tài)擾動的二維相似模擬試驗(yàn)方法。

實(shí)施例1：

本實(shí)施例提供一種可以施加擾動的二維相似物理模擬系統(tǒng)，在模擬高地應(yīng)力和動態(tài)擾動協(xié)同作用下覆巖破斷與變形規(guī)律研究中的應(yīng)用：

① 根據(jù)收集到的礦井地質(zhì)水文資料、開采技術(shù)條件等選擇合適的相似物理模擬材料，設(shè)計(jì)不同地層的相似物理模擬材料的配比。

② 根據(jù)①中設(shè)計(jì)的相似模擬材料配比制作模擬地層23的材料，在相似物理模型框架兩側(cè)立柱5分別安裝第一層槽鋼4（物理模型框架安裝在模擬底層19上），在相似物理模型框架內(nèi)鋪設(shè)模擬地層材料并壓實(shí)；之后安裝第二層槽鋼，繼續(xù)鋪設(shè)模擬地層材料，并壓實(shí)；以此進(jìn)行其他模擬地層23的鋪設(shè)，在模型頂部鋪設(shè)一層鋼板8(用于最后對模擬巖層的壓實(shí)），在需要待開采煤層9以及頂?shù)装宓刃枰O(jiān)測模擬地層23按預(yù)先設(shè)計(jì)在相應(yīng)位置埋設(shè)壓力盒和拉力、應(yīng)力傳感器。

③ 相似模擬材料晾干達(dá)到設(shè)計(jì)要求，拆除左右鋼板和一側(cè)槽鋼，清理整理相似模擬材料表面，點(diǎn)涂DIC檢測散斑。

④ 所有的相似模擬材料以及監(jiān)測傳感器在相似物理模型框架內(nèi)鋪設(shè)以及安裝完畢后，調(diào)試DIC、高速相機(jī)、應(yīng)變儀、瞬變電磁儀、電腦并檢測設(shè)備。

⑤ 將上部軸向加載組件1安裝進(jìn)頂梁3凹槽并滑動到相應(yīng)位置，由頂梁固定螺栓2固定后調(diào)試軸向加載組件與側(cè)向加載組件，頂部軸向加載組件1運(yùn)行加壓至待開采煤層應(yīng)力值至20MPa，施加軸向應(yīng)力補(bǔ)充,模擬埋深較大煤層的高地應(yīng)條件，相應(yīng)的側(cè)向加載組件6運(yùn)行施加靜載至設(shè)計(jì)值。

⑥ 按照設(shè)計(jì)開采，開挖的同時(shí)軸向和側(cè)向加載組件動態(tài)加載組件啟動，頂部軸向加載組件1隨回采工作面10的向前推進(jìn)，依次交替施加動態(tài)擾動，回采工作面越過上一個(gè)矩形板22的影響范圍時(shí)關(guān)閉該液壓缸的動態(tài)閥，動態(tài)擾動停止，下一個(gè)液壓缸接替開始施加動態(tài)擾動，所加動態(tài)擾動按試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的頻率和幅值施加正弦擾動，模擬井下開采爆破、機(jī)械振動、放頂煤等動態(tài)擾動對回采工作面10推進(jìn)過程中圍巖破斷和巖層變形跨落的影響。

⑦ 開采進(jìn)行的同時(shí)，檢測系統(tǒng)對巖層變形、巖層應(yīng)力以及內(nèi)部破斷等進(jìn)行檢測。

實(shí)施例2

本實(shí)施例提供一種可以施加擾動的二維相似物理模擬系統(tǒng)，在模擬上層遺煤復(fù)采時(shí)的采掘擾動對覆巖破斷與變形影響以及下伏采空區(qū)煤柱穩(wěn)定性研究中的應(yīng)用：

① 根據(jù)收集到的礦井地質(zhì)水文資料、開采技術(shù)條件等選擇合適的相似物理模擬材料，設(shè)計(jì)不同地層的相似物理模擬材料的配比。

② 根據(jù)①中設(shè)計(jì)的相似模擬材料配比制作模擬地層23的材料，在相似物理模型框架兩側(cè)立柱5分別安裝第一層槽鋼4，在相似物理模型框架內(nèi)鋪設(shè)模擬地層23材料并壓實(shí)；之后安裝第二層槽鋼，繼續(xù)鋪設(shè)模擬地層材料，并壓實(shí)；以此進(jìn)行其他模擬地層23的鋪設(shè)，在模型頂部鋪設(shè)一層鋼板8，在需要待開采煤層9以及頂?shù)装宓刃枰O(jiān)測模擬地層23按預(yù)先設(shè)計(jì)在相應(yīng)位置埋設(shè)壓力盒和壓力、拉力傳感器。

③ 相似模擬材料晾干達(dá)到設(shè)計(jì)要求，拆除左右鋼板和一側(cè)槽鋼4，清理整理相似模擬材料表面，之后點(diǎn)涂DIC檢測散斑。

④ 將上部軸向加載組件1安裝進(jìn)頂梁3凹槽并滑動到相應(yīng)位置，由頂梁固定螺栓2固定后調(diào)試加載與擾動加載組件。

⑤ 所有的監(jiān)測設(shè)備以及傳感器等安裝完畢后，調(diào)試DIC、高速相機(jī)、應(yīng)變儀、瞬變電磁儀和電腦并檢測設(shè)備。

⑥ 頂部軸向加載組件1運(yùn)行加壓至待開采煤層應(yīng)力值至設(shè)計(jì)值，施加軸向應(yīng)力補(bǔ)充,相應(yīng)的側(cè)向加載組件6運(yùn)行施加靜載至設(shè)計(jì)值。

⑦ 進(jìn)行待開采煤層9下覆已開采煤層的采掘，按設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)開挖，在采空區(qū)16中余下遺留煤柱18，之后在待開采煤層9中按設(shè)計(jì)尺寸開挖回采巷道17。

⑧ 按照預(yù)先的試驗(yàn)方案，頂部的側(cè)向加載組件6按試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的頻率和幅值施加正弦擾動，同時(shí)頂部的軸向加載組件1施加相應(yīng)頻率和幅值的正弦擾動，模擬上層遺煤開采推進(jìn)過程中的動態(tài)擾動對圍巖破斷和巖層變形跨落以及下覆采空區(qū)煤柱的影響。

⑨ 開采進(jìn)行的同時(shí)，檢測系統(tǒng)對巖層變形、預(yù)埋壓力盒巖層應(yīng)力以及內(nèi)部破斷等進(jìn)行檢測，在下覆采空區(qū)煤柱位置布置聲發(fā)射探頭檢測內(nèi)部微破壞。

應(yīng)該說明的是，以上實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明設(shè)計(jì)的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對本發(fā)明設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明設(shè)計(jì)的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明設(shè)計(jì)技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明設(shè)計(jì)的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。