[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

摘要

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。

主权项

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。