一种多功能三维相似材料模拟试验系统

1.本发明涉及煤矿领域，具体是指一种多功能三维相似材料模拟试验系统。


背景技术：

2.材料模拟是根据现场煤岩性质及其结构，依照相似准则和相似理论，利用相似材料制作室内工程地质力学模型，模型尺寸要求和实际开采情况成一定比例，其他物理量也要保持相应比例，才能保证模型反映的规律和原型保持相似。在模拟煤层开采的过程中实时监测模型各点应力、位移情况，获取裂隙在模型中的发育规律，再根据相似准则和相似理论反推或者算出相同条件下实际煤层开采过程中岩体的破坏和运动规律，继而可以将模拟所得的结论运用到现场采矿活动和研究中，进一步验证研究成果。
3.传统煤矿工程地质材料模拟模型主要采用工程地质力学模型架，由于我国煤矿地质条件复杂，工作面内部多有断层、陷落柱等导水构造，煤层开采顶底板岩体破坏是煤层顶底板含水层水压、顶板覆岩岩体自重以及周围地应力的综合作用，为了解决陷落柱、断层等构造对工作面采掘的影响通常会采用注浆加固等方式进行治理。传统的工程地质力学模型设备仅能模拟顶板覆岩替代荷载条件下的平面应变模拟，无法解决底板带压开采条件下的煤层顶底板岩层变形破坏、分层开采、充填开采以及注浆治理等问题；同时因无法解决模拟隔水层、底板水压、围压、流固耦合以及三维立体模型内部煤层开采的问题，目前针对煤层开采相关的模拟试验大多采用平面应变模型，鲜有三维立体材料模拟试验能够解决上述问题。
4.面对常规及复杂条件下的煤矿工程地质材料模拟问题，特设计多功能三维相似材料模拟试验系统，为今后模拟煤矿回采过程中研究顶底板岩体变形破坏、复杂条件下的安全回采、模拟注浆加固治理过程、模拟陷落柱、断层等导水构造活化、煤层分层开采、充填开采以及流固耦合等问题提供支撑。
5.因此，一种用于解决上述问题的多功能三维相似材料模拟试验系统成为整个社会亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

6.本发明主要解决常规及复杂条件下的煤矿工程地质材料模拟问题，为今后模拟煤矿回采过程中研究顶底板岩体变形破坏、复杂条件下的安全回采、模拟注浆加固治理过程、模拟陷落柱、断层等导水构造活化、煤层分层开采、充填开采以及流固耦合等问题。
7.为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种多功能三维相似材料模拟试验系统，包括三维箱体，所述三维箱体的内部设置有分布式储能装置，所述分布式储能装置的一侧设置有释压阀，所述分布式储能装置的另一侧设置有逆止阀，所述逆止阀的外侧连接设置有加压装置，所述三维箱体的内部设置有电极，所述三维箱体的外侧设置有基站和主机，所述电极与外侧基站、主机之间依次电性连接，所述三维箱体的内部设置有压力传感器和位移传感器，所述三维箱体的外侧设置有采集卡和计算机，所述压力传感器、位移传
感器与采集卡、计算机之间电性连接，所述三维箱体的设置有记录装置。
8.进一步地，所述三维箱体由前侧板、后侧板、左侧板、右侧板、上侧板和下侧板组成，所述前侧板、后侧板、左侧板、右侧板、上侧板和下侧板由高强度钢板切割焊接而成，所述三维箱体的内部设置有双层塑料膜，所述三维箱体的外侧焊接设置有铁板。
9.进一步地，所述上侧板上设置有若干圆孔，所述圆孔用于监测线缆、水管及注浆管路的放置，所述下侧板的底部设置有模型支架底座。
10.进一步地，所述分布式储能装置采用分布式高强度耐压胶囊制作而成，分布式高强度耐压胶囊的压力通过手动打压试压泵，在分布式高强度耐压胶囊上留设有进水口和出水口，所述打压试压泵分布式储能装置的一侧为释压端，一侧为增压端，所述释压阀连接在释压端，所述逆止阀连接在增压端。
11.进一步地，所述三维箱体的外侧连接设置有注浆系统，所述注浆系统由浆液、注浆设备、注浆管路和注浆模拟钻孔组成，所述浆液包括水泥浆液和化学浆液，所述注浆设备采用手持式注浆泵。
12.进一步地，所述注浆设备采用m16型多功能钨钢水泥注浆机。
13.进一步地，所述分布式储能装置的外侧设置有施压系统，施压系统分为轴压和围压两个子系统，其中轴向施压系统分为顶板覆岩等效荷载施压系统和底板含水层水压等效荷载施压系统。
14.进一步地，所述记录装置由摄像头组成，所述摄像头设置三维箱体的前侧。
15.进一步地，所述前侧板采用透明材质制作而成。
16.进一步地，所述前侧板、后侧板、左侧板、右侧板、上侧板和下侧板上均设置有预留螺丝孔。
17.进一步地，压力传感器采用柔性薄膜压力传感器。
18.与现有技术相比的优点在于：本发明通过设置分布式储能装置，从而可以解决传统模型无法加载轴压及围压问题，并可以实现不同区域施加不同压力的目的。通过设置分布式储能装置模拟煤层，从而可以解决三维模型内部密闭条件下的煤层开采问题以及多煤层、分层开采和充填开采等问题。通过设置注浆管路及模拟钻孔，从而可以解决传统模型无法模拟注浆及注水等治理过程。通过设置多种监测电极，从而可以解决模型注浆、注水及回采等全生命周期过程的精准动态监测问题。本发明对解决传统手段存在的问题，实现多种场景的模拟以及模型内部数据动态精准监测具有很强的优势，故实用性很高，适合广泛推广。
附图说明
19.图1是本发明一种多功能三维相似材料模拟试验系统的结构示意图；
20.图2是三维箱体的内部结构示意图；
21.图3是三维箱体的侧面示意图一；
22.图4是三维箱体的侧面示意图二；
23.图5是三维箱体的后视图；
24.图6是三维箱体底部结构示意图；
25.图7是分布式储能装置的结构示意图；
26.图8是施压系统的原理示意图。
27.如图所示：1、三维箱体，2、分布式储能装置，3、释压阀，4、逆止阀，5、加压装置，6、电极，7、外侧基站，8、主机，9、压力传感器，10、位移传感器，11、采集卡，12、计算机，13、前侧板，14、后侧板，15、左侧板，16、右侧板，17、上侧板，18、下侧板，19、铁板，20、圆孔，21、模型支架底座，22、摄像头，23、预留螺丝孔。
具体实施方式
28.下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
29.结合附图，对本发明进行详细介绍。
30.本发明在具体实施时提供了一种多功能三维相似材料模拟试验系统，包括三维箱体1，所述三维箱体1的内部设置有分布式储能装置2，所述分布式储能装置2的一侧设置有释压阀3，所述分布式储能装置2的另一侧设置有逆止阀4，所述逆止阀4的外侧连接设置有加压装置5，所述三维箱体1的内部设置有电极6，所述三维箱体1的外侧设置有基站7和主机8，所述电极6与外侧基站7、主机8之间依次电性连接，所述三维箱体1的内部设置有压力传感器9和位移传感器10，所述三维箱体1的外侧设置有采集卡11和计算机12，所述压力传感器9、位移传感器10与采集卡11、计算机12之间电性连接，所述三维箱体1的设置有记录装置。
31.所述三维箱体1由前侧板13、后侧板14、左侧板15、右侧板16、上侧板17和下侧板18组成，所述前侧板13、后侧板14、左侧板15、右侧板16、上侧板17和下侧板18由高强度钢板切割焊接而成，所述三维箱体1的内部设置有双层塑料膜，所述三维箱体1的外侧焊接设置有铁板19。所述上侧板17上设置有若干圆孔20，所述圆孔20用于监测线缆、水管及注浆管路的放置，所述下侧板18的底部设置有模型支架底座21。所述分布式储能装置2采用分布式高强度耐压胶囊制作而成，分布式高强度耐压胶囊的压力通过手动打压试压泵，在分布式高强度耐压胶囊上留设有进水口和出水口，所述打压试压泵分布式储能装置2的一侧为释压端，一侧为增压端，所述释压阀3连接在释压端，所述逆止阀4连接在增压端。所述三维箱体1的外侧连接设置有注浆系统，所述注浆系统由浆液、注浆设备、注浆管路和注浆模拟钻孔组成，所述浆液包括水泥浆液和化学浆液，所述注浆设备采用手持式注浆泵。所述注浆设备采用m16型多功能钨钢水泥注浆机。所述分布式储能装置2的外侧设置有施压系统，施压系统分为轴压和围压两个子系统，其中轴向施压系统分为顶板覆岩等效荷载施压系统和底板含水层水压等效荷载施压系统。所述记录装置由摄像头22组成，所述摄像头22设置三维箱体1的前侧。所述前侧板13采用透明材质制作而成。所述前侧板13、后侧板14、左侧板15、右侧板16、上侧板17和下侧板18上均设置有预留螺丝孔23。
32.本发明的具体实施方式如下：本发明在使用时，整个系统由三维箱体1、施压系统、注浆系统和监测系统四部分组成，上述三维箱体1由高强度钢板切割焊接而成，为了便于直观观测，模型前部由透明有机面板替代，顶部边界可调式挡板由高强度钢板切割而成；平面支架系统在三维箱式系统基础上于模型内部靠前面位置30cm处自下而上设置分布式挡板，顶部边界可调式挡板，挡板由高强度槽钢切割焊接而成，整个支架可以分解拆卸。
33.所述施压系统分为轴压和围压两个子系统，其中轴压施压系统又分为顶板覆岩等效荷载施压系统和底板含水层水压等效荷载施压系统，压力来源为手动打压试压泵，分布
储能装置2为分布式高强度耐压胶囊；(1)储能装置(高强度耐压胶囊)尺寸：根据平面模型尺寸、模拟煤层尺寸、模型顶底部(模拟轴压)或周围(模拟围压)分别布设高强度耐压胶囊，高强度耐压胶囊留设进水口和出水口，抗压强度根据模型设计方案确定。
34.①
分布式高强度耐压胶囊充水过程可以模拟加压和三维立体模型中的煤层；
35.②
分布式高强度耐压胶囊放水过程可以模拟卸压、煤层开挖或分层开采中的煤层开挖(根据分层开采次数布设多层分布式高强度耐压胶囊)；
36.③
分布式高强度耐压胶囊放水
‑
充水过程可以模拟煤层充填开采过程；
37.④
根据模拟条件的不同，可以选择在底部布置不同的分布式高强度耐压胶囊，如：模型中设置陷落柱，柱体底部和完整地层底部应分别设置分布式高强度耐压胶囊模拟不均匀条件；断层两盘底部分别设置分布式高强度耐压胶囊可以模拟不同的水压力。
38.(2)分布式高强度耐压胶囊的压力来源为手动打压试压泵，可以通过安装高精度压力表，手动操作具体加压数值，每个加压管路接头中安装逆止阀，保持储能装置压力稳定。
39.所述注水浆系统包括，注浆系统由浆液、注浆设备、注浆管路、注浆模拟钻孔组成，浆液根据现场情况可以选择水泥浆液或化学浆液，注浆设备为手持式注浆泵，注浆管路为高压胶管，注浆模拟钻孔选择pvc塑料管预制梅花孔替代；模拟流固耦合过程时采用三维模型系统，注水系统与注浆系统相同。
40.所述模型监测系统分为模型前表面摄影测量法、在三维箱体1的前侧设置有摄像头22，通过摄像头22进行表面摄影，模型内部位移监测、模型内部位柔性薄膜压力传感器应力监测以及模型内部网络并行电法电阻率监测。
41.(1)模型前表面摄影测量法监测：模型前表面为透明有机玻璃面板，利用高清摄像机进行全过程记录。
42.(2)模型内部位移监测点：采用拉杆式位移传感器，监测煤层开挖及充填过程中覆岩和底板的变形，连续监测开采过程中覆岩位移变化。传感器量程0～300mm，精度
±
0.05％，零点位置内置于传感器中心，拉杆完全缩进去再外弹时，显示位移增加。
43.(3)应力传感器布设：在模型内部布置横竖各4条应力监测线，共64个监测点，采用柔性薄膜压力传感器，配合多通道薄膜压力传感器采集卡信号调理模块监测模型内部各点应力变化。
44.(4)电极布设：网络并行电法监测电极布设于模型内部，在煤层开采影响范围内横向布置两测线，纵向布置两条测线，对角布置一条测线，每条测线布设32路电极。
45.本发明通过上述结构布置相关的压力传感器9、位移传感器10、电极6等部件，布置好之后，电极通过外侧基站7与主机8电性连接，压力传感器9、位移传感器10与采集卡11、计算机12之间电性连接，根据需要选择分布储能装置2，按照需要进行设置，在三维箱体1的前侧设置摄像头22，三维箱体1的顶部设置有圆孔，通过注浆系统进行注浆，完成后，通过摄像头22进行过程录像。本发明通过设置分布式储能装置，从而可以解决传统模型无法加载轴压及围压问题，并可以实现不同区域施加不同压力的目的。通过设置分布式储能装置模拟煤层，从而可以解决三维模型内部密闭条件下的煤层开采问题以及多煤层、分层开采等问题。通过设置注浆管路及模拟钻孔，从而可以解决传统模型无法模拟注浆及注水等治理过程。通过设置多种监测电极，从而可以解决模型注浆、注水及回采等全生命周期过程的精准
动态监测问题。
46.以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。