本發(fā)明涉及一種三維巖層移動相似物理模擬實(shí)驗(yàn)平臺，尤其涉及采動覆巖破斷型式及運(yùn)動特征的三維多功能實(shí)驗(yàn)平臺，屬于煤炭開采領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

為了更好地保證地下礦山的安全生產(chǎn),最大限度地開采礦產(chǎn)資源、保護(hù)礦區(qū)環(huán)境和地面設(shè)施,必須掌握礦山壓力及巖層活動規(guī)律,這是采礦學(xué)科最基礎(chǔ)的研究之一。

隨著采礦工程學(xué)科的發(fā)展，在研究礦山壓力及巖層運(yùn)動規(guī)律的過程中逐漸形成了數(shù)值模擬，物理模擬及現(xiàn)場實(shí)測三種研究方法。其中現(xiàn)場實(shí)測所固有的周期較長、耗費(fèi)大量的人力、物力,受現(xiàn)場條件限制嚴(yán)重、局限性大；礦山現(xiàn)有的測量儀器功能單一，或僅能得到采場空間局部數(shù)據(jù)，對未測區(qū)域需進(jìn)行合理的理論分析且很難得到驗(yàn)證；而在引進(jìn)其他領(lǐng)域的先進(jìn)儀器過程中要考慮煤礦井下惡劣的工作環(huán)境，到目前為止仍是一個沒能很好解決的問題。采礦方面的數(shù)值模擬由于軟件的局限性目前還難以精確地處理采動后巖體應(yīng)力分布、大變形移動破壞、冒落后的物性變化等的演變過程,缺乏進(jìn)行精確計(jì)算所必須的真實(shí)原巖應(yīng)力場,真實(shí)巖體物理力學(xué)參數(shù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù),其計(jì)算結(jié)果也就往往無法模擬真實(shí)結(jié)果。而在進(jìn)行研究采場上覆巖層破裂，冒落和移動規(guī)律以及關(guān)鍵層破斷規(guī)律時(shí)，相似物理模擬實(shí)驗(yàn)成為一種公認(rèn)的可行的研究手段。

目前，國內(nèi)外的相似模擬實(shí)驗(yàn)大多為二維模擬實(shí)驗(yàn)，對模型邊界條件作了很大的簡化，模擬結(jié)果往往也與實(shí)際情況存在著較大差異，同時(shí)也無法觀察某一層巖層在采動過程中的空間破斷特征。部分學(xué)者也對三維相似模擬實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行了研究，但是對開采參數(shù)如工作面面寬、采高、埋深等控制比較單一。因此，有必要發(fā)明一種可以自由調(diào)整開采參數(shù)的研究采動覆巖破斷型式及運(yùn)動特征的三維物理模擬實(shí)驗(yàn)平臺，研究工作面采后覆巖破斷結(jié)構(gòu)的運(yùn)移特征，模型開采后自上而下分層剝離相似材料巖層，重點(diǎn)揭露覆巖各關(guān)鍵層的平剖面裂隙產(chǎn)狀，再三維重現(xiàn)遠(yuǎn)近場關(guān)鍵層歷次破斷結(jié)構(gòu)的空間對應(yīng)關(guān)系；通過在煤層底板遍布壓力監(jiān)測系統(tǒng)，以反映工作面的來壓位置及強(qiáng)度狀況。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提供結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，不僅能得到采場覆巖破斷型式及運(yùn)動特征，而且能模擬多重采礦場景的采動覆巖破斷型式及運(yùn)動特征的三維多功能實(shí)驗(yàn)平臺。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的采動覆巖破斷型式及運(yùn)動特征的三維多功能實(shí)驗(yàn)平臺，包括試驗(yàn)桌體和設(shè)置在試驗(yàn)桌體上方的巖體模擬裝置：

試驗(yàn)桌體包括支架，支架一側(cè)對邊設(shè)有兩塊固定橫梁，兩側(cè)固定橫梁的中下部焊接帶有螺孔的托架，支架另一側(cè)對邊設(shè)有兩塊寬夾板，固定橫梁和寬夾板通過焊接在支架上形成四邊框體，支架下方設(shè)有與支架面積匹配的垂直升降板，垂直升降板上橫向排布有多個水平抽板，垂直升降板下方的四角位置設(shè)有短支撐柱，多組水平抽板成對橫向排布固定在寬夾板中,便于向外抽出，成對的水平抽板之間縱向設(shè)有附加橫梁；

巖體模擬裝置包括用于制作模擬巖層的模具，支架包括四塊相互拼接組合的豎直薄板，埋深模擬裝置包括氣袋，氣袋上方設(shè)有多塊透明板，多塊透明板的面積與支架頂部相匹配。

水平抽板為“工”字型。氣袋與透明板采用pvc透明材料。兩側(cè)固定橫梁中下部的托架，托架與附加橫梁的兩端用螺母固定。薄板的上邊界設(shè)有可以與三塊透明板連接的螺孔，并使用螺母連接封頂。

一種采動覆巖破斷型式及運(yùn)動特征試驗(yàn)方法，其步驟如下：

根據(jù)模擬的開采工作面結(jié)構(gòu)在垂直升降板上設(shè)置所有水平抽板和橫梁的位置形成模擬工作面底板，用千斤頂將垂直升降板撐起頂住模擬工作面底板；

按比例將沙子、碳酸鈣、石膏和水進(jìn)行混合，模擬被測巖層的結(jié)構(gòu)均勻鋪設(shè)在模擬工作面底板上，模擬被測巖層底部模擬采煤工作面的頂板，待模擬被測巖層干硬后將未充氣的氣袋覆蓋在模擬被測巖層之上，將多塊透明板用螺母固定在豎直薄板上對支架進(jìn)行封頂；

使用氣泵向氣袋內(nèi)充氣，氣袋膨脹后與連成一體的豎直薄板和透明板相接觸，保持氣袋的受擠壓狀態(tài)即模擬對巖層上邊界持續(xù)的均布載荷；

根據(jù)試驗(yàn)需要通過千斤頂控制垂直升降板下降一定高度，模擬相應(yīng)工作面采高，此時(shí)模擬的采高為垂直升降板下降高度和水平抽板厚度之和，從支架一端開始依次將水平抽板向外抽出一定距離，從而模擬覆巖下開采的工作面寬度，并通過順序?qū)⑺匠榘逑蛲獬槌瞿M工作面推進(jìn)，隨著模擬工作面的推進(jìn)，當(dāng)模擬被測巖層底部模擬的頂板懸露面積達(dá)到一定程度時(shí)，模擬被測巖層由下而上逐層發(fā)生破斷，破斷范圍逐層遞減，破斷高度與巖層破斷角及關(guān)鍵層位置有關(guān)，以此類推直至所有水平抽板抽完，模擬覆巖下的工作面開采完畢；

將所有水平抽板成對設(shè)置在垂直升降板上，且水平抽板向內(nèi)側(cè)對齊形成一個完整的平面，從而構(gòu)成單工作面開采時(shí)的模擬工作面底板。

用螺栓將附加橫梁與支架兩側(cè)的托架連接固定，升起垂直升降板使垂直升降板頂部與附加橫梁接觸，在支架兩側(cè)的寬夾板內(nèi)成對設(shè)置水平抽板，使附加橫梁的頂面與水平抽板的底面在同一水平高度，將水平抽板的內(nèi)側(cè)一端搭置在附加橫梁的長邊邊緣處，搭接部分外側(cè)一端夾在寬夾板內(nèi)，此時(shí)所有水平抽板構(gòu)成中間隔有附加橫梁形成的凹槽的兩個模擬工作面煤層，凹槽底部為附加橫梁的頂面裸露部分，按照煤層參數(shù)的相似比將沙子、碳酸鈣、石膏和水進(jìn)行攪拌，并將混合物填滿凹槽，使水平抽板與混合物形成一個完整的平面，其中凹槽內(nèi)的混合物即模擬相鄰兩個工作面之間留設(shè)的煤柱。

控制千斤頂控制垂直升降板下降高度h1，模擬相應(yīng)工作面采高，此時(shí)模擬的采高為高度h1加上模擬工作面底板的水平抽板厚度，從支架一端開始將成對的水平抽板分別向兩側(cè)抽出相同距離，設(shè)首先向兩側(cè)抽出的水平抽板為a板和b板，如a板向外抽出1m，b板向外抽出1m，則模擬覆巖下開采的單個工作面寬度為2m，將第二組水平抽板c板和d板向兩側(cè)抽出相同的距離，以此類推，直至所有水平抽板抽完，模擬了覆巖下寬度為2m的單個工作面開采完畢。

用千斤頂將垂直升降板下降高度h2，此時(shí)所模擬的采高為h2加上水平抽板和附加橫梁的厚度，接著從支架一端開始將同一邊的水平抽板向外側(cè)依次抽出，設(shè)首先向外側(cè)抽出的前兩塊水平抽板為a板和c板，如a板向外抽出1m，即模擬覆巖下開采的單個工作面寬度為1m，再將c板向外抽出1m，以此類推，直至將同一邊的水平抽板抽完，模擬了覆巖下寬度為1m的單個工作面開采完畢，設(shè)另一邊向外測抽出的前兩塊水平抽板為b板和d板，先將b板向外抽出1m，即模擬覆巖下開采的第二個工作面寬度為1m，再將d板向外抽出1m，以此類推，直至另一邊的水平抽板抽完，模擬覆巖下寬度均為1m的相鄰兩個工作面開采完畢。

有益效果：

1、通過同位的水平抽板向兩側(cè)抽取多種距離來控制模擬工作面寬度，保留模擬開采的工作面邊界煤柱，解決現(xiàn)有的三維相似模擬實(shí)驗(yàn)裝置控制工作面寬度單一、沒有邊界煤柱與實(shí)際情況不符的問題；

2、利用氣袋加壓裝置改變了以往液壓、機(jī)械加壓的傳統(tǒng)模式，可以實(shí)現(xiàn)在巖層斷裂下沉的情況下仍保證垂直巖層向下的均勻載荷，并且上部三塊透明板與氣袋選用pvc透明材料可以實(shí)時(shí)觀察破斷的動態(tài)過程，結(jié)構(gòu)簡單，材料易得；

3、通過增加一個附加橫梁實(shí)現(xiàn)從模擬研究單工作面開采覆巖破斷型式及運(yùn)動特征轉(zhuǎn)換為模擬研究相鄰兩個工作面依次開采覆巖破斷型式及運(yùn)動特征，結(jié)構(gòu)巧妙，操作方便。

附圖說明

圖1是本發(fā)明采動覆巖破斷型式及運(yùn)動特征的三維多功能實(shí)驗(yàn)平臺的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明采動覆巖破斷型式及運(yùn)動特征的三維多功能實(shí)驗(yàn)平臺的支架俯視圖；

圖3是本發(fā)明采動覆巖破斷型式及運(yùn)動特征的三維多功能實(shí)驗(yàn)平臺的支架左視圖；

圖4是本發(fā)明采動覆巖破斷型式及運(yùn)動特征的三維多功能實(shí)驗(yàn)平臺的支架主視圖。

圖中：1-支架，2-固定橫梁，3-寬夾板，4-水平抽板，5-垂直升降板，6-短支撐柱，7-托架，8-豎直薄板，9-氣袋，10-透明板，11-附加橫梁。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的一個實(shí)施例作進(jìn)一步描述：

如圖1、圖2、圖3和圖4所示，本發(fā)明的采動覆巖破斷型式及運(yùn)動特征的三維多功能實(shí)驗(yàn)平臺包括試驗(yàn)桌體和設(shè)置在試驗(yàn)桌體上方的巖體模擬裝置：

其中試驗(yàn)桌體包括支架1，支架1一側(cè)對邊設(shè)有兩塊固定橫梁2，兩側(cè)固定橫梁2的中下部焊接帶有螺孔的托架7，支架1另一側(cè)對邊設(shè)有兩塊寬夾板3，固定橫梁2和寬夾板3通過焊接在支架1上形成四邊框體，支架1下方設(shè)有與支架1面積匹配的垂直升降板5，垂直升降板5上橫向排布有多個水平抽板4，水平抽板4為“工”字型，垂直升降板5下方的四角位置設(shè)有短支撐柱6，多組水平抽板4成對橫向排布固定在寬夾板3中,便于向外抽出，成對的水平抽板4之間縱向設(shè)有附加橫梁11，兩側(cè)固定橫梁2中下部的托架7，托架7與附加橫梁11的兩端用螺母固定；

巖體模擬裝置包括用于制作模擬巖層的模具，支架包括四塊相互拼接組合的豎直薄板8，埋深模擬裝置包括氣袋9，氣袋9上方設(shè)有多塊透明板10，多塊透明板10的面積與支架頂部相匹配，薄板8的上邊界設(shè)有可以與三塊透明板10連接的螺孔，并使用螺母連接封頂，氣袋9與透明板10采用pvc透明材料。

一種采動覆巖破斷型式及運(yùn)動特征的試驗(yàn)方法，其步驟如下：

根據(jù)模擬的開采工作面結(jié)構(gòu)在垂直升降板5上設(shè)置所有水平抽板4和橫梁11的位置形成模擬工作面底板，用千斤頂將垂直升降板5撐起頂住模擬工作面底板；

按比例將沙子、碳酸鈣、石膏和水進(jìn)行混合，模擬被測巖層的結(jié)構(gòu)均勻鋪設(shè)在模擬工作面底板上，模擬模擬被測巖層底部模擬采煤工作面的頂板，待模擬被測巖層干硬后將未充氣的氣袋9覆蓋在模擬被測巖層之上，將多塊透明板10用螺母固定在豎直薄板8上對支架進(jìn)行封頂；

使用氣泵向氣袋9內(nèi)充氣，氣袋9膨脹后與連成一體的豎直薄板8和透明板10相接觸，保持氣袋9的受擠壓狀態(tài)即模擬對巖層上邊界持續(xù)的均布載荷；

根據(jù)試驗(yàn)需要控制千斤頂控制垂直升降板5下降一定高度，模擬相應(yīng)工作面采高，此時(shí)模擬的采高為垂直升降板5下降高度和水平抽板4厚度之和，從支架一端開始依次將水平抽板4向外抽出一定距離，從而模擬覆巖下開采的工作面寬度，并通過順序?qū)⑺匠榘?向外抽出模擬工作面推進(jìn)，隨著模擬工作面的推進(jìn)，當(dāng)模擬被測巖層底部模擬的頂板懸露面積達(dá)到一定程度時(shí)，模擬被測巖層由下而上逐層發(fā)生破斷，破斷范圍逐層遞減，破斷高度與巖層破斷角及關(guān)鍵層位置有關(guān)，以此類推直至所有水平抽板4抽完，模擬覆巖下的工作面開采完畢；

模擬單工作面開采研究采動覆巖破斷型式及運(yùn)動時(shí)：將所有水平抽板4成對設(shè)置在垂直升降板5上，且水平抽板4向內(nèi)側(cè)對齊形成一個完整的平面，從而構(gòu)成單工作面開采時(shí)的模擬工作面底板；控制千斤頂控制垂直升降板5下降高度h1，模擬相應(yīng)工作面采高，此時(shí)模擬的采高為高度h1加上模擬工作面底板的水平抽板4厚度，從支架一端開始將成對的水平抽板4分別向兩側(cè)抽出相同距離，設(shè)首先向兩側(cè)抽出的水平抽板4為a板和b板，如a板向外抽出1m，b板向外抽出1m，則模擬覆巖下開采的單個工作面寬度為2m，將第二組水平抽板4c板和d板向兩側(cè)抽出相同的距離，以此類推，直至所有水平抽板4抽完，模擬了覆巖下寬度為2m的單個工作面開采完畢。

模擬雙工作面開采研究采動覆巖破斷型式及運(yùn)動時(shí)：用螺栓將一根寬度為25厘米的附加橫梁11與支架1兩側(cè)的托架7連接固定升起垂直升降板5使垂直升降板5頂部與附加橫梁11接觸，在支架1兩側(cè)的寬夾板3內(nèi)成對設(shè)置水平抽板4，使附加橫梁11的頂面與水平抽板4的底面在同一水平高度，將水平抽板4的內(nèi)側(cè)一端搭置在附加橫梁11的長邊邊緣處，搭接部分長度約為2.5厘米，外側(cè)一端夾在寬夾板3內(nèi)，此時(shí)所有水平抽板4構(gòu)成中間隔有附加橫梁11形成的凹槽的兩個模擬工作面煤層，凹槽底部為附加橫梁11的頂面裸露部分，凹槽寬度為20厘米。按照煤層參數(shù)的相似比將沙子、碳酸鈣、石膏和水進(jìn)行攪拌，并將混合物填滿凹槽，使水平抽板4與混合物形成一個完整的平面，其中凹槽內(nèi)的混合物即模擬相鄰兩個工作面之間留設(shè)的煤柱；用千斤頂將垂直升降板5下降高度h2，此時(shí)所模擬的采高為h2加上水平抽板4和附加橫梁11的厚度，接著從支架一端開始將同一邊的水平抽板4向外側(cè)依次抽出，設(shè)首先向外側(cè)抽出的前兩塊水平抽板4為a板和c板，如a板向外抽出1m，即模擬覆巖下開采的單個工作面寬度為1m，再將c板向外抽出1m，以此類推，直至將同一邊的水平抽板抽完，模擬了覆巖下寬度為1m的單個工作面開采完畢，設(shè)另一邊向外測抽出的前兩塊水平抽板4為b板和d板，先將b板向外抽出1m，即模擬覆巖下開采的第二個工作面寬度為1m，再將d板向外抽出1m，以此類推，直至另一邊的水平抽板抽完，模擬覆巖下寬度均為1m的相鄰兩個工作面開采完畢。