（1）平台简介

建设背景：国家能源集团是世界最大煤炭企业，其中80%的煤炭产自西部严重缺水地区，国家能源集团“煤炭开采水资源保护利用和矿区生态修复”研发团队以神东矿区为基地开展了系列的研究工作，首先研究了“采~水~生态”协调机理与方法，针对我国西部区域典型类型的生态环境和煤炭开采工艺特点，揭示了“三水”（地表水、土壤水和地下水）转化规律、煤炭开采地表层结构损伤机理、土壤和植物等，但因环境和时间周期等因素，无法有效大规模现场实施；其次是煤炭开采“减损”理论与控制关键技术，针对西部典型类型采煤沉陷区生态环境特点，研究采动覆岩及地表层损伤过程、开采工艺参数与采动覆岩及地表层损伤程度的关系，然而现实中难以找到并监测相同或类似地质生产条件下不同开采参数的工作面；第三是地表生态损伤自修复理论与促进关键技术，由于采面大，推进速度快，生态变化显现周期长，难以全面有效监测开采地表移动变化的全过程。针对上述研究工作的不足，需要在结合煤炭开采及现场监测的基础上，在室内建设开采-地表生态模拟试验平台，对开采参数优化、源头减损控制、采动过程岩层控制、地表移动变形控制、以及地下水、裂缝、土壤和植被的变化进行技术探索和工程实践。

建设意义：“煤炭开采地表生态减损与修复试验平台”是我国首台煤炭开采地表生态减损与修复试验平台，从平台组合式可视化框架系统、移动式加载系统、给定变形（开挖）系统、辅助试验系统、监测采集控制系统、模型铺设系统六个方面进行设计和研制，具有框架模块化、可视化，控制智能化、精准化，监测过程化、全面化等特点，平台整体设计理念先进，功能多样，控制精确，测试手段丰富，可为煤炭开采地表生态减损与修复基础理论研究和关键技术研发提供重要的平台支撑。

（2）平台主要模块

煤炭开采地表生态减损与修复试验平台主要包括：组合式可视化框架系统、移动式加载系统、给定变形系统、辅助试验系统、监测采集控制系统、模型铺设系统等方面。

图1 生态平台整体概况

1）组合式可视化框架系统

组合式可视化框架系统能实现框架立柱可拆解组合，通过高度组合可实现模拟1.5m和2.0m两种高度变换，两种模拟高度更加灵活，模拟浅埋深时便可以采用1.5m模拟高度，这样也便于模型的铺设和拆卸；本设计的思路是在高度方向由四个模块组成，每个模块0.5m；框架系统模块化，通过立柱位置组合可实现三维、二维多种尺寸变换的模型试验。模型框架采用钢体材料，模型四周面板均采用透明材质，并可拆卸——为了改变适应性，通过调整模型宽度，可以实现模拟多种宽度，适应解决不同工程问题，这样可以提高实验效率，节省实验费用，满足三维、二维多种尺寸的模型试验。

侧面护板：高度0.5m，设置2个窗口；固定侧板固定在立柱上，活动侧板通过导轨固定在固定侧板上；预留观测出线口，注水口等；（侧面护板可拆卸，所有零件便于吊装，侧面板备两套，一套无玻璃用于铺模型；一套开孔有透明玻璃可拆卸，用于实验开挖过程无损监测）

图2 透明材质侧护板

角度调节：2组立柱固定部和活动部设置2个调底油缸，调整角度5~10°。

图3 实验台角度调节结构

2）移动式加载系统

移动式加载主要是对模型上表面进行压力补偿，加载系统可在模型上方垂直移动和水平方向移动——通过设置在模型外侧的轨道，可将加载系统水平方向移动，模型铺设的时候移出试验台上方，模型铺设后移到模型上方；该加载系统的轨道可以控制加载时整体上移，设计特殊的轨道，可以限制加载系统整体外框的上下移动。

移动加载系统设计6个加载模块、标准面积0.15m×2.8m、加载能力为3~5吨，总加载能力18~30吨，条形布置，模块可单独和协同控制。通过位置移动和变换加载面板尺寸可实现二维模型和三维模型的局部和整体加压——为了适应1.5m和2m两种模型高度，在框架下方通过两个大行程液压缸连接一个游动梁，游动梁下方布置6个加载模块，独立供液，协同控制，精准控制，实用性更好。

移动加载是对模型顶部压力补偿，加载过程须考虑被加载表面的裂缝发育可视或集中应力情况，如在加载缸体下布设网片和透明材质，实现加载过程的可视观测。移动加载系统不使用时可移至平台模型外，避免对模型铺设和监测时产生影响。——除了满足上述要求之外，还在加载梁之上设置视频、图像采集仪器固定位置等，监测实验过程中地表变形、下沉、裂缝演化规律；配置的辅助观测仪器可以有钻孔窥视仪、裂缝综合测试仪等。

图4 主体框架和移动加载系统

3）给定变形系统

模型底部布置给定变形装置本着模块化、组合式、智能化原则通过不同形式组合既能模拟地表给定变形，又能模拟不同工作面开采尺寸、推进速度等多种开采参数变化。底部给定变形控制单元均采用条形，每个控制单元宽度拟10cm，长度可在25cm~100cm自由选取，可根据实际情况适当调整。模块布置组合方式以能实现地表给定变形和多开采参数为优。

模块单元可独立和协同控制，考虑模型协同控制下操作的可行性，兼顾模块间隙避免相互咬合和模拟开挖升降过程中漏料等异常情况，制定了必要的检修措施，保证试验过程中可以维修或人工干预可实现模拟开挖。通过精确的控制，20cm行程预计20秒可以完成，满足模拟实验的时间相似。每个条形块体除了升降电缸还有导向机构，避免相互咬合。

图5 给定变形系统

4）辅助试验系统

试验系统具备岩层水、土壤水（地表水）模拟功能，能够模拟开采对岩土层地下水的影响。为了实现模拟岩层水、地表水功能，在实验台前后左右预留注水通道，并配置注水泵、流量计等；另外，可以增加降雨系统、热风干燥系统（模拟沙漠半干旱气候），以此来观测不投气候条件下开采后地表植被变化。

5）给定监测采集控制系统

监测采集控制系统可实时监测模型裂隙场、位移场、应力场、渗流场演化特征及模型内关键部位的应力、应变，可获取模型表面高清图像，能够实现试验过程的数据监测、数据采集、数据处理和数据分析。增加钻孔窥视仪、综合裂缝测试仪、超声波等仪器和手段，并配备常规离层仪、应力计、应变片等，实现模型裂隙场、位移场、应力场的观测；并配置高清摄像机，获取模型表面实验过程中的变化。

图6 监测设备

6）模型铺设系统

试验过程所需料仓、称重、混料搅拌、移动皮带输送、翻斗推车、铺设压实等各种辅助设备应配备齐全并能满足现场需要，保障模拟试验正常开展。通过研制或购置适用于本实验平台的模型铺设系统，提高模型材料制备速度，降低劳动强度，并提高安全性。

（3）平台功能介绍

1）组合式可视化框架系统可实现“模块化、组合式、可视化”等功能。平台尺寸3m×3m×2m（长×宽×高），包括：框架固定侧板、可移动侧板和底座，框架采用模块化，能够自由拆解组合。在水平方向上，通过调整移动侧板位置可实现模拟宽度3m、2m、0.5m的三维、二维多种尺寸模型试验；在高度方向上由四个模块组成，每个模块0.5m，可实现模拟1.5m和2.0m两种高度，适应于不同的埋深；平台底座设置角度调整装置，可模拟0~10°不同煤层倾角；平台框架每个模块中设置4个高强度透明玻璃面板，实验过程中可视化程度高。

2）移动式加载系统可实现不同高度模型表面的多级压力补偿。移动式加载系统主要由加载油缸、加载固定梁和加载游动梁组成。移动加载系统采用加载行程为一级（2个行程50cm油缸）和二级（6个行程20cm油缸）的双极加载方式，总行程0~70cm，加载能力0~30t，可实现不同模型高度调节下顶部压力补偿；在加载梁之上设置视频、图像采集仪器等，可监测实验过程中地表变形、下沉、裂缝演化规律，加载系统不使用时可移至平台模型外。

3）给定变形（开挖）系统可实现工作面开采参数智能调节和给定变形精准控制。给定变形（开挖）系统包括开挖模块、开挖电气系统和开挖控制软件系统。系统倾向两侧各设置一排45cm×15cm（长×宽）的总计40块手动机械式控制模块，用于模拟固定边界；开挖装置中部布设15cm×15cm（长×宽）的总计280块方形开挖模块，各模块能够单独或协同精确升降，实现智能精确控制；开挖模块顶部设置载荷传感器，可在线实时监测应力场动态演化规律。

4）辅助试验系统可实现岩层水、土壤水（地表水）模拟功能。在实验台前后左右预留注水通道，并配置注水泵、流量计等，可实现模拟岩层水、地表水功能；后续计划增加降雨系统、热风干燥系统（模拟神东沙漠半干旱气候），以此来观测不同气候条件下开采后地表植被变化。

5）监测采集控制系统可实现试验全过程的动态数据监测、采集、处理和分析。采集系统主要包括应力计、应变片、窥视仪、超声波、三维激光扫描仪、裂缝综合测试仪等。可实时监测模型内部裂隙场、位移场、应力场演化特征以及表面裂缝分布、移动变形、水土流失等地表损伤信息，配合监测数据处理系统，能够实现试验全过程的数据监测、采集、处理和分析。