煤層模擬開采試驗采集系統煤層開采頂板冒落災害試驗模擬

煤層巷道掘進采礦模擬試驗系統煤層開采三維物理模擬實驗裝置

一、方案概述

針對煤層開采過程中煤與瓦斯突出、瓦斯異常涌出、頂板冒落等災害情況，構建三維相似模擬試驗系統體積長寬高2*1*1m（適配煤層厚度 2.5m、巷道掘進4×3m 場景），模擬500m埋深（垂直/水平應力0-2.5MPa）下巷道掘進工況（掘進速度 0.2~0.3m/h），采集應力場、位移場、壓力場、濃度場動態數據，揭示瓦斯與壓力在開采過程中的演變規律，為災害防控提供依據。

二、主要技術參數

1. 壓力加載系統

垂直/水平應力：0-2.5MPa

控制路數：

X+方向控制5路，單個油缸額定載荷1000kN，總載荷5000kN；

X-方向控制5路，單個油缸額定載荷1000kN，總載荷5000kN；

Y+方向控制2路，單個油缸額定載荷1500kN，總載荷3000kN；

Y-方向控制2路，單個油缸額定載荷1500kN，總載荷3000kN；

Z方向控制5路，單個油缸額定載荷1000kN，總載荷5000kN；

?壓力精度?：±2%F.S

位移控制速度范圍：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

加載方式: 均布液壓加載

測量方式:應力和位移兩種加載方式

油源系統壓力:31.5MPa

油泵電機額定功率:75kw

油泵電機額定電壓:380V

配置風冷系統

相似材料箱體：2m（長）×1m（寬）×1m（高）

2. 掘進速度控制系統

模型掘進尺寸：800*500mm

刀盤直徑：φ200mm

?速度范圍?：0.2-0.3m/h

定位精度：±0.05mm

?響應時間?：≤3ms

掘進方式:刀盤+固定軌道巷道直徑0.2m

三、系統組成

（一）三維箱體結構

主體結構：相似材料箱：采用高強度鋼結構框架，壁厚20mm，內部尺寸 2m×1m×1m，六面加固處理，設置加強筋網格，增強抗壓能力，可承受最大2.5MPa 圍壓壓力。模擬煤礦地下500米深度的壓力環境，為頂板失穩、水害突出等災害模擬提供基礎壓力條件。

應力加載系統：

加載形式：液壓油缸加載，試驗過程自動控制，可實現軸向力加載及均布軸壓加載，模擬頂板、煤層在地下的復雜受力情況，配合應力應變監測和災害模擬，同時設計有位移采集裝置可以記錄施加力帶來的位移變化。

（二）掘進模擬裝置：

掘進模擬裝置集成于三維箱體試驗臺內（模型尺寸800*600mm，按縮尺比1:5計算），主要由動力驅動模塊、刀盤破巖模塊、軌道導向模塊、推進控制模塊及輔助監測模塊組成，通過各模塊協同運作，模擬煤礦井下巷道掘進過程，且可根據試驗需求靈活調整掘進速度（0.2 - 0.3m/h）、掘進方向等參數，精準復現不同工況下的掘進作業。

（三）災害模擬系統

煤與瓦斯突出模擬：

通過控制瓦斯注入量與壓力，結合快速泄壓裝置模擬瓦斯突出。采用高壓瓦斯罐（額定壓力16MPa，容積 50L）與質量流量控制器（0 - 50L/min，精度 ±1%）注入瓦斯，設置快速泄壓閥，實現瞬間泄壓模擬突出過程。

頂板冒落模擬：

垂直油缸分組控制，通過局部卸載模擬頂板冒落。在箱體頂部預設薄弱層（厚度10mm，強度可調），當控制對應油缸卸載時，觸發頂板冒落 。