煤矿动力灾害模拟系统与方法与流程

1.本发明涉及矿害室内实验技术领域，特别涉及一种煤矿动力灾害模拟系统与方法。


背景技术：

2.随着煤炭资源开采深度和强度的不断增加，深部矿井受高地应力和开采扰动等因素影响，出现的冲击地压、矿震等煤矿动力灾害日益增多，煤矿动力灾害具有前兆过程短、突发性强、冲击破坏性大等特征，严重威胁矿井的生产安全。目前针对动力灾害的研究主要集中于理论分析和数值试验，现场试验开展难度大、周期长，无法有效定量控制煤矿动力灾害冲击能量，模型试验为煤矿动力灾害的模拟与控制研究提供了新的途径。目前模型试验装置模拟维度低，无法还原真实环境条件下的煤矿动力灾害类型，且支护体系装置缺乏吸能与释能控制系统，未形成完整有效的模拟与控制方法。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种煤矿动力灾害模拟系统，该煤矿动力灾害模拟系统能够产生强度、频率、位置、数量不同的震源，形成多个震源耦合场；可真实反映动力影响下切顶释能装置和吸能控制装置的释能、吸能控制效果，分析多个叠加震源场中围岩应力、应变的时空演化规律。本发明能够实现自动化、智能化的控制与模拟，能够真实还原煤矿现场动力灾害发生过程，从而科学的研究煤矿动力灾害形成机制。
4.本发明的目的在于提一种煤矿动力灾害模拟方法。
5.为实现本发明目的，本发明采用如下技术方案：根据本发明的一个方面，提供了一种煤矿动力灾害模拟系统。所述一种煤矿动力灾害模拟系统，包括主体装置、动力加载装置、切顶释能装置、吸能控制装置和智能监控系统，所述主体装置由模块化反力结构拼装组成，模拟不同相似尺寸的煤矿岩层，包括模型体、设置于所述模型体内的至少两个巷道、位于两个所述巷道之间的采煤工作面、位于所述巷道上方的巷道顶板和位于所述采煤工作面上方的采煤工作面顶板，所述动力加载装置包括近域冲击组件和远域冲击组件，其中，所述远域冲击组件设置于所述模型体的外侧，所述近域冲击组件、所述切顶释能装置和所述吸能控制装置均设置于所述模型体的内部，所述近域冲击组件对所述模型体进行近域冲击，所述远域冲击组件对所述模型体的远域冲击，所述切顶释能装置对所述采煤工作面顶板进行切断，所述吸能控制装置用于支护所述巷道，所述智能监控系统用于监控所述动力加载装置、所述切顶释能装置和所述吸能控制装置。
6.根据本发明的一实施方式，其中，所述智能监控系统包括监测组件、扫描成像装置和上位机，所述监测组件设置于所述模型体的内部，用于采集所述模型体内受到冲击的响应数据和所述模型体内产生的应力应变数据；所述扫描成像装置通过扫描所述模型体进而得到所述模型体内部破裂的时空演化模型；所述上位机用于监控所述动力加载装置、所述
切顶释能装置、所述吸能控制装置、所述监测组件和所述扫描成像装置，并生成监测数据。
7.根据本发明的一实施方式，其中，所述监测组件包括第一应变片、声发射探头、位移传感器、应变传感器和安装于所述应变传感器的第二应变片，其中，所述第一应变片连接于所述吸能控制装置，用于采集所述吸能控制装置的应力应变数据，所述声发射探头安装于所述模型体的内部，用于采集所述模型体受到冲击的响应数据，所述位移传感器、所述应变传感器分别安装于所述巷道外侧的所述模型体上，用于监测所述巷道的应力与变形数据；所述扫描成像装置包括可移动支架、扫描成像仪和无线控制台，其中，所述可移动支架连接于所述模型体的外侧，所述扫描成像仪可移动连接于所述可移动支架，所述上位机通信连接所述无线控制台，所述无线控制台通信连接所述可移动支架、所述扫描成像仪，以控制所述扫描成像仪对所述模型体进行扫描。
8.根据本发明的一实施方式，其中，所述近域冲击组件包括活塞振动器、微型电子雷管和用于控制微型电子雷管起爆的无线起爆器，所述活塞振动器和所述微型电子雷管均安装于所述巷道外侧的所述模型体上，所述上位机通信连接所述活塞振动器和所述无线起爆器，以控制所述活塞振动器、所述微型电子雷管对所述模型体进行冲击；所述远域冲击组件包括多个气液复合缸、液压泵站和气体压缩机，其中，所述气液复合缸分布于所述模型体的顶部和侧面，所述液压泵站、所述气体压缩机分别连通于所述气液复合缸，所述上位机通信连接所述液压泵站、气体压缩机，以控制所述气液复合缸，对所述模型体进行冲击加载。
9.根据本发明的一实施方式，其中，所述气液复合缸包括液复合缸包括壳体、分隔板、气压腔、油压腔、加载杆组件和冲击杆组件，其中，所述壳体固接于所述模型体的外侧，所述分隔板将所述壳体分成两个腔体，位于所述分隔板上方的腔体为气压腔，位于所述分隔板下方的腔体为油压腔，所述分隔板的中部设有圆柱体通孔，所述加载杆组件位于所述气压腔的内部，所述冲击杆组件位于所述油压腔的内部；所述冲击杆组件，用于冲击所述模型体，包括冲击活塞和冲击杆，其中，所述冲击活塞套设于所述冲击杆，所述冲击活塞套与所述壳体配合，所述冲击杆上部插入所述圆柱体通孔，所述冲击杆的下部穿过所述壳体，对所述模型体进行冲击；所述加载杆组件，包括加载活塞和加载杆，其中，所述加载活塞套设于所述加载杆，所述加载活塞与所述壳体配合，所述加载杆下部插入所述圆柱体通孔，所述加载杆下部穿过所述圆柱体通孔并进入所述油压腔，以作用于所述冲击杆的顶部，冲击所述模型体；位于所述气压腔侧的所述壳体开设有第一通孔、第二通孔、第三通孔，其中，所述第一通孔、所述第二通孔、所述第三通孔分别连通于所述气压腔和所述气体压缩机，以驱动所述加载杆组件进行上下运动，使得所述加载杆组件推进所述冲击杆组件对所述模型体进行远域冲击；位于所述油压腔侧的所述壳体开设有第一进液口、第二进液口、第一出液口、第二出液口，其中，所述第一进液口和所述第二进液口分别连通于所述油压腔和所述液压泵站的输出端，所述第一出液口和所述第二出液口分别连通于所述油压腔和所述液压泵站的输入端，以驱动所述冲击杆组件对所述模型体进行静力加载。
10.根据本发明的一实施方式，其中，所述切顶释能装置包括切顶组件、升降平台组
件、驱动组件；所述切顶组件包括连接板、拼接板，所述连接板与所述拼接板通过销钉固定，所述切顶组件埋设于所述采煤工作面顶板；所述升降平台组件，包括滚珠丝杠、h型支架、第一滑轨、第一滑块，其中，所述滚珠丝杠固接于所述模型体的外侧，所述h型支架连接于所述滚珠丝杠，所述第一滑轨固接于所述h型支架，所述第一滑块滑动连接于所述第一滑轨，所述h型支架沿所述滚珠丝杠上下移动，以调控所述h型支架距离所述模型体底面的距离，所述h型支架与所述滚珠丝杠呈垂直设置；所述驱动组件包括固接于所述第一滑块上的抽拉组件和第一钢丝绳，其中，所述第一钢丝绳的一端连接于所述抽拉组件，且另一端连接于所述连接板，所述抽拉组件通信连接于所述上位机，以控制所述切顶组件在所述抽拉组件的带动下切断所述采煤工作面顶板。
11.根据本发明的一实施方式，其中，所述吸能控制装置包括托盘、筒体、连接件、弹簧和金属丝，其中，所述托盘固接于所述巷道外侧的所述模型体上，所述筒体的一端固定于所述托盘，所述筒体的另一端设有密封板，所述筒体的内部设有圆板，所述弹簧套设于所述连接件的外周，所述连接件的一端、所述弹簧的一端均固接于所述圆板，所述弹簧的另一端固接于所述密封板，所述连接件的另一端连接所述金属丝的一端，所述金属丝的另一端锚固于所述巷道顶板。
12.根据本发明的另一方面，提供了一种煤矿动力灾害模拟方法。所述煤矿动力灾害模拟方法包括：确定动力加载装置、切顶释能装置和吸能控制装置的安装参数；根据地质勘探和施工资料得出的数据结合相似材料计算公式设计模型体；通过所述动力加载装置、所述切顶释能装置和所述吸能控制装置的安装参数将动力加载装置、所述切顶释能装置和所述吸能控制装置安装于所述模型体；通过智能监控系统监控所述动力加载装置、所述切顶释能装置和所述吸能控制装置以进行模拟实验并实时采集实验数据。
13.根据本发明的一实施方式，其中，所述动力加载装置的安装参数包括所述动力加载装置的位置、数量、强度和频率；所述切顶释能装置的安装参数包括切顶高度、切顶角度；所述吸能控制装置的安装参数包括所述吸能控制装置材料、结构，安装位置、间排距、长度、角度；将所述智能监控系统与所述动力加载装置、所述切顶释能装置、所述吸能控制装置连接。
14.根据本发明的一实施方式，其中，还包括：将切顶组件拼接成设计尺寸，埋于采煤工作面顶板上的设计位置；将活塞振动器、微型电子雷管和吸能控制装置安装在巷道外侧的所述模型体上，通过上位机控制所述活塞振动器、所述微型电子雷管对所述模型体进行近域冲击；在所述模型体的顶部和侧面均安装有气液复合缸，将所述气液复合缸与液压泵站、气体压缩机连接，通过所述上位机控制所述液压泵站、所述气体压缩机以使得所述气液复合缸对所述模型体进行远域冲击；将调整抽拉组件的位置与所述切顶组件的位置相对应，通过第一钢丝绳将所述切顶组件与所述抽拉组件连接；所述上位机控制所述抽拉组件带动所述切顶组件切断所述采煤工作面顶板；
将托盘固接于所述巷道外侧的所述模型体上，筒体的一端固定于托盘，筒体的另一端设有密封板，筒体的内部设有圆板，弹簧套设于连接件外周，所述连接件的一端、所述弹簧的一端均固接于圆板，所述弹簧的另一端固接于所述密封板，所述连接件的另一端连接金属丝的一端，所述金属丝的另一端锚固于所述巷道顶板，利用所述弹簧的变形来吸收所述巷道顶板受到的冲击能量；所述上位机控制第一应变片采集所述吸能控制装置的应力应变数据，所述上位机通过声发射探头采集所述模型体受到冲击的响应数据；位移传感器、应变传感器分别安装于所述巷道外侧的所述模型体上，第二应变片安装于所述应变传感器上，用于监测所述巷道受到的应力，所述位移传感器用于测定所述巷道的变形数据；可移动支架和扫描成像装置安装在所述模型体的外侧，扫描成像仪可移动连接于所述可移动支架，无线控制台通信连接所述可移动支架和所述扫描成像仪，所述上位机通信连接所述无线控制台，所述无线控制台控制所述扫描成像仪在所述可移动支架的带动下对所述模型体内部的破裂情况进行实时扫描，并将数据回传到所述上位机，所述上位机储存试验过程中的所有数据，并分析监测所述模型体的动态响应信息，根据接收到的动态响应信息制作所需二维和三维图像，评价动力灾害控制模拟效果。
15.本发明中的一个实施例具有如下优点或有益效果：本发明的煤矿动力灾害模拟试验系统，动力加载装置能够产生强度、频率、位置、数量不同的震源，形成多个震源耦合场；切顶释能装置可实现切顶位置、大小和角度的变化，且切顶位置可伴随或超前于采煤工作面的开采；吸能控制装置能够模拟巷道顶板恒阻锚杆锚固，受到动载时可保持恒定阻力并产生均匀变形来吸收冲击能量；因此，本发明中，可真实反映动力影响下切顶释能装置和吸能控制装置的释能、吸能控制效果，分析多个叠加震源场中围岩应力、应变的时空演化规律。本发明设计合理，能够实现自动化、智能化的控制与模拟，能够准确模拟煤矿动力灾害过程，从而科学的研究煤矿动力灾害形成机制。
附图说明
16.通过参照附图详细描述其示例实施方式，本发明的上述和其它特征及优点将变得更加明显。
17.图1是根据一示例性实施方式示出的一种煤矿动力灾害模拟试验系统的示意图。
18.图2是根据一示例性实施方式示出的主体装置、动力加载装置的连接示意图。
19.图3是根据一示例性实施方式示出的主体装置、动力加载装置、扫描成像装置的连接示意图。
20.图4是根据一示例性实施方式示出的近域冲击组件的示意图。
21.图5是根据一示例性实施方式示出的气液复合缸的截面示意图。
22.图6是根据一示例性实施方式示出的切顶组件的示意图。
23.图7是根据一示例性实施方式示出的吸能控制装置的示意图。
24.其中，附图标记说明如下：1、主体装置；10、模型体；11、巷道；2、动力加载装置；21、近域冲击组件；211、活塞振动器；212、微型电子雷管；22、远域冲击组件；221、气液复合缸；2210、壳体；2211、分隔板；2212、气压腔；22121、第一通孔；22122、第二通孔；22123、第三通孔；2213、油压腔；22131、第
一进液口；22132、第二进液口；22133、第一出液口；22134、第二出液口；2214、冲击杆组件；2215、加载杆组件；222、液压泵站；2221、液压冲击回路；223、气体压缩机；2231、气压冲击回路；3、切顶释能装置；31、切顶组件；311、连接板；312、拼接板；32、升降平台组件；321、滚珠丝杠；322、h型支架；323、第一滑轨；33、驱动组件；331、抽拉组件；332、第一钢丝绳；4、吸能控制装置；41、托盘；42、筒体；421、圆板；43、连接件；44、弹簧；45、金属丝；5、智能监控系统；51、监测组件；511、第一应变片；512、声发射探头；52、扫描成像装置；521、可移动支架；5211、安装架；5212、升降滑轨；5213、第二滑轨；522、扫描成像仪；523、无线控制台；53、上位机。
具体实施方式
25.现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。
26.用语“一个”、“一”、“该”、“所述”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。
27.本发明实施例的一种煤矿动力灾害模拟系统，包括主体装置1、动力加载装置2、切顶释能装置3、吸能控制装置4和智能监控系统5，主体装置1由模块化反力结构拼装组成，模拟不同相似尺寸的煤矿岩层，包括模型体10、设置于模型体10内的至少两个巷道11、位于两个巷道11之间的采煤工作面、位于巷道11上方的巷道顶板和位于采煤工作面上方的采煤工作面顶板，动力加载装置2包括近域冲击组件21和远域冲击组件22，其中，远域冲击组件22设置于模型体10的外侧，近域冲击组件21、切顶释能装置3、吸能控制装置4均设置于模型体10的内部，近域冲击组件21对模型体10进行近域冲击，远域冲击组件22对模型体10的远域冲击，切顶释能装置3对采煤工作面顶板进行切断，吸能控制装置4用于支护巷道11以抵抗巷道11围岩大变形破坏，智能监控系统5用于监控动力加载装置2、切顶释能装置3和吸能控制装置4。
28.如图1-3所示，本实施例中，主体装置1外侧由模块化反力结构拼装组成，模拟不同相似尺寸的煤矿岩层，模块化反力结构为多个安装板共同组成的模型架，其不产生主动力的作用，用以对模型体非加载方向产生力和位移的约束。说明书附图以两个巷道11、位于两个巷道11之间的采煤工作面进行示意，不用于对本发明的限制。其中，近域冲击组件21和吸能控制装置4均安装在巷道11的外侧的模型体10上，切顶释能装置3安装在采煤工作面顶板，远域冲击组件22固接于模型体10的外侧，然后将近域冲击组件21、远域冲击组件22、切顶释能装置3和吸能控制装置4分别与智能监控系统5连接，依照设计，智能监控系统5控制各装置的运行，智能监控系统5实时监测和记录整个试验过程中模型体10内部的动态响应数据，根据接收到的动态响应数据制作所需二维和三维图像，用于评价动力灾害控制模拟效果。本实施例中，根据地质勘探、施工资料和相似材料计算公式设计并构建三维大型的模型体10；动力加载装置2为多个，均可独立受控于智能监控系统5，并产生强度、频率、位置、数量不同的震源，形成多个震源耦合场，将模型体10内部产生的冲击成为近域冲击，将从模
型体10外部传递到采煤工作面和巷道11的冲击为远域冲击；切顶释能装置3可实现切顶位置、大小和角度的变化，且切顶位置可伴随或超前于工作面的开采；吸能控制装置4能够模拟巷道顶板上的恒阻锚杆锚固，受到动载时可保持恒定阻力并产生均匀变形来吸收冲击能量；因此，本发明中，动力加载装置2、切顶释能装置3和吸能控制装置4可真实反映动力影响下，切顶释能装置3和吸能控制装置4的释能、吸能控制效果，智能监控系统5能够分析多个叠加震源场中围岩应力、应变的时空演化规律。本发明设计合理，能够实现自动化、智能化的控制与模拟，能够准确模拟煤矿动力灾害过程，从而科学的研究煤矿动力灾害形成机制。
29.在本发明的一个优选实施例中，智能监控系统5包括监测组件51、扫描成像装置52和上位机53，监测组件51设置于模型体10的内部，用于采集模型体10内受到冲击的响应数据和应力应变数据；扫描成像装置52，通过扫描模型体10进而得到模型体10内部破裂的时空演化模型；上位机53，用于监控动力加载装置2、切顶释能装置3、吸能控制装置4、监测组件51和扫描成像装置52，并生成监测数据。
30.如图7所示的监测组件51安装于模型体10内部的吸能控制装置4上，扫描成像装置52位于模型体10的外侧，上位机53可以采用无线或有线连接的方式监控动力加载装置2、切顶释能装置3、吸能控制装置4、监测组件51和扫描成像装置52，其中监测组件51用于采集模型体10内受到冲击的响应数据，以及吸能控制装置4产生的应力应变数据，并将相关数据上传上位机53；扫描成像装置52通过扫描模型体10进而得到模型体10内部破裂的时空演化模型，上位机53能够监测和记录整个试验过程中模型体10内部的动态响应数据，根据接收到的动态响应信息制作所需二维和三维图像，具有自动化、智能化的特点。
31.在本发明的一个优选实施例中，监测组件51包括第一应变片511、声发射探头512、位移传感器、应变传感器和第二应变片，其中，第一应变片511安装于吸能控制装置4用于采集吸能控制装置4的应力应变数据；声发射探头512安装于模型体10内用于采集模型体10受到冲击的响应数据；位移传感器、应变传感器分别安装于巷道11外侧的模型体10上，第二应变片安装于应变传感器的顶部，用于监测巷道11的应力与变形数据。
32.本实施例中将位于巷道11外周的围岩称为巷道围岩，巷道围岩包括位于巷道11顶部的第一岩石层、位于巷道11两边的第二岩石，具体的，位移传感器、应变传感器分别安装于第一岩石层，第二应变片安装在应变传感器的顶部用于测定巷道围岩受到的应力数据，位移传感器用于测定巷道围岩的变形数据，本实施例中，应变传感器为煤矿模型测验中采用的现有技术手段，在此不一一赘述其工作原理、使用过程和方法。
33.如图7所示，第一应变片511和声发射探头512均安装于吸能控制装置4，其中吸能控制装置4安装在巷道11外侧的模型体10上，具体可安装在巷道围岩上，安装时调整声发射探头512朝向监测方向，并将采集的信息传送到上位机53，本实施例中声发射探头512为美国pac物理声学公司pac-20dx、pac-1850等型号，只要能够实现对微振的监测、定位、分析、判断并实现对监测范围内岩体结构稳定性的预警即可，本发明在此不做限制。
34.如图3所示的扫描成像装置52包括可移动支架521、扫描成像仪522和无线控制台523，其中，可移动支架521连接于模型体10的外侧，扫描成像仪522固接于可移动支架521，扫描成像仪522沿可移动支架521进行移动，可移动支架521、扫描成像仪522均无线连接于无线控制台523，无线控制台523能够控制可移动支架521的带动下对模型体10运动，同时控制扫描成像仪522对模型体10内部破裂情况进行扫描。
35.可移动支架521包括安装架5211、升降滑轨5212、第二滑轨5213、升降滑块和第二滑块，安装架5211的两端均固连接于与模型体10的外侧，第二滑轨5213固定于安装架5211，升降滑轨5212固接于第二滑块，扫描成像仪522固接于升降滑块，升降滑轨5212和升降滑块滑动连接，第二滑轨5213和第二滑块滑动连接。如图2所示，升降滑轨5212与模型体10底面平行，第二滑轨5213与升降滑轨5212垂直设置。通过该结构能够实现对扫描成像仪522的移动，设计合理，操作方便，自动化程度高。
36.本实施中，扫描成像仪522为jl-ucida 岩体三维超声成像检测仪主机，无线控制台523为三英精控自主研发的8轴ct成像运动控制系统，用于控制扫描成像仪522对模型体10内部进行扫描成型。
37.在本发明的一个优选实施例中，如图4所示的近域冲击组件21包括活塞振动器211、微型电子雷管212和无线起爆器，活塞振动器211和微型电子雷管212均安装于巷道11外侧的模型体10上，上位机53通信连接活塞振动器211和无线起爆器，以控制活塞振动器211、微型电子雷管212对模型体10进行冲击。
38.本实施例中，活塞振动器211安装在巷道11的外侧的模型体10上即巷道围岩上，微型电子雷管212安装在活塞振动器211的外围，活塞振动器211、无线起爆器均与上位机53无线连接，无线起爆器用于控制微型电子雷管212起爆。上位机53控制活塞振动器211、微型电子雷管212对模型体10进行冲击。本实施例中活塞振动器211、微型电子雷管212均为多个，首先可以将其设计在模型体10的前后不同断面，其次，一般安装在巷道围岩的顶部或两帮，靠近近巷道11的表面。上位机53能够控制不同位置的活塞振动器211、微型电子雷管212进行不同强度的冲击，实现对加载的位置、数量、强度和频率的模拟，提高模拟的准确度。
39.如图1-3所示的远域冲击组件22包括多个气液复合缸221、液压泵站222和气体压缩机223，其中，气液复合缸221分布于模型体10的顶部和侧面，气液复合缸221与液压泵站222、气体压缩机223均连通，液压泵站222与气液复合缸221形成液压冲击回路2221，气体压缩机223与气液复合缸221形成气压冲击回路2231，本实施中，液压泵站222、气体压缩机223均无线连接与上位机53，上位机53用于控制气液复合缸221输出端的加载与回收，以使得气液复合缸221对模型体10进行冲击加载，上位机53控制气体压缩机223输出的压缩气体对模型体10进行冲击加载。
40.在本发明的一个优选实施例中，气液复合缸221包括壳体2210、分隔板2211、气压腔2212、油压腔2213、冲击杆组件2214和加载杆组件2215，其中，分隔板2211将壳体2210分成两个腔体，位于分隔板2211上方的腔体为气压腔2212，位于分隔板2211下方的腔体为油压腔2213，分隔板2211的中部设有圆柱体通孔，冲击杆组件2214位于油压腔2213的内部，加载杆组件2215位于气压腔2212的内部；冲击杆组件2214，用于冲击模型体10，包括冲击活塞和冲击杆，其中，冲击活塞套设于冲击杆，冲击活塞套与壳体2210配合，冲击杆上部插入圆柱体通孔，冲击杆的下部穿过壳体2210，初始状态时对模型体10进行静加载；加载杆组件2215，包括加载活塞和加载杆，其中，加载活塞套设于加载杆，加载活塞与壳体2210配合，加载杆下部插入圆柱体通孔，当加载杆下部穿过圆柱体通孔进入油压腔2213后，加载杆作用于冲击杆的顶部，以冲击模型体10；位于气压腔2212侧的壳体2210开设有第一通孔22121、第二通孔22122和第三通孔
22123，其中，第一通孔22121、第二通孔22122和第三通孔22123分别连通于气压腔2212和气体压缩机223，以驱动加载杆组件2215进行上下运动，加载杆组件2215推进冲击杆组件2214对模型体10进行冲击；位于油压腔2213侧的壳体2210开设有第一进液口22131、第二进液口22132、第一出液口22133和第二出液口22134，其中，第一进液口22131和第二进液口22132分别连通于油压腔2213和液压泵站222的输出端，第一出液口22133和第二出液口22134分别连通于油压腔2213和液压泵站222的输入端，以驱动冲击杆组件2214进行上下运动，使得冲击杆组件2214对模型体10进行静力加载。
41.如图5所示，加载活塞外周与壳体2210内部不存在缝隙，冲击活塞的外周与壳体2210内部不存在缝隙。当液压泵站222输出的液压油从第一进液口22131进入油压腔2213时，推动冲击杆向下运动，并从第一出液口22133回到液压泵站222形成一个液压冲击回路2221；当液压泵站222输出的液压油从第二进液口22132进入油压腔2213时，推动冲击杆向上运动，并从第二出液口22134回到液压泵站222形成另一个液压冲击回路2221，通过上述两个回路能够驱动冲击杆进行上下运动，以使得冲击杆组件2214对模型体10进行静加载；当冲击杆组件2214对模型体10进行静加载的同时，气体压缩机223输出的压缩空气从第一通孔22121进入到气压腔2212时，压缩气体推动加载杆组件2215向下运动，当加载杆组件2215向下运动到最低点时，能够将冲击力作用于冲击杆组件2214，用于对模型体10进行气压冲击，同时，气压腔2212内的压缩气体从第二通孔22122和第三通孔22123回到气体压缩机223形成一个气压冲击回路2231；当压缩气体从第二通孔22122进入到气压腔2212时，压缩气体能够推动加载杆组件2215向上运动到最高。此过程中气压腔2212内的压缩气体从第三通孔22123回到气体压缩机223形成另一个气压冲击回路2231；通过上述结构，气体压缩机223的输出压缩气体通过加载杆组件2215，推进冲击杆组件2214对模型体10进行远域冲击。
42.需要说明的是，本实施中气压冲击回路2231与液压冲击回路2221不连通，液压冲击部分对模型体10进行静力加载，气压冲击部分可以在液压冲击回路2221工作时启动，使缸体能够对模型体产生冲击力，但与液压回路不连通并不影响液压回路。与现有气液增压缸不同的是，本实施例中的气液复合缸221的液压加载回路和气体冲击回路两部分能够单独控制运行，冲击力范围更大。
43.在本发明的一个优选实施例中，如图1、3所示的切顶释能装置3包括切顶组件31、升降平台组件32、驱动组件33，切顶组件31埋设于采煤工作面顶板，升降平台组件32固定于模型体10的外侧，驱动组件33安装在升降平台组件32，驱动组件33用于驱动切顶组件31运动进而实现对采煤工作面顶板进行切顶。
44.如图6所示的切顶组件31包括连接板311和拼接板312，升降平台组件32包括滚珠丝杠321、h型支架322、第一滑轨323和第一滑块，驱动组件33包括抽拉组件331和第一钢丝绳332，其中，连接板311与拼接板312通过销钉固定，连接板311与拼接板312均埋设于采煤工作面顶板，滚珠丝杠321固接于模型体10的外侧，h型支架322连接于滚珠丝杠321，h型支架322沿滚珠丝杠321上下移动，第一滑轨323固接于h型支架322，第一滑块滑动连接于第一滑轨323，抽拉组件331固接于滑块，第一钢丝绳332的一端连接于抽拉组件331，第一钢丝绳332的另一端连接于连接板311，抽拉组件331与上位机53通信连接，通过滚轴丝杠321能够
调控h型支架322距离模型体10底面的距离，即调整抽拉组件331相对模型体10的竖直位置，第一滑轨323和第一滑块用于调整抽拉组件331相对模型体10的水平位置，通过本实施例，能够使得切顶组件31在抽拉组件331的带动下，完成设计的切顶高度，切顶角度。
45.本实施例中，抽拉组件331可以为卷扬机等能够实现拉动的设备，本发明再次不做限制。拼接板312为多个，拼接板312之间可拆卸连接，拼接板312能够快速拼装到设计大小，提高安装速度，连接板311的一端与拼接板312销钉连接，连接板311的另一端设有多个第一连接块，第一连接块上安装有第二钢丝绳，第二钢丝绳和第一钢丝绳332之间设置有第二连接块，该设计能够使连接板311受力更均匀，切顶效果更好。
46.另外，h型支架322与滚珠丝杠321呈垂直设置，方便调整抽拉组件331的相对位置，优选的滚珠丝杠321、抽拉组件331、第一滑块均无线连接于上位机53，利用滚珠丝杠321能够准确控制h型支架322的高度，进而调控抽拉组件331与模型体10的相对位置，使得切顶组件31在抽拉组件331的带动下切断采煤工作面顶板，这样能够适用不同尺寸的模型体10。
47.在本发明的一个优选实施例中，如图7所示的吸能控制装置4包括托盘41、筒体42、连接件43、弹簧44和金属丝45，其中，托盘41固接于巷道11的外侧的模型体10上，筒体42的一端固定于托盘41，筒体42的另一端设有密封板，筒体42的内部设有圆板421，弹簧44套设于连接件43外周，连接件43的一端、弹簧44的一端均固接于圆板421，弹簧44的另一端固接于密封板，连接件43的另一端连接金属丝45的一端，金属丝45的另一端锚固于巷道顶板；本实施例的吸能控制装置4能够模拟巷道顶板上的恒阻锚杆锚固，用于支护巷道顶板，当受到动载时可保持恒定阻力并产生均匀变形来吸收冲击能量，实现巷道围岩的稳定。
48.进一步的，筒体42上部的直径逐渐变小，随着筒体42直径变小，弹簧44的变形越大产生，增加有效吸收冲击能量。
49.本发明实施例的一种煤矿动力灾害模拟方法包括：确定动力加载装置2、切顶释能装置3和吸能控制装置4的安装参数；根据地质勘探和施工资料得出的数据结合相似材料计算公式设计模型体10；通过动力加载装置2、切顶释能装置3和吸能控制装置4的安装参数将其安装于模型体10；通过智能监控系统5监控动力加载装置2、切顶释能装置3和吸能控制装置4以进行模拟实验并实时采集实验数据。
50.本实施例，通过设定的安装参数组装煤矿动力灾害模拟系统，利用智能监控系统5控制各装置的运行，智能监控系统5实时监测和记录整个试验过程中模型体10内部的动态响应数据，根据接收到的动态响应数据制作所需二维和三维图像，用于评价动力灾害控制模拟效果。本方法能够实现自动化、智能化的控制与模拟矿灾发生的过程，准确性高、可操作性强。
51.在本发明的一个优选实施例中，动力加载装置2的安装参数包括动力加载装置2的位置、数量、强度和频率；切顶释能装置3的安装参数包括切顶高度、切顶角度；吸能控制装置4的安装参数包括吸能控制装置4材料、结构，安装位置、间排距、长度、角度；并将智能监控系统5与动力加载装置2、切顶释能装置3、吸能控制装置4连接。
52.其中，动力加载装置2的安装参数根据煤矿灾害现场的微震监测数据和技术手段，经处理后可以对震源位置进行追踪，进而导出现场微震能量的强度、频率、位置。
53.切顶释能装置3的安装参数是依据现场支护参数包括所选用锚杆自身的物理力学参数材料本身力学属性，锚杆直径、长度以及锚杆的特殊结构等，锚杆布置的位置比如位于巷道11的顶部或两帮、锚杆的间排距、锚杆的安装角度。通过相似比尺计算，以确定吸能控制装置4材料、结构，安装位置、间排距、长度、角度。
54.吸能控制装置4的安装参数包括切顶高度和切顶角度，其中，切顶高度的确定是根据现场围岩碎胀系数、开采煤层厚度再加上特定的安全系数，确定切顶高度，使切下来的采煤工作面顶板能够碎胀充填采空区；切顶角度的确定是根据岩石间摩擦阻力确定多个角度，然后通过数值模拟选择效果最好、对巷道11影响最小的角度，根据设计要求取整后确定最佳切顶角度。
55.本实施例中，根据地质勘探、施工资料和相似材料计算公式设计并构建三维大型的模型体10；动力加载装置2能够产生强度、频率、位置、数量不同的震源，形成多个震源耦合场；切顶释能装置3可实现切顶位置、大小和角度的变化，且切顶位置伴随或超前于工作面的开采；吸能控制装置4能够模拟巷道顶板的恒阻锚杆锚固，受到动载时可保持恒定阻力并产生均匀变形来吸收冲击能量；因此，本发明可真实反映动力影响下切顶释能装置3和吸能控制装置4的释能、吸能控制效果，智能监控系统5能够分析多个叠加震源场中围岩应力、应变的时空演化规律，能够准确模拟煤矿动力灾害过程，从而科学的研究煤矿动力灾害形成机制。
56.在本发明的一个优选实施例中，还包括：将切顶组件31拼接成设计尺寸，埋于采煤工作面顶板上的设计位置；将活塞振动器211、微型电子雷管212和吸能控制装置4安装在巷道11外侧的模型体10上，通过上位机53控制活塞振动器211、微型电子雷管212对模型体10进行近域冲击；在模型体10的顶部和侧面均安装有气液复合缸221，将气液复合缸221与液压泵站222、气体压缩机223连接，通过上位机53控制液压泵站222、气体压缩机223以使得气液复合缸221对模型体10进行远域冲击；调整抽拉组件331的位置与切顶组件31的位置相对应，通过第一钢丝绳332将切顶组件31与抽拉组件331连接；上位机53控制抽拉组件331带动切顶组件31切断采煤工作面顶板；将托盘41固接于巷道11外侧的模型体10上，筒体42的一端固定于托盘41，筒体42的另一端设有密封板，筒体42的内部设有圆板421，弹簧44套设于连接件43外周，连接件43的一端、弹簧44的一端均固接于圆板421，弹簧44的另一端固接于密封板，连接件43的另一端连接金属丝45的一端，金属丝45的另一端锚固于巷道顶板，利用弹簧44的变形来吸收巷道顶板受到的冲击能量；上位机53控制第一应变片511采集吸能控制装置4的应力应变数据，上位机53通过声发射探头512采集模型体10受到冲击的响应数据；位移传感器、应变传感器分别安装于巷道外侧的模型体10上，第二应变片安装于应变传感器上，用于监测巷道11受到的应力，位移传感器用于测定巷道11的变形数据；可移动支架521和扫描成像仪522安装在模型体10的外侧，扫描成像仪522可移动连接于可移动支架521，无线控制台523通信连接可移动支架521和扫描成像仪522，上位机53通信连接无线控制台523，无线控制台523控制扫描成像仪522在可移动支架521的带动下
对模型体10内部的破裂情况进行实时扫描，并将数据回传到上位机53，上位机53储存试验过程中的所有数据，并分析监测模型体的动态响应信息，根据接收到的动态响应信息制作所需二维和三维图像，评价动力灾害控制模拟效果。
57.具体实施原理：根据现场监测纪录确定对动力加载装置2的位置、数量、强度和频率，根据地质勘探、施工资料和相似材料计算公式设计模型体10；以现场支护参数为依据，确定吸能控制装置4的参数；按照设计建造模型体10，在模型体10的建造中，将切顶组件31拼接成设计尺寸，埋于采煤工作面顶板，将活塞振动器211、微型电子雷管212、吸能控制装置4安装在巷道11外侧模型体10上的设定位置；模型体10构建完毕后，调整滚珠丝杠321、滑块，使得抽拉组件331的位置与切顶组件31的位置相对应，通过第一钢丝绳332将切顶组件31与抽拉组件331连接，在模型体10的顶部和侧面均安装有气液复合缸221，将气液复合缸221与液压泵站222、气体压缩机223连接；对煤矿动力灾害模拟系统进行测试，检查各个装置的是否安装、运行情况。
58.测试结束后，对矿灾进行模拟，首先上位机53控制活塞振动器211、微型电子雷管212对模型体10进行近域冲击；上位机53控制液压泵站222、气体压缩机223以使得气液复合缸221对模型体10进行远域冲击；接着，上位机53通过启动抽拉组件331使得切顶组件31切断采煤工作面顶板，在这过程中，吸能控制装置4通过均匀变形来吸收巷道顶板受到的冲击能量；这样能够模拟多个叠加震源场中围岩应力、应变的时空演化规律。
59.此外，整个过程中，上位机53控制可移动支架521带动扫描成像仪522运动，并控制扫描成像仪522对模型体10内部破裂情况进行实时扫描，并将数据回传到上位机53，监测组件51设置于模型体10的内部，用于采集模型体10内受到冲击的响应数据和应力应变数据。
60.上位机53依照设计控制各装置的运行，能够实时监测和记录整个试验过程中模型体10内部的动态响应数据，根据接收到的动态响应信息制作所需二维和三维图像，和查询模型体10内部当前状态，根据监测数据分析释能吸能控制效果。本发明设计合理，能够实现自动化、智能化的控制与模拟，能够准确模拟煤矿动力灾害过程，从而科学的研究煤矿动力灾害形成机制。
61.在本发明实施例中，术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定。术语“安装”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
62.本发明实施例的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”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实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或单元必须具有特定的方向、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明实施例的限制。
63.在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一个优选实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。
而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
64.以上仅为本发明实施例的优选实施例而已，并不用于限制本发明实施例，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明实施例的保护范围之内。