[发明专利]基于相似模拟试验系统的覆岩应力与变形特性试验方法

摘要

本发明公开了一种基于相似模拟试验系统的覆岩应力与变形特性试验方法，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，通过钻孔成像仪、离层计、应力传感器、声发射监测系统、地质雷达、姿态角传感器和光纤应力分析仪实时监测覆岩应力与变形特性。能更真实地模拟静荷载与动荷载作用下地下矿山工程上覆岩应力及变形特性。

主权项

1.一种基于相似模拟试验系统的覆岩应力与变形特性试验方法，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；所述覆岩应力与变形特性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，并安装相应的监测仪及传感器，包括钻孔成像仪、离层计、应力传感器、声发射监测系统、地质雷达、姿态角传感器和传感光纤；根据试件箱顶部盖板预留孔的位置，选择5个预留孔作为裂纹可视化监测孔，各监测孔竖直布置，一个监测孔位于箱体顶部盖板中央位置，使最终沿走向及倾向各有3个钻孔成像仪的电视窥视孔，沿走向或倾向各孔之间间距50±5cm；在岩层中埋设离层计进行岩层位移监测，沿垂直深度布置4层离层计，布置位置分别为垮落带中下部、垮落带与裂隙带边界处、裂隙带中部、弯曲变形带中部，离层计沿岩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；在岩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，岩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；在相似模型试件箱的顶部盖板上布置四个检波孔，作为声发射监测系统的检波孔用于监测岩层开采全过程的微震信号，检波孔布置在靠近试件箱箱体边缘处，距离箱体边缘25±5cm，深度为1.2～2m，根据各检波孔深度制备相应长度的PVC管，管径为50±10mm；在试件箱箱体最上方安装地质雷达进行监测，每隔1.5～2m布置一条测线，共2条；在裂隙带底部和弯曲变形带中部岩层中分别埋设姿态角传感器，裂隙带底部岩层中走向和倾向分别布置2个姿态角传感器；弯曲变形带中部岩层沿走向和倾向各1个姿态角传感器；分别沿岩层走向、倾向和法向布置传感光纤进行应力监测，煤层上方岩层共布置8个光纤水平面，其中走向与倾向交替布置；煤层下方底板位置布置2个光纤水平面，走向和倾向各布置一个光纤平面，上述每个水平面内布置4～6条光纤，间距50±5cm；法向光纤布置5个切面，每个切面布置4～6条光纤，相邻光纤间隔50±5cm，布置过程中光纤转弯半径需大于10cm；(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，测控系统通过钻孔成像仪、离层计、应力传感器、声发射监测系统、地质雷达、姿态角传感器和光纤应力分析仪实时监测覆岩应力与变形特性。