本發(fā)明涉及礦井開采模擬，具體涉及一種多尺度覆巖空間結(jié)構(gòu)演化與災(zāi)害響應(yīng)仿真試驗(yàn)系統(tǒng)及工作方法。

背景技術(shù)：

1、煤炭是我國能源安全穩(wěn)定供應(yīng)的“壓艙石”和“穩(wěn)定器”。深部開采已成為煤炭資源開發(fā)的常態(tài)，與之相伴隨的上覆巖層復(fù)雜劇烈活動(dòng)及其引發(fā)的巷道破裂失穩(wěn)、沖擊地壓等安全災(zāi)害是制約煤炭安全高效開采的關(guān)鍵因素。覆巖大范圍劇烈活動(dòng)及其引發(fā)的強(qiáng)礦震等動(dòng)力災(zāi)害成為采礦學(xué)科和安全學(xué)科的在世界范圍內(nèi)的前沿難題。強(qiáng)礦震孕育發(fā)生機(jī)理及防控技術(shù)整體研究難度大，相關(guān)裝備少，當(dāng)前國內(nèi)外尚未出現(xiàn)專門針對(duì)礦震觸發(fā)機(jī)理研究的專用實(shí)驗(yàn)設(shè)備，難以深層次揭示多工作面大空間開采下高位厚硬巖層破斷失穩(wěn)觸發(fā)強(qiáng)礦震的力學(xué)機(jī)制。

2、調(diào)研發(fā)現(xiàn)相關(guān)科研需求較大，類似三維仿真設(shè)備單次試驗(yàn)成本高，操作難度大，現(xiàn)有用于煤礦開采的二維或三維相似材料模擬試驗(yàn)平臺(tái)，需要采用不同的模擬設(shè)備進(jìn)行不同的試驗(yàn)，因此需要針對(duì)不同的試驗(yàn)采購不同的模擬試驗(yàn)設(shè)備，設(shè)備投入成本高，需要的模擬試驗(yàn)設(shè)備多，空間占地大，維護(hù)費(fèi)用較高。經(jīng)過檢索相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有相似材料模擬試驗(yàn)平臺(tái)的底部均為封閉式結(jié)構(gòu)，無法實(shí)現(xiàn)相似材料模型的底部開挖模擬，另外，現(xiàn)有的相似材料模擬試驗(yàn)平臺(tái)的四個(gè)側(cè)壁均為固定狀態(tài)，在進(jìn)行頂部記載的過程中相似材料模型的能量無法釋放，導(dǎo)致在加載過程中就會(huì)出現(xiàn)巖層斷裂的情況，因此在進(jìn)行底部開挖過程中，不能反映煤礦礦震孕育—觸發(fā)全過程的真實(shí)情況。因此，現(xiàn)有技術(shù)亟待進(jìn)一步提高和改進(jìn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的一個(gè)目的在于提出一種多尺度覆巖空間結(jié)構(gòu)演化與災(zāi)害響應(yīng)仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，解決現(xiàn)有二維或三維相似材料模擬試驗(yàn)設(shè)備投入成本高，需要的模擬試驗(yàn)設(shè)備多，空間占地大，無法進(jìn)行煤礦礦震孕育—觸發(fā)全過程三維相似材料模擬的問題。

2、為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種多尺度覆巖空間結(jié)構(gòu)演化與災(zāi)害響應(yīng)仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，包括加載試驗(yàn)主機(jī)、液壓站、配電柜和工控機(jī)，加載試驗(yàn)主機(jī)包括底座、主機(jī)架、頂部加載單元一、頂部加載單元二、底部開挖單元、緩沖釋能裝置、伸縮桿組及巖板沖壓裝置，主機(jī)架為前后兩側(cè)開放的方形框架結(jié)構(gòu)，且固定安裝在底座上方，主機(jī)架的前后兩側(cè)分別配置有一組圍板，另外，主機(jī)架還配置一組中間擋板。

3、主機(jī)架的內(nèi)側(cè)具有豎向布置的活動(dòng)立板，活動(dòng)立板的下端與主機(jī)架底部橫向滑動(dòng)配合，活動(dòng)立板通過所述伸縮桿組與主機(jī)架的右側(cè)壁可調(diào)節(jié)固定相連。

4、緩沖釋能裝置包括緩沖板及彈簧組件，所述緩沖板豎向相鄰布置在活動(dòng)立板的左側(cè)，彈簧組件有多個(gè)，以方陣的形式布置緩沖板和活動(dòng)立板之間，緩沖板通過彈簧組件與活動(dòng)立板活動(dòng)連接。

5、頂部加載單元一和頂部加載單元二相鄰設(shè)在主機(jī)架頂部，頂部加載單元一包括縱向依次相鄰布置的至少兩行第一上壓板，每行第一上壓板均包括橫向依次相鄰布置的至少兩個(gè)第一上壓板，所有第一上壓板均位于緩沖板和主機(jī)架左側(cè)壁之間。

6、頂部加載單元二包括位于第一上壓板右側(cè)且橫向依次相鄰布置的至少兩個(gè)第二上壓板，所有第二上壓板與最前側(cè)的一行第一上壓板位置對(duì)應(yīng)且呈線性布置，每個(gè)第一上壓板和第二上壓板的上方均配置有一個(gè)法向加載油缸。

7、底部開挖單元包括呈方陣相鄰布置的多個(gè)下頂板，所有下頂板均以內(nèi)嵌的方式活動(dòng)設(shè)置在主機(jī)架底部左側(cè)，各下頂板的下方均配置有一個(gè)開挖油缸，開挖油缸和法向加載油缸均由液壓站為其獨(dú)立供油或回油。

8、進(jìn)一步地，主機(jī)架包括底板、左側(cè)板、右側(cè)板和反力頂板，底板固定于底座的上表面，左、右側(cè)板豎向相對(duì)布置在底板的左右兩側(cè)，左側(cè)板和右側(cè)板的下端均與底座固定相連。

9、反力頂板位于底板的正上方，其左右兩端的底部分別與左側(cè)板和右側(cè)板的上端固定相連。

10、底板、左側(cè)板、右側(cè)板和反力頂板均包括長方形鋼板和加強(qiáng)筋框，加強(qiáng)筋框位于長方形鋼板的外壁并與其固定焊接成一體。

11、進(jìn)一步地，第一上壓板、第二上壓板及下頂板均為方形板體，第一、第二上壓板的規(guī)格一致。

12、所述底板的左側(cè)部分開設(shè)有方形口，底板上以內(nèi)嵌的方式固定有與方形口相適配的方形框體，所有下頂板均布滿方形框體的內(nèi)側(cè)區(qū)域，每個(gè)下頂板的四個(gè)側(cè)壁分別與相鄰另一下頂板的對(duì)應(yīng)側(cè)或者方形框體的內(nèi)側(cè)壁滑動(dòng)密封配合。

13、各開挖油缸均固定于底座上，其活塞桿的上端通過一個(gè)力傳感器與對(duì)應(yīng)下頂板的中心固定相連，并驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的下頂板升降。

14、進(jìn)一步地，底板右側(cè)部分的上表面固定有兩段導(dǎo)軌，兩段導(dǎo)軌一前一后平行且間隔布置，每段導(dǎo)軌均配置有與其滑動(dòng)配合的導(dǎo)滑塊，各導(dǎo)滑塊均與活動(dòng)立板的底部固定相連。

15、所述伸縮桿組包括多個(gè)伸縮桿，所有伸縮桿以平行間隔分布的方式規(guī)則設(shè)置在活動(dòng)立板與所述右側(cè)板之間。

16、所述伸縮桿包括雙向絲桿和內(nèi)絲圓筒，雙向絲桿橫向水平布置，中間位置固定有旋轉(zhuǎn)手柄，內(nèi)絲圓筒有兩個(gè)且同軸相對(duì)布置在雙向絲桿左右兩側(cè)，雙向絲桿的兩端分別旋入兩個(gè)內(nèi)絲圓筒的對(duì)應(yīng)端。

17、位于左側(cè)的內(nèi)絲圓筒左端與所述活動(dòng)立板固定相連，位于右側(cè)的內(nèi)絲圓筒右端與所述右側(cè)板固定相連，工作狀態(tài)下，通過各旋轉(zhuǎn)手柄轉(zhuǎn)動(dòng)雙向絲桿驅(qū)動(dòng)活動(dòng)立板相對(duì)于主機(jī)架左右移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)活動(dòng)立板的位置調(diào)節(jié)。

18、進(jìn)一步地，活動(dòng)立板前后端面均為左側(cè)部分向內(nèi)凹陷形成的階梯面，所述緩沖板為前后兩端向同一側(cè)彎折形成的c形鋼板，緩沖板的兩側(cè)折邊分別貼合于活動(dòng)立板前后端面并與其滑動(dòng)配合，緩沖板與活動(dòng)立板的左側(cè)壁之間形成空腔。

19、緩沖板前后兩側(cè)的折邊均具有豎向間隔開設(shè)的多個(gè)長圓孔，每個(gè)長圓孔內(nèi)均配置有一個(gè)限位螺栓，各限位螺栓旋擰在活動(dòng)立板的前端面或后端面上。

20、緩沖板的下端開設(shè)有與兩段導(dǎo)軌位置一一對(duì)應(yīng)的兩個(gè)槽口。

21、進(jìn)一步地，彈簧組件包括導(dǎo)向柱和緩沖彈簧，各所述導(dǎo)向柱橫向水平布置，其外部套設(shè)有所述緩沖彈簧，導(dǎo)向柱右端與活動(dòng)立板固定相連，左端穿出緩沖板并配置有鎖止螺母，緩沖彈簧位于緩沖板與活動(dòng)立板之間。

22、工作狀態(tài)下，緩沖板左側(cè)受到外力擠壓作用會(huì)相對(duì)于活動(dòng)立板向右移動(dòng)，擠壓緩沖彈簧。

23、進(jìn)一步地，法向加載油缸的缸體固定安裝于反力頂板上，其活塞桿下端通過力傳感器與對(duì)應(yīng)的第一上壓板或第二上壓板中心固定相連，力傳感器的信號(hào)端與工控機(jī)通訊相連。

24、每個(gè)第一上壓板和第二上壓板的上方均設(shè)有一個(gè)導(dǎo)向桿，各所述導(dǎo)向桿均配置有一個(gè)導(dǎo)向套，導(dǎo)向套固定于反力頂板上，導(dǎo)向桿下端與對(duì)應(yīng)的第一上壓板或第二上壓板頂部固定相連，上端穿設(shè)在對(duì)應(yīng)的導(dǎo)向套內(nèi)側(cè)并與其滑動(dòng)配合。

25、進(jìn)一步地，巖板沖壓裝置包括大壓板、連接柱和安裝板，所述安裝板可拆卸安裝在各所述第一上壓板的底部，大壓板位于安裝板的正下方，大壓板的頂部中心通過所述連接柱與安裝板底部固定焊接成一體。

26、進(jìn)一步地，每組圍板均包括多段槽鋼，同組的各段槽鋼在主機(jī)架的前側(cè)或后側(cè)由下往上依次相鄰布置，并與左側(cè)板、右側(cè)板及活動(dòng)立板螺栓固定相連。

27、該組中間擋板包括條狀的多個(gè)長方形鋼板，所有長方形鋼板由下往上依次相鄰布置在左側(cè)板和緩沖板之間，長方形鋼板的左右兩端分別與左側(cè)板和緩沖板可拆卸固定相連。

28、本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提出上述多尺度覆巖空間結(jié)構(gòu)演化與災(zāi)害響應(yīng)仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的工作方法。

29、一種多尺度覆巖空間結(jié)構(gòu)演化與災(zāi)害響應(yīng)仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的工作方法，基于上述多尺度覆巖空間結(jié)構(gòu)演化與災(zāi)害響應(yīng)仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，該工作方法包括如下步驟：步驟1、初始狀態(tài)下，所有下頂板處于其行程的上止點(diǎn)，各下頂板的頂部與主機(jī)架底板的上表面齊平，將所有第一上壓板調(diào)整至同一高度并處于主機(jī)架的上部；通過伸縮桿組調(diào)節(jié)活動(dòng)立板的位置，緩沖板的左側(cè)壁與最右側(cè)第一上壓板的右側(cè)壁接觸后，活動(dòng)立板的位置調(diào)整完成。

30、步驟2、在主機(jī)架的前后兩側(cè)分別安裝一個(gè)圍板，并向主機(jī)架位于其左側(cè)壁與緩沖板之間的區(qū)域鋪設(shè)第一層相似材料，并對(duì)第一層相似材料表面抹平，所有第一上壓板同步下降對(duì)第一層相似材料壓實(shí)，之后，在第一層相似材料表面放置應(yīng)力應(yīng)變片，并將應(yīng)力應(yīng)變片通過信號(hào)線與工控機(jī)相連。

31、步驟3、在主機(jī)架的前后兩側(cè)分別安裝下一個(gè)圍板，并采用步驟2中的方式鋪設(shè)第一層相似材料、抹平、壓實(shí)并放置應(yīng)力應(yīng)變片，按照上述方式依次進(jìn)行各層相似材料的鋪設(shè)，完成最后一層相似材料的鋪設(shè)后，不放置應(yīng)力應(yīng)變片，對(duì)鋪設(shè)好的相似材料模型進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

32、步驟4、相似材料模型養(yǎng)護(hù)完成后，頂部加載單元一的各第一上壓板對(duì)相似材料模型的頂部施加壓力，同時(shí)，開挖油缸驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的下頂板向下運(yùn)動(dòng)，與相似材料模型的底部分離，應(yīng)力應(yīng)變片將監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送至工控機(jī)，記錄各層相似材料的應(yīng)力變化，判斷巖層的狀態(tài)。

33、通過采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益技術(shù)效果是：本發(fā)明具備多種工作模式，用于煤礦礦震孕育-觸發(fā)全過程三維相似材料模擬，以及兩種尺寸規(guī)格的二維相似材料模擬試驗(yàn)，以及高中低巖板加載模擬試驗(yàn)，提高設(shè)備的通用性和兼容性，降低設(shè)備投入成本，另外，本發(fā)明的緩沖釋能裝置能夠避免模擬底部開挖前的加載過程中巖層受力出現(xiàn)斷裂的情況，使煤礦礦震孕育-觸發(fā)全過程模擬更加接近真實(shí)情況。

34、本發(fā)明提供的仿真試驗(yàn)系統(tǒng)研究平臺(tái)實(shí)現(xiàn)多工作面、大空間開采自動(dòng)化模擬，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)試驗(yàn)裝備的人為干擾影響大、觀測難的問題，實(shí)現(xiàn)煤礦礦震孕育-觸發(fā)全過程模擬。多尺度覆巖空間結(jié)構(gòu)演化與災(zāi)害響應(yīng)仿真試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)大埋深、強(qiáng)礦震、多工作面連續(xù)開采條件下覆巖運(yùn)移及響應(yīng)特征的二維/三維仿真模擬，實(shí)現(xiàn)了煤礦礦震、孕育、觸發(fā)全過程仿真模擬，突破了傳統(tǒng)仿真模擬單一維度、孕災(zāi)過程模擬困難等技術(shù)瓶頸。