浅埋煤层开采三维相似材料模拟试验装置

浅埋软岩煤矿相似材料模拟试验研究

浅埋软岩相似模拟材料试验装置

一、装置简介

本装置是针对浅埋软岩煤矿开采的三维相似材料模拟试验系统，核心功能是通过配比优化的相似材料（以砂子、碳酸钙、石膏为基材）构建物理模型，模拟煤层开采过程中上覆岩层的垮落、裂隙发育及位移变化规律。为浅埋软岩矿区顶板控制、支护方案设计提供试验依据。配备监测系统，实时采集试验过程中的应力、位移、应变等数据，数据采集频率不低于10Hz，确保捕捉到模型变化的关键信息。

二、主要技术参数

模型尺寸参数

尺寸：长4m×宽2.5m×高2.5m；

框架满载变形量≤3mm；

分层铺设厚度：50~100mm

材料配比控制

原材料砂子（粒径0.1~0.5mm）、碳酸钙（200目）、石膏（β型）；

配比称量精度≤±1g；

水灰比0.2~0.4

加载参数

顶部加载：单个加载力100kN，

侧向加载：单个加载力50kN，

加载强度0.5~3MPa，

精度±0.3% FS；

监测参数

应力监测：土压力传感器（0~2MPa，精度 ±0.5% FS）；

位移监测：激光位移计（±0.05mm）；

三、装置结构设计

1. 模型框架

采用高强度钢材焊接而成的矩形框架结构，尺寸为长4m× 宽2.5m× 高 2.5m，确保足够空间容纳模拟模型，并能承受试验过程中的荷载。框架各连接部位采用螺栓紧固与焊接相结合方式，保证整体结构刚性与稳定性。

2. 加载系统

顶部加载模块：利用液压千斤顶（最大加载力100kN），通过传力板对模型顶部施加垂直荷载，模拟上覆岩层重力。液压千斤顶由电动液压泵站驱动，可精确控制加载速率（0.1 - 1kN/s）与加载量，加载精度达到 ±0.5% FS。

侧向加载模块：在框架两侧设置水平液压加载装置（单个加载力50kN），用于模拟侧向地应力或开采扰动引起的侧向压力。侧向加载装置通过导轨与框架连接，可根据试验需求调整加载位置，加载方向与模型侧面垂直，加载精度同顶部加载系统。

3. 相似材料制备与铺设系统

配比搅拌单元：可按预设配比自动完成砂子、碳酸钙、石膏与水的混合搅拌。

分层铺设辅助工具：采用分层铺设、振捣成型方式构建模拟模型。每层铺设厚度控制在50 - 100mm，层间铺设云母粉模拟弱面，以反映实际岩层结构。

4. 监测与数据采集系统

应力监测系统：预埋于模型不同岩层的微型土压力传感器，通过数据采集仪（采样率10Hz）实时传输应力数据，重点监测顶板、底板及关键岩层界面受力。

位移监测系统：表面激光位移计（扫描频率5Hz），记录模型表面沉降情况。

影像分析系统：3 台高清工业相机（定时拍摄间隔 1~60s 可调），结合图像处理软件生成覆岩垮落动态轨迹，辅助分析破坏形态。