一种基于数值模拟研究重复采动覆岩裂隙变化实验装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术涉及一种基于数值模拟研究重复采动覆岩裂隙变化实验装置。该装置包括相似模拟试验架、底板岩层、上覆岩层、加载装置、位于底板岩层上方的下煤层和位于上覆岩层下方的上煤层。上煤层和下煤层之间有间隔岩层。相似模拟试验架的下部设有支架底板。上覆岩层中设有冒落带层、裂隙带层和弯曲下沉带层。冒落带层和裂隙带层由若干层预制岩层叠加而成。每层预制岩层均由若干预制岩块组成。本实用新型专利技术拆装简便、铺设物理模型方便、高效，基于数值模拟的特点，能准确直观模拟近距煤层群重复采动覆岩裂隙变化情况。

【技术实现步骤摘要】
一种基于数值模拟研究重复采动覆岩裂隙变化实验装置
本技术涉及一种相似模拟实验装置，具体涉及一种基于数值模拟研究重复采动覆岩裂隙变化实验装置。
技术介绍
煤层回采过程中，覆岩破坏特征以及裂隙演化规律对于矿井水、瓦斯防治具有重要意义。随着我国矿井年产量逐渐增加及开采强度不断加大，现在已逐步开始回采下煤层。由于两层主采煤层的层间距较小（平均不超过30m，属于近距煤层），在下煤层近距离重复开采后，采动影响空间将相互叠加，采动影响范围扩大，不但会形成新的采动覆岩裂隙，且原已压实稳定的覆岩裂隙在一定地质条件下有可能“活化”、“复活”并“二次发育”，将使原本没有受到破坏或采后已得到重新恢复的地表水和地下水涌入矿井，不仅造成生产损失和人员伤亡，导致多种环境负效应，而且还威胁着下部煤层（群）的大量煤炭资源的安全开采。目前研究重复采动下覆岩裂隙变化规律主要采用数值模拟和相似模拟两种方法，数值模拟可以很方便快捷的模拟计算二次或多次采动情况下覆岩裂隙变化规律，但由于其难度太大，操作人员很难准确把握各种参数设定，造成试验结果的准确性和可信度较低；利用模拟试验架进行相似模拟实验时，操作人员费时费力，试验周期非常长，并且由于每次试验模型在成型手段和方法上存在差异，导致无法保证每次相似模拟试件与模型模拟实验的一致性，因此试验结果的重复性较差，试验结果不可控制，误差非常大。针对上述问题，需要重新设计一种能快速准确模拟近距煤层重复开采覆岩裂隙变化情况的相似模拟实验装置。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本技术提供了一种拆装简便、铺设物理模型方便、高效，基于了数值模拟的特点，能准确直观模拟近距煤层群重复采动覆岩裂隙变化情况的相似模拟实验装置。本技术通过下述技术方案来实现：一种基于数值模拟研究重复采动覆岩裂隙变化的实验装置，包括相似模拟试验架、底板岩层、上覆岩层、加载装置、位于底板岩层上方的下煤层和位于上覆岩层下方的上煤层。上煤层和下煤层之间有间隔岩层。相似模拟试验架的下部设有支架底板。上覆岩层中设有位于上煤层上部的冒落带层、位于冒落带层上部的裂隙带层和位于裂隙带层上部的弯曲下沉带层。冒落带层和裂隙带层由若干层预制岩层叠加而成。每层预制岩层均由若干预制岩块组成。预制岩块沿相似模拟试验架的长度方向紧密排列。每层预制岩层中的预制岩块均包括预制岩块本体和外表层。预制岩块本体均按实际岩层的岩性由砂子、石膏、碳酸钙粉末和水预制而成。外表层是包覆在岩块本体表面的一层橡胶层。冒落带层中预制岩块的尺寸小于裂隙带层中预制岩块的尺寸。裂隙带层中预制岩层的上表面和下表面分别粘结一层无纺布胶带。通过将冒落带层和裂隙带层由若干层预制岩层叠加制作而成，可以大大提高了物理相似模拟的试验效率，缩短了试验周期，同时保证了模型试验的一致性。预制岩块本体的表面设有一层橡胶层，通过橡胶层的压缩拉伸，模拟了裂隙带层的弯曲和情况；通过在裂隙带层中煤层预制岩层的上下表面粘结无纺布胶带，利用无纺布胶带的可断裂和弯曲的性能，不但模拟了裂隙带层中岩层的断裂时的拉力，同时还模拟了岩层断裂后岩块之间铰接的状态和运动特征。进一步地，上述相似模拟试验架包括支架底板、左立柱、右立柱、前挡板和后挡板。左立柱、右立柱分别竖直固定连接在底座两端，左立柱、右立柱之间为相互平行。进一步地，上述前挡板和后挡板均与两立柱之间可拆卸活动连接。进一步地，上述前挡板和后挡板均为透明挡板，方便试验操作人员清楚观测相似模型的变化。进一步地，上述支架底板由多个钢板并列组成。每个钢板的底部设有一个控制升降的液压油缸。通过将支架底板设置为可升降结构，可以模拟研究多次采动后覆岩裂隙变化特征。进一步地，上述的上煤层和下煤层均由若干个油囊组成。每个油囊沿相似模拟试验架的长度方向依次紧密排列。油囊呈方形体，为可伸缩油囊，其材质为高强度橡胶。在模拟煤层开挖时，可根据实际需要，调节油囊中油量，快捷省力的模拟不同的采高。进一步地，上述在裂隙带层中预制岩层中设有应力传感器和位移传感器，应力传感器和位移传感器通过导线与数据采集仪和计算机连接。本技术与现有技术相比有以下优点：(a)该模拟装置拆装简便，铺设物理模型方便，实验操作人员可以通过透明的前、后挡板清楚观测相似模型的破坏稳定情况；(b)相对于现有技术，本技术通过将冒落带层和裂隙带层由若干层预制岩层叠加制作而成，可以大大提高了物理相似模拟的试验效率，缩短了试验周期，试验材料中预制岩块可重复使用，保证了模型试验的一致性，能准确快速得出多次采动下覆岩裂隙变化特征情况。附图说明附图1是本技术的一种基于数值模拟研究重复采动覆岩裂隙变化实验装置的结构示意图；图中：1-相似模拟试验架；2-钢板；3-底板岩层；4-下煤层；5-间隔岩层；6-上煤层；7-冒落带层；8-裂隙带层；9-弯曲下沉带层；10-加载装置；11-液压油缸；12-上覆岩层。具体实施方式下面基于附图和具体实施例对本技术作更进一步的说明，以便本领域内的技术人员了解本技术。一种基于数值模拟研究重复采动覆岩裂隙变化的实验装置，包括相似模拟试验架1、底板岩层3、上覆岩层12、加载装置10、位于底板岩层3上方的下煤层4和位于上覆岩层12下方的上煤层6；上煤层6和下煤层4之间有间隔岩层5；相似模拟试验架1的下部设有支架底板。上覆岩层12中设有位于上煤层6上部的冒落带层7、位于冒落带层7上部的裂隙带层8和位于裂隙带层8上部的弯曲下沉带层9；冒落带层7和裂隙带层8由若干层预制岩层叠加而成。每层预制岩层均由若干预制岩块组成，预制岩块沿相似模拟试验架1的长度方向紧密排列。每层预制岩层中的预制岩块均包括预制岩块本体和外表层；预制岩块本体均按实际岩层的岩性由砂子、石膏、碳酸钙粉末和水预制而成；外表层是包覆在岩块本体表面的一层橡胶层；冒落带层中预制岩块的尺寸小于裂隙带层中预制岩块的尺寸；裂隙带层中预制岩层的上表面和下表面分别粘结一层无纺布胶带。相似模拟试验架1包括支架底板、左立柱、右立柱、前挡板和后挡板；左立柱、右立柱分别竖直固定连接在底座两端，左立柱、右立柱之间为相互平行。前挡板和后挡板均与两立柱之间可拆卸活动连接。前挡板和后挡板均为透明挡板。支架底板由多个钢板2并列组成；每个钢板2的底部设有一个控制升降的液压油缸11。上煤层6和下煤层4均由若干个油囊组成。每个油囊沿相似模拟试验架2的长度方向依次紧密排列。油囊呈方形体，为可伸缩油囊，其材质为高强度橡胶。在裂隙带层中预制岩层中设有应力传感器和位移传感器，应力传感器和位移传感器通过导线与数据采集仪和计算机连接。在使用本装置进行相似模拟试验时，首先需要利用数值模拟，迅速研究冒落带层和裂隙带层中预制岩块的不同大小对试验结果的影响，确定合理的预制岩块大小；然后井下实际不同岩层的物理力学性能，进行配比试制不同岩层的预制岩块。以上实施方式仅用以说明本技术而并非限制本技术所描述的技术方案；因此尽管本说明书参照上述的各个实施方式对本技术已进行了详细的说明，但是本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本技术进行修改或者等同替换；而一切不脱离本技术的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本技术的权利要求范围当中。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于数值模拟研究重复采动覆岩裂隙变化的实验装置，包括相似模拟试验架（1）、底板岩层（3）、上覆岩层（12）、加载装置（10）、位于底板岩层（3）上方的下煤层（4）和位于上覆岩层（12）下方的上煤层（6）；上煤层（6）和下煤层（4）之间有间隔岩层（5）；所述相似模拟试验架（1）的下部设有支架底板，其特征在于，所述上覆岩层（12）中设有位于上煤层（6）上部的冒落带层（7）、位于冒落带层（7）上部的裂隙带层（8）和位于裂隙带层（8）上部的弯曲下沉带层（9）；所述冒落带层（7）和裂隙带层（8）由若干层预制岩层叠加而成；每层预制岩层均由若干预制岩块组成；预制岩块沿相似模拟试验架（1）的长度方向紧密排列；每层预制岩层中的预制岩块均包括预制岩块本体和外表层；预制岩块本体均按实际岩层的岩性由砂子、石膏、碳酸钙粉末和水预制而成；外表层是包覆在岩块本体表面的一层橡胶层；冒落带层中预制岩块的尺寸小于裂隙带层中预制岩块的尺寸；裂隙带层中预制岩层的上表面和下表面分别粘结一层无纺布胶带。

【技术特征摘要】
1.一种基于数值模拟研究重复采动覆岩裂隙变化的实验装置，包括相似模拟试验架（1）、底板岩层（3）、上覆岩层（12）、加载装置（10）、位于底板岩层（3）上方的下煤层（4）和位于上覆岩层（12）下方的上煤层（6）；上煤层（6）和下煤层（4）之间有间隔岩层（5）；所述相似模拟试验架（1）的下部设有支架底板，其特征在于，所述上覆岩层（12）中设有位于上煤层（6）上部的冒落带层（7）、位于冒落带层（7）上部的裂隙带层（8）和位于裂隙带层（8）上部的弯曲下沉带层（9）；所述冒落带层（7）和裂隙带层（8）由若干层预制岩层叠加而成；每层预制岩层均由若干预制岩块组成；预制岩块沿相似模拟试验架（1）的长度方向紧密排列；每层预制岩层中的预制岩块均包括预制岩块本体和外表层；预制岩块本体均按实际岩层的岩性由砂子、石膏、碳酸钙粉末和水预制而成；外表层是包覆在岩块本体表面的一层橡胶层；冒落带层中预制岩块的尺寸小于裂隙带层中预制岩块的尺寸；裂隙带层中预制岩层的上表面和下表面分别粘结一层无纺布胶带。2.如权利要求1所述的一种基于数值模拟研究重复采动覆岩裂隙变化的实验装置，其特征在于，所述相似模拟试验架（1）包括支架底板、左立柱、右立柱、前挡板和后挡...

【专利技术属性】
技术研发人员：周裕如，许猛堂，杨盛皓，赵晔，杨军，赵蔚然，
申请(专利权)人：贵州理工学院，
类型：新型
国别省市：贵州,52