基于相似模拟试验系统的覆岩关键层破断规律试验方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于相似模拟试验系统的覆岩关键层破断规律试验方法，所述相似模拟试验系统为三向加载与定点动荷载相结合的大型三维相似模拟试验系统，包括试样制备、测点布置、相似材料制备、材料计算、岩层铺设、试件箱复位、试验加载、煤层开挖等步骤。以更真实地模拟静荷载与动荷载作用下地下矿山工程上覆围岩关键层变形及破断规律，实现地下矿山在静荷载与动荷载相结合作用下的覆围岩关键层位移和破断的可视化。

【技术实现步骤摘要】
基于相似模拟试验系统的覆岩关键层破断规律试验方法
本专利技术涉及一种三维相似模拟试验方法，具体涉及一种基于三向加载与定点动荷载相结合的大型三维相似模拟试验系统的覆岩关键层破断规律试验方法。
技术介绍
地下煤炭资源采出前，其上覆岩层处于一种应力平衡状态，而当工作面开采后岩层内部便会形成一个采空区，周围岩体的原始应力平衡状态也随之被破坏而引起应力的重新分布，导致上覆岩层出现垮落、裂隙、离层及弯曲等，随着工作面开采的不断推进，覆岩破坏在时空上发生转移，其影响范围将从直接顶逐渐向上不断发展直至地表。煤炭开采引起的一系列采动损害与环境问题都与岩层移动有关，此外，关键层为上覆岩层中的主要压力承载结构，关键层的破断将会对整个采空区压力分布产生直接的影响。国家知识产权局公开的专利技术专利“201210376520.3三向加载大型三维相似模拟试验系统”，能够在三向不等压的情况下模拟井下开采过程中不同高度顶板岩层的活动规律及复杂应力分布情况，研究三向加载下地下矿山工程上覆围岩变形及破断规律，实现地下矿山在三向加载作用下岩层位移和破断的可视化，在大尺度空间工程开挖模拟试验研究中，该专利技术已取得一定的突破性进展。但是模拟试验过程中发现，该系统无法实现对地层在冲击荷载作用下变形和破断规律的试验研究，即无法将动荷载与静荷载相结合，存在一定的局限性，因此一种能实现静荷载与动荷载共同加载的模型试验系统，以及基于该模拟试验系统进行覆岩关键层破断规律试验成为了急需解决的关键性技术问题之一。
技术实现思路
本专利技术基于现有的三向加载大型三维相似模拟试验系统进行改进，使其能满足静荷载与动荷载的同时加载，并基于该模拟试验系统进行覆岩关键层破断规律试验，以更真实地模拟静荷载与动荷载作用下地下矿山工程上覆围岩关键层变形及破断规律，实现地下矿山在静荷载与动荷载相结合作用下的覆围岩关键层位移和破断的可视化。为此，本专利技术首先提供一种三向加载与定点动荷载相结合的大型三维相似模拟试验系统，包括试件箱和反力系统，所述试件箱包括底座，所述底座的边缘设置有构成正方形的左螺孔带、右螺孔带、前螺孔带和后螺孔带；所述底座在左螺孔带处通过螺栓固定连接有左侧板，在前螺孔带处通过螺栓固定连接有前侧板；所述右螺孔带与左螺孔带之间设置有至少一个第一中间螺孔带；所述后螺孔带与前螺孔带之间设置有与第一中间螺孔带数量对应、垂直相接的第二中间螺孔带；相接的第一中间螺孔带、第二中间螺孔带、左螺孔带和前螺孔带构成正方形；所述右螺孔带或任一所述第一中间螺孔带上通过螺栓固定连接有右侧板；与所述右侧板相接的后螺孔带或任一第二中间螺孔带上通过螺栓固定连接有后侧板；所述左侧板的内侧通过螺栓固定连接有左压座，左侧板上按均分区域设置有左压套；所述左压座上固定有数量和位置与左压套相对应的左压杆，左压杆穿出所述左压套；所述前侧板的内侧通过螺栓固定连接有前压座，前侧板上按均分区域设置有前压套；所述前压座上固定有数量和位置与前压套相对应的前压杆，前压杆穿出所述前压套；所述左压座与前压座间隔设置；所述反力系统包括位于地面下的混凝土反力池，所述反力池的底部固定连接的第一反力座，所述第一反力座的右侧设置有第二反力座，第二反力座与所述反力池的底部固定，并同时与所述第一反力座通过螺栓固定连接；所述反力池在所述试件箱的左侧设置有与所述第一反力座固定连接，并且紧靠混凝土墙面的侧承力架；所述侧承力架上固定有数量和位置与所述左压杆相对应的左静荷载加载液压缸；所述反力池在所述试件箱的右侧设置有与所述第二反力座螺栓连接的反力架；所述反力架与所述试件箱通过螺栓固定连接；所述第一反力座的前部固定有前立柱；所述前立柱的一端面紧靠所述反力池的混凝土墙面，另一端面固定有数量和位置与所述前压杆相对应的前静荷载加载液压缸；所述第一反力座的后部固定有后立柱，所述后立柱的一端面紧靠所述反力池的混凝土墙面，另一端面固定有数量和位置与所述第一垫板相对应、并紧贴所述第一垫板的第二垫板；所述前立柱和后立柱通过上方固定的横梁连接为一体结构，所述横梁上均布设置有与所述试件箱相对的上静荷载加载液压缸；所述三向加载大型三维相似模拟试验系统还包括上压座；进行相似模拟试验时，所述上压座将所述上静荷载加载液压缸的加载力传递至所述试件箱内的相似材料上；每列所述左静荷载加载液压缸的正下方设置有一个左动荷载加载液压缸，且左动荷载加载液压缸固定在侧承力架上；每列所述前静荷载加载液压缸的正下方设置有一个前动荷载加载液压缸，且前动荷载加载液压缸固定在前立柱上。同时，本专利技术还提供一种基于上述三向加载与定点动荷载相结合的大型三维相似模拟试验系统的覆岩关键层破断规律试验方法，包括以下步骤：(1)试样制备将试件箱倾斜，使试件箱的倾角等于矿层倾角；(2)测点布置根据所需模拟的矿层在实际工程中的地应力分布情况，采用数值计算的方法对地应力进行数值模拟，根据模拟结果设置各测点的位置；(3)相似材料制备对相似模拟范围内的实际工程概况中各地层岩石进行力学参数测试，按照合适的几何相似比和强度相似比计算出各模型岩石的所需强度，并根据该强度选择合适的河砂、石膏和水泥的比例，以配比比例来对各岩层进行相似材料制备；(4)材料计算根据几何相似比计算得到各岩层模型的体积，再根据模型岩层的容重计算出对应模型岩层的总重量，根据材料配比的比例关系得出各岩层所需的材料数量，最终求出该模型试验所需的材料总量；(5)岩层铺设根据步骤(4)中计算得到的各岩层各材料组分的重量，将所需材料搅拌均匀后，按照岩层顺序进行逐层铺设，直到所有模拟地层铺设完毕；其中，在关键层铺设过程中安装相应的监测仪及传感器，包括离层计、应力传感器、应变片装置、声发射监测系统、姿态角传感器；在关键层中埋设离层计进行岩层位移监测，离层计沿关键层倾向布置若干条测线，各测线间距50±5cm，每条测线沿走向布置4～6个离层计，各离层计间距50±5cm，煤层开采过程各布置点的位移变化情况将通过各离层计进行实时监测并采集；在关键层中埋设应力传感器进行应力监测，应力传感器紧邻离层计布置，每个离层计对应设置有一个应力传感器，应力传感器的压力盒与离层计安装位置间隔4～6cm，关键层在采动过程的应力变化情况通过压力传感器实时监测并采集；应变片装置用于进行关键层的变形监测，应变片装置采用应变片粘贴在柔性固定钢片上，然后再将柔性固定钢片嵌入在所需布置的位置；关键层中布置三层应变片，关键层上层面和下层面各布置一层，中间部位布置一层；应变片每两片为一组，两应变片相互垂直布置，每层沿关键层走向和倾向各布置一条测线，每条测线2～4组，每层共计4～6组应变片，同一测线上的相邻两组应变片之间的间距为50±5cm；声发射监测系统用于监测关键层破断的声发射信号，声发射监测系统的探头布置在靠近试件箱箱体边缘处，距离箱体边缘25±5cm，深度与关键层在同一水平面；在关键层中埋设姿态角传感器用于岩体倾角监测，姿态角传感器共四个，埋设在关键层的中间部位，沿走向倾向各布置两个；(6)试件箱复位待相似材料干燥后，将试件箱回复到水平位置。(7)试验加载以上下方向为Z向，左右方向为X向，前后方向为Y向，采用力控制方式进行三向加载，对X向水平加载静载荷和动载荷、Y向水平加载静载荷和动载荷、Z向垂直加载静载荷；同时加载X本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于相似模拟试验系统的覆岩关键层破断规律试验方法，其特征在于，所述相似模拟试验系统为三向加载与定点动荷载相结合的大型三维相似模拟试验系统，包括左静荷载加载液压缸、前静荷载加载液压缸、上静荷载加载液压缸；每列所述左静荷载加载液压缸的正下方设置有一个左动荷载加载液压缸，且左动荷载加载液压缸固定在侧承力架上；每列所述前静荷载加载液压缸的正下方设置有一个前动荷载加载液压缸，且前动荷载加载液压缸固定在前立柱上；所述覆岩关键层破断规律试验方法包括以下步骤：(1)试样制备将试件箱倾斜，使试件箱的倾角等于矿层倾角；(2)测点布置根据所需模拟的矿层在实际工程中的地应力分布情况，采用数值计算的方法对地应力进行数值模拟，根据模拟结果设置各测点的位置；(3)相似材料制备对相似模拟范围内的实际工程概况中各地层岩石进行力学参数测试，按照合适的几何相似比和强度相似比计算出各模型岩石的所需强度，并根据该强度选择合适的河砂、石膏和水泥的比例，以配比比例来对各岩层进行相似材料制备；(4)材料计算根据几何相似比计算得到各岩层模型的体积，再根据模型岩层的容重计算出对应模型岩层的总重量，根据材料配比的比例关系得出各岩层所需的材料数量，最终求出该模型试验所需的材料总量；(5)岩层铺设根据步骤(4)中计算得到的各岩层各材料组分的重量，将所需材料搅拌均匀后，按照岩层顺序进行逐层铺设，直到所有模拟地层铺设完毕；其中，在关键层铺设过程中安装相应的监测仪及传感器，包括离层计、应力传感器、应变片装置、声发射监测系统、姿态角传感器；在关键层中埋设离层计进行岩层位移监测，离层计沿关键层倾向布置若干条测线，各测线间距50±5cm，每条测线沿走向布置4～6个离层计，各离层计间距50±5cm，煤层开采过程各布置点的位移变化情况将通过各离层计进行实时监测并采集；在关键层中埋设应力传感器进行应力监测，应力传感器紧邻离层计布置，每个离层计对应设置有一个应力传感器，应力传感器的压力盒与离层计安装位置间隔4～6cm，关键层在采动过程的应力变化情况通过压力传感器实时监测并采集；应变片装置用于进行关键层的变形监测，应变片装置采用应变片粘贴在柔性固定钢片上，然后再将柔性固定钢片嵌入在所需布置的位置；关键层中布置三层应变片，关键层上层面和下层面各布置一层，中间部位布置一层；应变片每两片为一组，两应变片相互垂直布置，每层沿关键层走向和倾向各布置一条测线，每条测线2～4组，每层共计4～6组应变片，同一测线上的相邻两组应变片之间的间距为50±5cm；声发射监测系统用于监测关键层破断的声发射信号，声发射监测系统的探头布置在靠近试件箱箱体边缘处，距离箱体边缘25±5cm，深度与关键层在同一水平面；在关键层中埋设姿态角传感器用于岩体倾角监测，姿态角传感器共四个，埋设在关键层的中间部位，沿走向倾向各布置两个；(6)试件箱复位待相似材料干燥后，将试件箱回复到水平位置。(7)试验加载以上下方向为Z向，左右方向为X向，前后方向为Y向，采用力控制方式进行三向加载，对X向水平加载静载荷和动载荷、Y向水平加载静载荷和动载荷、Z向垂直加载静载荷；同时加载X向和Y向，然后加载Z向，直至三向加载压力达到预定值，该预定值为工况现场实测的地应力，三向应力加载速率恒定，加载结束后记录各离层计的位置；(8)煤层开挖开挖过程中，测控系统通过离层计、应力传感器、应变片装置、声发射监测系统、姿态角传感器实时监测沉降位移、岩层应力及应变、关键层变形与破断参数，同时使用地质雷达定时监测采空区上覆岩层裂隙场。...

【技术特征摘要】
1.一种基于相似模拟试验系统的覆岩关键层破断规律试验方法，其特征在于，所述相似模拟试验系统为三向加载与定点动荷载相结合的大型三维相似模拟试验系统，包括左静荷载加载液压缸、前静荷载加载液压缸、上静荷载加载液压缸；每列所述左静荷载加载液压缸的正下方设置有一个左动荷载加载液压缸，且左动荷载加载液压缸固定在侧承力架上；每列所述前静荷载加载液压缸的正下方设置有一个前动荷载加载液压缸，且前动荷载加载液压缸固定在前立柱上；所述覆岩关键层破断规律试验方法包括以下步骤：(1)试样制备将试件箱倾斜，使试件箱的倾角等于矿层倾角；(2)测点布置根据所需模拟的矿层在实际工程中的地应力分布情况，采用数值计算的方法对地应力进行数值模拟，根据模拟结果设置各测点的位置；(3)相似材料制备对相似模拟范围内的实际工程概况中各地层岩石进行力学参数测试，按照合适的几何相似比和强度相似比计算出各模型岩石的所需强度，并根据该强度选择合适的河砂、石膏和水泥的比例，以配比比例来对各岩层进行相似材料制备；(4)材料计算根据几何相似比计算得到各岩层模型的体积，再根据模型岩层的容重计算出对应模型岩层的总重量，根据材料配比的比例关系得出各岩层所需的材料数量，最终求出该模型试验所需的材料总量；(5)岩层铺设根据步骤(4)中计算得到的各岩层各材料组分的重量，将所需材料搅拌均匀后，按照岩层顺序进行逐层铺设，直到所有模拟地层铺设完毕；其中，在关键层铺设过程中安装相应的监测仪及传感器，包括离层计、应力传感器、应变片装置、声发射监测系统、姿态角传感器；在关键层中埋设离层计进行岩层位移监测，离层计沿关键层倾向布置若干条测线，各测线间距50±5cm，每条测线沿走向布置4～6个离层计，各离层计间距50±5cm，煤层开采过程各布置点的位移变化情况将通过各离层计进行实时监测并采集；在关键层中埋设应力传感器进行应力监测，应力传感器紧邻离层计布置，每个离层计对应设置有一个应力传感器，应力传感器的压力盒与离层计安装位置间隔4～6cm，关键层在采动过程的应力变化情况通过压力传感器实时监测并采集；应变片装置用于进行关键层的变形监测，应变片装置采用应变片粘贴在柔性固定钢片上，然后再将柔性固定钢片嵌入在所需布置的位置；关键层中布置三层应变片，关键层上层面和下层面各布置一层，中间部位布置一层；应变片每两片为一组，两应变片相互垂直布置，每层沿关键层走向和倾向各布置一条测线，每条测线2～4组，每层共计4～6组应变片，同一测线上的相邻两组应变片之间的间距为50±5cm；声发射监测系统用于监测关键层破断的声发射信号，声发...

【专利技术属性】
技术研发人员：张东明，肖伟晶，尹光志，叶辰，叶茂林，李小明，蒋长宝，彭守建，李铭辉，袁强，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50