[发明专利]基于相似模拟试验系统的覆岩关键层破断规律试验方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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发明专利“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，该发明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。

发明内容

本发明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，本发明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；