一种天然地震对矿井工作面稳定性的模拟装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种天然地震对矿井工作面稳定性的模拟装置与方法，包括试验箱体、井下支护平台系统、不均匀载荷加载系统、振动发生系统、数据采集及控制系统。其通过预先制作好的模块化煤体模拟开采过程，并随工作面推进模拟开采扰动，通过垂直和水平应力加载系统模拟煤层三向应力状态，通过底部承压水囊提供煤层构造应力形态，探究天然地震对井下支护系统的稳定性影响，并可监测地震发生时各岩层间的应力传递规律，对研发抗震性能强的支护装置以及监测能力强的矿震监测系统提供了重要的试验基础。基础。基础。

【技术实现步骤摘要】
一种天然地震对矿井工作面稳定性的模拟装置及方法


[0001]本专利技术属于矿井开采模拟实验
，具体涉及一种天然地震对矿井工作面稳定性的模拟装置及方法。

技术介绍

[0002]随着开采规模、开采深度和开采地质复杂程度的逐渐提高，采场应力环境不断恶化，冲击地压、煤与瓦斯突出等动力灾害频繁发生，严重威胁了矿井安全生产及人员生命安全。天然地震是指地球内部缓慢积累的能量突然释放引起的地球表层的振动。其与矿震的区别是，矿震仅发生在矿区附近，均是由于人为的采矿活动而诱发，难以聚集较大的能量。由于地震的最大震级要远大于目前全球发生过的最大矿震震级，因此，天然地震所造成的危害也远大于矿震所带来的危害。我国现有的专业地震监测台网主要针对天然地震监测设置，全国仅有1000余个测震台站能在矿山突发事件中发挥作用，特别是西部地区测震台站尤为稀疏，在台网布局和专业设备选型上尚无法做到对矿山事件进行精准监测。近年来的天然地震对井下产生的影响事故频有发生，尤其是针对废旧矿井，一旦发生地震将产生不可预估的严重后果。
[0003]中国专利申请CN114113316A公开了一种三维相似模拟装置和覆岩运动的三维试验监测方法。该方法即提供一种三维相似模拟装置，通过震动波激发装置产生振动，并通过监测装置监测材料模型内部的波速分布情况，根据波速推演出应力分布情况，用离层仪对模型地表沉陷情况进行监测，结合二者监测相似材料模型覆岩结构整体的变化情况。然而该装置所提供的为模拟炸药爆破产生的振动，仍局限于局部的矿震活动，且未考虑岩层在地下所处的梯度应力状态以及该处煤体所赋存的构造应力状态，难以探究天然地震对矿井整个生产系统的影响，在实际应用中产生误差较大。
[0004]因此现有技术需要一种能够真实反映不同类型的天然地震波对井下支护系统稳定性影响的试验方法，来模拟天然地震对井下的影响机理以及探究发生地震时对井下支护系统和各岩层之间应力传递及地面塌陷的影响，并且需要一种真实反应应力状态的用于支护系统抗震稳定性研究的模拟装置，来提高试验可靠度和试验效率，便于更好的将实验结果应用到井下真实环境中。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种天然地震对矿井工作面稳定性的模拟装置及方法，目的是为了研究不同类型的天然震波对井下支护系统的影响机理，以及地震对各岩层之间力的传递影响规律。
[0006]为实现以上目的，本专利技术采用如下技术方案：一种天然地震对矿井工作面稳定性的模拟装置，其包括龙门式反力架、试验箱体、井下支护平台系统、不均匀载荷加载系统、振动发生系统、数据采集系统及控制系统；其中，所述试验箱体位于龙门式反力架内，其包括模型架、高透亚克力板、前挡板和承压
板，所述前挡板和高透亚克力板与模型架可拆卸连接，所述高透亚克力板安装在前挡板与模型架之间，所述前挡板为间隔排布，位于底部的前挡板设置于紧贴煤层底板以方便安装扰动发生装置，所述承压板设置于箱体内部左右两侧，并设置有多个，用于传递梯度水平应力，箱体内部还铺设有用于模拟煤层和岩层的相似模拟材料；所述井下支护平台系统包括顶板锚杆、金属网和电动液压支架模拟装置，所述顶板锚杆与所述金属网之间通过金属垫片接触连接，顶板锚杆与金属网铺设在右侧模拟开挖的回撤巷道内；所述电动液压支架模拟装置设置于左侧模拟回采工作面内；所述不均匀载荷加载系统包括垂直应力加载系统、两侧梯度水平应力加载系统、背侧梯度水平应力加载系统和构造应力场产生装置，所述垂直应力加载系统设置于试验箱体上方，与所述龙门式反力架上部相连，所述两侧梯度水平应力加载系统设置于试验箱体左右两侧，与龙门式反力架的左右两侧相连，并通过模型架与模型架内部左右两侧的承压板相连；所述背侧梯度水平应力加载系统设置于试验箱体背侧，与模型架相连，用于形成梯度水平应力；所述构造应力场产生装置设置于试验箱体底部，其包括多个底部承压水囊，通过底部承压水囊体积膨胀而产生塑性变形，以对煤层底部施加构造应力，形成倾斜、褶曲的地质构造；所述振动发生系统包括工作面开采扰动发生装置和地震模拟震动台，分别设置于紧贴煤层底板的前挡板和龙门式反力架底部，工作面开采扰动发生装置用于模拟工作面开采产生的扰动，地震模拟震动台用于模拟产生采空区大面积塌陷的天然地震。
[0007]优选的，模型架由铁质材料制成，所述高透亚克力板安装在前挡板与模型架之间，所述前挡板为间隔排布，用于提供作用反力以提高结构稳定性，且在煤层开采水平形成一定高度观察窗口，方便模拟煤层开挖并方便可视化观测内部岩层变化状况。
[0008]优选的，所述顶板锚杆、金属网和金属垫片由胶水提前黏合成多个整体，并在回撤巷道开挖后用长夹子伸入巷道分别插入巷道顶板，所述顶板锚杆为螺旋状长金属钉，在金属网上侧的所述顶板锚杆上布置有测力传感器，用于模拟监测巷道顶板应力变化。
[0009]优选的，所述电动液压支架模拟装置由多个电动液压支架车并排组成，所述电动液压支架车由支撑板、应力传感器、弧形伸缩机构、架体和电动滚轮组成，所述电动滚轮通过外部的所述控制系统控制行进方向，模拟液压支架自动跟机移架，所述架体和支撑板之间由弧形伸缩机构连接，模拟支撑顶板压力，所述支撑板上安装有应力传感器，用于模拟监测顶板来压。
[0010]优选的，所述背侧梯度水平应力加载系统包括注水装置和多排背侧承压水囊，所述背侧承压水囊之间由隔板分隔开，所述注水装置与背侧承压水囊相连，通过所述注水装置7注入和监测水压以形成梯度水平应力。
[0011]优选的，所述构造应力场产生装置包括软板和底部承压水囊，设置于试验箱体底部，与模型架相连，所述注水装置与底部承压水囊相连，通过注入和监测水压以形成底部构造应力；所述底部承压水囊设置为多个且通过底部隔板隔开，所述底部承压水囊上部盖有所述软板，所述软板为光滑塑性软板，可随底部承压水囊体积膨胀而产生塑性变形，通过单一或组合底部承压水囊注水加压向上升起可对煤层底部施加构造应力，形成倾斜、褶曲的地质构造。
[0012]优选的，所述工作面开采扰动发生装置由导轨、电动滑块、铆钉和小型振动发生器
组成，所述小型振动发生器通过铆钉与电动滑块连接，所述电动滑块与导轨滑动连接，可通过所述控制系统驱动以沿导轨行进，所述导轨与紧贴煤层底板的所述前挡板连接，所述小型振动发生器可贴近工作面前方煤体以产生可调节的振动频率，模拟工作面开采产生的扰动，所述地震模拟震动台设置于所述龙门式反力架架座内的底部，与所述模型架底部通过卡扣相连，用于模拟产生采空区大面积塌陷的天然地震。
[0013]优选的，所述数据采集系统包括声发射监测系统、应力监测系统和微震监测系统，分别通过声发射传感器、应力传感器和拾震式传感器埋置于不同岩层之间，当工作面回采以及采空区垮落时各传感器监测相应信号并通过连线传送至外部的控制系统进行分析。
[0014]优选的，在模拟地层中还布设有位移采集系统，其利用位移传感器探究天然地震发生后井下至地表各岩层应力传递的时空演变规律。
[0015]优选的，所述控制系统为外部计算机，计算机中安装实时记录软件本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种天然地震对矿井工作面稳定性的模拟装置，其包括龙门式反力架、试验箱体、井下支护平台系统、不均匀载荷加载系统、振动发生系统、数据采集系统及控制系统；其特征在于，所述试验箱体位于龙门式反力架内，其包括模型架、高透亚克力板、前挡板和承压板，所述前挡板和高透亚克力板与模型架可拆卸连接，所述高透亚克力板安装在前挡板与模型架之间，所述前挡板为间隔排布，位于底部的前挡板设置为紧贴煤层底板以方便安装扰动发生系统，所述承压板设置于试验箱体内部左右两侧，并设置有多个，用于传递梯度水平应力，试验箱体内部还铺设有用于模拟煤层和岩层的相似模拟材料；所述井下支护平台系统包括顶板锚杆、金属网和电动液压支架模拟装置，所述顶板锚杆与所述金属网之间通过金属垫片接触连接，顶板锚杆与金属网铺设在右侧模拟开挖的回撤巷道内；所述电动液压支架模拟装置设置于左侧模拟回采工作面内；所述不均匀载荷加载系统包括垂直应力加载系统、两侧梯度水平应力加载系统、背侧梯度水平应力加载系统和构造应力场产生装置，所述垂直应力加载系统设置于试验箱体上方，与所述龙门式反力架上部相连，所述两侧梯度水平应力加载系统设置于试验箱体左右两侧，与龙门式反力架的左右两侧相连，并通过模型架与试验箱体内部左右两侧的承压板相连；所述背侧梯度水平应力加载系统设置于试验箱体背侧，与模型架相连，用于形成梯度水平应力；所述构造应力场产生装置设置于试验箱体底部，其包括多个底部承压水囊，通过底部承压水囊体积膨胀而产生塑性变形，以对煤层底部施加构造应力，形成倾斜、褶曲的地质构造；所述振动发生系统包括工作面开采扰动发生装置和地震模拟震动台，分别设置于紧贴煤层底板的前挡板和龙门式反力架底部，工作面开采扰动发生装置用于模拟工作面开采产生的扰动，地震模拟震动台用于模拟产生采空区大面积塌陷的天然地震。2.如权利要求1所述的一种天然地震对矿井工作面稳定性的模拟装置，其特征在于，模型架由铁质材料制成，所述高透亚克力板安装在前挡板与模型架之间，所述前挡板为间隔排布，用于提供作用反力以提高结构稳定性，且在煤层开采水平形成一定高度观察窗口，方便模拟煤层开挖并方便可视化观测内部岩层变化状况。3.如权利要求1或2所述的一种天然地震对矿井工作面稳定性的模拟装置，其特征在于，所述顶板锚杆、金属网和金属垫片由胶水提前黏合成多个整体，并在回撤巷道开挖后用长夹子伸入巷道分别插入巷道顶板，所述顶板锚杆为螺旋状长金属钉，在金属网上侧的所述顶板锚杆上布置有测力传感器，用于模拟监测巷道顶板应力变化。4.如权利要求3所述的一种天然地震对矿井工作面稳定性的模拟装置，其特征在于，所述电动液压支架模拟装置由多个电动液压支架车并排组成，所述电动液压支架车由支撑板、应力传感器、弧形伸缩机构、架体和电动滚轮组成，所述电动滚轮通过外部的所述控制系统控制行进方向，以模拟液压支架自动跟机移架，所述架体和支撑板之间由弧形伸缩机构连接，模拟支撑顶板压力，所述支撑板上安装有应力传感器，用于模拟监测顶板来压。5.如权利要求4所述的一种天然地震对矿井工作面稳定性的模拟装置，其特征在于，所述背侧梯度水平应力加载系统包括注水装置和多排背侧承压水囊，所述背侧承压水囊之间由隔板分隔开，所述注水装置与背侧承压水囊相连，通过所述注水装置注入和监测水压以形成梯度水平应力。
6.如权利要求5所述的一种天然地震对矿井工作面稳定性的模拟装置，其特征在于，所述构造应力场产生装置包括软板和底部承压水囊，设置于试验箱体底部，与模型架相连，所述注水装置与底部承压水囊相连，通过注入和监测水压以形成底部构造应力；所述底部承压水囊设置为多个且通过底部隔板隔开，所述底部承压水囊上部盖有所述软板，所述软板为光滑塑性软板，可随底部承压水囊体积膨胀而产生塑性变形，通过单一或组合底部承压水囊注水加压向上升起以对煤层底部施加构造应力，形成倾斜、褶曲的地质构造。7.如权利要求6所述的一种天然地震对矿井工作面稳定性的模拟装置，其特征在于，所述工作面开采扰动发生装置由导轨、电动滑块、铆钉和小型振动发生器组成，所述小型振动发生器通过铆钉与电动滑块连接，所述电动滑块与导轨滑动连接，其通过所述控制系统驱动以沿导轨行进，所述导轨与紧贴煤层底板的所述前挡板连接，所述小型振动发生器贴近工作面前方煤体以产生可...

【专利技术属性】
技术研发人员：李学龙，陈绍杰，陈东祺，刘淑敏，尹大伟，神文龙，邹全乐，翟明华，孔彪，付建华，刘江伟，孙中光，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：