1.一种反演围岩应力变化相似材料模拟试验系统的使用方法,其特征在于,所述的模拟试验系统包括:框架结构单元,用于分层铺设相似材料;所述框架结构单元包括底座、左右反力墙、顶部横梁、后部反力墙、左右侧位限位板和前部反力挡板,所述底座、左右反力墙、顶部横梁、后部反力墙围合成前部开口的腔体,所述左右侧位限位板设置在所述腔体内,且位于所述底座的左右两侧,所述前部反力挡板的两端分别与所述左右侧位限位板固定连接,所述底座的上表面设有工作台,所述相似材料分层铺设在所述工作台上,且相似材料位于所述左右侧位限位板、前部反力挡板和后部反力墙围合成的凹槽内部;
应力加载单元,用于对所述相似材料施加应力;
钻进系统单元,用于对所述相似材料进行不同位置的钻进;所述钻进系统单元包括:上下位置调节机构,包括上下位移伺服电机和上下位移螺纹杆,所述上下位移螺纹杆对称设置在所述前部反力挡板的外部左右两侧,所述上下位移伺服电机连接在所述上下位移螺纹杆上,且能沿所述上下位移螺纹杆上下移动;左右位置调节机构,包括左右位移伺服电机和左右位移螺纹杆,所述左右位移螺纹杆水平连接在上下位移伺服电机上,所述左右位移伺服电机连接在所述左右位移螺纹杆上,且能沿所述左右位移螺纹杆左右移动;钻进机构,设置在所述左右位移伺服电机上,所述钻进机构包括钻进位移伺服电机、钻进位移螺纹杆、转速伺服电机、钻杆夹持装置、钻杆和钻头,所述钻进位移伺服电机与所述钻进位移螺纹杆相连接,所述转速伺服电机与所述钻杆相连接,且所述钻杆的两端分别设有螺纹凸起和螺纹凹槽,相邻两个钻杆的所述螺纹凸起和所述螺纹凹槽相配合;
监测单元,用于监测相似材料内部的应力状况及钻进系统单元的控制参数,并生成监测数据;
控制单元,分别控制所述应力加载单元和钻进系统单元,且所述控制单元还用于收集所述监测数据并进行分析;
使用方法是:
S1、模型设计:按照相似理论、原型条件及模拟目的,选择并确定相似比,计算并确定相似材料中各模拟岩层厚度和材料配比,以模拟现场地质状况;
S2、铺设相似材料模拟现场某一区域岩层,完成后晾干;
S3、对所述相似材料施加应力,由监测单元的应力监测膜实时监测加载过程中围岩应力;
S4、设置钻进参数,并按照设定参数进行钻进,具体钻进方法是:
S41、通过计算机预设的钻进位置,由上下位移伺服电机通过上下位移螺纹杆控制钻头的上下位移,由左右位移伺服电机通过左右位移螺纹杆控制钻头的左右位移,通过位移监测器监测钻头移动到钻进的指定位置;
S42、完成钻进位置的定位;
S43、打开前部反力挡板上与钻头位置相对的螺纹孔上的螺栓;
S44、设置钻头的目标钻压或钻进的轴向进速,以及转速伺服电机的转速,然后钻进位移伺服电机通过钻进位移螺纹杆控制钻头的轴向进速,钻杆夹持装置后部与转速伺服电机连接控制钻头的转速,按照设置的轴向进速和转速开始钻进,并通过位移监测器监测钻进速度;
S45、钻进过程中,应力监测器实时监测钻头的钻压与扭矩,并通过无线信号发送给信号中继器,转速监测器实时监测钻头的钻进的轴向进速和转速;
S46、钻进完成后,停止转速伺服电机的旋转,将转速伺服电机退位到初始位置;
S5、调整钻进参数,直至完成同一岩层所需的不同位置的钻进;
S6、对监测单元采集到的围岩应力监测数据以及钻进参数进行分析,得出该岩层钻进参数与围岩应力的对应关系;
S7、重复步骤S1 ‑ S6,得到现场所有岩层的钻进参数与围岩应力的对应关系,也就是说获得不同应力状态及岩性条件下钻进参数变化规律;
S8、根据试验系统得到的不同应力状态及岩性条件下钻进参数变化规律,反推出现场不同应力状态及岩性条件下钻进参数变化规律。
2.如权利要求1所述的反演围岩应力变化相似材料模拟试验系统的使用方法,其特征在于,所述应力加载单元包括分别设置在所述左右反力墙、顶部横梁和后部反力墙上的左右加载油缸、顶部加载油缸和后部加载油缸,所述左右加载油缸分别穿过所述左右侧位限位板后与左右充液橡胶板相连接,所述左右充液橡胶板与所述相似材料的左右两侧相接触;所述顶部加载油缸和后部加载油缸分别经顶部充液橡胶板和后部充液橡胶板与所述相似材料的顶部和后部相接触。
3.如权利要求1所述的反演围岩应力变化相似材料模拟试验系统的使用方法,其特征在于,所述监测单元包括应力监测膜、应力监测器、位移监测器、转速监测器、信号中继器、信号收集器;其中:所述应力监测膜设置在相似材料中;
所述应力监测器布置在最前部钻杆与钻头连接部位;
所述位移监测器分别设置在上下位移伺服电机、左右位移伺服电机和钻进位移伺服电机的内部;
所述转速监测器设置在转速伺服电机与钻杆夹持装置的连接部位;
所述信号中继器通过无线信号接收所述应力监测器的监测信号;
所述信号收集器分别与所述应力监测膜、位移监测器、信号中继器、转速监测器和控制单元相连接。
4.如权利要求1所述的反演围岩应力变化相似材料模拟试验系统的使用方法,其特征在于,所述控制单元包括计算机与电液伺服控制系统。
5.一种如权利要求1所述的反演围岩应力变化相似材料模拟试验系统的使用方法,其特征在于,所述步骤S2包括:S21、根据需要模拟的煤层厚度,加装前部反力挡板,在工作台上铺设相似材料并夯实;
S22、将相似材料按照现场地质情况从下往上依次铺设,并在需要监测的层位铺设应力监测膜,同时,将前部反力挡板依次从下往上安装好,铺设完成后将相似材料晾干。
6.一种如权利要求1所述的反演围岩应力变化相似材料模拟试验系统的使用方法,其特征在于,所述步骤S5包括:设置其它目标钻压、钻进的轴向进速,或维持原有设定参数并将钻头调整到其他位置进行钻进,直至完成所需的不同位置的钻进。