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具体实施方式

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下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参见图1，本发明公开了一种高速公路下伏燃烧煤层的模型试验装置，该装置的主体为模型箱14基本形状为长方体，模型箱14的几何尺寸可根据所需要模拟的地层情况和选定的相似比确定，模型箱14的框架采用型钢根据实际条件采用焊接或螺栓铰接的方式连接而成，强度很高，可承受较大的应力，框架上的钢梁4不仅保证了模型箱的整体稳定性，上部钢梁4还可用于安装固定百分表8的磁性表座，模型箱14的底部设置有底部钢板2。模型箱14的前后两侧面均采用透明有机钢化玻璃封闭，有机钢化玻璃的厚度优选为12mm，采用透明有机钢化玻璃封闭可通过彩砂来辅助监测地层及路基位移，便于直观的观察到模型箱14内地层的位移变形情况；模型箱14的左右两侧开口部位设卡槽，采用长度略小于模型箱宽度的活动板1，随填筑高度增加随时增加木板及时封堵两侧开口，以便向上填筑相似材料。模型箱左右两侧开口部位沿其长度方向整列开设有卡槽15，卡槽15用于装载活动板1，所述活动板1的长度略小于模型箱14的宽度，随模型箱14内填筑高度增加，随时增加活动板1及时封堵两侧开口，以便向上填筑相似材料；在型煤模型6的所在位置的前面或后面的钢化玻璃上切割一个半圆形的空洞3，便于预埋在型煤内插入微型电加热管9和热电偶测温仪10，方便热电偶测温仪10连接线的进出，模型箱14的底部采用钢板封闭，上部不封闭。

模型箱14内部设置有整个模拟系统，模拟系统包括①岩土体及煤层模拟系统，包括岩土体5、型煤模型6和路基11；②煤层加热及温度控制监测系统，包括微型电加热管9和热电偶测温仪10；③路基位移监测系统，包括彩砂层7和百分表8。各系统布置关系如图2所示，图中：hs为路基厚度，为模拟实际地层的情况，此处设置第一地层12和第二地层13，其中h1为第一地层12的厚度，h2为第二地层13的厚度，hc为煤层高度。该系统包括从下到上依次堆叠的岩土体5、第一地层12、第二地层13和路基土11，其中第一地层12和第二地层13之间，第二地层和路基11之间，路基11的内部都设置有彩砂层7，所述彩砂层7平行于地面。岩土体5的内部的上部分设置有路基11，路基11的上表面和第一地层12的下表面接触，路基11平行六面体，路基11在竖直方向的横截面积为梯形，因此路基11为从下到上水平面积逐渐缩小的结构。

百分表8和彩砂层7的位置和数量可根据实际需要改变位置和增减数量。

岩土体及煤层模拟系统

本试验装置通过在岩土体5内埋入破碎重新压制的型煤模型6来模拟地下煤层，之后再通过预埋在型煤模型6内部的微型电加热管9对其进行加热，进而对煤层受热软化的过程进行模拟。通过调整型煤模型具的形状可对煤层的赋存参数如走向、倾角、厚度等参数进行十分便利的调整，通过调整重压制时的压制时长和附加荷载的大小可对型煤的强度进行调制，以实现煤层材料相似的目的。岩土体5和路基11的相似材料用细沙、黏土作为基本原料进行配置，通过改变细沙和黏土的配比，拌和时水的用量等即可配置成具有不同强度并满足相似比要求岩土体相似材料。

煤层加热及温度控制监测系统

型煤模型6的加热主要通过在型煤模型中埋置的微型电加热管9来实现，并通过同样埋置在型煤模型6内的热电偶测温仪10对加热过程中的温度进行监测。根据热电偶测温仪10测得的温度，通过调节加微型电加热管9的发热功率可对加热速率，加热温度进行精确快捷的控制。采用内置微型电加热管9对型煤模型6进行加热可避免明火的产生，使试验过程安全的进行。微型电加热管9和热电偶测温仪10的体积相对型煤整体尺寸很小，不至于对煤层的力学性质产生过大的影响。

路基位移监测系统

百分表8是一种测量精度高、安装和读数方便、经济实惠的位移测量仪器，因此本试验主要通过百分表8对路面和路基的表层位移进行量测，同时利用埋置在路基11和岩土体5中的彩砂层7对路基11和岩土体5的整体位移进行辅助观测，彩砂层7的位移采用数字摄影系统进行记录。

高速公路下伏燃烧煤层的相似模型试验试验过程：

高速公路下伏燃烧煤层的相似模型试验试验的总体过程如图5所示，具体试验过程包括以下步骤：

1.通过现场地质勘察对高速公路路线跨越的煤层对路基稳定性的影响进行初步分析，以确定所要研究路段在纵向L₀、横向W₀、路基下部地层深度H₀的研究范围。

2.在圈定研究范围后，在现场对路基、路基下部地层的岩石、煤层进行钻芯取样，之后通过相关的现场试验或室内试验获得路基、地层、煤的弹性模量E₀、内聚力c₀、摩擦角φ₀、热传导系数K0，比热容C₀，热膨胀系数γ基本材料参数。

3.根据模型箱14的尺寸、圈定的研究范围和相似理论确定模型试验的相似比，相似比是模型试验中最基本最重要的参数。

4.根据步骤2获得的现场岩土体5、路基11的材料参数和步骤3确定的相似比制备足够数量的满足试验要求的路基11、岩土体5的相似材料。路基11和岩土体5的相似材料以石英砂、黏土作为基本原料进行配制，配制过程中通过改变石英砂和黏土的比例，水的掺量，添加凡士林等方式制得具有不同材料参数的相似材料，所述材料参数基于实际地层的材料参数和相似比确定。

5.对原煤进行破碎，再加水拌和放入模具中重新压实成型，采用不同的压实荷载和压实时间可制得不同相似比强度的型煤模型6。在型煤压制过程中应注意以下几点：

a)压制型煤模型的模具的尺寸根据地质勘察获得的实际煤层走向的几何尺寸、倾角、厚度和相似比来确定。实际煤层走向的几何尺寸、倾角、厚度均为实际尺寸，模具的尺寸为实际尺寸和相似比的比值。

b)因在型煤压制成型后再打孔易破坏型煤的结构，在压制型煤的过程中，就应预留出安装微型电加热管9和热电偶测温仪10的孔洞，预留孔洞可通过在对应位置插入和微型电加热管9、热电偶测温仪10尺寸相同的木棍或钢筋来实现。

c)因不同类型的煤的组成成分差异较大，在受热过程中物理力学性质的差异也较大。为减少这一差异，应采用和现场同一类型的煤来制作型煤，例如现场路基下部的煤层为无烟煤，则制作型煤模型6的原煤也应采用无烟煤。在条件允许的情况下，尽量使用从现场采集到的原煤来制作型煤。

6.模型箱14填筑。填筑前确定模型箱14的尺寸，模型箱14的尺寸为根据实际截取的长方体地层尺寸除以相似比确定模型箱的L、H和W，模型箱14填筑主要包括以下步骤：

a)从模型箱14底面分层填土至试验预定的煤层底面标高，随着填土高度的加高，逐步的将活动板1插入模型箱两侧的卡槽中；

b)把压制好的型煤放入预先设定的位置后，将微型电加热管9和热电偶测温仪10插入之前预留的型煤孔洞中，型煤模型6依据实际地层的情况确定；其中微型电加热管9在整个型煤模型6的中心部位，热电偶测温仪10根据需求进行设定，基本要求是在型煤模型6内部的横向和竖向均等分设置。

c)继续向上填筑普通岩土体直至地面，用夯锤夯实整平，静置30天，使地层完成固结沉降；

分层填筑路基11到路面标高；

d)路基11填筑完成后静置10天，使路基11进行沉降固结；

e)在填筑下部地层和路基11的过程中应完成彩砂层7的嵌入，彩砂层7的厚度为4-5mm。

7.在模型箱14顶部放置方形钢管，保证稳固，不发生移动。再将磁性表座牢固的吸附在上部方形钢管上，将百分表8按预定位置架在磁性表座上并拧紧；百分表8的预定安装位置分布方式为：以路基11的上表面为中心，横向和纵向扩张分布；参见图3，设定沿路基11的横向方向的一列百分表8为一组，每组中，路基11的中心点设置有一个百分表8，两个路缘11-1各设置有一个百分表8，两边的斜坡11-2上各设置有一个百分表8，这五个百分表8在一个横向的截面上；沿路基11的纵向方向，每组百分表8排列布置，排列的百分表8相对于模型箱14的中心处横截面对称，但无需相邻的百分表8之间的距离相等，参见图2和图4可以看出，距离型煤模型6的距离不等，变形的程度不同，因此百分表8的设计准则为，百分表8和型煤模型6之间的距离越远，相邻的百分表8之间的布置间距越大；上述结构中，无论是每组中百分表8的数量，还是每组的阵列数量，都能够根据实际情况调整。

沿路线纵向在路基顶面中点处，两侧路缘11-1和斜坡11-2处设置五条位移测线，在定义的测线位置之上按照上述的预定位置架设百分表8，每个百分表8可测得一个点的位移。百分表8安装完毕后，记录初始读数，同时采用数字摄影系统对彩砂位置进行记录；

8.接通电源对型煤模型进行加热以模拟型煤模型6燃烧发热过程，因升温速度也会对煤的力学性质变化产生较大的影响，在加热过程中应对型煤模型6内的升温速率进行控制，根据热电偶测温仪10测得的温度对加热过程进行实时的控制；

9.接通电源开始加热后按照特定的时间间隔记录百分表8的读数和热电偶测温仪10的温度，同时采用数字摄影系统对彩砂位置进行观测；

10.对试验结果进行分析整理分析，可得出如图6沿路线纵向的路面位移变化和图7路面某点位移随下部煤层温度的变化关系，根据试验中测得的位移可反推出实际工程中路基的位移，以对实际路基的稳定性和沉降变形进行分析预测。

本发明的设计机理：

地下煤层发生燃烧后，会对上部地层及周边围岩的物理力学性质产生多种影响，进而对修建在燃烧煤层上部的建筑物的稳定性产生不同程度的影响。而这一影响机制十分复杂，难以通过单纯的理论分析对其进行评价分析，必须采用多种研究手段进行综合性的研究，室内模型试验便是其中一种高效准确的研究方法。本发明通过在模型箱内填筑具有特定配比参数的相似材料来模拟地层围岩和路基体，将原煤破碎重压实后制成型煤块埋入模型箱土体内模拟煤层，通过微型电加热管对型煤模型进行加热模拟煤层的燃烧升温过程。并通过在模型箱上部横梁上安装百分表对路基的位移进行监测，在煤层上部岩层及路基内撒布多层彩砂对地层及路基的变形和位移进行辅助观测，对后续的安全状况评估工作，路基结构设计，防灭火方案确定，降低建设工程造价、提高煤矿地区公路建设质量、保障公路安全运营等都具有十分重要的社会经济意义。

与现场实测研究方法相比，模型试验方法可以模拟不同工况下的对比试验，解决了现场实测不可逆、不可改变影响因素的弊病，并且解决了现场实测的高额费用的问题。有利于深入研究煤田火区上覆岩层及高速公路路基的变形移动规律。又因为对模型相似材料以及模型的制作有着较高的要求，从而确保了试验的数据的准确性，并且可在模拟其他影响因素不变的情况下改变单因素，反映各影响因素对地下煤层火区上覆地层和高速公路路基的影响。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。