1.本发明属于物理相似模拟实验技术领域，具体涉及一种物理相似模拟实验装置及实验研究方法。
背景技术：2.物理相似模拟实验是人们探究和认识地压规律的重要途径之一。其采用天然岩石物理力学性质相似的人工材料，按照一定的比例将实际矿山缩小后制作相似模型进行研究。现有的相似模型制作过程是：首先架设相似模拟实验装置的侧板；其次在相似模拟实验装置内填充对应层的相似材料；然后对相似材料进行夯实和静置；依次重复上述的步骤直至将所有岩层制作完成。因此，其相似模型制作周期长，在制作过程中需要夯实对相似模拟实验装置的强度要求比较高。
技术实现要素：3.发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供了一种物理相似模拟实验装置及实验方法，其采用预制岩层模拟块搭建，无需夯实及晾干过程，对模拟实验装置的强度要求底，模型制作周期短。
4.为实现上述目的，发明采用的技术方案是：一种物理相似模拟实验装置，其特征在于，包括实验架和预制岩层模拟块，所述实验架包括底座、左侧立柱、右侧立柱、前面板和后面板，所述左侧立柱位于底座的左侧且左侧立柱的底部与底座固定连接，所述右侧立柱位于底座的右侧且右侧立柱的底部与底座固定连接，所述左侧立柱与右侧立柱平行设置且均与底座垂直，所述前面板位于底座、左侧立柱和右侧立柱的前侧且与底座、左侧立柱和右侧立柱可拆卸连接，所述后面板位于底座、左侧立柱和右侧立柱的后侧且与底座、左侧立柱和右侧立柱可拆卸连接，所述底座的上表面、左侧立柱右侧表面、右侧立柱左侧表面、前面板后侧表面以及后面板前侧表面围成一个上部开口的箱体结构；所述预制岩层模拟块为采用对应岩层相似模拟材料通过预制的方式制作的长方体块状结构，所述预制岩层模拟块依次紧密相邻铺设在所述箱体结构内以模拟对应岩层。
5.上述的一种物理相似模拟实验装置，其特征在于，所述前面板和后面板均为树脂透明板。
6.上述的一种物理相似模拟实验装置，其特征在于，所述前面板和后面板均通过螺栓与底座、左侧立柱、右侧立柱可拆卸连接。
7.上述的一种物理相似模拟实验装置，其特征在于，所述底座、左侧立柱和右侧立柱均由槽钢焊接而成。
8.上述的一种物理相似模拟实验装置，其特征在于，所述预制岩层模拟块上设置有彩色灯，且同一岩层对应的预制岩层模拟块上设置的彩色灯的颜色一致，所述不同岩层对应的预制岩层模拟块上设置的彩色灯的颜色不同。
9.上述的一种物理相似模拟实验装置，其特征在于，所述预制岩层模拟块内设置有
可以容纳液体或气体的容纳腔和用于控制所述容纳腔内液体或气体释放出所述容纳腔的控制阀门。
10.上述的一种物理相似模拟实验装置，其特征在于，预制岩层模拟块包括煤层预制块、直接顶预制块和老顶预制块，所述直接顶预制块位于煤层预制块的上方，所述老顶预制块位于直接顶预制块的上方，所述老顶预制块的块体结构大于直接顶预制块的块体结构。
11.本发明还公开了一种物理相似模拟实验研究方法，所述物理相似模拟实验方法包括一下步骤：
12.步骤一、准备好物理相似模拟实验所需要的实验架，并根据被模拟矿山岩层地质数据，制作对应岩层的预制岩层模拟块；
13.步骤二、依据被模拟矿山岩层从下至上依次紧密铺设对应岩层的预制岩层模拟块，以模拟各个岩层，同时在铺设过程中在对应预制岩层模拟块之间设置用于监测模拟区域内各模拟块的回转、变形时的应力及应变变化情况的传感器；
14.步骤三、设置好拍摄记录设备后，打开预制岩层模拟块上的彩色灯，去掉实验架的后面板，从后侧依次抽出煤层预制块，以模拟开采过程；
15.步骤四、在上部岩层压力的作用下直接顶预制块和老顶预制块会出现垮塌，拍摄记录设备记录下各个预制岩层模拟块上的彩色灯的移动轨迹，
16.上述的一种物理相似模拟实验研究方法，其特征在于，步骤二中铺设预制岩层模拟块时，依照被模拟矿山地质条件至少部分预制岩层模拟块的容纳腔内填装有与岩层颜色不同的有色液体，用于模拟采煤工作面上覆岩层垮落时固-液耦合，岩体中水的渗流规律。
17.上述的一种物理相似模拟实验研究方法，其特征在于，步骤二中铺设预制岩层模拟块时，依照被模拟矿山地质条件至少部分预制岩层模拟块的容纳腔内填装有可以被检测的气体，用于模拟采煤过程中固-气耦合过程。
18.本发明与现有技术相比具有以下优点：
19.1、本发明采用预制岩层模拟块搭建，无需夯实及晾干过程，对模拟实验装置的强度要求底，模型制作周期短。
20.2、本发明前后侧面板采用透明材料制成，在预制岩层模拟块上设置彩灯，方便垮塌后各个岩层的区分以及方便观察和记录实验过程。
21.3、本发明的预制岩层模拟块内设置容纳腔，可在容纳腔内填装液体或者气体，以模拟固-液或者固-气耦合作用。
22.4、本发明可大大减少模型铺装过程中的劳动强度，减少了材料的损耗，避免了传统相似模拟实验中，煤层尘土大，污染环境等问题，减少了实验垃圾的排放量。
23.下面通过附图和实施例，对发明做进一步的详细描述。
附图说明
24.图1为本发明实施例可以应用于其中的示例性系统架构图。
25.图2是根据本发明实施例提供的电子设备的基本结构的示意图。
26.附图标记说明:
27.10—实验架；
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11—底座；
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12—左侧立柱；
28.13—右侧立柱；
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14—前面板；
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15—后面板；
29.20—预制岩层模拟块；
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21—彩色灯；
30.22—容纳腔；
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23—控制阀门；
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24—煤层预制块；
31.25—直接顶预制块；
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26—老顶预制块。
具体实施方式
32.下面将参照附图更详细地描述本发明的实施例。虽然附图中显示了本发明的某些实施例，然而应当理解的是，本发明可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例，相反提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本发明。应当理解的是，本发明的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本发明的保护范围。
33.需要注意，本发明中提及的“第一”、“第二”等概念仅用于对不同的装置、模块或单元进行区分，并非用于限定这些装置、模块或单元所执行的功能的顺序或者相互依存关系。
34.如图1所示，本发明公开了一种物理相似模拟实验装置，包括：实验架10和预制岩层模拟块20，所述实验架10包括底座11、左侧立柱12、右侧立柱13、前面板14和后面板15，所述左侧立柱12位于底座11的左侧且左侧立柱12的底部与底座11固定连接，所述右侧立柱13位于底座 11的右侧且右侧立柱13的底部与底座11固定连接，所述左侧立柱12与右侧立柱13平行设置且均与底座11垂直，所述前面板14位于底座11、左侧立柱12和右侧立柱13的前侧且与底座11、左侧立柱12和右侧立柱 13可拆卸连接，所述后面板15位于底座11、左侧立柱12和右侧立柱13 的后侧且与底座11、左侧立柱12和右侧立柱13可拆卸连接，所述底座11的上表面、左侧立柱12右侧表面、右侧立柱13左侧表面、前面板14 后侧表面以及后面板15前侧表面围成一个上部开口的箱体结构；所述预制岩层模拟块20为采用对应岩层相似模拟材料通过预制的方式制作的长方体块状结构，所述预制岩层模拟块20依次紧密相邻铺设在所述箱体结构内以模拟对应岩层。
35.传统的相似模拟实验模型以是以河沙为骨料，石膏和大白粉为胶结剂，按照相似原理，计算出不同岩层的实验材料配比，依据实验配比，逐层铺装，达到与现场相似的工况，晾晒一定时间，然后进行实验，实验中监测模拟岩层在开挖中的各种应力、位移、以及声热的变化等。传统的相似模拟实验模型搭建不仅费力且周期长。本发明中的相似模拟实验模型，采用了预制的预制岩层模拟块20，搭建过程可以是如砌砖墙一样，将一个个预制岩层模拟块20铺装到实验架10上，无需静置晾晒，省时省力，提高了模型的搭建速度。
36.本实施例中，所述前面板14和后面板15均为树脂透明板。
37.本实施例中，前侧和后侧面板采用透明材料是为了实验过程中方便观察实验现象，同时起到前后固定预制岩层模拟块20的作用，防止预制岩层模拟块20前后倾倒。实验模型搭建完成后，前面的面板保留，方便实验人员在前面观察记录实验过程。后面的面板根据情况可以拆掉或是拆掉一部分，方便在后面对某一层的块体抽离，同时还可以接线路及以及设定各种实验条件。
38.本实施例中，所述前面板14和后面板15均通过螺栓与底座11、左侧立柱12、右侧立柱13可拆卸连接。
39.本实施例中，所述底座11、左侧立柱12和右侧立柱13均由槽钢焊接而成。
40.如图2所示，所述预制岩层模拟块20上设置有彩色灯21，且同一岩层对应的预制岩层模拟块20上设置的彩色灯21的颜色一致，所述不同岩层对应的预制岩层模拟块20上设置
的彩色灯21的颜色不同。所述彩色灯21至少部分裸露在预制岩层模拟块20的外侧，且裸露在预制岩层模拟块 20的部分位于预制岩层模拟块20前侧面和/或后侧面的中部。所述彩色灯 21通过可以通过外接电源供电或者通过蓄电池供电，当所述彩色灯21通过外接电源供电时，所述预制岩层模拟块20上还设置有一个供电接口用于与外部电源连接，所述彩色灯21的点亮通过与外接电源连接的控制开关控制，可以设置多个控制开关分层控制，也可以通过一个总开关统一控制。当电源为蓄电池时，所述蓄电池为彩色灯21供电，所述蓄电池与彩色灯21连接的电路上设置有控制开关，所述控制开关可以是手动开关，也可以是遥控开关，通过遥控器控制蓄电池与彩色灯21电路的通断，所述遥控器可以同时控制所有预制岩层模拟块20上彩色灯21的点亮或者同时通知某一模拟岩层所有预制岩层模拟块20上彩色灯21的点亮。所述彩色灯21可以是发光二极管，所述蓄电池可以为锂电池。搭建好模型后，彩色灯21统一位于模型的前侧或者后侧，每一岩层中，各预制岩层模拟块20中安置的彩色灯21在同一位置。各岩层中的彩色灯21发光颜色不一样。实验过程中各层块体移动变形后，通过亮起的彩色灯21可以清晰的看出各个岩层不同时间段的变形轨迹。有利于开采过程的研究分析。
41.本实施例中，所述预制岩层模拟块20内设置有可以容纳液体或气体的容纳腔22和用于控制所述容纳腔22内液体或气体释放出所述容纳腔22 的控制阀门23。所述容纳腔22的外侧为容纳腔22壁，所述容纳腔22壁的外侧为预制岩层模拟块20的基料，所述基料包覆在容纳腔22壁的外侧，控制阀门23与容纳腔22壁连接。本实施例中容纳腔22壁采用弹性材料制成，当需要释放容纳腔22内的气体或者液体时，控制阀门23刺破容纳腔22壁，容纳腔22壁破裂并收缩，释放出其内的气体或者液体，控制阀门23通过遥控控制，控制阀门23包括电源、接收模块和执行模块，电源给接收模块和执行模块供电，接收模块用于接收遥控器的控制指令，执行模块根据控制指令控制执行部件撞击容纳腔22壁，如电机，带动撞针撞击容纳腔22壁使得容纳腔22壁破裂。本实施例中，容纳腔22容纳气体和液体的原理相同，可以采用相同或者近似的结构。设置有容纳腔22壁的预制岩层模拟块20制作时，先预制出预制岩层模拟块20的上半部分和下半部分，让后将填装好液体或者气体的容纳腔22壁及控制阀门23放置预制岩层模拟块20的上半部分和下半部分之间为容纳腔22预留的位置，在预制岩层模拟块20的上半部分和下半部分之间添加相似材料在将上半部分和下半部分压制在一起，形成一个内部设置有容纳腔22的整体结构。
42.如图1所示，预制岩层模拟块20包括煤层预制块24、直接顶预制块 25和老顶预制块26，所述直接顶预制块25位于煤层预制块24的上方，所述老顶预制块26位于直接顶预制块25的上方，所述老顶预制块26的块体结构大于直接顶预制块25的块体结构。
43.本发明还公开了一种物理相似模拟实验研究方法，所述物理相似模拟实验方法包括一下步骤：
44.步骤一、准备好物理相似模拟实验所需要的实验架10，并根据被模拟矿山岩层地质数据，制作对应岩层的预制岩层模拟块20；
45.步骤二、依据被模拟矿山岩层从下至上依次紧密铺设对应岩层的预制岩层模拟块20，以模拟各个岩层，同时在铺设过程中在对应预制岩层模拟块20之间设置用于监测模拟区域内各模拟块的回转、变形时的应力及应变变化情况的传感器；
46.步骤三、设置好拍摄记录设备后，打开预制岩层模拟块20上的彩色灯21，去掉实验
架10的后面板15，从后侧依次抽出煤层预制块24，以模拟开采过程；
47.步骤四、在上部岩层压力的作用下直接顶预制块25和老顶预制块26 会出现垮塌，拍摄记录设备记录下各个预制岩层模拟块20上的彩色灯21 的移动轨迹，
48.步骤二中铺设预制岩层模拟块20时，依照被模拟矿山地质条件至少部分预制岩层模拟块20的容纳腔22内填装有与岩层颜色不同的有色液体，用于模拟采煤工作面上覆岩层垮落时固-液耦合，岩体中水的渗流规律。
49.具体的，可以在水中加入染色剂，以制成与岩层颜色不同的有色液体，实验过程中，通过遥控器控制控制阀门23，使容纳腔22内的液体向周围渗流，从而实现固-液耦合现象，由于液体的颜色与岩层颜色不同，方便观察液体的渗流路径。
50.步骤二中铺设预制岩层模拟块20时，依照被模拟矿山地质条件至少部分预制岩层模拟块20的容纳腔22内填装有可以被检测的气体，用于模拟采煤过程中固-气耦合过程。
51.具体的，容纳腔22内填充的气体为瓦斯气体，当通过遥控器打开控制阀门23，容纳腔22内的瓦斯气体溢出，在模拟瓦斯释放逃逸的块体附近，安装多台微型气体监测仪，用于监测瓦斯扩散位置及瓦斯浓度，从而实验固-气耦合实验。
52.以上所述，仅是发明的较佳实施例，并非对发明作任何限制，凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于发明技术方案的保护范围内。
技术特征：1.一种物理相似模拟实验装置，其特征在于，包括：实验架(10)，所述实验架(10)包括底座(11)、左侧立柱(12)、右侧立柱(13)、前面板(14)和后面板(15)，所述左侧立柱(12)位于底座(11)的左侧且左侧立柱(12)的底部与底座(11)固定连接，所述右侧立柱(13)位于底座(11)的右侧且右侧立柱(13)的底部与底座(11)固定连接，所述左侧立柱(12)与右侧立柱(13)平行设置且均与底座(11)垂直，所述前面板(14)位于底座(11)、左侧立柱(12)和右侧立柱(13)的前侧且与底座(11)、左侧立柱(12)和右侧立柱(13)可拆卸连接，所述后面板(15)位于底座(11)、左侧立柱(12)和右侧立柱(13)的后侧且与底座(11)、左侧立柱(12)和右侧立柱(13)可拆卸连接，所述底座(11)的上表面、左侧立柱(12)右侧表面、右侧立柱(13)左侧表面、前面板(14)后侧表面以及后面板(15)前侧表面围成一个上部开口的箱体结构；预制岩层模拟块(20)，所述预制岩层模拟块(20)为采用对应岩层相似模拟材料通过预制的方式制作的长方体块状结构，所述预制岩层模拟块(20)依次紧密相邻铺设在所述箱体结构内以模拟对应岩层。2.按照权利要求1所述的一种物理相似模拟实验装置，其特征在于，所述前面板(14)和后面板(15)均为树脂透明板。3.按照权利要求1或2所述的一种物理相似模拟实验装置，其特征在于，所述前面板(14)和后面板(15)均通过螺栓与底座(11)、左侧立柱(12)、右侧立柱(13)可拆卸连接。4.按照权利要求3所述的一种物理相似模拟实验装置，其特征在于，所述底座(11)、左侧立柱(12)和右侧立柱(13)均由槽钢焊接而成。5.按照权利要求1所述的一种物理相似模拟实验装置，其特征在于，所述预制岩层模拟块(20)上设置有彩色灯(21)，且同一岩层对应的预制岩层模拟块(20)上设置的彩色灯(21)的颜色一致，所述不同岩层对应的预制岩层模拟块(20)上设置的彩色灯(21)的颜色不同。6.按照权利要求1所述的一种物理相似模拟实验装置，其特征在于，所述预制岩层模拟块(20)内设置有可以容纳液体或气体的容纳腔(22)和用于控制所述容纳腔(22)内液体或气体释放出所述容纳腔(22)的控制阀门(23)。7.按照权利要求1所述的一种物理相似模拟实验装置，其特征在于，预制岩层模拟块(20)包括煤层预制块(24)、直接顶预制块(25)和老顶预制块(26)，所述直接顶预制块(25)位于煤层预制块(24)的上方，所述老顶预制块(26)位于直接顶预制块(25)的上方，所述老顶预制块(26)的块体结构大于直接顶预制块(25)的块体结构。8.一种物理相似模拟实验研究方法，所述物理相似模拟实验方法包括一下步骤：步骤一、准备好物理相似模拟实验所需要的实验架(10)，并根据被模拟矿山岩层地质数据，制作对应岩层的预制岩层模拟块(20)；步骤二、依据被模拟矿山岩层从下至上依次紧密铺设对应岩层的预制岩层模拟块(20)，以模拟各个岩层，同时在铺设过程中在对应预制岩层模拟块(20)之间设置用于监测模拟区域内各模拟块的回转、变形时的应力及应变变化情况的传感器；步骤三、设置好拍摄记录设备后，打开预制岩层模拟块(20)上的彩色灯(21)，去掉实验架(10)的后面板(15)，从后侧依次抽出煤层预制块(24)，以模拟开采过程；步骤四、在上部岩层压力的作用下直接顶预制块(25)和老顶预制块(26)会出现垮塌，拍摄记录设备记录下各个预制岩层模拟块(20)上的彩色灯(21)的移动轨迹。
9.按照权利要求8所述的一种物理相似模拟实验研究方法，其特征在于，步骤二中铺设预制岩层模拟块(20)时，依照被模拟矿山地质条件至少部分预制岩层模拟块(20)的容纳腔(22)内填装有与岩层颜色不同的有色液体，用于模拟采煤工作面上覆岩层垮落时固-液耦合，岩体中水的渗流规律。10.按照权利要求8所述的一种物理相似模拟实验研究方法，其特征在于，步骤二中铺设预制岩层模拟块(20)时，依照被模拟矿山地质条件至少部分预制岩层模拟块(20)的容纳腔(22)内填装有可以被检测的气体，用于模拟采煤过程中固-气耦合过程。
技术总结本发明公开了一种物理相似模拟实验装置，其包括实验架和预制岩层模拟块，实验架包括底座、左侧立柱、右侧立柱、前面板和后面板，底座的上表面、左侧立柱右侧表面、右侧立柱左侧表面、前面板后侧表面以及后面板前侧表面围成一个上部开口的箱体结构；预制岩层模拟块为采用对应岩层相似模拟材料通过预制的方式制作的长方体块状结构，所述预制岩层模拟块依次紧密相邻铺设在所述箱体结构内以模拟对应岩层。本发明采用预制岩层模拟块搭建，无需夯实及晾干过程，对模拟实验装置的强度要求底，模型制作周期短。周期短。周期短。
技术研发人员：张杰 卓青松 吴建军 何义峰 王力 闫医慧
受保护的技术使用者：西安科技大学
技术研发日：2022.07.10
技术公布日：2022/11/1
