1.本实用新型涉及平面相似模型技术领域，更具体地说涉及一种平面相似模型加载装置及测试系统，特别是一种考虑承压水作用的智能加载式平面模型架测试装置及测试系统。
背景技术：2.相似物理模拟试验是解决采场围岩变形及巷道失稳的首要技术手段，而平面相似模型装置是进行相似物理模拟试验的基础设备。相似物理模拟试验的本质是按照一定的相似比(时间相似比、应力相似比、几何相似比等)将实际煤岩层制成模型尺寸，在控制模型与原型相似的条件下，对模型煤层或岩层进行开挖，从而对采场顶底板变形破坏、巷道围岩失稳、断层活化等特征进行监测分析。
3.目前，由于模型架尺寸受限，无法对整套煤系地层进行模拟，常用配重块等对煤层顶板进行荷载加压。但是随着采深的逐渐增加，配重块堆叠层数同比例增加，一定程度上加大了试验人员的危险性，而且配重块施工繁琐，无法对围岩应力场进行有效的模拟。同时，深部承压水对煤层开采具有严重的威胁，但是目前的平面模型架通常仅考虑应力场的影响，舍弃了承压含水层水压及渗流场的综合作用。在测试手段上，常在模型内部布设压力盒等点式传感器进行内部应力场的测量，但多为点式传感器，无法获得连续的分布式数据体。
4.因此，针对采场围岩平面相似模型系统提出一种考虑承压水作用的智能加载式平面模型架测试装置及测试系统，是本领域技术人员亟需解决的问题。
技术实现要素：5.有鉴于此，本实用新型提供了一种考虑承压水作用的智能加载式平面模型架测试装置，旨在解决上述技术问题。
6.为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
7.考虑承压水作用的智能加载式平面模型架测试装置，包括：
8.立式模型架；所述立式模型架包括长条形底座，以及竖直固定在所述长条形底座两端的立柱；两根所述立柱的同侧边沿之间可拆卸连接有多块长条状的挡板；多块所述挡板、两根所述立柱和所述长条形底座合围形成顶端开口、四周和底部封闭的加载模拟区，所述加载模拟区内分层模拟铺设有煤/岩层；
9.加载机构；所述加载机构位于所述加载模拟区的顶部开口处，且安装在两根所述立柱的顶端之间，并能够向所述加载模拟区内部竖向施加压力；
10.承压水模拟机构；所述承压水模拟机构包括置于所述加载模拟区底部的水袋，以及位于所述加载模拟区外部，且与所述水袋连接的控压组件。
11.通过上述技术方案，本实用新型提供的装置结构简单、设计合理，且使用操作简便，能有效解决现有平面相似模型架中存在的顶部荷载施加困难、应力场模拟不均、渗流场缺失、测试手段单一等缺陷，能够满足不同埋深模拟的试验需求。
12.优选的，在上述一种考虑承压水作用的智能加载式平面模型架测试装置中，所述加载机构包括固定梁、油缸组、第一施力板、第二施力板和弹簧组；所述固定梁两端分别固定在两根所述立柱顶端；所述油缸组包括沿所述固定梁长度方向等间距固定在所述固定梁顶面的多个油缸，所述油缸的伸缩杆穿过所述固定梁；所述第一施力板平行布置在所述固定梁下方，所述第一施力板的顶面与所述油缸的伸缩杆的端头固定连接；所述第二施力板平行布置在所述固定梁下方；所述弹簧组连接在所述第一施力板和所述第二施力板之间。本实用新型采用油缸组对模拟围岩层进行精准加压，压力量程可动态协调，同时通过两层施力板和弹簧组将施加压力均匀传递至下方煤、岩层，与传统的配重块加压相比，模拟的应力场更符合实际采场压力分布特征。
13.优选的，在上述一种考虑承压水作用的智能加载式平面模型架测试装置中，所述控压组件包括连接管和加载泵；所述连接管一端与所述水袋连通，所述连接管的另一端穿出所述立柱与所述加载泵的泵出口连接；所述连接管上安装有压力表和单向阀。通过单向阀防止水流倒灌，利用压力表实时掌握水袋内压力动态变化情况。
14.优选的，在上述一种考虑承压水作用的智能加载式平面模型架测试装置中，所述长条形底座、所述立柱和所述挡板均由槽钢制作成型。取材方便，便于制作，结构稳定。
15.优选的，在上述一种考虑承压水作用的智能加载式平面模型架测试装置中，所述长条形底座的横截面为工字型。结构稳定性强。
16.优选的，在上述一种考虑承压水作用的智能加载式平面模型架测试装置中，所述立柱边沿和所述挡板的两端具有对应的连接孔。便于实现挡板的快速安装和拆卸，且连接结构稳定。
17.优选的，在上述一种考虑承压水作用的智能加载式平面模型架测试装置中，还包括多场测试系统；所述多场测试系统包括应变场测试单元、位移场测试单元和地电场测试单元；
18.所述应变场测试单元包括分布式光纤传感器和布里渊光频域分析仪；所述分布式光纤传感器的数量为多个，且布置在加载模拟区内；所述布里渊光频域分析仪位于所述加载模拟区外部，多个所述分布式光纤传感器通过光纤通讯线串联后与所述布里渊光频域分析仪连接；
19.所述位移场测试单元包括光纤光栅位移计和便携式光纤光栅解调仪；所述光纤光栅位移计的数量为多个，且布置在加载模拟区内；所述便携式光纤光栅解调仪位于所述加载模拟区外部，多个所述光纤光栅位移计通过光纤通讯线串联后与所述便携式光纤光栅解调仪连接；
20.所述地电场测试单元包括铜制微型电极和并行电法仪；所述铜制微型电极的数量为多个，且布置在加载模拟区内；所述并行电法仪位于所述加载模拟区外部，多个所述铜制微型电极串联后与所述并行电法仪通过航空插头连接。
21.本实用新型中的测试系统包含多物理场，可对模型进行分布式、点式、对穿式数据采集，获得的数据体更加丰富，可更加精准地对采场围岩变形进行重构反演。
22.优选的，在上述一种考虑承压水作用的智能加载式平面模型架测试装置中，所述立柱上开设有用于线缆穿出的线孔。便于布置传感器。
23.优选的，在上述一种考虑承压水作用的智能加载式平面模型架测试装置中，多个
所述分布式光纤传感器、多个所述光纤光栅位移计和多个所述铜制微型电极均呈蛇形排布方式布置在所述加载模拟区内。能够提高检测范围和检测精度。
24.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本实用新型公开提供了一种考虑承压水作用的智能加载式平面模型架测试装置，具有以下有益效果：
25.1、本实用新型采用油缸组对模拟围岩层进行精准加压，压力量程可动态协调，同时通过两层施力板和弹簧组将施加压力均匀传递至下方煤、岩层，与传统的配重块加压相比，模拟的应力场更符合实际采场压力分布特征。
26.2、本实用新型考虑了承压水和渗流场的综合作用，模拟深部采场带压开采煤层，更加符合实际情况。
27.3、本实用新型提供的测试装置拆卸简单，且成本较低，同时弹簧组传导力的性能要优于弹性板。
28.4、本实用新型中的测试系统包含多物理场，可对模型进行分布式、点式、对穿式数据采集，获得的数据体更加丰富，可更加精准地对采场围岩变形进行重构反演。
附图说明
29.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
30.图1附图为本实用新型提供的测试装置的正面结构示意图；
31.图2附图为本实用新型提供的测试装置的背面结构示意图；
32.图3附图为本实用新型提供的测试装置的侧视图；
33.图4附图为本实用新型提供的测试装置的内部结构示意图。
34.其中：
35.1-立式模型架；
36.11-长条形底座；12-立柱；121-线孔；13-挡板；14-加载模拟区；15-连接孔；
37.2-加载机构；
38.21-固定梁；22-油缸组；23-第一施力板；24-第二施力板；25-弹簧组；
39.3-承压水模拟机构；
40.31-水袋；32-控压组件；321-连接管；322-加载泵；323-压力表；324
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单向阀；
41.4-应变场测试单元；
42.41-分布式光纤传感器；42-布里渊光频域分析仪；
43.5-位移场测试单元；
44.51-光纤光栅位移计；52-便携式光纤光栅解调仪；
45.6-地电场测试单元；
46.61-铜制微型电极；62-并行电法仪。
具体实施方式
47.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行
清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
48.参见附图1至附图4，本实用新型实施例公开了一种考虑承压水作用的智能加载式平面模型架测试装置，包括：
49.立式模型架1；立式模型架1包括长条形底座11，以及竖直固定在长条形底座11两端的立柱12；两根立柱12的同侧边沿之间可拆卸连接有多块长条状的挡板13；多块挡板13、两根立柱12和长条形底座11合围形成顶端开口、四周和底部封闭的加载模拟区14，加载模拟区14内分层模拟铺设有煤/ 岩层；
50.加载机构2；加载机构2位于加载模拟区14的顶部开口处，且安装在两根立柱12的顶端之间，并能够向加载模拟区14内部竖向施加压力；
51.承压水模拟机构3；承压水模拟机构3包括置于加载模拟区14底部的水袋31，以及位于加载模拟区14外部，且与水袋31连接的控压组件32。
52.为了进一步优化上述技术方案，加载机构2包括固定梁21、油缸组22、第一施力板23、第二施力板24和弹簧组25；固定梁21两端分别固定在两根立柱12顶端；油缸组22包括沿固定梁21长度方向等间距固定在固定梁21 顶面的多个油缸，油缸的伸缩杆穿过固定梁21；第一施力板23平行布置在固定梁21下方，第一施力板23的顶面与油缸的伸缩杆的端头固定连接；第二施力板24平行布置在固定梁21下方；弹簧组25连接在第一施力板23和第二施力板24之间。
53.为了进一步优化上述技术方案，控压组件32包括连接管321和加载泵 322；连接管321一端与水袋31连通，连接管321的另一端穿出立柱12与加载泵322的泵出口连接；连接管321上安装有压力表323和单向阀324。
54.为了进一步优化上述技术方案，长条形底座11、立柱12和挡板13均由槽钢制作成型。
55.为了进一步优化上述技术方案，长条形底座11的横截面为工字型。
56.为了进一步优化上述技术方案，立柱12边沿和挡板13的两端具有对应的连接孔15。
57.为了进一步优化上述技术方案，还包括多场测试系统；多场测试系统包括应变场测试单元4、位移场测试单元5和地电场测试单元6；
58.应变场测试单元4包括分布式光纤传感器41和布里渊光频域分析仪42；分布式光纤传感器41的数量为多个，且布置在加载模拟区14内；布里渊光频域分析仪42位于加载模拟区14外部，多个分布式光纤传感器41通过光纤通讯线串联后与布里渊光频域分析仪42连接；
59.位移场测试单元5包括光纤光栅位移计51和便携式光纤光栅解调仪52；光纤光栅位移计51的数量为多个，且布置在加载模拟区14内；便携式光纤光栅解调仪52位于加载模拟区14外部，多个光纤光栅位移计51通过光纤通讯线串联后与便携式光纤光栅解调仪52连接；
60.地电场测试单元6包括铜制微型电极61和并行电法仪62；铜制微型电极 61的数量为多个，且布置在加载模拟区14内；并行电法仪62位于加载模拟区14外部，多个铜制微型电
极61串联后与并行电法仪62通过航空插头连接。
61.为了进一步优化上述技术方案，立柱12上开设有用于线缆穿出的线孔 121。
62.为了进一步优化上述技术方案，多个分布式光纤传感器41、多个光纤光栅位移计51和多个铜制微型电极61均呈蛇形排布方式布置在加载模拟区14 内。
63.本实施例提供的考虑承压水作用的智能加载式平面模型架测试装置的测试方法为：
64.首先将立式模型架1的基础框架按照顺序依次组装完成，然后基于一定的相似比确定各模拟煤/岩层的厚度，在煤/岩层的加载模拟区14内进行分层铺设。期间，将水袋31置于煤/岩层下方，并在水袋31不同位置对其进行打磨，使其厚度变薄，用来模拟突水点。同时，将应变场测试单元4、位移场测试单元5和地电场测试单元6合理布置于模拟的煤/岩层内部，并做好相关标记。
65.在模拟的煤/岩层铺设的同时，前后的挡板13需同步累加，用于固定煤/ 岩层。煤/岩层模型铺设完成后，利用加载泵322对水袋31进行预加压，使其达到一定压强，同时顶部利用油缸组22对煤/岩层模型进行加载，加载力通过第一施力板23传递至弹簧组25，再同步传递至第二施力板24，由于传递装置具有良好的弹性，则第二施力板24始终可以与煤/岩层模型顶界面岩层进行紧密接触，保证了力传递的稳定性。
66.待煤/岩层模型风干加固一周(时间根据实际情况确定)后，对模拟的煤/ 岩层进行开挖，开挖步距根据相似比确定，每开挖一次，待煤/岩层模型稳定后，利用多场测试系统对应力场、位移场和地电场数据进行监测，并记录煤/ 岩层模型实际变形特征。开挖完成后，进行数据的解译，利用丰富的多场数据对围岩变形破坏进行重构反演。
67.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
68.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
技术特征：1.考虑承压水作用的智能加载式平面模型架测试装置，其特征在于，包括：立式模型架(1)；所述立式模型架(1)包括长条形底座(11)，以及竖直固定在所述长条形底座(11)两端的立柱(12)；两根所述立柱(12)的同侧边沿之间可拆卸连接有多块长条状的挡板(13)；多块所述挡板(13)、两根所述立柱(12)和所述长条形底座(11)合围形成顶端开口、四周和底部封闭的加载模拟区(14)，所述加载模拟区(14)内分层模拟铺设有煤/岩层；加载机构(2)；所述加载机构(2)位于所述加载模拟区(14)的顶部开口处，且安装在两根所述立柱(12)的顶端之间，并能够向所述加载模拟区(14)内部竖向施加压力；承压水模拟机构(3)；所述承压水模拟机构(3)包括置于所述加载模拟区(14)底部的水袋(31)，以及位于所述加载模拟区(14)外部，且与所述水袋(31)连接的控压组件(32)。2.根据权利要求1所述的考虑承压水作用的智能加载式平面模型架测试装置，其特征在于，所述加载机构(2)包括固定梁(21)、油缸组(22)、第一施力板(23)、第二施力板(24)和弹簧组(25)；所述固定梁(21)两端分别固定在两根所述立柱(12)顶端；所述油缸组(22)包括沿所述固定梁(21)长度方向等间距固定在所述固定梁(21)顶面的多个油缸，所述油缸的伸缩杆穿过所述固定梁(21)；所述第一施力板(23)平行布置在所述固定梁(21)下方，所述第一施力板(23)的顶面与所述油缸的伸缩杆的端头固定连接；所述第二施力板(24)平行布置在所述固定梁(21)下方；所述弹簧组(25)连接在所述第一施力板(23)和所述第二施力板(24)之间。3.根据权利要求1所述的考虑承压水作用的智能加载式平面模型架测试装置，其特征在于，所述控压组件(32)包括连接管(321)和加载泵(322)；所述连接管(321)一端与所述水袋(31)连通，所述连接管(321)的另一端穿出所述立柱(12)与所述加载泵(322)的泵出口连接；所述连接管(321)上安装有压力表(323)和单向阀(324)。4.根据权利要求1-3中任一项所述的考虑承压水作用的智能加载式平面模型架测试装置，其特征在于，所述长条形底座(11)、所述立柱(12)和所述挡板(13)均由槽钢制作成型。5.根据权利要求4所述的考虑承压水作用的智能加载式平面模型架测试装置，其特征在于，所述长条形底座(11)的横截面为工字型。6.根据权利要求4所述的考虑承压水作用的智能加载式平面模型架测试装置，其特征在于，所述立柱(12)边沿和所述挡板(13)的两端具有对应的连接孔(15)。7.根据权利要求1-3、5和6中任一项所述的考虑承压水作用的智能加载式平面模型架测试装置，其特征在于，还包括多场测试系统；所述多场测试系统包括应变场测试单元(4)、位移场测试单元(5)和地电场测试单元(6)；所述应变场测试单元(4)包括分布式光纤传感器(41)和布里渊光频域分析仪(42)；所述分布式光纤传感器(41)的数量为多个，且布置在所述加载模拟区(14)内；所述布里渊光频域分析仪(42)位于所述加载模拟区(14)外部，多个所述分布式光纤传感器(41)通过光纤通讯线串联后与所述布里渊光频域分析仪(42)连接；所述位移场测试单元(5)包括光纤光栅位移计(51)和便携式光纤光栅解调仪(52)；所述光纤光栅位移计(51)的数量为多个，且布置在所述加载模拟区(14)内；所述便携式光纤光栅解调仪(52)位于所述加载模拟区(14)外部，多个所述光纤光栅位移计(51)通过光纤通讯线串联后与所述便携式光纤光栅解调仪(52)连接；
所述地电场测试单元(6)包括铜制微型电极(61)和并行电法仪(62)；所述铜制微型电极(61)的数量为多个，且布置在所述加载模拟区(14)内；所述并行电法仪(62)位于所述加载模拟区(14)外部，多个所述铜制微型电极(61)串联后与所述并行电法仪(62)通过航空插头连接。8.根据权利要求7所述的考虑承压水作用的智能加载式平面模型架测试装置，其特征在于，所述立柱(12)上开设有用于线缆穿出的线孔(121)。9.根据权利要求7所述的考虑承压水作用的智能加载式平面模型架测试装置，其特征在于，多个所述分布式光纤传感器(41)、多个所述光纤光栅位移计(51)和多个所述铜制微型电极(61)均呈蛇形排布方式布置在所述加载模拟区(14)内。
技术总结本实用新型公开了一种考虑承压水作用的智能加载式平面模型架测试装置，立式模型架包括长条形底座，以及竖直固定在长条形底座两端的立柱；两根立柱的同侧边沿之间可拆卸连接有多块挡板；多块挡板、两根立柱和长条形底座合围形成加载模拟区；加载机构位于加载模拟区的顶部开口处，且安装在两根立柱的顶端之间，并能够向加载模拟区内部竖向施加压力；承压水模拟机构包括置于加载模拟区底部的水袋，以及位于加载模拟区外部，且与水袋连接的控压组件。本实用新型结构简单、设计合理，且使用操作简便，能有效解决现有平面相似模型架中存在的顶部荷载施加困难、应力场模拟不均、渗流场缺失、测试手段单一等缺陷，能够满足不同埋深模拟的试验需求。试验需求。试验需求。
技术研发人员：张平松 孙斌杨 欧元超 刘畅 许时昂 李圣林 付茂如 郭立全
受保护的技术使用者：安徽理工大学
技术研发日：2021.08.30
技术公布日：2022/7/5
