一种塌陷型矿震井联合监测物理模拟装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于矿震监测技术领域，具体涉及一种塌陷型矿震井联合监测物理模拟装置及方法，通过多种监测方式的耦合，在相似材模拟料试验中模拟坚硬顶板塌陷过程，联合监测坚硬顶板塌落过程中的采场覆岩结构特征、岩体裂隙发育程度、地表沉降特征、矿山压力及其显现等变化情况，绘制相应的应力应变曲线，声发射结果图等，进而预测实际开挖过程中坚硬顶板塌落情况，对于现实工程具有实际研究指导价值。于现实工程具有实际研究指导价值。于现实工程具有实际研究指导价值。

【技术实现步骤摘要】
一种塌陷型矿震井联合监测物理模拟装置及方法


[0001]本专利技术属于矿震监测
，具体涉及一种塌陷型矿震井联合监测物理模拟装置及方法。

技术介绍

[0002]塌陷地震一般发生在煤田分布区，其是由于煤层开采形成大面积采空区而引起顶板及上覆地层塌落的一种地震活动现象。塌陷地震主要发生于坚硬顶板的采空区，且采空区面积超过一万平方米。在煤层开采过程中，坚硬顶板因自身性质难以短时间内自然冒落，容易转变为大面积悬板状态，随着工作面的推进，采空区面积的不断加大，坚硬顶板因不能承受上方岩层施加的载荷而断裂，导致塌陷地震的形成。
[0003]目前，对塌陷地震进行模拟的研究文献相对较少，且只能对塌陷前后进行比对，无法对实际开挖过程中坚硬顶板塌落情况进行及时预测，例如，中国专利ZL201810453889.7公开了一种煤矿教学中可模拟矿区地表塌陷的装置，可用于模拟含水层上采煤的过程，当覆岩因煤层开采塌陷时，其通过一个直尺竖直测量塌陷点，通过水平激光仪在直尺上的映射点到塌陷点的距离在直尺上读出塌陷尺寸，从而掌握整个塌陷的情况，并计算出塌陷角等参数，该装置无法模拟坚硬顶板塌落形成的塌陷地震，也无法实现对坚硬顶板塌落情况进行及时预测。
[0004]塌陷地震同构造地震一样，其发生和发展也是有征兆的。一般而言，围岩顶板加速下沉、底板鼓起、地面下沉、顶板下降速度加快等变形异常现象均是塌陷地震发生前的预兆。基于此，有必要对现有技术进行进一步改进，实现对塌陷地震的及时、高效的模拟及预测。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对现有技术存在的以上问题，提出了一种塌陷型矿震井联合监测物理模拟装置及方法，目的是为了实现对塌陷地震的及时、高效的模拟，模拟坚硬顶板塌陷形成的塌陷地震的变化过程，根据其变化规律预测塌陷地震塌陷情况。
[0006]为实现以上目的，本专利技术通过以下技术方案实现：一种塌陷型矿震井联合监测物理模拟装置，其包括相似材料铺设系统、压力加载系统、动力系统、监测系统和控制系统，其中，相似材料铺设系统包括承载底座、反力墙、顶部横梁、限位板、前部挡板、铺设台、定位卡扣、后部分层挡板和相似模拟材料，其中，所述承载底座水平设置，其上端面呈左右对称设置有两个定位卡扣，所述反力墙为左右对称设置的两个，所述反力墙的墙面沿前后方向设置，左右对称设置的两个反力墙的底端分别通过定位卡扣与承载底座相连接，所述两个反力墙的顶端与顶部横梁固定连接从而形成试验槽，所述试验槽的横截面呈“口”字形并与承载底座同轴分布；所述限位板为两个，两个所述限位板均设置在所述试验槽内且分
布于试验槽内的左右两侧；所述前部挡板与左右两侧的限位板在前侧可拆卸的固定连接，所述后部分层挡板为在竖直方向上分层设置的多个，各后部分层挡板与左右两侧的限位板在后侧可开合的连接以使得各后部分层挡板可单独的分层打开；所述试验槽内在承载底座上表面设置有铺设台，所述相似模拟材料分层铺设在所述铺设台上，并位于所述限位板、后部分层挡板和前部挡板所围成的腔体内，所述相似模拟材料至少包括煤层模拟材料、坚硬顶板模拟材料和岩层模拟材料，所述坚硬顶板模拟材料设置在煤层模拟材料的正上方，用于模拟坚硬顶板，所述煤层模拟材料用于模拟煤层，在煤层模拟材料的下方和坚硬顶板模拟材料的上方分别设置有用于模拟对应岩层的岩层模拟材料。
[0007]优选的，压力加载系统包括竖向静载液压加载机构和侧向梯级加载机构，其中，竖向静载液加载机构用于竖向加压夯实相似模拟材料，侧向梯级加载机构用于向相似模拟材料提供侧向梯级压力，侧向梯级加载机构中的各侧向液压油缸的推力在竖直方向上随高度的下降而依次增加。
[0008]优选的，所述竖向静载液压加载机构包括多个竖向设置的竖向液压油缸和连接在各竖向液压油缸底部的加载板，各加载板位于相似模拟材料的上方，通过各竖向液压油缸对与其对应的加载板施力，进而实现对相似模拟材料的夯实；所述侧向梯级加载机构包括多个水平设置的侧向液压油缸和与各侧向液压油缸相连接的压力板，各压力板分布在靠近相似模拟材料的一侧，各侧向液压油缸穿透对应的限位板设置，且各侧向液压油缸在远离对应的压力板的一侧连接至对应的反力墙上，各侧向液压油缸均分别包括活塞缸和活塞杆，对应的限位板上设置有供活塞杆穿过的孔，活塞杆在远离活塞缸的一端固定连接压力板，活塞缸在远离活塞杆的一端与对应的反力墙固定连接。
[0009]优选的，所述监测系统包括信号传输数据线、应力传感器、应变传感器、数字散斑、声发射传感器、第一摄像机、第二摄像机和表面变形监测装置，其中，所述应力传感器埋设在所述相似模拟材料的煤层模拟材料和岩层模拟材料内，用于实时监测煤层和各岩层所受应力变化情况；所述应变传感器埋藏于所述相似模拟材料所模拟的煤层、坚硬顶板和各岩层之间的交界处，用于监测层间应变变化情况；所述数字散斑喷洒在所述相似模拟材料的地表上，用于实时获取地表变形情况；所述声发射传感器埋设在所述煤层模拟材料内、所述煤层模拟材料底部的岩层模拟材料内和所述坚硬顶板模拟材料顶部的岩层模拟材料内，用于监测煤层和坚硬顶板层的内部裂隙发育情况；所述第一摄像机安装在前部挡板的前侧，通过观测并记录煤层开采时所述相似模拟材料中各层的位移情况来监测坚硬顶板破坏变化情况；所述第二摄像机安装在限位板的远离相似模拟材料的一侧，且其镜头与相似模拟材料所模拟的经夯实后的地表表面相对，所述表面变形监测装置安设在相似模拟材料所模拟的地表表面，用于实时表现并监测表面位移、倾斜等参数的变化，所述第二摄像机用于观测并记录地表数字散斑、表面变形监测装置的变化来分析地表表面在坚硬顶板破裂时的位移变化情况。
[0010]与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：本专利技术通过多种监测方式的耦合，在相似材模拟料试验中模拟坚硬顶板塌陷过程，联合监测坚硬顶板塌落过程中的采场覆岩结构特征、岩体裂隙发育程度、地表沉降特征、矿山压力及其显现等变化情况，绘制相应的应力应变曲线，声发射结果图等，进而预测实际开挖过程中坚硬顶板塌落情况，对于现实工程具有实际研究指导价值；在进行传感器
设置时，坚硬顶板所在模拟层未设置任何传感器，通过其上下侧的声发射传感器的采集的声波来反映坚硬顶板层的破裂情况，以及通过对应的应变传感器、应力传感器来反映应力变化和变形情况，实验结构更接近真实地层的坚硬顶板塌落情况。
附图说明
[0011]此处所说明的附图用来提供对本专利技术实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本专利技术实施例的限定。在附图中：图1为本专利技术塌陷型矿震井联合监测物理模拟装置的主视结构示意图；图2为本专利技术塌陷型矿震井联合监测物理模拟装置的局部结构示意图；图3为本专利技术塌陷型矿震井联合监测物理模拟装置所用监测横担的主体仰视示意图；图4为本专利技术塌陷型矿震井联合监测物理模拟装置所用铺设台的后视结构示意图；图5为本专利技术塌陷型矿震井联合监测物理模拟装置的立体结构示意图；图6为本专利技术塌陷型矿震井联合监测物理模拟装置相似材料铺设系统局部剖视示意图；图7为本专利技术所用表面变形监测装置结构示意图；其中，1
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种塌陷型矿震井联合监测物理模拟装置，其包括相似材料铺设系统（1）、压力加载系统（2）、动力系统（3）、监测系统（4）和控制系统（5），其特征在于，所述相似材料铺设系统（1）包括承载底座（11）、反力墙（12）、顶部横梁（13）、限位板（14）、前部挡板（15）、铺设台（16）、定位卡扣（17）、后部分层挡板（18）和相似模拟材料（19），其中，所述承载底座（11）水平设置，其上端面呈左右对称设置有两个定位卡扣（17），所述反力墙（12）为左右对称设置的两个，所述反力墙（12）的墙面沿前后方向设置，左右对称设置的两个反力墙（12）的底端分别通过定位卡扣（17）与承载底座（11）相连接，所述两个反力墙（12）的顶端与顶部横梁（13）固定连接从而形成试验槽，所述试验槽的横截面呈“口”字形并与承载底座（11）同轴分布；所述限位板（14）为两个，两个所述限位板（14）均设置在所述试验槽内且分布于试验槽内的左右两侧；所述前部挡板（15）与左右两侧的限位板（14）在前侧可拆卸的固定连接，所述后部分层挡板（18）为在竖直方向上分层设置的多个，各后部分层挡板（18）与左右两侧的限位板（14）在后侧可开合的连接以使得各后部分层挡板（18）能够单独的分层打开；所述试验槽内在承载底座（11）上表面设置有铺设台（16），所述相似模拟材料（19）分层铺设在所述铺设台（16）上，并位于所述限位板（14）、后部分层挡板（18）和前部挡板（15）所围成的腔体内，所述相似模拟材料（19）至少包括煤层模拟材料（191）、坚硬顶板模拟材料（192）和岩层模拟材料，所述坚硬顶板模拟材料（192）设置在煤层模拟材料（191）的正上方，用于模拟坚硬顶板，所述煤层模拟材料（191）用于模拟煤层，在煤层模拟材料（191）的下方和坚硬顶板模拟材料（192）的上方分别设置有用于模拟对应岩层的岩层模拟材料；所述压力加载系统（2）用于对所述相似模拟材料（19）施加竖向静载的夯实压力和侧向梯级压力；所述动力系统（3）与压力加载系统（2）相连接，为压力加载系统（2）提供动力；所述监测系统（4）用于监测煤层开挖过程中，煤层、坚硬顶板以及各个岩层的应力状态变化、应变状态变化、地表表面位移变化、地表形变变化和地表表面倾斜角度变化。2.如权利要求1所述的一种塌陷型矿震井联合监测物理模拟装置，其特征在于，压力加载系统（2）包括竖向静载液压加载机构（21）和侧向梯级加载机构（22），其中，竖向静载液加载机构用于竖向加压夯实相似模拟材料（19），侧向梯级加载机构（22）用于向相似模拟材料（19）提供侧向梯级压力，侧向梯级加载机构（22）中的各侧向液压油缸（221）的推力在竖直方向上随高度的下降而依次增加。3.如权利要求2所述的一种塌陷型矿震井联合监测物理模拟装置，其特征在于，所述竖向静载液压加载机构（21）包括多个竖向设置的竖向液压油缸和连接在各竖向液压油缸底部的加载板，各加载板位于相似模拟材料（19）的上方，通过各竖向液压油缸对与其对应的加载板施力，进而实现对相似模拟材料（19）的夯实；所述侧向梯级加载机构（22）包括多个水平设置的侧向液压油缸（221）和与各侧向液压油缸（221）相连接的压力板（222），各压力板（222）分布在靠近相似模拟材料（19）的一侧，各侧向液压油缸（221）穿透对应的限位板（14）设置，且各侧向液压油缸（221）在远离对应的压力板（222）的一侧连接至对应的反力墙（12）上，各侧向液压油缸（221）均分别包括活塞缸和活塞杆，对应的限位板（14）上设置有供活塞杆穿过的孔，活塞杆在远离活塞缸的一端固定连接压力板（222），活塞缸在远离活塞杆的一端与对应的反力墙（12）固定连接。4.如权利要求1所述的一种塌陷型矿震井联合监测物理模拟装置，其特征在于，所述监
测系统（4）包括信号传输数据线（41）、应力传感器（42）、应变传感器（43）、数字散斑（44）、声发射传感器（45）、第一摄像机（46）、第二摄像机（47）和表面变形监测装置（48），其中，所述应力传感器（42）埋设在所述相似模拟材料（19）的煤层模拟材料（191）和岩层模拟材料内，用于实时监测煤层和各岩层所受应力变化情况；所述应变传感器（43）埋藏于所述相似模拟材料（19）所模拟的煤层、坚硬顶板和各岩层之间的交界处，用于监测层间应变变化情况；所述数字散斑（44）喷洒在所述相似模拟材料（19）的地表上，用于实时获取地表变形情况；所述声发射传感器（45）埋设在所述煤层模拟材料（191）内、所述煤层模拟材料（191）底部的岩层模拟材料内以及所述坚硬顶板模拟材料（192）顶部的岩层模拟材料内，用于监测煤层和坚硬顶板层的内部裂隙发育情况；所述第一摄像机（46）安装在前...

【专利技术属性】
技术研发人员：李学龙，陈绍杰，刘淑敏，陈杨杨，王永，翟明华，陈德友，王涛，耿学生，张新元，高振亮，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：