矿井地下水库动载条件下的稳定性模拟系统及模拟方法

技术领域

本发明涉及岩石力学与工程，具体而言，涉及一种矿井地下水库动载条件下的稳定性模拟系统及模拟方法。

背景技术

对矿井地下水库的稳定性的相似模拟研究是一个相对复杂的力学试验过程，需要同时考虑原岩应力、水压力以及动载荷等同时作用和循环作用。当前对煤矿等井工矿地质环境以及工程结构稳定性的相似模拟试验设备及方法相对传统，可以完成地层的模拟，静载的加载，以及实现了部分动载加载功能，但不能实现多种力学环境的同时加载以及动态监测，也就不能更准确地判断矿井地下水库的稳定性。

也就是说，现有技术中矿井地下水库的稳定性模拟存在模拟准确性差的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种矿井地下水库动载条件下的稳定性模拟系统及模拟方法，以解决现有技术中矿井地下水库的稳定性的模拟准确性差的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种矿井地下水库动载条件下的稳定性模拟系统，包括：支撑壳体，支撑壳体为方形结构，方形结构具有容纳空间；环境模拟设备，环境模拟设备设置在容纳空间内，环境模拟设备具有水体结构；动载加载设备，动载加载设备可拆卸地设置在支撑壳体的外部，动载加载设备包括锤击式动载加载装置，锤击式动载加载装置用于对环境模拟设备加载动载；静力加载设备，静力加载设备的至少一部分位于容纳空间内且设置在环境模拟设备的顶部，静力加载设备用于对环境模拟设备加载静载；水压加载设备，水压加载设备的至少一部分与水体结构连接，水压加载设备的至少另一部分设置在支撑壳体外；数据处理设备，数据处理设备的至少一部分与环境模拟设备连接，数据处理设备用于采集并分析环境模拟设备中的力学参数。

进一步地，支撑壳体包括：刚性框架，刚性框架为方形框架，方形框架构成容纳空间；六块板体，六块板体设置在方形框架的侧面以封闭刚性框架，六块板体中的至少一块为透明板。

进一步地，锤击式动载加载装置可拆卸地设置在刚性框架上。

进一步地，静力加载设备包括：静力加载装置，静力加载装置位于容纳空间内，静力加载装置的至少一部分与环境模拟设备的顶部接触，以使静力加载装置对环境模拟设备加载静力；静力调节装置，静力调节装置设置在支撑壳体外，静力调节装置与静力加载装置连接。

进一步地，静力加载装置包括：加载垫板，加载垫板与环境模拟设备的顶部接触；至少一个静力加载件，静力加载件的一端与加载垫板远离环境模拟设备的一侧接触，静力加载件的另一端与静力调节装置连接。

进一步地，静力加载件的数量为多个，多个静力加载件等间隔设置。

进一步地，静力加载件为液压千斤顶。

进一步地，加载垫板完全覆盖环境模拟设备的顶部。

进一步地，环境模拟设备还包括：地层结构，地层结构具有沿水平方向延伸的隔断空间，隔断空间将地层结构分隔为两层结构；煤层结构，煤层结构和水体结构均设置在隔断空间内；坝体结构，坝体结构与水体结构远离煤层结构的一侧接触，以将水体结构封闭在隔断空间内。

进一步地，数据处理设备包括：多个静压力传感器，多个静压力传感器设置在地层结构和/或煤层结构内；多个加速度传感器，多个加速度传感器设置在地层结构和/或煤层结构内；至少一个水压传感器，水压传感器设置在水体结构内。

根据本发明的另一方面，提供了一种矿井地下水库动载条件下的稳定性模拟方法，采用上述的矿井地下水库动载条件下的稳定性模拟系统，模拟方法包括：确定矿井地下水库动载条件下的稳定性模拟系统的加载静压力、加载水压和加载动荷载；调节静力加载设备的静力加载装置的静力加载件，以使静力加载装置的加载垫板在加载静压力下压紧矿井地下水库动载条件下的稳定性模拟系统的环境模拟设备；调节矿井地下水库动载条件下的稳定性模拟系统的水压加载设备，以使矿井地下水库动载条件下的稳定性模拟系统的环境模拟设备的水体结构获得加载水压；调节矿井地下水库动载条件下的稳定性模拟系统的动载加载设备的锤击式动载加载装置的击锤大小和敲击频率，以使环境模拟设备获得加载动荷载；通过矿井地下水库动载条件下的稳定性模拟系统的数据处理设备采集并分析环境模拟设备中的力学参数。

应用本发明的技术方案，矿井地下水库动载条件下的稳定性模拟系统包括支撑壳体、环境模拟设备、动载加载设备、静力加载设备、水压加载设备和数据处理设备，支撑壳体为方形结构，方形结构具有容纳空间；环境模拟设备设置在容纳空间内，环境模拟设备具有水体结构；动载加载设备可拆卸地设置在支撑壳体的外部，动载加载设备包括锤击式动载加载装置，锤击式动载加载装置用于对环境模拟设备加载动载；静力加载设备的至少一部分位于容纳空间内且设置在环境模拟设备的顶部，静力加载设备用于对环境模拟设备加载静载；水压加载设备的至少一部分与水体结构连接，水压加载设备的至少另一部分设置在支撑壳体外；数据处理设备的至少一部分与环境模拟设备连接，数据处理设备用于采集并分析环境模拟设备中的力学参数。

通过在支撑壳体中搭建环境模拟设备，能够为环境模拟设备提供支撑，保证环境模拟设备的结构稳固，尽可能接近现实中所需模拟的地质环境，避免在稳定性模拟的过程中受到外界环境的影响，保证模拟结果的准确性。在对环境模拟设备进行稳定性模拟的过程中，分别通过动载加载设备加载动载、水压加载设备对水体结构加载水压、静力加载设备加载静载，能够充分模拟现实中的地质环境的力学环境，动载加载设备、静力加载设备以及水压加载设备之间独立工作互不影响，保证对力学环境模拟的准确性，同时便于调整加载参数，并且可以实现同时加载和循环作用。通过数据处理设备对环境模拟设备的力学参数实时采集并分析，实现了环境模拟过程的动态监测。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了本发明实施例一的矿井地下水库动载条件下的稳定性模拟系统的结构示意图；以及

图2示出了本发明一个可选实施例的矿井地下水库动载条件下的稳定性模拟方法的流程图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、支撑壳体；11、刚性框架；12、板体；20、环境模拟设备；21、水体结构；22、煤层结构；23、地层结构；231、隔断空间；24、坝体结构；30、动载加载设备；40、静力加载设备；41、静力加载装置；411、加载垫板；412、静力加载件；42、静力调节装置；421、液压装置压力表；422、液压管道；50、水压加载设备；51、水压表；52、水压泵；60、数据处理设备；61、静压力传感器；62、加速度传感器；63、水压传感器；64、动态力学参数采集仪器；65、力学条件监测系统。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本发明。

为了解决现有技术中矿井地下水库的稳定性的模拟准确性差的问题，本发明提供了一种矿井地下水库动载条件下的稳定性模拟系统及模拟方法。

如图1和图2所示，矿井地下水库动载条件下的稳定性模拟系统包括支撑壳体10、环境模拟设备20、动载加载设备30、静力加载设备40、水压加载设备50和数据处理设备60，支撑壳体10为方形结构，方形结构具有容纳空间；环境模拟设备20设置在容纳空间内，环境模拟设备20具有水体结构21；动载加载设备30可拆卸地设置在支撑壳体10的外部，动载加载设备30包括锤击式动载加载装置，锤击式动载加载装置用于对环境模拟设备20加载动载；静力加载设备40的至少一部分位于容纳空间内且设置在环境模拟设备20的顶部，静力加载设备40用于对环境模拟设备20加载静载；水压加载设备50的至少一部分与水体结构21连接，水压加载设备50的至少另一部分设置在支撑壳体10外；数据处理设备60的至少一部分与环境模拟设备20连接，数据处理设备60用于采集并分析环境模拟设备20中的力学参数。

通过在支撑壳体10中搭建环境模拟设备20，能够为环境模拟设备20提供支撑，保证环境模拟设备20的结构稳固，尽可能接近现实中所需模拟的地质环境，避免在稳定性模拟的过程中受到外界环境的影响，保证模拟结果的准确性。在对环境模拟设备20进行稳定性模拟的过程中，分别通过动载加载设备30加载动载、水压加载设备50对水体结构21加载水压、静力加载设备40加载静载，能够充分模拟现实中的地质环境的力学环境，动载加载设备30、静力加载设备40以及水压加载设备50之间独立工作互不影响，保证对力学环境模拟的准确性，同时便于调整加载参数，并且可以实现同时加载和循环作用。通过数据处理设备60对环境模拟设备20的力学参数实时采集并分析，实现了环境模拟过程的动态监测。

需要说明的是，力学参数包括但不限于静压力值、震动加速度、水压演化等参数，从而更加充分的模拟与研究煤矿地下水库的稳定性。

具体的，支撑壳体10包括刚性框架11和六块板体12，刚性框架11为方形框架，方形框架构成容纳空间；六块板体12设置在方形框架的侧面以封闭刚性框架11，六块板体12中的至少一块为透明板。刚性框架11具有较高的强度和刚性以保障加载过程中不变形，尺寸与参数选择均可根据实验需求进行调整。设置透明板方便观测内部的变化。优选地，透明板设置在方形框架的侧面。优选地，透明板为亚克力板。

需要说明的是，板体12上需要设置钻孔以用于各种管线的穿越与连接。在加载过程中，板体12具有足够的结构强度，发生的变形很小，不会影响内部环境模拟设备20的结构稳定性。

具体的，锤击式动载加载装置可拆卸地设置在刚性框架11上。通过可拆卸的连接方式，便于调整动载加载位置，满足不同地质环境下的动载加载需求，尽可能接近所模拟的地质环境中的力学环境。

具体的，静力加载设备40包括静力加载装置41和静力调节装置42，静力加载装置41位于容纳空间内，静力加载装置41的至少一部分与环境模拟设备20的顶部接触，以使静力加载装置41对环境模拟设备20加载静力；静力调节装置42设置在支撑壳体10外，静力调节装置42与静力加载装置41连接。通过将静力加载装置41与环境模拟设备20的顶部接触，能够对环境模拟设备20加载静力，并通过设置在支撑壳体10外的静力调节装置42调节加载静力的大小，从而获得不同静力下的实验数据。

具体的，静力加载装置41包括加载垫板411和至少一个静力加载件412，加载垫板411与环境模拟设备20的顶部接触；静力加载件412的一端与加载垫板411远离环境模拟设备20的一侧接触，静力加载件412的另一端与静力调节装置42连接。通过设置静力加载件412，将静压力施加给加载垫板411，由于加载垫板411与环境模拟设备20的顶部接触，加载垫板411可以将静压力均匀分布并传递给环境模拟设备20，从而实现均匀加载。

优选地，加载垫板411完全覆盖环境模拟设备20的顶部，能够更接近实际地质环境的受力，有利于将静压力更均匀地传递给环境模拟设备20，使环境模拟设备20的顶部整体均受到静压力，进而向内部传递。

具体的，静力加载件412的数量为多个，多个静力加载件412等间隔设置。通过设置多个静力加载件412，可以灵活调整加载静压力的大小和位置，等间隔设置静力加载件412，有利于静压力在加载垫板411上均匀分布并加载给环境模拟设备20。

具体的，环境模拟设备20包括地层结构23、煤层结构22、水体结构21和坝体结构24，地层结构23具有沿水平方向延伸的隔断空间231，隔断空间231将地层结构23分隔为两层结构；煤层结构22设置在隔断空间231内；水体结构21设置在隔断空间231内，水体结构21与煤层结构22的一侧接触；坝体结构24与水体结构21远离煤层结构22的一侧接触，以将水体结构21封闭在隔断空间231内。通过在地层结构23中设置隔断空间231，并在隔断空间231内设置依次接触的煤层结构22、水体结构21和坝体结构24，模拟了矿井地下水库的分布环境，同时根据地质环境充填相应的相似模拟材料，以提高实验准确性。

具体的，数据处理设备60包括多个静压力传感器61、多个加速度传感器62和至少一个水压传感器63，多个静压力传感器61设置在地层结构23内或煤层结构22内或在二者内均有分布；多个加速度传感器62设置在地层结构23内或煤层结构22内或在二者内均有分布；水压传感器63设置在水体结构21内。通过设置静压力传感器61，可以获取地层结构23或煤层结构22内的静压力值的演化，通过设置加速度传感器62，在加载动载后，可以获取地层结构23或煤层结构22内的震动加速度的演化，进而判断动载加载情况以及地层结构23或煤层结构22的内部受力。通过设置水压传感器63，对动载在水体结构21中激发的水压力值进行检测。

需要说明的是，数据处理设备60还包括动态力学参数采集仪器64和力学条件监测系统65，静压力传感器61、加速度传感器62以及水压传感器63中的采集到的数据通过数据线导入数据处理设备60的动态力学参数采集仪器64中，之后导入到力学条件监测系统65中进行分析，从而实现环境模拟设备20的多参数动态采集与分析。动态力学参数采集仪器64可同时采集不同种类传感器中的数据，并对数据格式进行归一化处理，便于后期处理。力学条件监测系统65由计算机和响应的软件系统组成，实现各类数据的处理与分析。

需要说明的是，静压力传感器61、加速度传感器62以及水压传感器63的种类、数量和位置可以根据试验需求合理灵活布设，从而实现对环境模拟设备20中各个位置、不同类型数据的采集。

本发明还提供了一种矿井地下水库动载条件下的稳定性模拟方法，采用本申请的矿井地下水库动载条件下的稳定性模拟系统，模拟方法包括：步骤S10：确定矿井地下水库动载条件下的稳定性模拟系统的加载静压力、加载水压和加载动荷载；步骤S20：调节静力加载设备40的静力加载装置41的静力加载件412，以使静力加载装置41的加载垫板411在加载静压力下压紧矿井地下水库动载条件下的稳定性模拟系统的环境模拟设备20；步骤S30：调节矿井地下水库动载条件下的稳定性模拟系统的水压加载设备50，以使矿井地下水库动载条件下的稳定性模拟系统的环境模拟设备20的水体结构21获得加载水压；步骤S40：调节矿井地下水库动载条件下的稳定性模拟系统的动载加载设备30的锤击式动载加载装置的击锤大小和敲击频率，以使环境模拟设备20获得加载动荷载；步骤S50：通过矿井地下水库动载条件下的稳定性模拟系统的数据处理设备60采集并分析环境模拟设备20中的力学参数。

通过步骤S10确认矿井地下水库动载条件下的稳定性模拟系统需要加载的加载静压力、加载水压和加载动荷载，可以模拟实际的地质环境的力学环境。通过步骤S20至步骤S40，可以实现加载静压力、加载水压和加载动荷载的同时加载，还可以根据多组设定的参数进行循环加载，以更准确地模拟实际的地质环境。通过步骤S50对力学参数的实时采集并分析，可以获得静压力值、震动加速度、水压演化等多种参数，从而更加充分的模拟与研究矿井地下水库的稳定性。

实施例一

如图1所示，静力加载设备40包括静力加载装置41和静力调节装置42，静力加载装置41为手动液压加载装置，静力调节装置42包括液压装置压力表421、液压管道422，静力加载件412为液压千斤顶。手动液压加载装置通过液压管道422与液压装置压力表421以及液压千斤顶相连接，液压千斤顶通过螺栓与刚性框架11固定，液压千斤顶与加载垫板411保持接触，通过调节手动液压加载装置中的液压值由液压千斤顶将静压力传递给加载垫板411从而实现静载的加载与调节。

具体的，水压加载设备50由水压表51、水压泵52通过水管线连接而成，水压泵52对水体结构21的压力进行加卸载，通过水压表51显示水压的调节。水压泵52可将水压入到水体结构21中，水压表51用与显示水压值，从而实现水压的加载与调节。并且在动载加载时，水压传感器63可以对动载在水体结构21中激发的水压力值进行更加灵敏且及时的检测记录。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

1、通过在支撑壳体10中搭建环境模拟设备20，能够为环境模拟设备20提供支撑，保证环境模拟设备20的结构稳固，尽可能接近现实中所需模拟的地质环境，避免在稳定性模拟的过程中受到外界环境的影响，保证模拟结果的准确性。

2、在对环境模拟设备20进行稳定性模拟的过程中，分别通过动载加载设备30加载动载、水压加载设备50对水体结构21加载水压、静力加载设备40加载静载，能够充分模拟现实中的地质环境的力学环境，动载加载设备30、静力加载设备40以及水压加载设备50之间独立工作互不影响，保证对力学环境模拟的准确性，同时便于调整加载参数，并且可以实现同时加载和循环作用。

3、通过数据处理设备60对环境模拟设备20的力学参数实时采集并分析，实现了环境模拟过程的动态监测。

显然，上述所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。