[發明專利]一種三維模擬煤礦頂板破斷的實驗平臺

有效

• 申請號: 201810661990.1
• 申請日: 2018-06-25
• 公開（公告）號: CN109000910B
• 公開（公告）日: 2019-08-09
• 發明（設計）人: 楊勝利;王家臣;唐岳松;賈嗣宇;劉新明
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學（北京）
• 主分類號: G01M13/00
• 分類號: G01M13/00
• 代理公司: 北京高沃律師事務所 11569
• 代理人: 程華

本發明公開一種三維模擬煤礦頂板破斷的實驗平臺，涉及礦山壓力研究領域，包括頂板、頂板加壓裝置和煤層模擬控制裝置，煤層模擬控制裝置控制煤層模型實現對煤炭開采過程中煤層上下波動狀況的模擬，頂板加壓裝置包括下邊界框、上邊界框、施壓組件和無頂透明罩，下邊界框的上方為頂板放置區，無頂透明罩罩設在上邊界框的上方，上邊界框設置在頂板的上方，施壓組件通過上邊界框對頂板的上表面施壓固定，上邊界框上方的無頂透明罩空間用于注水。本發明能夠根據地質條件情況鋪設相似材料，最大程度還原現場實際地質條件，適用于多種地質條件下頂板破斷三維觀測，且實驗過程透明可視，有利于對頂板破斷規律進行全面的總結探究。

技術領域

本發明涉及礦山壓力研究領域，尤其涉及一種三維模擬煤礦頂板破斷的實驗平臺。

背景技術

煤炭作為我國主要能源，安全、綠色、高效是煤炭開采的重要指標，對礦山壓力的研究是保證高產高效、安全生產的關鍵。頂板破斷規律觀測是利用相似材料盡可能還原某地質條件下的開采過程，觀察頂板垮落變形情況，煤層被開挖后受自重應力與原巖應力影響下發生變形，通過改變基本頂厚度、開采工作面模型長度、觀察頂板變形情況、監測巖層中應力應變以及裂隙發育情況，進而分析得出頂板的變形情況與基本頂厚度、工作面長度之間的關系。

現階段，對礦山壓力觀測研究主要有現場實測、相似模擬、數值分析等方法。其中，現場實測環境惡劣，數據離散性較大，受某一區域地質條件影響嚴重，不便于得到一般規律；而數值分析方法對地質條件需要準確了解，受數據資料影響，計算精度很難確定；至于相似模擬實驗雖然能夠較為直觀地觀察頂板變形情況，但是這種實驗方法受材料影響難以實現持續均勻加載，三維模型內部觀測困難，而且模型尺寸單一固定，適用范圍受限，不利于對頂板破斷規律進行探究總結。

發明內容

本發明的目的是提供一種實驗操作簡單、測試效果準確可靠，實驗過程透明可視的三維模擬煤礦頂板破斷的實驗平臺。

為實現上述目的，本發明提供了如下方案：

本發明提供一種三維模擬煤礦頂板破斷的實驗平臺，包括頂板、頂板加壓裝置和煤層模擬控制裝置，所述煤層模擬控制裝置的上表面設置有煤層模型，所述煤層模擬控制裝置控制所述煤層模型實現對煤炭開采過程中煤層上下波動狀況的模擬，所述頂板加壓裝置包括下邊界框、上邊界框、施壓組件和無頂透明罩，所述下邊界框活動安裝在所述煤層模擬控制裝置的上表面，所述下邊界框的上方為頂板放置區，所述下邊界框用于將所述頂板支撐在所述煤層模型的上方；所述無頂透明罩罩設在所述上邊界框的上方，所述無頂透明罩的底端外沿與所述上邊界框的頂端外沿密封連接，所述上邊界框設置在所述頂板的上方，所述上邊界框的上方連接有所述施壓組件，所述施壓組件通過所述上邊界框對所述頂板的上表面施壓固定，所述頂板的上表面包覆有透明防水薄膜，所述上邊界框對所述頂板的上表面施加有壓力時，位于所述上邊界框上方的所述無頂透明罩空間內用于注水，所述上邊界框的上方安裝有水壓檢測儀，用于監控所述無頂透明罩內注水壓力的大小；位于所述頂板放置區的所述無頂透明罩的內壁上設置有聲發射儀，所述聲發射儀用于監測頂板斷裂內部裂隙產生情況；

所述煤層模型的上表面、所述頂板的上表面、所述上邊界框的上表面以及所述下邊界框的上表面均設置有壓力傳感器；所述聲發射儀、所述水壓檢測儀以及所述壓力傳感器均與一控制系統信號連接。

可選的，所述施壓組件包括承壓架，所述承壓架的底端與所述上邊界框的上表面焊接，所述承壓架的外頂端面設置有指針式液壓千斤頂，所述指針式液壓千斤頂用于給所述上邊界框加壓，所述承壓架的內頂端面朝下設置有高速照相機，所述高速照相機用于記錄實驗過程中頂板的破斷形態。

可選的，所述指針式液壓千斤頂上設置有油壓監測儀，所述高速照相機的幀頻為60幀/秒。

可選的，所述無頂透明罩的頂端可拆卸安裝有高度限制板，所述高度限制板用于在所述指針式液壓千斤頂加壓時限制所述指針式液壓千斤頂向上偏移。