一种巨厚煤层大型平面物理相似模拟试验平台及方法

本发明涉及物理相似模拟试验设备，具体涉及一种用于研究巨厚煤层综放开采的二维平面物理相似模拟试验平台及方法。

背景技术：

1、煤炭开采后，上覆岩层会产生变形、破裂、冒落与塌陷，会在上覆岩层中形成冒落带、裂隙带、弯曲下沉带。上覆岩层由于开采扰动、地应力等外部作用下，岩层的破裂以及移动规律、围岩的应力分布、位移变化等物理力学特征，对上覆岩层中瓦斯运移规律、瓦斯富集区的判定具有重要的影响。但是由于目前技术的限制、地质岩层环境的特殊性和复杂性，导致对巨厚煤层的岩层压力、以及运动规律不能进行直观的监测。同时对于巨厚煤层开采后带来的大尺度的覆岩活动空间，以及巨厚煤层综放开采下的应力扰动影响，对巨厚煤层一次采全高的过程中覆岩结构演变特征等的研究需要新的手段进行监测。

2、因此，通过相似模拟实验，为开采巨厚煤层(煤层厚度大于20m)这一复杂的地质环境研究提供了一种有效的手段。通过相似理论，选择合理配比实现对真实的地质条件的模拟。通过对模型的观察，对真实岩层中发生的现象以及过程的规律进行研究，得到相关的技术指标以及研究参数，为岩层移动规律以及现象进行科学的总结，对巨厚煤层开采扰动、地应力以及外部作用力下的岩层运移理论研究提供一定的指导意义。

3、目前现有传统的相似模拟实验装置对巨厚煤层的开采模拟有诸多问题，现有的实验装置可模拟的开采高度有限，难以实现巨大采高综放开采的实验模拟。巨厚煤层综放开采时采高大，开采扰动巨大，使得上覆岩层在来压时垮落的范围及能量较大，经常会造成装填模型的倒塌、滑移，使得维护困难，导致实验的失败。模型铺设复杂，从上到下按一定长度进行铺设，不能完全体现岩层的整体特性，实验并不能完全的符合实际情况。同时综放开采后岩层垮落较为剧烈，现有方法在垮落后形成的岩块较为破碎，对整体上覆岩层变化以及裂隙场的监测造成困难，导致实验结果不精确，也存在稳定性差、危险性大的安全隐患。

4、针对上述问题，如何改进现有的平面物理相似模拟试验装置，即保证薄及中厚煤层的相似模拟，又能够满足巨厚煤层综放开采的相似模拟；同时又要实现装置安全性和平稳性以及物理相似模拟实验的效果，满足针对巨厚煤层综放开采的需求，成为迫在眉睫的关键问题。

技术实现思路

1、为了克服现有技术中所存在的上述缺陷，本发明提供了一种巨厚煤层平面物理相似模拟试验平台及方法，能够同时满足巨厚煤层覆岩结构演变特征及裂隙演化规律的研究。通过该装置平台及方法对巨厚煤层综放开采进行相似模拟实验，通过观察、测量在开采扰动及地表作用下覆岩内外部应力分布、裂隙发育、岩层位移、能量变化等物理力学特性，得出相关的技术指标和参数，来研究真实巨厚煤层综放开采过程中瓦斯储运区域的演化过程，为瓦斯抽采钻孔的布置提供可靠的理论支撑。

2、本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种巨厚煤层平面物理相似模拟试验平台，包括包括条钢动力上载系统、静态底座支撑系统、底板应力动态检测系统、煤岩体观测保护系统、柔性加载系统、岩层相似模拟系统和数据检测系统；

3、所述条钢动力上载系统，包括u型护钢和气动葫芦，所述u型护钢上开设有固定销孔；

4、所述静态底座支撑系统，包括平台架、底座和立柱，所述平台架由槽钢焊接而成，所述底座通过螺栓固定在地面，所述立柱和平台架固定连接；

5、所述底板应力动态检测系统设于平台架的顶部，包括一排紧密放置的无线应力传感器，所述传感器的顶部设有将传感器与相似模拟材料隔开的脆性分离膜；

6、所述煤岩体观测保护系统，包括上部亚克力板、中部亚克力板和动态支护挡板，所述上部亚克力板通过螺栓固定在立柱上，所述中部亚克力板设于上部亚克力板的底部且与上部亚克力板粘接，所述动态支护挡板设于中部亚克力板的底部且与中部亚克力板通过螺栓固定连接；

7、所述柔性加载系统设于岩层相似模拟系统的上方，包括多层柔性泡沫板和设置于泡沫板上的刚性配重；

8、所述岩层相似模拟系统铺设于应力动态检测系统的上方，包括多个不同岩性的岩层，不同岩性的所述岩层通过使用不同配比来模拟，每两个岩层之间有云母片；

9、所述数据监测系统，包括三维数字散斑测量仪、声发射检测仪、无线应力监测仪,所述三维数字散斑测量仪设置于巨厚煤层平面物理相似模拟试验平台，用于检测位移量；所述声发射检测仪均匀排列于岩层上，用于检测开采过程模拟时的声音能量发射；所述无线应力传感器均匀铺设在平台架上。

10、一种巨厚煤层平面物理相似模拟试验平台的巨厚煤层平面物理相似模拟试验方法，包括如下步骤：

11、(1)根据模拟煤岩层的赋存特征及上覆岩层的相关物理性质，以固定的物理模拟几何相似比计算相似模拟材料配比及对应的铺设厚度；根据钻孔岩层柱状图确定模型能够模拟的覆岩高度，对于模型尺寸限制而未模拟的岩层，采用可延展柔性泡沫板和可移动刚性配重施加等效载荷；

12、(2)将应力传感器放置在底座上，之后通过气动葫芦将u型护钢移动至立柱侧面，用螺栓将其与实验平台立柱固定，为相似材料的铺设提供空间；

13、(3)按照岩层组对巨厚煤层进行搭建，通过全自动搅拌器将材料充分混合搅拌均匀，之后倒入铺填空间内，使用刮板将材料整体刮平，之后使用手持式夯锤将材料夯实；使用水平尺及垂直钢尺对每层材料的平整度进行多点测量，确保模拟煤岩层的平整度，铺平后划分节理，再继续添加相似材料；当铺填空间不够继续铺填时，再将下一条u型护钢顺次叠放并用螺栓固定；当同一岩层铺填完成后，在上表面撒云母片作为层理，以此类推，至模型搭建完毕完成；

14、(4)将相似材料模型放置7-10天后由上向下间隔拆除u型护钢，间隔两周后拆除前后挡板，在模型顶部放置可延展柔性泡沫板和可移动刚性配重；将上部静态支护亚克力板固定在立柱上，上部亚克力板间粘连链接两块亚克力板，之后将中部亚克力板粘连到上部亚克力板下部，最后将下部动态挡板亚克力板与中部亚克力板链接固定；

15、(5)模型背面喷涂黑漆，待黑漆晾干后，将白漆以斑点的形式喷涂在黑漆上，形成散斑。在模型内部布置声发射传感器，并与声发射测试主机相连接。模型前后分别布置高速、高精度相机；将下部动态亚克力板掀开，之后进行煤层开采作业；用煤层开采完成后，将动态支护挡板关闭，以此类推，直到整个工作面开采完毕；将应力数据、声发射信号数据、岩层表面应变场数据和岩层位移数据导入电脑软件进行分析

16、综上所述，本发明具有以下有益效果：本发明提供的一种巨厚煤层大型平面物理相似模拟试验工作方法操作简单，使用方便，实用性强，安全性高，适用于巨厚煤层物理相似模拟的整套实验过程，可以稳定精准的得到开采巨厚煤层和监测记录试验过程中的物理参数，可以通过精准的调节下部开采支护挡板与上部静态支护亚克力板进行固定，防止开采过程中跨落的煤岩相似材料从模型中漏出，便于精准模拟岩层垮落过程中岩层的垮落情况与裂隙形成过程，同时搭配数字散斑测量仪、地板应力采集系统、裂隙分析系统等设备，掌握巨厚煤层开采过程中覆岩裂隙场、应力场的演化规律。最终实现安全稳定的巨厚煤层平面物理相似模拟试验，减少其他因素对相似模拟试验的影响，提高了模型试验结果的稳定性和准确性。