油囊式固體充填采煤三維物理相似模擬實驗裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種油囊式固體充填采煤三維物理相似模擬實驗裝置及方法，該裝置包括三維模型架，三維模型架設(shè)有巖層模擬體和油囊式充填體模擬系統(tǒng)，油囊式充填體模擬系統(tǒng)由多個并排布置的油囊式充填體組成，油囊式充填體由多個單層油囊由上而下疊加而成，單層油囊的進、出液口通過分流箱與液壓泵相連；油囊實時監(jiān)測系統(tǒng)包括油囊內(nèi)外壓、油囊式充填體頂部位移實時監(jiān)測系統(tǒng)，該方法利用油囊式充填體的抽液卸壓來模擬煤層開采過程，利用進液加壓來模擬采空區(qū)充填，利用充液層數(shù)變化模擬填充材料壓實過程。本發(fā)明能模擬實際條件下工作面開采、不同充實率條件下采空區(qū)充填以及充填物料壓實等具體過程，能精確模擬開挖步距、充填步距，降低人工勞動強度。
【專利說明】
油囊式固體充填采煤三維物理相似模擬實驗裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及三維物理相似模擬實驗領(lǐng)域，具體的說，是一種多層油囊式充填采煤三維物理模擬實驗裝置及方法，該裝置適用于在研究充填開采“三下”壓煤時不同充實率條件下巖層移動特征以及充填體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，煤炭的高強度開采加速了礦井資源的枯竭，煤炭產(chǎn)量供需失衡，市場日益萎縮，針對我國煤炭資源開采現(xiàn)狀及存在的問題，提出了煤炭資源“科學(xué)產(chǎn)能”。作為綠色開采的主要途徑之一，充填采煤已經(jīng)廣泛應(yīng)用到各個礦區(qū)，不僅解放了我國“三下”(建筑物下、鐵路下、水體下)壓煤資源，延長了礦井壽命，同時還解決了煤矸石排放、堆積問題和土地資源問題，抑制了礦井開采沉陷問題，在一定程度上實現(xiàn)了煤礦安全、高效、綠色、可持續(xù)開米。
[0003]三維物理相似模擬實驗?zāi)茉佻F(xiàn)地下工程結(jié)構(gòu)或巖層所處的工程環(huán)境，使模擬過程和模擬結(jié)果更接近于實際，對研究充填采煤巖層移動特征具有重要意義。傳統(tǒng)的三維立體模型實驗裝置，在模擬煤層開采和采空區(qū)充填的過程中，通過人工逐次開挖一段距離的煤層模擬材料，模擬煤層的開采過程，通過人工充入一定量的矸石或相似材料模擬采空區(qū)充填的過程，這種方式不僅費時費力，而且不能保證每次開挖、充填的步距相同，不能精確完成不同充實率條件下的模擬情況，實驗精確度差、時間長，步驟繁雜，耗費大量人力資源，功能單一，模擬效果有限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]發(fā)明目的:本發(fā)明的目的是針對上述充填采煤三維物理模擬技術(shù)中存在的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、精確模擬開挖步距、充填步距、采空區(qū)充填率的油囊式固體充填采煤三維物理模擬實驗裝置及方法。
[0005]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案:一種油囊式固體充填采煤三維物理相似模擬實驗裝置，包括三維模型架、油囊式充填體模擬系統(tǒng)、油囊實時監(jiān)測系統(tǒng)、巖層模擬體和液壓栗，三維模型架四周設(shè)有側(cè)護板，側(cè)護板內(nèi)側(cè)設(shè)有側(cè)護板加載油盒，三維模型架設(shè)有頂部蓋板，頂部蓋板內(nèi)側(cè)設(shè)有頂部蓋板加載油盒，側(cè)護板加載油盒和頂部蓋板加載油盒均通過油管與液壓栗相連，在由三維模型架、側(cè)護板和頂部蓋板構(gòu)成的密封空間內(nèi)由上至下依次設(shè)有巖層模擬體和油囊式充填體模擬系統(tǒng)，油囊式充填體模擬系統(tǒng)由多個并排布置的油囊式充填體組成，油囊式充填體由多個單層油囊由上而下疊加而成，每個單層油囊端部均設(shè)有兩個進、出液口，進、出液口通過分流箱與液壓栗相連;油囊實時監(jiān)測系統(tǒng)包括油囊內(nèi)外壓實時監(jiān)測系統(tǒng)和油囊式充填體頂部位移實時監(jiān)測系統(tǒng)，油囊內(nèi)外壓實時監(jiān)測系統(tǒng)包括設(shè)置在油囊式充填體頂部的模擬巖層壓力傳感器和設(shè)置在油囊式充填體內(nèi)的油栗壓力傳感器，油囊式充填體頂部位移實時監(jiān)測系統(tǒng)包括設(shè)置在油囊式充填體頂部的位移傳感器。
[0006]優(yōu)選的，所述進、出液口設(shè)有油囊自控液壓閥，所述分流箱設(shè)有分流油路自控液壓閥。
[0007]優(yōu)選的，所述油囊式充填體的總厚度為2?10cm、寬度為5?10cm、長度為100?200cm，所述單層油囊的厚度為I?2cm。
[0008]根據(jù)上所述實驗裝置的油囊式固體充填采煤三維物理相似模擬實驗方法，包括以下步驟:
[0009]a、根據(jù)相似模擬條件及公式確定油囊式充填體長度、寬度及總厚度，試驗測定煤層開采過程中實際充填材料在實際壓實條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；
[0010]b、首先在三維模型架上安裝側(cè)護板及側(cè)護板加載油盒，將油囊式充填體、巖層模擬體按照實驗設(shè)計的順序依次鋪設(shè)在三維模型架內(nèi)，對油囊式充填體進液加壓，最后在三維模型架的頂部安裝頂部蓋板和頂部加載油盒，對巖層模擬體、油囊式充填體施加等效的計算載荷；
[0011]C、利用油囊式充填體抽液卸壓來模擬煤層開采過程，開挖煤層的長度即為油囊式充填體長度，采高即為油囊式充填體總厚度，開挖步距為油囊式充填體寬度，利用油囊式充填體進液加壓來模擬采空區(qū)充填；
[0012]d、根據(jù)油囊式充填體內(nèi)外壓、油囊式充填體頂部位移實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合實際充填材料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線對油囊式充填體變形量進行自動實時調(diào)整，進而模擬填充材料的壓實過程。
[0013]優(yōu)選的，在模擬采空區(qū)充填過程中，利用油囊式充填體的單層油囊充液層數(shù)變化模擬充填開采的不同充實率。
[0014]優(yōu)選的，在模擬填充材料的壓實過程中，通過用油囊式充填體單層油囊的充液層數(shù)變化來調(diào)整油囊式充填體的變形量。
[0015]有益效果:
[0016](I)本發(fā)明通過多層油囊式充填體模擬系統(tǒng)，能模擬實際條件下綜采工作面開采、不同充實率條件下采空區(qū)充填、以及充填物料壓實等具體過程，能精確模擬開挖步距、充填步距，采空區(qū)充填率高；
[0017](2)利用油囊抽液卸壓來模擬煤層開采過程，利用加壓進液來模擬采空區(qū)充填過程，克服了現(xiàn)有的實驗裝置無法對充填開采準(zhǔn)確合理模擬的弊端，代替了人工開挖煤層、物料充填采空區(qū)等實驗繁雜步驟，精確開挖步距，充填步距，減少實驗所需時間；
[0018](3)與現(xiàn)有技術(shù)相比，降低人工開采勞動強度，減小人為誤差，同時避免開挖過程中產(chǎn)生的揚塵，節(jié)省材料；
[0019](3)該實驗裝置及方法具有可靠的穩(wěn)定性、廣泛的實用性。
【附圖說明】
[0020]圖1是本發(fā)明油囊式固體充填采煤三維物理相似模擬實驗裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖2是本發(fā)明油囊式充填體的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖3a是本發(fā)明油囊式固體充填采煤三維物理相似模擬實驗裝置在使用過程中，巖層模擬體和油囊式充填體的剖面示意圖。
[0023]圖3b是本發(fā)明油囊式固體充填采煤三維物理相似模擬實驗裝置在使用過程中，油囊式充填體的剖面局部放大示意圖。
[0024]圖4是本發(fā)明的煤層開采過程中實際充填材料在實際壓實度條件下的壓縮曲線示意圖。
[0025]圖中:I一三維模型架;2—側(cè)護板;3—頂部蓋板;4一支撐架;5—側(cè)護板加載油盒；6—頂部蓋板加載油盒;7—油管;8—液壓栗;9一液壓栗自控液壓閥；10—分流箱；11一油囊式充填體模擬系統(tǒng)；12—巖層模擬體；13—油囊式充填體；14一單層油囊；15—進、出液口 ；16—油囊自控液壓閥；17—分流油路自控液壓閥；18—油囊實時監(jiān)測系統(tǒng)；19一油囊內(nèi)外壓實時監(jiān)測系統(tǒng);20—油囊位移實時監(jiān)測系統(tǒng)。
【具體實施方式】
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[0026]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做更進一步的解釋。
[0027]如圖1和2所示，本發(fā)明的一種油囊式固體充填采煤三維物理相似模擬實驗裝置，包括三維模型架1、油囊式充填體模擬系統(tǒng)11、油囊實時監(jiān)測系統(tǒng)18、巖層模擬體12和液壓栗8。三維模型架I四周設(shè)有側(cè)護板2，側(cè)護板2外側(cè)設(shè)有支撐架4，側(cè)護板2內(nèi)側(cè)設(shè)有側(cè)護板加載油盒5，三維模型架I設(shè)有頂部蓋板3，頂部蓋板3內(nèi)側(cè)設(shè)有頂部蓋板加載油盒6，側(cè)護板加載油盒5和頂部蓋板加載油盒6均通過油管7與液壓栗8相連。在由維模型架1、側(cè)護板5和頂部蓋板3構(gòu)成的密封空間內(nèi)由上至下依次設(shè)有巖層模擬體12和油囊式充填體模擬系統(tǒng)11。
[0028]油囊式充填體模擬系統(tǒng)11由多個并排布置的油囊式充填體13組成，所述油囊式充填體13由多個單層油囊14由上而下疊加而成，構(gòu)成多層一體結(jié)構(gòu)的油囊式充填體13。在每個單層油囊14端部均設(shè)有兩個進、出液口 15，進、出液口 15通過分流箱10與液壓栗8相連。所述進、出液口 15設(shè)有油囊自控液壓閥16，所述分流箱10設(shè)有分流油路自控液壓閥17，油囊自控液壓閥16與分流油路自控液壓閥17之間、分流箱10與液壓栗8之間均通過油管7相連。通過分流箱10控制，可分別對油囊式充填體13的單個單層油囊14加壓進液與卸壓抽液。油囊自控液壓閥16、分流油路自控液壓閥17和液壓栗8由計算機控制。
[0029]所述油囊式充填體13的總厚度為2?10cm、寬度為5?10cm、長度為100?200cm，所述單層油囊14的厚度為I?2cm。
[0030]油囊實時監(jiān)測系統(tǒng)18包括油囊內(nèi)外壓實時監(jiān)測系統(tǒng)19和油囊位移實時監(jiān)測系統(tǒng)20，油囊內(nèi)外壓實時監(jiān)測系統(tǒng)19包括設(shè)置在油囊式充填體13頂部的模擬巖層壓力傳感器和設(shè)置在油囊式充填體13內(nèi)的油栗壓力傳感器，油囊式充填體13內(nèi)外壓實時監(jiān)測數(shù)據(jù)可在分流箱10上的儀表顯示，油囊位移實時監(jiān)測系統(tǒng)20包括設(shè)置在油囊式充填體13頂部的位移傳感器。通過油囊實時監(jiān)測系統(tǒng)18可對油囊式充填體13自身內(nèi)外壓、油囊式充填體13頂部位移進行實時監(jiān)測。
[0031]根據(jù)上述實驗裝置的油囊式固體充填采煤三維物理相似模擬實驗方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0032]a、根據(jù)相似模擬條件及公式確定油囊式充填體13長度、寬度及總厚度，試驗測定煤層開采過程中實際充填材料在實際壓實條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖4所示，縱軸ε表示應(yīng)變，橫軸σ表示應(yīng)力；
[0033]b、首先在三維模型架I上安裝側(cè)護板5及側(cè)護板加載油盒6，將油囊式充填體13、巖層模擬體12按照實驗設(shè)計的順序依次鋪設(shè)在三維模型架I內(nèi)，對油囊式充填體13進液加壓，最后在三維模型架I的頂部安裝頂部蓋板3和頂部加載油盒7，對巖層模擬體12、油囊式充填體13施加等效的計算載荷；
[0034]c、利用油囊式充填體13抽液卸壓來模擬煤層開采過程，開挖煤層的長度即為油囊式充填體13長度，采高即為油囊式充填體13總厚度，開挖步距為油囊式充填體13寬度，利用油囊式充填體13進液加壓來模擬采空區(qū)充填，在模擬采空區(qū)充填過程中，利用油囊式充填體13的單層油囊14充液層數(shù)變化模擬充填開采的不同充實率，如圖3a、3b所示，具體過程如下:
[0035]待鋪設(shè)的巖層模擬體12、油囊式充填體13穩(wěn)定后，拆下側(cè)護板5，對模擬煤層進行開挖，首先進行油囊式充填體13編號，本實施例中鋪設(shè)有十五個油囊式充填體13，編號分別為I,……15'，以下簡稱I'油囊……15'油囊，根據(jù)實際開采情況，在預(yù)開采煤層距離模型邊界一定距離處模擬采煤工作面開切眼，即圖中I'油囊處開挖，打開I'油囊頂部第一分層單層油囊自控液壓閥16，分流箱11處分流油路自控液壓閥17上的I'開關(guān)，啟動液壓栗站9，進行抽液卸壓，待油囊抽液完畢后，關(guān)閉頂部第一分層單層油囊的油囊自控液壓閥16，開啟第二分層單層油囊的油囊自控液壓閥16，進行抽液卸壓，從上到下依次重復(fù)此操作，直至I'油囊全部分層抽液完畢，待巖層穩(wěn)定，進行2'油囊開挖，重復(fù)I'油囊的開挖過程，直至2'油囊全部分層抽液完畢，待巖層穩(wěn)定，進行3'油囊開挖，重復(fù)I'油囊的開挖過程，與此同時，進行I'油囊的充液過程，打開I'油囊底部第一分層單層油囊的油囊自控液壓閥16，分流箱11處分流油路自控液壓閥17上的I'開關(guān)，啟動液壓栗站9，進行進液加壓，待油囊充液完畢后，關(guān)閉底部第一分層單層油囊的油囊自控液壓閥16，開啟底部第二分層單層油囊的油囊自控液壓閥16，進行進液加壓，從下到上依次重復(fù)此操作，根據(jù)充實率確定單層油囊14充液層數(shù)，直至I'油囊層充液完畢，關(guān)閉分流箱11處分流油路自控液壓閥17上的I開關(guān)。3'油囊開挖與I'油囊充液過程同時進行，當(dāng)3 '油囊開挖完畢時，I'油囊充液完全。依次重復(fù)上述操作，進行4'油囊開挖、2'油囊充液過程，直至15'油囊開挖完畢時，13'油囊充液完全，煤層開采完全，然后依次進行14'油囊充液、15'油囊充液，采空區(qū)充填完畢；
[0036]d、采空區(qū)充填完畢后，所有油囊式充填體13同時承載上覆巖層模擬體12的壓力，此時可根據(jù)油囊式充填體13內(nèi)外壓、油囊式充填體13頂部位移實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合實際充填材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線對油囊式充填體13變形量進行自動實時調(diào)整，進而真實地模擬充填開采中的壓實過程。該步驟中，基于計算機存儲的壓縮特性控制程序代碼，通過油囊自控液壓閥16、分流油路自控液壓閥17和液壓栗8對油囊式充填體13自動放液，進而實現(xiàn)油囊式充填體13變形量的自動調(diào)整。在模擬填充材料的壓實過程中，同樣的，也是通過用油囊式充填體單層油囊的充液層數(shù)變化來調(diào)整油囊式充填體的變形量。
[0037]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
【主權(quán)項】
1.一種油囊式固體充填采煤三維物理相似模擬實驗裝置，其特征在于:包括三維模型架(I)、油囊式充填體模擬系統(tǒng)(U)、油囊實時監(jiān)測系統(tǒng)(18)、巖層模擬體(12)和液壓栗(8)，三維模型架(I)四周設(shè)有側(cè)護板(2)，側(cè)護板(2)內(nèi)側(cè)設(shè)有側(cè)護板加載油盒(5)，三維模型架(I)設(shè)有頂部蓋板(3)，頂部蓋板(3)內(nèi)側(cè)設(shè)有頂部蓋板加載油盒(6)，側(cè)護板加載油盒(5)和頂部蓋板加載油盒(6)均通過油管(7)與液壓栗(8)相連，在由三維模型架(1)、側(cè)護板(5)和頂部蓋板(3)構(gòu)成的密封空間內(nèi)由上至下依次設(shè)有巖層模擬體(12)和油囊式充填體模擬系統(tǒng)(11)，油囊式充填體模擬系統(tǒng)(11)由多個并排布置的油囊式充填體(13)組成，油囊式充填體(13)由多個單層油囊(14)由上而下疊加而成，每個單層油囊(14)端部均設(shè)有兩個進、出液口( 15)，進、出液口(I5)通過分流箱(1)與液壓栗(8)相連；油囊實時監(jiān)測系統(tǒng)(18)包括油囊內(nèi)外壓實時監(jiān)測系統(tǒng)(19)和油囊位移實時監(jiān)測系統(tǒng)(20)，油囊內(nèi)外壓實時監(jiān)測系統(tǒng)(19)包括設(shè)置在油囊式充填體(13)頂部的模擬巖層壓力傳感器和設(shè)置在油囊式充填體(13)內(nèi)的油栗壓力傳感器，油囊位移實時監(jiān)測系統(tǒng)(20)包括設(shè)置在油囊式充填體(13)頂部的位移傳感器。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種油囊式固體充填采煤三維物理相似模擬實驗裝置，其特征在于:所述進、出液口(15)設(shè)有油囊自控液壓閥(16)，所述分流箱(10)設(shè)有分流油路自控液壓閥(17)。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種油囊式固體充填采煤三維物理相似模擬實驗裝置，其特征在于:所述油囊式充填體(13)的總厚度為2?10cm、寬度為5?10cm、長度為100?200cm，所述單層油囊(14)的厚度為I?2cm。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述實驗裝置的油囊式固體充填采煤三維物理相似模擬實驗方法，其特征在于，包括以下步驟: a、根據(jù)相似模擬條件及公式確定油囊式充填體(13)長度、寬度及總厚度，試驗測定煤層開采過程中實際充填材料在實際壓實條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線； b、首先在三維模型架(I)上安裝側(cè)護板(5)及側(cè)護板加載油盒(6)，將油囊式充填體(13)、巖層模擬體(12)按照實驗設(shè)計的順序依次鋪設(shè)在三維模型架(I)內(nèi)，對油囊式充填體(13)進液加壓，最后在三維模型架(I)的頂部安裝頂部蓋板(3)和頂部加載油盒(7)，對巖層模擬體(12)、油囊式充填體(13)施加等效的計算載荷； c、利用油囊式充填體(13)抽液卸壓來模擬煤層開采過程，開挖煤層的長度即為油囊式充填體(13)長度，采高即為油囊式充填體(13)總厚度，開挖步距為油囊式充填體(13)寬度，利用油囊式充填體(13)進液加壓來模擬采空區(qū)充填； d、采空區(qū)充填完畢后，根據(jù)油囊式充填體(13)內(nèi)外壓、油囊式充填體頂部位移實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合實際充填材料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線對油囊式充填體(13)變形量進行自動實時調(diào)整，進而模擬填充材料的壓實過程。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的油囊式固體充填采煤三維物理相似模擬實驗方法，其特征在于:在模擬采空區(qū)充填過程中，利用油囊式充填體(13)單層油囊的充液層數(shù)變化模擬充填開米的不同充實率。6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的油囊式固體充填采煤三維物理相似模擬實驗方法，其特征在于:模擬填充材料的壓實過程中，通過用油囊式充填體(13)單層油囊的充液層數(shù)變化來調(diào)整油囊式充填體(13)的變形量。
【文檔編號】E21F15/00GK105952452SQ201610257972
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年4月22日
【發(fā)明人】黃艷利, 齊文躍, 李俊孟, 張吉雄, 宋天奇, 孔國強, 王軍
【申請人】中國礦業(yè)大學(xué)