基于岩块回转的动态覆岩运动模拟装置及方法与流程

1.本发明涉及采矿工程相似模拟试验技术领域，特别涉及一种基于岩块回转的动态覆岩运动模拟装置及方法。


背景技术：

2.当前，模拟煤炭开采引起松散层破坏及地表裂隙演化规律的装置中，通过地表移动变形模拟试验平台的平移、沉降或抬升驱动下，使试验用松散土体发生移动变形和裂缝。
3.以上方案中，在模拟煤炭开采引起松散层破坏及地表裂隙演化规律的装置中，只能通过平台单纯的平移、沉降或抬升驱动地表松散土体发生破坏，并不能够真实模拟工作面覆岩关键层的旋转下沉、回转运动规律，如此也不能真实反映地表裂缝真实的变化规律。


技术实现要素：

4.本发明旨在提供一种基于岩块回转的动态覆岩运动模拟装置及方法，以解决现有技术中的模拟煤炭开采引起松散层破坏及地表裂隙演化规律的装置中，无法真实反应针对采煤沉陷区动态地裂缝自修复的影响因素和驱动机制，导致模拟结果准确性低的技术问题。
5.针对上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
6.本发明的实施例提供一种基于岩块回转的动态覆岩运动模拟装置，包括：
7.可视化框架系统，包括相似模拟试验平台和设置于所述相似模拟试验平台周侧的模型箱体，所述模型箱体配置有透明板；
8.岩块回转模拟系统，设置于所述相似模拟试验平台上，所述岩块回转模拟系统包括多个岩块单元，以及连接于相似模拟试验平台底部和每一所述岩块单元间的施力单元；
9.岩土体接触面模拟系统，设置在所述岩块单元上；
10.松散层相似模拟系统，设置在所述岩土体接触面模拟系统上并与所述岩土体接触面模拟系统接触；
11.实时监测系统，对所述松散层相似模拟系统、岩土体接触面模拟系统和所述相似模拟试验平台进行监测；所述施力单元启动后向所述岩块单元施加不同方向的压力，在所述压力的作用下相邻所述岩块单元之间旋转错动，模拟现场煤炭开采上覆破断岩块场景；所述实时监测系统实时获取监测结果，根据监测结果得到松散层内部应力分析结果、覆岩回转运动前后的不同结果状态和位移路径的分析结果和表面裂缝宽度、深度和张开闭合规律的分析结果。
12.在一些实施例中，所述的基于岩块回转的动态覆岩运动模拟装置：
13.所述实时监测系统包括预埋在所述松散层相似模拟系统中的应力传感器，安装在所述相似模拟试验平台上方的三维激光扫描仪，以及设置在所述相似模拟试验平台正前方的摄像仪；所述实时监测系统实时采集所述应力传感器、所述三维激光扫描仪和所述摄像仪的检测数据，根据所述应力传感器的检测数据得到回采过程中松散层内部应力分析结
果，根据所述摄像仪的检测数据得到松散层在覆岩回转运动前后的不同结果状态和位移路径的分析结果，根据所述三维激光扫描仪的检测结果得到表面裂缝宽度、深度和张开闭合规律的分析结果。
14.在一些实施例中，所述的基于岩块回转的动态覆岩运动模拟装置，所述施力单元包括伸缩部件：
15.所述伸缩部件包括上旋转轴、伸缩杆、下旋转轴、伺服电机和支座；所述上旋转轴固定在所述岩块单元上与所述岩块单元铰接；所述伸缩杆的两端分别与所述上旋转轴和伺服电机上部连接，伺服电机下部与所述下旋转轴连接；所述下旋转轴铰接地安装在所述支座上，所述支座安装在相似模拟试验平台底部。
16.在一些实施例中，所述的基于岩块回转的动态覆岩运动模拟装置：
17.每一所述岩块单元均安装有两个所述伸缩部件，两个所述伸缩部件的安装位置沿所述岩块单元的中心线对称分布。
18.在一些实施例中，所述的基于岩块回转的动态覆岩运动模拟装置，所述施力单元还包括旋转轴锁定部件：
19.所述下旋转轴的两端装配有第一齿轮；所述旋转轴锁定部件的内部设置有第二齿轮；所述旋转轴锁定部件被安装后，所述第一齿轮与所述第二齿轮相互啮合以阻止所述伸缩部件的旋转动作。
20.在一些实施例中，所述的基于岩块回转的动态覆岩运动模拟装置：
21.所述岩土体接触面模拟系统包括砂布材料，所述砂布材料铺设于所述岩块单元的表面。
22.在一些实施例中，所述的基于岩块回转的动态覆岩运动模拟装置：
23.所述松散层相似模拟系统，采用不同粒径的有机玻璃颗粒与弱粘结剂混合而成。
24.在一些实施例中，所述的基于岩块回转的动态覆岩运动模拟装置：
25.所述岩块单元为长方体结构，所述长方体结构的边缘处成型为圆角结构。
26.在一些实施例中，所述的基于岩块回转的动态覆岩运动模拟装置：
27.所述相似模拟试验平台为刚性合金材料，所述模型箱体为长方体结构，所述模型箱体的第一方向上的挡板均为透明有机玻璃板，所述模型箱体的第二方向上的挡板为刚性合金板。
28.本发明的实施例还提供一种基于岩块回转的动态覆岩运动模拟方法，包括如下步骤：
29.a.获取岩土层力学参数及岩土层实际赋存信息，基于组合梁原理及关键层理论，逐层计算岩土层中各覆岩层所受荷载值并计算在该荷载下其极限跨距，并获得上位关键层的极限跨距、运动方式及下沉值；结合相似三定理，确定模拟装置的各相似常数；
30.b.松散层相似模拟参数确定：根据现场松散层土的力学试验测定结果，结合几何相似常数和物理相似常数，确定有机玻璃颗粒、水和粘结剂的比例；
31.c.岩土体接触面粗糙度参数确定：根据岩土体接触面基岩层与松散层的岩性，确定岩土体接触面砂布的粗糙度；
32.d.相似模拟系统搭建：在相似模拟试验平台岩块回转模拟系统岩块单元表面设置一定粗糙度的砂布，其上部逐层铺设松散层相似模拟材料，每层材料浸染不同的颜色；
33.e.安装实时监测系统：在d步骤搭建相似模拟系统时，在预设位置安装应力传感器；在相似模拟试验平台正前方安装摄像仪；在相似模拟试验平台的正上方安装三维激光扫描仪；
34.f.岩块回转模拟：按顺序控制伸缩装置控制岩块单元旋转下沉与回转，模拟煤炭开采引起的覆岩运动；待岩块单元运动到固定位置后，采用旋转轴锁定装置固定伸缩装置，以固定覆岩运动方式；
35.g.监测结果获取：监测岩块回转过程中松散层相似材料的运移破碎过程，并收集实时监测系统获得的数据，根据试验获得的应力传感器数据对回采过程中松散层内部应力进行分析；根据设置在相似模拟试验平台正前方的摄像仪图像数据，运用图像灰度化处理方法，对松散层在覆岩回转运动前后的不同结果状态、位移路径进行分析；根据设置在相似模拟试验平台正上方的三维激光扫描仪图像数据，对模型表面的裂缝宽度、深度和张开闭合规律进行分析。
36.本发明的技术方案相对现有技术具有如下技术效果：
37.本发明提供的基于岩块回转的动态覆岩运动模拟装置及方法，其装置中包括可视化框架系统、岩块回转模拟系统、岩土体接触面模拟系统、松散层相似模拟系统和实时监测系统，能够模拟不同松散层厚度、松散层力学性质、岩土体接触面粗糙度、覆岩台阶下沉高度、覆岩回转角度等条件下动态地裂缝的孕育及自修复规律，从而真实反应针对采煤沉陷区动态地裂缝自修复的影响因素和驱动机制，提高模拟结果的准确性和可靠性。
附图说明
38.下面将通过附图详细描述本发明中优选实施例，将有助于理解本发明的目的和优点，其中:
39.图1是本发明一个实施例所述基于岩块回转的动态覆岩运动模拟装置的结构示意图；
40.图2a和图2b是本发明一个实施例所述的岩块回转模拟系统装配图；
41.图3是本发明一个实施例所述的岩块回转模拟系统侧视图
42.图4是本发明一个实施例所述的岩块回转模拟系统正视图
43.图5a和图5b是本发明一个实施例所述的旋转轴锁定装置装配图；
44.图6是本发明一个实施例所述基于岩块回转的覆岩运动模拟方法的流程图。
45.其中的附图标记分别为：
46.1-可视化框架系统，2-松散层相似模拟系统，3-实时监测系统，4-岩土体接触面模拟系统，5-岩块回转模拟系统，6-平台底座，7-旋转锁定装置，8-支座，9-下旋转轴，10-伺服电机，11-伸缩部件，12-岩块单元，13-上旋转轴，14-砂布材料。
具体实施方式
47.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。
48.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
49.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
50.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
51.本实施例提供一种基于岩块回转的动态覆岩运动模拟装置，如图1所示，包括可视化框架系统1、岩块回转模拟系统5、岩土体接触面模拟系统4、松散层相似模拟系统2和实时监测系统3。其中，所述可视化框架系统1，包括相似模拟试验平台和设置于所述相似模拟试验平台周侧的模型箱体，所述模型箱体配置有透明板。所述岩块回转模拟系统5，设置于所述相似模拟试验平台上，结合图2a、图2b至图5，所述岩块回转模拟系统5包括多个岩块单元12，以及连接于相似模拟试验平台底部和每一所述岩块单元12间的施力单元。所述岩土体接触面模拟系统4，设置在所述岩块单元12上；所述松散层相似模拟系统2，设置在所述岩土体接触面模拟系统4上并与所述岩土体接触面模拟系统4接触。所述实时监测系统3，对所述松散层相似模拟系统2、所述岩土体接触面模拟系统4和所述相似模拟试验平台进行监测；所述施力单元启动后向所述岩块单元12施加不同方向的压力，在所述压力的作用下相邻所述岩块单元12之间旋转错动，模拟现场煤炭开采上覆破断岩块场景；所述实时监测系统3实时获取监测结果，根据监测结果得到松散层内部应力分析结果、覆岩回转运动前后的不同结果状态和位移路径的分析结果和表面裂缝宽度、深度和张开闭合规律的分析结果。
52.本实施例提供的以上方案，能够模拟不同松散层厚度、松散层力学性质、岩土体接触面粗糙度、覆岩台阶下沉高度、覆岩回转角度等条件下动态地裂缝的孕育及自修复规律，从而真实反应针对采煤沉陷区动态地裂缝自修复的影响因素和驱动机制，提高模拟结果的准确性和可靠性。
53.在一些实施例中，相似模拟试验平台为刚性合金材料，模型箱体的第一方向上的挡板均为透明有机玻璃板，模型箱体的第二方向上的挡板为刚性合金板。刚性合金材料能够确保本装置模拟覆岩回转运动中整个平台的安全及稳定性，箱体的前后方向为透明板，能够便于外部设置摄像机等视频采集部件对箱体内的实际情况进行拍摄录制。
54.在一些实施例中，所述实时监测系统3包括预埋在所述松散层相似模拟系统2中的应力传感器，安装在所述相似模拟试验平台上方的三维激光扫描仪，以及设置在所述相似模拟试验平台正前方的摄像仪32(正前方为透明板的情况)；所述实时监测系统实时采集所述应力传感器、所述三维激光扫描仪31和所述摄像仪32的检测数据，根据所述应力传感器的检测数据得到回采过程中松散层内部应力分析结果，根据所述摄像仪32的检测数据得到松散层在覆岩回转运动前后的不同结果状态和位移路径的分析结果，根据所述三维激光扫描仪31的检测结果得到表面裂缝宽度、深度和张开闭合规律的分析结果。具体实现时，所述的松散层相似模拟系统2，包括不同粒径有机玻璃颗粒与弱粘结剂混合而成。所述应力传感
器，在松散层相似模拟系统2铺设过程中埋设于松散层颗粒之中，可以实时监测松散层相似模拟系统2内部应力变化，作为松散层内部应力的模拟结果。设置在相似模拟试验平台正前方的摄像仪32(可采用高清数码相机)采集到的图像数据，运用图像灰度化处理方法，对松散层相似模拟系统2在岩块单元12回转运动前后的不同结果状态、位移路径进行分析，并将其作为松散层在覆岩回转运动前后的不同结果状态、位移路径进行分析的结果。根据设置在相似模拟试验平台正上方的三维激光扫描仪31采集到的图像数据，对模型表面的裂缝宽度、深度和张开闭合规律进行分析作为松散层的在覆岩回转运动中的裂缝孕育分析结果。
55.在一些实施例中，如图所示，所述施力单元包括伸缩部件，所述伸缩部件包括支座8、下旋转轴9、伺服电机10、伸缩杆11和上旋转轴13；所述上旋转轴13固定在所述岩块单元12上与所述岩块单元12铰接；所述伸缩杆11的两端分别与所述上旋转轴13和伺服电机10的上部连接，伺服电机10的下部与所述下旋转轴9连接；所述下旋转轴9铰接地安装在所述支座8上，所述支座8安装在相似模拟试验平台底部6。在具体实现时，如图2a所示，每一所述岩块单元12均安装有两个所述伸缩部件，两个所述伸缩部件的安装位置沿所述岩块单元12的中心线对称分布。在实现时，下旋转轴9能够绕着支座8旋转，伸缩杆11可以沿垂直于相似模拟试验台底部6的方向上下推动岩块单元12，不同伸缩杆11施加不同的力时，在此基础上，岩块单元12的边线处为圆角结构，方便相邻岩块单元12之间旋转错动，从而以关键层块体下沉、回转的方式模拟煤炭开采过程中覆岩运动，进而模拟现场煤炭开采上覆破断岩块。
56.优选地，一些实施例中所述的基于岩块回转的动态覆岩运动模拟装置中，所述施力单元还包括旋转轴锁定部件7，所述下旋转轴9的两端装配有第一齿轮；所述旋转轴锁定部件7的内部设置有第二齿轮；所述旋转轴锁定部件7被安装后，所述第一齿轮与所述第二齿轮相互啮合以阻止所述伸缩部件的旋转动作。也即，在岩块单元12运动到固定位置后，采用旋转轴锁定部件7固定伸缩装置，以固定覆岩运动方式，此时仅需安装旋转轴锁定部件7，内外齿轮相互啮合，伸缩部件将无法旋转；当不安装旋转轴锁定部件7时，伸缩部件可沿下旋转轴9旋转运动。
57.在一些实施例中，所述岩土体接触面模拟系统4包括砂布材料14，所述砂布材料14铺设于所述岩块单元12的表面。砂布材料14具有一定粗糙度且高延展性，用以模拟岩土体接触面的粗糙程度和水平作用力大小，且能够有效防止松散层砂土下漏。
58.上述方案中，所述松散层相似模拟系统2，采用不同粒径的有机玻璃颗粒与弱粘结剂混合而成，具体的混合比例可以根据需要模拟的现场实际情况进行设定。
59.本发明实施例中还挺一种基于岩块回转的动态覆岩运动模拟方法，如图6所示，包括如下步骤：
60.a.获取岩土层力学参数及岩土层实际赋存信息，基于组合梁原理及关键层理论，逐层计算岩土层中各覆岩层所受荷载值并计算在该荷载下其极限跨距，并获得上位关键层的极限跨距、运动方式及下沉值；结合相似三定理，确定模拟装置的各相似常数。本步骤中，可通过如下公式计算极限跨距：
[0061][0062]
其中h为岩层厚度，r
t
为岩层抗拉强度，q为岩层所受荷载，根据上述计算过程，得出上位关键层的极限跨距、运动方式及下沉值；结合相似三定理，确定各相似常数，包括几
何相似常数α、物理相似常数，α＝lz/lm，其中lz为上位关键层的极限跨距，lm为相似模拟平台的岩块单元宽度。
[0063]
b.松散层相似模拟参数确定：根据现场松散层土的力学试验测定结果，结合几何相似常数和物理相似常数，确定有机玻璃颗粒、水和粘结剂的比例。
[0064]
c.岩土体接触面粗糙度参数确定：根据岩土体接触面基岩层与松散层的岩性，确定岩土体接触面砂布的粗糙度。
[0065]
d.相似模拟系统搭建：在相似模拟试验平台岩块回转模拟系统岩块单元表面设置一定粗糙度的砂布，其上部逐层铺设松散层相似模拟材料，每层材料浸染不同的颜色。不同层材料具有不同颜色，便于观察每一层材料的运动情况。
[0066]
e.安装实时监测系统：在d步骤搭建相似模拟系统时，在预设位置安装应力传感器；在相似模拟试验平台正前方安装摄像仪；在相似模拟试验平台的正上方安装三维激光扫描仪。
[0067]
f.岩块回转模拟：按顺序控制伸缩装置控制岩块单元旋转下沉与回转，模拟煤炭开采引起的覆岩运动；待岩块单元运动到固定位置后，采用旋转轴锁定装置固定伸缩装置，以固定覆岩运动方式。
[0068]
g.监测结果获取：监测岩块回转过程中松散层相似材料的运移破碎过程，并收集实时监测系统获得的数据，根据试验获得的应力传感器数据对回采过程中松散层内部应力进行分析；根据设置在相似模拟试验平台正前方的摄像仪图像数据，运用图像灰度化处理方法，对松散层在覆岩回转运动前后的不同结果状态、位移路径进行分析；根据设置在相似模拟试验平台正上方的三维激光扫描仪图像数据，对模型表面的裂缝宽度、深度和张开闭合规律进行分析。
[0069]
以上方案可以最大限度的在实验室还原模拟煤炭开采过程中覆岩运动(关键层块体下沉、回转)对松散层破坏及地表裂缝演化特征的影响规律，易于对松散层和地表裂缝在覆岩运动影响下的运移破坏情况进行实时可视化监测，便于研究不同松散层厚度、松散层力学性质、岩土体接触面粗糙度、覆岩台阶下沉高度、覆岩回转角度等条件下动态地裂缝的孕育及自修复规律，揭示采煤沉陷区动态地裂缝自修复机理，为积沙矿区生态修复与治理提供科学依据。
[0070]
本发明提供的以上方案，应用的相似模拟研究，该研究方式是现代矿业工程领域研究中的一个非常重要的手段。该方法是基于相似三定律，按一定的几何、物理关系，用于模拟替代工程现场原型的一种重要科学研究手段。现阶段煤炭开采相似模拟还存在许多不足，传统的相似模拟通过模拟煤层开挖研究上覆岩层运移规律，并不能很好的模拟覆岩块体之间的铰接作用和回转运动，且传统的相似模拟一般将松散层简化为均布荷载，很少有人关注基岩层运动引起的松散层破坏及地表裂隙演化规律。本发明实施例中提供的模拟装置及试验方法，装置中包括可视化框架系统、岩块回转模拟系统、岩土体接触面模拟系统、松散层相似模拟系统和实时监测系统。在模型框架底部设置岩块回转模拟系统，每个岩块由两根伸缩杆控制，可以通过控制不同伸缩杆上的伺服电机动作，以控制不同伸缩杆改变竖直方向或者旋转方向上的动作，继而带动岩块实现旋转下沉、台阶下沉和回转运动等；旋转轴锁定装置通过固定伸缩杆旋转角度锁定岩块的运动状态。当岩块的位置发生变化后，岩块上方铺设的松散层也可能会出现移动，最终出现裂缝等，通过对其变化过程进行监测
就能够确定松散层的变化与岩块移动之间的关系，因为岩块的运动方式能够对应煤炭开采过程中的岩层移动，因此通过模拟试验中得到的松散层与岩块的运动关系就能够得到实际煤炭开采过程中的覆岩运动与地表裂缝之间的对应关系。而其中的松散层材料、岩块材质等都可以与实际开采环境中检测到现场情况进行对应性的调节。试验方法中，通过在岩块上表面铺设砂布材料模拟岩土接触面粗糙程度；将相似模拟材料浸染不同颜色，分层铺设模拟松散层，实现松散层介质运动的可视化监测。以上装置及试验方法能够模拟不同松散层厚度、松散层力学性质、岩土体接触面粗糙度、覆岩台阶下沉高度、覆岩回转角度等条件下动态地裂缝的孕育及自修复规律。
[0071]
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

技术特征：
1.一种基于岩块回转的动态覆岩运动模拟装置，其特征在于，包括：可视化框架系统，包括相似模拟试验平台和设置于所述相似模拟试验平台周侧的模型箱体，所述模型箱体配置有透明板；岩块回转模拟系统，设置于所述相似模拟试验平台上，所述岩块回转模拟系统包括多个岩块单元，以及连接于相似模拟试验平台底部和每一所述岩块单元间的施力单元；岩土体接触面模拟系统，设置在所述岩块单元上；松散层相似模拟系统，设置在所述岩土体接触面模拟系统上并与所述岩土体接触面模拟系统接触；实时监测系统，对所述松散层相似模拟系统、岩土体接触面模拟系统和所述相似模拟试验平台进行监测；所述施力单元启动后向所述岩块单元施加不同方向的压力，在所述压力的作用下相邻所述岩块单元之间旋转错动，模拟现场煤炭开采上覆破断岩块场景；所述实时监测系统实时获取监测结果，根据监测结果得到松散层内部应力分析结果、覆岩回转运动前后的不同结果状态和位移路径的分析结果和表面裂缝宽度、深度和张开闭合规律的分析结果。2.根据权利要求1所述的基于岩块回转的动态覆岩运动模拟装置，其特征在于：所述实时监测系统包括预埋在所述松散层相似模拟系统中的应力传感器，安装在所述相似模拟试验平台上方的三维激光扫描仪，以及设置在所述相似模拟试验平台正前方的摄像仪；所述实时监测系统实时采集所述应力传感器、所述三维激光扫描仪和所述摄像仪的检测数据，根据所述应力传感器的检测数据得到回采过程中松散层内部应力分析结果，根据所述摄像仪的检测数据得到松散层在覆岩回转运动前后的不同结果状态和位移路径的分析结果，根据所述三维激光扫描仪的检测结果得到表面裂缝宽度、深度和张开闭合规律的分析结果。3.根据权利要求1所述的基于岩块回转的动态覆岩运动模拟装置，其特征在于，所述施力单元包括伸缩部件：所述伸缩部件包括上旋转轴、伸缩杆、下旋转轴、伺服电机和支座；所述上旋转轴固定在所述岩块单元上与所述岩块单元铰接；所述伸缩杆的两端分别与所述上旋转轴和伺服电机上部连接，伺服电机下部与所述下旋转轴连接；所述下旋转轴铰接地安装在所述支座上，所述支座安装在相似模拟试验平台底部。4.根据权利要求3所述的基于岩块回转的动态覆岩运动模拟装置，其特征在于：每一所述岩块单元均安装有两个所述伸缩部件，两个所述伸缩部件的安装位置沿所述岩块单元的中心线对称分布。5.根据权利要求4所述的基于岩块回转的动态覆岩运动模拟装置，其特征在于，所述施力单元还包括旋转轴锁定部件：所述下旋转轴的两端装配有第一齿轮；所述旋转轴锁定部件的内部设置有第二齿轮；所述旋转轴锁定部件被安装后，所述第一齿轮与所述第二齿轮相互啮合以阻止所述伸缩部件的旋转动作。6.根据权利要求1所述的基于岩块回转的动态覆岩运动模拟装置，其特征在于：所述岩土体接触面模拟系统包括砂布材料，所述砂布材料铺设于所述岩块单元的表面。
7.根据权利要求1所述的基于岩块回转的动态覆岩运动模拟装置，其特征在于：所述松散层相似模拟系统，采用不同粒径的有机玻璃颗粒与弱粘结剂混合而成。8.根据权利要求1所述的基于岩块回转的动态覆岩运动模拟装置，其特征在于：所述岩块单元为长方体结构，所述长方体结构的边缘处成型为圆角结构。9.根据权利要求1所述的基于岩块回转的动态覆岩运动模拟装置，其特征在于：所述相似模拟试验平台为刚性合金材料，所述模型箱体为长方体结构，所述模型箱体的第一方向上的挡板均为透明有机玻璃板，所述模型箱体的第二方向上的挡板为刚性合金板。10.一种基于岩块回转的动态覆岩运动模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：a.获取岩土层力学参数及岩土层实际赋存信息，基于组合梁原理及关键层理论，逐层计算岩土层中各覆岩层所受荷载值并计算在该荷载下其极限跨距，并获得上位关键层的极限跨距、运动方式及下沉值；结合相似三定理，确定模拟装置的各相似常数；b.松散层相似模拟参数确定：根据现场松散层土的力学试验测定结果，结合几何相似常数和物理相似常数，确定有机玻璃颗粒、水和粘结剂的比例；c.岩土体接触面粗糙度参数确定：根据岩土体接触面基岩层与松散层的岩性，确定岩土体接触面砂布的粗糙度；d.相似模拟系统搭建：在相似模拟试验平台岩块回转模拟系统岩块单元表面设置一定粗糙度的砂布，其上部逐层铺设松散层相似模拟材料，每层材料浸染不同的颜色；e.安装实时监测系统：在d步骤搭建相似模拟系统时，在预设位置安装应力传感器；在相似模拟试验平台正前方安装摄像仪；在相似模拟试验平台的正上方安装三维激光扫描仪；f.岩块回转模拟：按顺序控制伸缩装置控制岩块单元旋转下沉与回转，模拟煤炭开采引起的覆岩运动；待岩块单元运动到固定位置后，采用旋转轴锁定装置固定伸缩装置，以固定覆岩运动方式；g.监测结果获取：监测岩块回转过程中松散层相似材料的运移破碎过程，并收集实时监测系统获得的数据，根据试验获得的应力传感器数据对回采过程中松散层内部应力进行分析；根据设置在相似模拟试验平台正前方的摄像仪图像数据，运用图像灰度化处理方法，对松散层在覆岩回转运动前后的不同结果状态、位移路径进行分析；根据设置在相似模拟试验平台正上方的三维激光扫描仪图像数据，对模型表面的裂缝宽度、深度和张开闭合规律进行分析。

技术总结
本发明公开一种基于岩块回转的动态覆岩运动模拟装置及方法，属于采矿工程相似模拟试验技术领域，其装置中包括可视化框架系统、岩块回转模拟系统、岩土体接触面模拟系统、松散层相似模拟系统和实时监测系统，能够模拟不同松散层厚度、松散层力学性质、岩土体接触面粗糙度、覆岩台阶下沉高度、覆岩回转角度等条件下动态地裂缝的孕育及自修复规律，从而真实反应针对采煤沉陷区动态地裂缝自修复的影响因素和驱动机制，提高模拟结果的准确性和可靠性。性。性。


技术研发人员：杨英明 李全生 张凯 王伟 王汉鹏 赵勇强 张国军 刘新杰
受保护的技术使用者：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
技术研发日：2021.11.25
技术公布日：2022/3/8