一种相似实验设备及相似实验方法发明专利

专利名称：一种相似实验设备及相似实验方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202211444464.2

专利申请（专利权）人：国能神东煤炭集团有限责任公司,北京低碳清洁能源研究院,国家能源投资集团有限责任公司
权利人地址：内蒙古自治区鄂尔多斯市伊金霍洛旗乌兰木伦镇上湾金龙路北

专利发明（设计）人：张凯,杨英明,郭俊廷,李杨杨,赵勇强,张国军,刘新杰,何瑞敏

专利摘要：本发明公开了一种相似实验设备及相似实验方法，在需要监测相似上覆岩层中的水流运移路径时，将箱体旋转一定角度，观察玻璃倾斜朝向红外监测仪，从而使得观察玻璃内表面上的水膜、水珠等离开观察玻璃而渗入相似上覆岩层中，红外监测仪可更加直接地监测相似上覆岩层中的水流路径，提升了水流路径监测结果的准确性。在需要获得相似上覆岩层中的裂隙分布时，通过固定溶剂注射装置向相似上覆岩层中注射固定溶剂，固定溶剂会与水一样沿着相似上覆岩层中的裂隙流动，固定溶剂凝固后形成裂隙分布模型，拆除箱体后即可获得裂隙分布模型，结果更加准确，物理模型更利于用户直接观察研究。

主权利要求：
1.一种相似实验设备，其特征在于，包括支撑架、实验箱、红外监测仪、监测控制装置和具有水温调节器的注水装置；
所述实验箱包括与所述支撑架可枢转连接的箱体以及处于所述箱体中的顶部加载单元、柔性加载气囊和底部柔性支撑单元；
所述底部柔性支撑单元用于支撑相似上覆岩层且能够模拟煤层开挖；
所述柔性加载气囊处于所述顶部加载单元的下方，用于压紧所述相似上覆岩层的顶部；
所述箱体的前侧安装有观察玻璃，所述红外监测仪处于所述箱体的斜上方，所述红外监测仪与所述监测控制装置信号连接；
所述柔性加载气囊中配置有硬质的导流管，所述注水装置的注水管与所述导流管连接；
所述箱体中沿着上下方向间隔地安装有多个所述水压传感器，所述底部柔性支撑单元中布置有应力传感器，所述水压传感器及所述应力传感器分别与所述监测控制装置信号连接。
2.根据权利要求1所述的相似实验设备，其特征在于，所述相似实验设备具有监测水流运移路径工作状态；
在所述相似实验设备处于所述监测水流运移路径工作状态时，所述箱体在所述支撑架上旋转预设角度，所述红外监测仪正对所述观察玻璃。
3.根据权利要求1所述的相似实验设备，其特征在于，所述柔性加载气囊中布置有多根所述导流管。
4.根据权利要求1所述的相似实验设备，其特征在于，所述支撑架与所述箱体之间配置有用于驱动所述箱体旋转的驱动机构。
5.根据权利要求1‑4中任一项所述的相似实验设备，其特征在于，所述相似实验设备还包括固定溶剂注射装置，所述固定溶剂注射装置的注射管与所述导流管连接。
6.根据权利要求5所述的相似实验设备，其特征在于，所述固定溶剂注射装置具有注射工作状态；
在所述固定溶剂注射装置处于所述注射工作状态时，所述箱体在所述支撑架上旋转至水平状态，所述观察玻璃朝上。
7.根据权利要求1‑4中任一项所述的相似实验设备，其特征在于，所述底部柔性支撑单元包括可滑动地配置在所述箱体中的升降支撑板和用于驱动所述升降支撑板上下移动的底部活塞；
所述升降支撑板包括多块支撑板单元，任意相邻的两块所述支撑板单元滑动连接；
每块所述支撑板单元由一个所述底部活塞支撑，所述应力传感器装配在所述底部活塞的活塞杆与所述支撑板单元之间。
8.根据权利要求1‑4中任一项所述的相似实验设备，其特征在于，所述顶部加载单元包括多个间隔布置的顶部活塞，每个所述顶部活塞的活塞杆上都连接有用于压住所述柔性加载气囊的压板。
9.一种相似实验方法，其特征在于，采用权利要求1‑8中任一项所述的相似实验设备；
所述相似实验方法，包括如下步骤：
S01：在箱体中铺设完成相似上覆岩层，其中相似上覆岩层处于底部柔性支撑单元与柔性加载气囊之间；
S02：顶部加载单元开启并向下加压，注水装置开启并恒压注水；
S03：操作底部柔性支撑单元模拟煤层开挖；
S04：在模拟煤层开挖完成后，继续恒压注水并静置第一预设时间；
S05：转动箱体直至观察玻璃的内表面上的水流消失；
S06：开启水温调节器加热水至预设温度，注入预设温度的水；
S07：通过红外监测仪监测相似上覆岩层中的水流运移路径，并将水流运移路径数据传输给监测控制装置，得到水流运移路径图像。
10.根据权利要求9所述的相似实验方法，其特征在于，所述相似实验方法，还包括如下步骤：S08：开启固定溶剂注射装置注射固定溶剂；
S09：静置第二预设时间，固定溶剂凝固后形成裂隙分布模型；
S10：拆除箱体，获得裂隙分布模型。 说明书 : 一种相似实验设备及相似实验方法技术领域[0001] 本发明涉及上覆岩层相似实验技术领域，尤其涉及一种相似实验设备及相似实验方法。背景技术[0002] 在煤炭开采领域中，利用煤矿采空区建立地下水库以实现保水。而煤矿地下水库主要是利用采空区破断垮落岩体间的自由空隙进行储水，水库库容即为采空区储水范围内垮裂岩体的自由空隙总量，所以进行对地下水库建设必须对煤炭开采地下水运移规律、导水裂隙分布特征及采动区储水等理论进行研究。而以上规律及特征的形成是地质条件、开采高度、工作面推进速度、围岩应力场及渗透水压等多种因素共同作用的结果，是一个复杂的形成过程，仅仅依靠理论研究及数值模拟得到的结果依旧存在一些不足。所以相比于理论研究与数值模拟，相似模拟实验采用与实际岩石相似的模拟材料，以实际矿区地质条件为背景，按照一定比例缩小制成模型，并进行模拟开挖实验，为地下水库的选择、修建提供一定的指导作用。[0003] 现有技术中的相似模拟实验装置的箱体是固定的，在进行相似模拟实验时，从顶部向下注水，水经相似材料的裂隙向下流动。有些水会沿着观察玻璃的内表面与相似材料之间的间隙流动，从而在观察玻璃的内表面形成一层水膜。采用红外监测仪器来监测水流时，该层水膜会影响监测结果，红外检测仪监测不到相似材料内部的裂隙水流，或监测的图像不清楚，导致监测结果不够准确。[0004] 另外，现有技术中，一般都是根据上述裂隙水流的流动路径，然后通过计算机软件绘制出裂隙分布。但是，软件制作的裂隙分布与相似材料中实际的裂隙分布存在差异，且不够直观，该裂隙分布获取方面也有待改善。发明内容[0005] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种新型的相似实验设备及相似实验方法，可以提高模拟实验的准确性，为矿区地下水库的选择、修建提供更为准确的指导作用。[0006] 本发明技术方案提供一种相似实验设备，包括支撑架、实验箱、红外监测仪、监测控制装置和具有水温调节器的注水装置；[0007] 所述实验箱包括与所述支撑架可枢转连接的箱体以及处于所述箱体中的顶部加载单元、柔性加载气囊和底部柔性支撑单元；[0008] 所述底部柔性支撑单元用于支撑相似上覆岩层且能够模拟煤层开挖；[0009] 所述柔性加载气囊处于所述顶部加载单元的下方，用于压紧所述相似上覆岩层的顶部；[0010] 所述箱体的前侧安装有观察玻璃，所述红外监测仪处于所述箱体的斜上方，所述红外监测仪与所述监测控制装置信号连接；[0011] 所述柔性加载气囊中配置有硬质的导流管，所述注水装置的注水管与所述导流管连接；[0012] 所述箱体中沿着上下方向间隔地安装有多个所述水压传感器，所述底部柔性支撑单元中布置有应力传感器，所述水压传感器及所述应力传感器分别与所述监测控制装置信号连接。[0013] 在其中一项可选技术方案中，所述相似实验设备具有监测水流运移路径工作状态；[0014] 在所述相似实验设备处于所述监测水流运移路径工作状态时，所述箱体在所述支撑架上旋转预设角度，所述红外监测仪正对所述观察玻璃。[0015] 在其中一项可选技术方案中，所述柔性加载气囊中布置有多根所述导流管。[0016] 在其中一项可选技术方案中，所述支撑架与所述箱体之间配置有用于驱动所述箱体旋转的驱动机构。[0017] 在其中一项可选技术方案中，所述相似实验设备还包括固定溶剂注射装置，所述固定溶剂注射装置的注射管与所述导流管连接。[0018] 在其中一项可选技术方案中，所述固定溶剂注射装置具有注射工作状态；[0019] 在所述固定溶剂注射装置处于所述注射工作状态时，所述箱体在所述支撑架上旋转至水平状态，所述观察玻璃朝上。[0020] 在其中一项可选技术方案中，所述底部柔性支撑单元包括可滑动地配置在所述箱体中的升降支撑板和用于驱动所述升降支撑板上下移动的底部活塞；[0021] 所述升降支撑板包括多块支撑板单元，任意相邻的两块所述支撑板单元滑动连接；[0022] 每块所述支撑板单元由一个所述底部活塞支撑，所述应力传感器装配在所述底部活塞的活塞杆与所述支撑板单元之间。[0023] 在其中一项可选技术方案中，所述顶部加载单元包括多个间隔布置的顶部活塞，每个所述顶部活塞的活塞杆上都连接有用于压住所述柔性加载气囊的压板。[0024] 本发明技术方案还提供一种相似实验方法，其采用前述任一技术方案所述的相似实验设备；[0025] 所述相似实验方法，包括如下步骤：[0026] S01：在箱体中铺设完成相似上覆岩层，其中相似上覆岩层处于底部柔性支撑单元与柔性加载气囊之间；[0027] S02：顶部加载单元开启并向下加压，注水装置开启并恒压注水；[0028] S03：操作底部柔性支撑单元模拟煤层开挖；[0029] S04：在模拟煤层开挖完成后，继续恒压注水并静置第一预设时间；[0030] S05：转动箱体直至观察玻璃的内表面上的水流消失；[0031] S06：开启水温调节器加热水至预设温度，注入预设温度的水；[0032] S07：通过红外监测仪监测相似上覆岩层中的水流运移路径，并将水流运移路径数据传输给监测控制装置，得到水流运移路径图像。[0033] 在其中一项可选技术方案中，所述相似实验方法，还包括如下步骤：[0034] S08：开启固定溶剂注射装置注射固定溶剂；[0035] S09：静置第二预设时间，固定溶剂凝固后形成裂隙分布模型；[0036] S10：拆除箱体，获得裂隙分布模型。[0037] 采用上述技术方案，具有如下有益效果：[0038] 本发明提供的相似实验设备及相似实验方法，实验箱的箱体可枢转地安装在支撑架上，在需要监测相似上覆岩层中的水流运移路径时，将箱体旋转一定角度，观察玻璃倾斜朝向红外监测仪，从而使得观察玻璃内表面上的水膜、水珠等离开观察玻璃而渗入相似上覆岩层中，红外监测仪可更加直接地监测相似上覆岩层中的水流路径，提升了水流路径监测结果的准确性。[0039] 本发明提供的相似实验设备及相似实验方法，在需要获得相似上覆岩层中的裂隙分布时，通过固定溶剂注射装置向相似上覆岩层中注射固定溶剂，固定溶剂会与水一样沿着相似上覆岩层中的裂隙流动，固定溶剂凝固后形成裂隙分布模型，拆除箱体后即可获得裂隙分布模型，结果更加准确，物理模型更利于用户直接观察研究。附图说明[0040] 参见附图，本发明的公开内容将变得更易理解。应当理解：这些附图仅仅用于说明的目的，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。图中：[0041] 图1为本发明一实施例提供的相似实验设备中的实验箱、监测控制装置、注水装置和固定溶剂注射装置的布置示意图；[0042] 图2为本发明一实施例提供的相似实验设备中的实验箱、支撑架及驱动机构的布置示意图；[0043] 图3为本发明一实施例提供的相似实验设备中的实验箱的侧视图；[0044] 图4为本发明一实施例提供的相似实验设备中，在箱体旋转预设角度后，观察玻璃朝向红外监测仪时的示意图；[0045] 图5为应力传感器装配在底部活塞的活塞杆与支撑板单元之间的示意图。具体实施方式[0046] 下面结合附图来进一步说明本发明的具体实施方式。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。[0047] 如图1‑5所示，本发明一实施例提供的相似实验设备，包括支撑架1、实验箱2、红外监测仪3、监测控制装置4和具有水温调节器51的注水装置5。[0048] 实验箱2包括与支撑架1可枢转连接的箱体21以及处于箱体21中的顶部加载单元22、柔性加载气囊23和底部柔性支撑单元24。[0049] 底部柔性支撑单元24用于支撑相似上覆岩层且能够模拟煤层开挖。[0050] 柔性加载气囊23处于顶部加载单元22的下方，用于压紧相似上覆岩层的顶部。[0051] 箱体21的前侧安装有观察玻璃25，红外监测仪3处于箱体21的斜上方，红外监测仪3与监测控制装置4信号连接。[0052] 柔性加载气囊23中配置有硬质的导流管231，注水装置5的注水管52与导流管231连接。[0053] 箱体21中沿着上下方向间隔地安装有多个水压传感器26，底部柔性支撑单元24中布置有应力传感器27，水压传感器26及应力传感器27分别与监测控制装置4信号连接。[0054] 本发明提供的相似实验设备可用于模拟上覆岩层的导水裂隙的形成，以获得相应的水流运移路径。[0055] 该相似实验设备包括有支撑架1、实验箱2、红外监测仪3、监测控制装置4和注水装置5。[0056] 支撑架1上具有枢转轴11。试验箱2安装在枢转轴11上，其可随着枢转轴11的转动而前后摆动。根据需要，可通过摇把工具手动转动枢转轴11转动，也可通过电动驱动机构来自动驱动枢转轴11转动。[0057] 实验箱2包括有箱体21、顶部加载单元22、柔性加载气囊23、底部柔性支撑单元24、观察玻璃25、水压传感器26和应力传感器27。[0058] 箱体21安装在枢转轴11上，可在箱体21中铺设相似材料以形成相似上覆岩层。具体地，可依据矿井实际地质资料确定模型各岩层材料配比及所需原料，将混合均匀的相似材料放置于箱体21中铺设并进行压实，以获得相似上覆岩层。根据需要，可在箱体21的底板上开设排水孔，以将流下的水排出。排水孔中安装有阀门，以控制排水孔的开关。[0059] 底部柔性支撑单元24安装在箱体21的底板上，底部柔性支撑单元24用于支撑相似上覆岩层，且底部柔性支撑单元24能够模拟煤层开挖。底部柔性支撑单元24可采用多个气囊结构，也可采用多个活塞与多块支撑板组合的结构。在模拟煤层开挖时，可按照一定顺序给气囊放气，或按照一定顺序收缩活塞以使得支撑板下降。[0060] 在模拟煤层开挖时，相似上覆岩层中会产生裂隙。[0061] 顶部加载单元22安装在箱体21的顶板的下方，其用于向下加载，以模拟上覆岩层的矿压。顶部加载单元22可采用活塞机构。[0062] 柔性加载气囊23处于顶部加载单元22的下方，在使用时，柔性加载气囊23处于相似上覆岩层的顶部。柔性加载气囊23处于膨胀状态，其用于将顶部加载单元22传来的压力传递给下方的相似上覆岩层。并且，在模拟煤层开挖时，如相似上覆岩层的某处塌陷，则塌陷处对应的顶部相应降低，柔性加载气囊23会随之变形，柔性加载气囊23与相似上覆岩层的顶面随形，以保持对相似上覆岩层的顶面保持作用。[0063] 观察玻璃25用于安装在箱体21的前侧，以便用户和红外监测仪3观察内部状况。[0064] 红外监测仪3处于箱体21的斜上方，具体地，红外监测仪3处于箱体21的前侧并处于箱体21的上方。当箱体21转动一定角度后，观察玻璃25可面向红外监测仪3，并使得观察玻璃25的内表面的水膜、水流、水珠等脱离或消失，红外监测仪3可更加直观地监测相似上覆岩层中的水流运移路径。[0065] 红外监测仪3与监测控制装置4通过导线连接，可将监测到的水流运移路径数据，传输给监测控制装置4。监测控制装置4可根据上述数据，绘制出相应的水流运移路径图。[0066] 箱体21的背板和侧板上分别安装有多个沿着上下方向间隔布置的水压传感器26，水压传感器26埋入相似上覆岩层，其用于监测相似上覆岩层中的水压。水压传感器26与监测控制装置4通过导线连接。水压传感器26可将监测到的水压数据传输给监测控制装置4。[0067] 应力传感器27安装在底部柔性支撑单元24中，其用于监测底部柔性支撑单元24所承载的应力。应力传感器27与监测控制装置4通过导线连接，应力传感器27可将监测到的应力数据传输给监测控制装置4。[0068] 监测控制装置4可根据上述水压数据、应力数据绘制出相应的水压变化曲线图、应力变化曲线图，以供用户研究。[0069] 具体地，监测控制装置4包括中央控制模块41、水压监测模块42和应力监测模块43，水压监测模块42和应力监测模块43分别与中央控制模块41信号连接。水压监测模块42和应力监测模块43可将各自监测到的数据传输给中央控制模块41进行处理。[0070] 中央控制模块41、水压监测模块42和应力监测模块43可集成为一体式的中央控制装置。中央控制模块41、水压监测模块42和应力监测模块43也可采用单独的仪器组合使用。[0071] 红外监测仪3与中央控制模块41连接，水压传感器26与水压监测模块42连接，应力传感器27与应力监测模块43连接。[0072] 柔性加载气囊23中布置有贯穿的导流管231，导流管231为硬质塑料管，其结构强度满足抗压要求，可避免受压时影响水压。[0073] 注水装置5的注水管52与导流管231连接，用于注水。注水时，水会经导流管231流向下方的相似上覆岩层中。导流管231中具有阀门，以控制导流管231开闭。[0074] 注水装置5包括有水温调节器51，用于调节注水的水温，以便注入不同温度的水，进行多次模拟，相互验证。通过水温调节器51调高水温，也便于红外监测仪3监测到水流路径。水温调节器51可采用加热器。[0075] 在采用该相似实验设备进行相似模拟实验时，其操作步骤如下：[0076] 第一步，在箱体21中底部柔性支撑单元24的上方铺设完成相似上覆岩层。[0077] 第二步，顶部加载单元22开启向下施压，同时，注水装置5开始注水，注水水压恒定。该步骤中水温为常温。[0078] 第三步，待最上方的水压传感器26有数值显示并稳定后，则操作底部柔性支撑单元24来模拟煤层开挖，例如从左向右或从右向左依次降低底部柔性支撑单元24，以使得相似上覆岩层产生裂隙，形成裂隙发育带。[0079] 第四步，在模拟煤层开挖完成后，继续恒压注水并静置第一预设时间。第一预设时间可根据需要进行设定，以使得裂隙中充满水。[0080] 第五步，手动或电动转动箱体21，使其倾斜一定解角度，观察玻璃25在箱体21的前侧倾斜布置，使得观察玻璃25的内表面上的水流、水珠或水膜消失。[0081] 第六步，开启水温调节器51加热水至预设温度，例如水温高于25℃，注水装置5开始向相似上覆岩层中注入预设温度的水，以便红外监测仪3监测到水流。根据需要，可依照一定顺序，依次注入不同温度的水(例如，25℃、30℃、35℃、40℃等)，进行多次模拟，以便相互验证。[0082] 第七步，通过红外监测仪3监测相似上覆岩层中的水流运移路径，并将水流运移路径数据传输给监测控制装置4，得到水流运移路径图像，进而可判断出相似上覆岩层中的裂隙发育带。[0083] 综上所述，本发明提供的相似实验设备，实验箱2的箱体21可枢转地安装在支撑架1上，在需要监测相似上覆岩层中的水流运移路径时，将箱体21旋转一定角度，观察玻璃25倾斜朝向红外监测仪3，从而使得观察玻璃25内表面上的水膜、水珠等离开观察玻璃25而渗入相似上覆岩层中，红外监测仪3可更加直接地监测相似上覆岩层中的水流路径，提升了水流路径监测结果的准确性。[0084] 在其中一个实施例中，如图4所示，相似实验设备具有监测水流运移路径工作状态。[0085] 在相似实验设备处于监测水流运移路径工作状态时，箱体21在支撑架1上旋转预设角度，红外监测仪3正对观察玻璃25。[0086] 本实施例中，在进行水流运移路径监测时，箱体21旋转后，红外监测仪3正对观察玻璃25，也即是红外监测仪3的摄像头的中心线与观察玻璃25垂直，摄像头的摄像范围可更准地覆盖观察玻璃25，提高监测效果。[0087] 优选地，观察玻璃25呈矩形，其具有宽度方向的中心线与长度方向的中心线的交点为观察玻璃25的中心点。红外监测仪3的摄像头的中心线与观察玻璃25的中心点相交。[0088] 在其中一个实施例中，柔性加载气囊23中布置有多根导流管231，以在相似上覆岩层的顶部均匀注水。[0089] 在其中一个实施例中，如图2和图4所示，支撑架1与箱体21之间配置有用于驱动箱体21旋转的驱动机构6，以便驱动箱体21转动。驱动机构6可采用电机驱动机构，电机驱动机构安装在支撑架1上，电机驱动机构的输出轴与枢转轴11连接。[0090] 在其中一个实施例中，如图1所示，相似实验设备还包括固定溶剂注射装置7，固定溶剂注射装置7的注射管71与导流管231连接。[0091] 本实施例中，相似实验设备配置有固定溶剂注射装置7，其用于注射固定溶剂，固定溶剂可选用环氧树脂溶剂。环氧树脂溶剂的物理性质与水相似但不溶于水，环氧树脂溶剂可很好地在相似上覆岩层的裂隙内流动。经过静置一定时间后，环氧树脂溶剂可凝固成型，从而将裂隙周围的相似材料也固定住，形成裂隙分布模型。[0092] 固定溶剂注射装置7的注射管71中配置有阀门72，注射管71与导流管231连接，通过导流管231将固定溶剂导入相似上覆岩层中。[0093] 在裂隙监测完成后，可开启固定溶剂注射装置7，向相似上覆岩层中注入固定溶剂。注入固定溶剂完成后，静置一段时间。待固定溶剂凝固后，拆除箱体21，即可获得裂隙分布的物理模型，以便用户直接观察研究。[0094] 在注射固定溶剂时，关闭排水孔中的阀门。在其中一个实施例中，固定溶剂注射装置7具有注射工作状态。[0095] 在固定溶剂注射装置7处于注射工作状态时，箱体21在支撑架1上旋转至水平状态，观察玻璃25朝上。[0096] 本实施例中，在进行注射固定溶剂之前，将箱体21调平，使得观察玻璃25朝上。在注入的固定溶剂为箱体21的厚度的一半左右时，停止注入固定溶剂，可减少固定溶剂的用量，也利于缩短固定溶剂的凝固时间。[0097] 本发明中，在旋转箱体21时，由于顶部加载单元22、柔性加载气囊23与底部柔性支撑单元24的相互作用，可保持相似上覆岩层的整体稳定，减少了转动造成的干扰破坏。[0098] 在其中一个实施例中，如图2和图5所示，底部柔性支撑单元24包括可滑动地配置在箱体21中的升降支撑板241和用于驱动升降支撑板241上下移动的底部活塞242。[0099] 升降支撑板241包括多块支撑板单元2411，任意相邻的两块支撑板单元2411滑动连接。[0100] 每块支撑板单元2411由一个底部活塞242支撑，应力传感器27装配在底部活塞242的活塞杆2421与支撑板单元2411之间。[0101] 本实施例中，底部柔性支撑单元24采用升降支撑板241与底部活塞242的组合。[0102] 升降支撑板241由多块支撑板单元2411依次连接而成。相邻的两块支撑板单元2411滑动连接，两者可相互滑动，不会影响滑动。[0103] 每块支撑板单元2411的底部安装有一个底部活塞242，底部活塞242的缸筒安装在箱体21的底板上，底部活塞242的活塞杆2421与支撑板单元2411连接。每块支撑板单元2411与对应的活塞杆2421之间配置有一个应力传感器27。[0104] 在模拟煤层开挖时，可选择从一端向另一端逐渐降低底部活塞242的活塞杆2421，以带动上方的支撑板单元2411下降，从而模拟上方的相似上覆岩层跨落。在模拟煤层开挖时，相邻的两块支撑板单元2411在垂直方向上不会脱离，以避免相似上覆岩层大量落入升降支撑板241的底部，影响实验效果。支撑板单元2411的厚度可根据需要进行设定，满足模拟煤层开挖时，支撑板单元2411的下降行程。[0105] 在其中一个实施例中，如图2所示，顶部加载单元22包括多个间隔布置的顶部活塞221，每个顶部活塞221的活塞杆上都连接有用于压住柔性加载气囊23的压板222。[0106] 本实施例中，顶部加载单元22采用多个顶部活塞221，以实现分区施压模拟。每个顶部活塞221的活塞杆的下端都连接有压板222，有助于压住下方柔性加载气囊23。相邻的两块压板222相接触，从而可以完全压住柔性加载气囊23的顶面[0107] 结合图1‑5所示，本发明一实施例提供的一种相似实验方法，其采用前述任一实施例所述的相似实验设备。[0108] 相似实验方法，包括如下步骤：[0109] S01：在箱体21中铺设完成相似上覆岩层，其中相似上覆岩层处于底部柔性支撑单元24与柔性加载气囊23之间。[0110] S02：顶部加载单元22开启并向下加压，注水装置5开启并恒压注水。[0111] S03：操作底部柔性支撑单元24模拟煤层开挖。[0112] S04：在模拟煤层开挖完成后，继续恒压注水并静置第一预设时间。[0113] S05：转动箱体21直至观察玻璃25的内表面上的水流消失。[0114] S06：开启水温调节器51加热水至预设温度，注入预设温度的水。[0115] S07：通过红外监测仪3监测相似上覆岩层中的水流运移路径，并将水流运移路径数据传输给监测控制装置4，得到水流运移路径图像。[0116] 在采用该相似实验设备进行相似模拟实验时，其操作步骤如下：[0117] 第一步，在箱体21中底部柔性支撑单元24的上方铺设完成相似上覆岩层。[0118] 第二步，顶部加载单元22开启向下施压，同时，注水装置5开始注水，注水水压恒定。该步骤中水温为常温。[0119] 第三步，待最上方的水压传感器26有数值显示并稳定后，则操作底部柔性支撑单元24来模拟煤层开挖，例如从左向右或从右向左依次降低底部柔性支撑单元24，以使得相似上覆岩层产生裂隙，形成裂隙发育带。[0120] 第四步，在模拟煤层开挖完成后，继续恒压注水并静置第一预设时间。第一预设时间可根据需要进行设定，以使得裂隙中充满水。[0121] 第五步，手动或电动转动箱体21，使其倾斜一定解角度，观察玻璃25在箱体21的前侧倾斜布置，使得观察玻璃25的内表面上的水流、水珠或水膜消失。[0122] 第六步，开启水温调节器51加热水至预设温度，例如水温高于25℃，注水装置5开始向相似上覆岩层中注入预设温度的水，以便红外监测仪3监测到水流。根据需要，可依照一定顺序，依次注入不同温度的水(例如，25℃、30℃、35℃、40℃等)，进行多次模拟，以便相互验证。[0123] 第七步，通过红外监测仪3监测相似上覆岩层中的水流运移路径，并将水流运移路径数据传输给监测控制装置4，得到水流运移路径图像，进而可判断出相似上覆岩层中的裂隙发育带。[0124] 综上所述，本发明提供的相似实验方法，在需要监测相似上覆岩层中的水流运移路径时，将箱体21旋转一定角度，观察玻璃25倾斜朝向红外监测仪3，从而使得观察玻璃25内表面上的水膜、水珠等离开观察玻璃25而渗入相似上覆岩层中，红外监测仪3可更加直接地监测相似上覆岩层中的水流路径，提升了水流路径监测结果的准确性。[0125] 在其中一个实施例中，相似实验方法，还包括如下步骤：[0126] S08：开启固定溶剂注射装置7注射固定溶剂。[0127] S09：静置第二预设时间，固定溶剂凝固后形成裂隙分布模型。[0128] S10：拆除箱体21，获得裂隙分布模型。[0129] 在需要获得相似上覆岩层中的裂隙分布时，通过固定溶剂注射装置7向相似上覆岩层中注射固定溶剂，固定溶剂会与水一样沿着相似上覆岩层中的裂隙流动，固定溶剂凝固后形成裂隙分布模型，拆除箱体21后即可获得裂隙分布模型，结果更加准确，物理模型更利于用户直接观察研究。[0130] 在其中一个实施例中，在需要获得相似上覆岩层中的裂隙分布时，先将箱体21调平，观察玻璃25朝上，再开启固定溶剂注射装置7注射固定溶剂。在注入的固定溶剂为箱体21的厚度的一半左右时，停止注入固定溶剂，可减少固定溶剂的用量，也利于缩短固定溶剂的凝固时间。[0131] 根据需要，可以将上述各技术方案进行结合，以达到最佳技术效果。[0132] 以上的仅是本发明的原理和较佳的实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在本发明原理的基础上，还可以做出若干其它变型，也应视为本发明的保护范围。

专利地区：内蒙古

专利申请日期：2022-11-18

专利公开日期：2024-05-21

专利公告号：CN118057176A