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煤层模拟开采试验采集系统煤层开采顶板冒落灾害试验模拟

煤层巷道掘进采矿模拟试验系统煤层开采三维物理模拟实验装置

一、方案概述

针对煤层开采过程中煤与瓦斯突出、瓦斯异常涌出、顶板冒落等灾害情况，构建三维相似模拟试验系统体积长宽高2*1*1m（适配煤层厚度 2.5m、巷道掘进4×3m 场景），模拟500m埋深（垂直/水平应力0-2.5MPa）下巷道掘进工况（掘进速度 0.2~0.3m/h），采集应力场、位移场、压力场、浓度场动态数据，揭示瓦斯与压力在开采过程中的演变规律，为灾害防控提供依据。

二、主要技术参数

1. 压力加载系统

垂直/水平应力：0-2.5MPa

控制路数：

X+方向控制5路，单个油缸额定载荷1000kN，总载荷5000kN；

X-方向控制5路，单个油缸额定载荷1000kN，总载荷5000kN；

Y+方向控制2路，单个油缸额定载荷1500kN，总载荷3000kN；

Y-方向控制2路，单个油缸额定载荷1500kN，总载荷3000kN；

Z方向控制5路，单个油缸额定载荷1000kN，总载荷5000kN；

‌压力精度‌：±2%F.S

位移控制速度范围：0.01mm/min-50mm/min

Z大行程:500mm

位移量程:500mm

位移精度:±1%F.S

位移分辨率:0.1mm

加载方式: 均布液压加载

测量方式:应力和位移两种加载方式

油源系统压力:31.5MPa

油泵电机额定功率:75kw

油泵电机额定电压:380V

配置风冷系统

相似材料箱体：2m（长）×1m（宽）×1m（高）

2. 掘进速度控制系统

模型掘进尺寸：800*500mm

刀盘直径：φ200mm

‌速度范围‌：0.2-0.3m/h

定位精度：±0.05mm

‌响应时间‌：≤3ms

掘进方式:刀盘+固定轨道巷道直径0.2m

三、系统组成

（一）三维箱体结构

主体结构：相似材料箱：采用高强度钢结构框架，壁厚20mm，内部尺寸 2m×1m×1m，六面加固处理，设置加强筋网格，增强抗压能力，可承受最大2.5MPa 围压压力。模拟煤矿地下500米深度的压力环境，为顶板失稳、水害突出等灾害模拟提供基础压力条件。

应力加载系统：

加载形式：液压油缸加载，试验过程自动控制，可实现轴向力加载及均布轴压加载，模拟顶板、煤层在地下的复杂受力情况，配合应力应变监测和灾害模拟，同时设计有位移采集装置可以记录施加力带来的位移变化。

（二）掘进模拟装置：

掘进模拟装置集成于三维箱体试验台内（模型尺寸800*600mm，按缩尺比1:5计算），主要由动力驱动模块、刀盘破岩模块、轨道导向模块、推进控制模块及辅助监测模块组成，通过各模块协同运作，模拟煤矿井下巷道掘进过程，且可根据试验需求灵活调整掘进速度（0.2 - 0.3m/h）、掘进方向等参数，精准复现不同工况下的掘进作业。

（三）灾害模拟系统

煤与瓦斯突出模拟：

通过控制瓦斯注入量与压力，结合快速泄压装置模拟瓦斯突出。采用高压瓦斯罐（额定压力16MPa，容积 50L）与质量流量控制器（0 - 50L/min，精度 ±1%）注入瓦斯，设置快速泄压阀，实现瞬间泄压模拟突出过程。

顶板冒落模拟：

垂直油缸分组控制，通过局部卸载模拟顶板冒落。在箱体顶部预设薄弱层（厚度10mm，强度可调），当控制对应油缸卸载时，触发顶板冒落 。