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煤矿上分层综放开采型煤相似材料模拟试验装置

型煤相似材料模拟上分层综放开采试验装置

煤矿上分层综放开采物理模拟试验系统

一、煤矿上分层综放开采型煤相似材料模拟试验装置简介

本装置旨在通过物理模拟手段，精准再现煤矿上分层综放开采过程中煤层与覆岩的力学响应、移动变形及顶板垮落规律，为优化开采参数、制定灾害防控策略提供试验平台。设计遵循以下原则：

l相似性优先：装置结构与功能需满足几何、力学、运动学相似条件，确保试验结果与现场工况的关联性；

l多功能集成：兼容型煤材料制备、模型构建、模拟开采、多参数监测等全流程操作；

l可调节性强：支持开采步距、采高、加载强度等参数的灵活调整，适应不同地质条件模拟；

l安全性与稳定性：采用高强度结构设计，配备多重保护机制，保障试验过程安全可控。

装置适用范围包括：上分层综放开采顶板垮落规律研究、支架- 围岩相互作用机理分析、覆岩 “两带” 高度测定、采空区处理效果评估等场景。

二、煤矿上分层综放开采型煤相似材料模拟试验装置核心系统构成

（一）模型架系统

作为试验装置的主体框架，模型架承担材料铺设、开采模拟及荷载承载功能，其设计参数如下：

结构形式：采用Q235 钢结构焊接而成的封闭式框架，由底座、立柱、横梁及侧向支撑组成，整体刚性系数≥10^5 N/m，确保加载过程无明显变形；

几何尺寸：标准型号内空尺寸为长4.0m× 宽 0.6m× 高 2.5m（可定制扩展），其中宽度方向采用可拆卸式透明有机玻璃侧板（厚度 10mm，透光率≥90%），便于观察岩层移动与垮落动态；

底部支撑：配备可升降式调平底座（调节范围±50mm），通过水平仪校准，保证模型铺设平面度误差≤2mm/m；

侧向约束：两侧板设可调节压紧装置，可模拟不同水平应力条件（约束力0~50kN/m² 连续可调）。

（二）加载系统

用于模拟上覆岩层自重荷载，实现均布加载与分级加载功能：

加载方式：采用伺服电动液压加载，顶部布置6 组独立加载油缸（单缸最大出力 50kN），通过分区域控制实现非均匀荷载模拟（如断层带应力集中）；

荷载范围：0~300kN（对应模型顶部最大压强 250kPa，满足埋深 500m 以内煤层模拟需求）；

控制精度：荷载示值误差≤±1% FS，加载速率 0.1~5kN/min 连续可调，支持恒载、线性加载、循环加载等模式；

稳压装置：配备蓄能器与压力补偿系统，确保荷载波动量≤±0.5% FS，避免瞬时压力变化干扰试验数据。

（三）模拟开采系统

实现上分层综放开采的工作面推进与放顶煤过程模拟：

开采机构：采用数控步进式开挖装置，由横向推进导轨（行程3.5m）、纵向切割机构（切割宽度 0.5m）及放煤模拟组件构成；

参数调节：

开采步距：5~20cm / 步连续可调（对应原型 5~20m，调节精度 ±0.5cm）；

采高控制：通过升降式切割头实现10~50cm 采高调节（模拟采高 1~5m）；

放煤口控制：配备6 个独立电动推杆控制的放煤口（尺寸 5×10cm），模拟放煤顺序与速度；

驱动方式：伺服电机驱动，推进速度0.5~5cm/min 可调，定位精度 ±0.1mm。

（四）监测系统

实时采集试验过程中的力学与位移参数，包含以下核心组件：

应力监测单元：

埋入式应力传感器（量程0~20MPa，精度 ±0.5% FS），布置于顶板、煤层及支架接触部位，采用无线传输模块（传输距离≥50m）；

支架工作阻力传感器（量程0~100kN），安装于模拟液压支架顶部，采样频率 10Hz。

位移监测单元：

激光位移计（量程0~500mm，精度 ±0.01mm），布置于模型表面，监测覆岩下沉与水平位移；

内部位移传感器（量程0~200mm），通过预埋方式监测岩层内部移动，采样频率 5Hz。

图像采集单元：

高速摄像机（分辨率1920×1080，帧率 100fps），安装于模型架侧面，记录顶板垮落动态过程；

三维扫描模块（点云密度100 点 /mm²），每日扫描模型表面形态，生成变形云图。

数据处理系统：

工业控制计算机（搭载LabVIEW 数据采集软件），实现 80 路以上传感器信号同步采集；

具备实时曲线显示、数据存储（容量≥1TB）、自动生成试验报告等功能，支持与 FLAC³D 等数值模拟软件数据交互。

三、煤矿上分层综放开采型煤相似材料模拟试验装置安全与控制模块

（一）安全保护措施

超载保护：加载系统与开采机构均设超载报警（超过额定值110% 时自动停机）；

紧急制动：模型架四周设急停按钮，响应时间≤0.1s，切断所有动力输出；

防护装置：开采区域设红外光幕传感器，人员靠近时自动暂停作业；

防爆处理：电气元件采用Ex dⅡBT4 防爆等级，适应煤矿实验室特殊环境。

（二）控制系统

硬件：采用PLC 控制核心（西门子 S7-1200），搭配 10.1 英寸触摸屏，实现参数设置与状态监控；

软件：支持手动/ 自动两种模式，自动模式可预设开采方案（如步距、速度序列），全程无人值守运行；

远程控制：具备以太网接口，可通过手机APP 或电脑客户端远程监控试验状态，支持数据实时查看与紧急操作。

四、煤矿上分层综放开采型煤相似材料模拟试验装置安装与调试流程

1.基础施工：浇筑C30 混凝土基础（尺寸 5m×1.5m×0.3m），预埋地脚螺栓，平面平整度误差≤3mm；

2.主体组装：按图纸安装模型架立柱与横梁，采用激光准直仪校准垂直度（误差≤1mm/m）；

3.系统集成：依次安装加载油缸、开采机构、传感器，连接液压管路与电气线路，进行压力测试（保压30min 压降≤1%）；

4.参数标定：

加载系统：采用标准测力仪标定荷载示值，误差超限时通过软件修正；

位移传感器：使用激光干涉仪校准，确保全量程精度达标；

5.试运行：进行3 次空载运行与 1 次模拟材料试验，验证各系统协同性，记录运行参数并优化。