深部煤層條帶開採、充填模擬試驗系統的製作方法

2023-06-01 20:12:21 2

本實用新型涉及深部巖體裂隙演化及突水災害防治方面，具體涉及深部煤層條帶開採、充填模擬試驗系統。

背景技術：

深部底板巖體裂隙的演化及水力耦合作用是造成工作面突水的本質原因。研究深部底板巖體破裂與裂隙演化規律對承壓水上煤層的安全開採和突水災害評價具有科學的指導意義。已有礦區的突水統計資料表明，80％以上的突水事件與斷裂構造有關，突水在完整底板條件下很少發生。高地應力、開採擾動和高承壓水更容易導致底板斷層的活化，造成巖體破裂失穩，形成承壓水上流的導水通道。因此，應著重研究深部含斷層底板的裂隙演化規律和破裂機理。

國內外許多學者對承壓水上煤層開採的底板裂隙演化規律做了大量的研究工作，取得了一系列卓有成效的成果，但對深部高承壓水上煤層開採的底板破裂規律和裂隙演化特徵缺乏系統的基礎研究，現亟需建立一套基於深部複雜環境的礦井水災害預防及防治的理論體系。

技術實現要素：

本實用新型的任務就是提供一種深部煤層條帶開採、充填模擬試驗系統，該試驗系統可以模擬不同採留比、不同採厚的煤層開採，還可研究不同採留比、不同採厚煤層開採後，及採空區充填後頂底板的受力及位移變化規律。

其技術解決方案包括：

一種深部煤層條帶開採、充填模擬試驗系統，其包括承載箱、試驗模型、充填系統、加載系統、高壓水滲流系統和紅外線探測系統，所述試驗模型位於所述承載箱內，所述加載系統用於對所述試驗模型進行豎向和側向加載，所述試驗模型包括巖層和位於巖層中的煤層，所述巖層由相似材料鋪設而成，所述巖層的四周設有封水裝置，所述巖層內部埋設有多個傳感器和裝有氧化鈣顆粒的多個塑料球；

所述煤層由若干個受載氣囊體排布而成，每個受載氣囊體通過各自的通氣管與所述充填系統連接，通過控制受載氣囊體中氣體量的抽放來模擬不同採高的煤層開採，通過抽放不同間隔位置的受載氣囊體來模擬不同採寬和留寬的煤層開採；

所述紅外線探測系統用於探釋所述巖層中放出熱量的位置，以獲得承壓水流動的導水通道路徑形成的過程；

所述承載箱的底部分布有若干個滲水孔，所述高壓水滲流系統與所述滲水孔連通。

作為本實用新型的一個優選，所述封水裝置為橡膠材料折合而成的框架結構，所述框架的形狀、大小與巖層外圍大小相匹配，在所述橡膠材料內側與巖層的接觸面設置為鋸齒狀。

作為本實用新型的另一個優選，所述充填系統包括加壓泵、水箱和混料倉，所述水箱與所述混料倉相連接，所述混料倉與加壓泵相連接，所述加壓泵與每個受載氣囊體的通氣管連接。

優選的，所述傳感器和裝有氧化鈣顆粒的塑料球均埋設在巖層內的不同深度位置。

本實用新型所帶來的有益技術效果：

本實用新型提出的深部煤層條帶開採、充填模擬試驗系統中，尤其對巖層和煤層做了巧妙的設計，在巖層內部埋設有多個傳感器和裝有氧化鈣顆粒的多個塑料球，並且，每個傳感器、塑料球均分布在巖層的不同深度，在承壓水經導水通道向採空區流動過程中，浸溼布置在巖層中的塑料球內的氧化鈣顆粒，氧化鈣發生反應並釋放熱量，利用紅外探測儀可以探釋放出熱量的位置，可獲得承壓水流動的導水通道路徑形成的過程；將多個受載氣囊體排布來模擬煤層，通過抽放不同間隔位置的氣囊體，模擬不同採寬和留寬的煤層開採，可以研究不同採留比的煤層開採後頂底板的受力及位移變化規律；充填系統充填到不同位置的氣囊體後，可以研究不同位置充填後頂底板的應力及位移變化規律。

附圖說明

下面結合附圖對本實用新型做進一步說明：

圖1為本實用新型深部煤層條帶開採、充填模擬試驗系統結構示意圖；

圖2為鋪設巖層(煤層開採前)示意圖；

圖3為煤層開採過程(抽放氣囊體中的氣體)示意圖；

圖4為系統外殼(承載箱)示意圖；

圖5為鋼化玻璃板示意圖；

圖6為充填系統示意圖；

圖7為封水結構示意圖；

圖8為封水裝置示意圖；

圖9為裝有氧化鈣顆粒的塑料球示意圖；

圖10為傳感器分布示意圖；

圖中，1、巖層，2、煤層，3、受載氣囊體，4、承載箱，5、充填系統，51、加壓泵，52、水箱，53、混料倉，531、地面料倉一，532、地面料倉二，533、地面料倉三，6、加載系統，7、高壓水滲流系統，8、紅外線探測系統，9、信息採集系統，10、封水裝置，11、傳感器，12、塑料球，13、滲水孔，14、通氣管。

具體實施方式

本實用新型公開了一種深部煤層條帶開採、充填模擬試驗系統，為了使本實用新型的優點、技術方案更加清楚、明確，下面結合具體實施例對本實用新型做詳細說明。

本實用新型深部煤層條帶開採、充填模擬試驗系統，如圖1所示，包括承載箱4、試驗模型、充填系統5、加載系統6、高壓水滲流系統7、紅外線探測系統8和信息採集系統9，試驗模型鋪設在承載箱4內，所以承載箱4為半敞開式，待試驗模型鋪設完成進行加載時，用鋼化玻璃對敞開式部分進行密封，以限制試驗模型的位移。

加載系統6用於對試驗模型進行豎向和側向加載，其具體結構借鑑現有技術即可實現，如由伺服系統控制，通過油缸施加載荷到巖層上。如圖4所示，在承載箱4的底部設置有若干個滲水孔13，高壓水滲流系統7從這些滲水孔中注入高壓水來研究深部底板的裂隙演化規律和破裂機理。

本實用新型的主要改進點在於巖層和煤層的設計，結合圖2和圖3所示，位於承載箱4內的試驗模型包括位於底部的巖層1和位於巖層上方的煤層2，巖層1由相似材料鋪設而成，如將砂子、碳酸鈣、石膏、水按一定比例混合後進行巖層的鋪設，不同比例的混合物可以模擬不同巖性的巖層，如泥巖、砂巖、灰巖等，巖層的底板隔水層採用固流耦合材料，由石蠟、凡士林、河砂、碳酸鈣、液壓油按一定配比混合後進行鋪設，在巖層的鋪設過程中，巖層內部預埋設多個傳感器11和裝有氧化鈣顆粒的多個塑料球12，塑料球12的結構如圖9所示，巖層1的四周設有封水裝置10，如圖10所示，傳感器在巖層內的位置為同一水平但不同深度，塑料球在巖層內的位置也是同一水平但不同深度，傳感器這樣設置的目的在於監測頂底板不同深度處的三向受力及滲透水壓大小，傳感器可以實現某一位置巖層三向受力和水壓力的大小的探測，實現了一物多用的功能。

煤層由多個受載氣囊體3排布鋪設來模擬，通過抽放不同間隔位置的氣囊體，模擬不同採寬和留寬的煤層開採，可以研究不同採留比的煤層開採後頂底板的受力及位移變化規律，如受載氣囊體3內的氣體全部抽出後，即可模擬採空區，結合圖3、圖5和圖6所示，每個受載氣囊體通過各自的通氣管14與充填系統5連接，通過控制受載氣囊體3中氣體量的抽放來模擬不同採高的煤層開採，通過抽放不同間隔位置的受載氣囊體來模擬不同採寬和留寬的煤層開採；再結合上述塑料球內裝有氧化鈣顆粒，在承壓水經導水通道向採空區流動過程中，浸溼布置在巖層中的空心塑料球內的氧化鈣顆粒，氧化鈣發生反應並釋放熱量，利用紅外探測系統8可以探測釋放熱量的位置，獲得承壓水流動的導水通道路徑形成的過程。

為了實現承壓水上湧時的密封，在巖層1的四周設有封水裝置10，結合圖7和圖8所示，該封水裝置是由柔性材料折合而成的框形結構，在折合處相互交叉固定，近似腰帶的固定處，柔性材料如柔性橡膠材料，靠近巖層側做成小鋸齒狀嵌入底板附近巖層。

如圖4所示，在承載箱4的底部分布有若干個滲水孔13，高壓水滲流系統7與滲水孔13連通。如圖6所示，與受載氣囊體3連接的充填系統包括加壓泵51、水箱52、混料倉53、地面料倉一531、地面料倉二532和地面料倉三533，通過地面料倉一、地面料倉二和地面料倉二將各自的物料通入混料倉內，實現預混，必要時可配設攪拌裝置對物料進行攪拌，混料倉的一端與水箱52連通，另一端與加壓泵51連接，將物料充填至受載氣囊體內。

下面對上述試驗系統的操作方法做詳細說明。

具體包括以下步驟：

步驟一、將砂子、碳酸鈣、石膏、水按一定比例混合後進行巖層的鋪設(不同比例的混合物可以模擬不同巖性的巖層，如泥巖、砂巖、灰巖等)，底板隔水層採用新型固流耦合材料(石蠟、凡士林、河砂、碳酸鈣、液壓油)按一定配比混合後進行鋪設；

步驟二、鋪設過程中，在煤層頂底板不同深度的同一水平上放置若干傳感器，用於監測頂底板不同深度處的三向受力及滲透水壓大小；在底板不同深度的同一水平上放置若干塑料球，球內含有氧化鈣小球，鋪設到煤層層位時，鋪設氣囊體模擬煤層；

步驟三、模型鋪設完成後，將它放入承載箱4內，並用鋼化玻璃限制其位移，施加垂直載荷和側向載荷，對鋪設巖層進行垂向和側向的加載，模擬深部煤巖層的受力狀態；

步驟四、通過抽放氣囊內部的氣體模擬煤層的開採，放出氣體量的多少模擬煤層的採高；

步驟五、待每個受載氣囊體內氣體排空後即代表煤層開採結束，利用充填系統的地面進料倉一、地面進料倉二和地面進料倉三向每個受載氣囊體內注入充填材料，使得受載氣囊體體積增大，充填採空區，經充填系統充填到不同位置的受載氣囊體後，來研究不同位置充填後頂底板的應力及位移變化規律；

步驟六、位於加載箱底部的滲水孔與高壓水滲流系統連通，承壓水經導水通道向採空區流動過程中，浸溼布置在巖層中的塑料球內的氧化鈣顆粒，氧化鈣發生反應並釋放熱量，此時利用紅外探測儀可以探釋放出熱量的位置，獲得承壓水流動的導水通道路徑形成過程。

需要說明的是，在本說明書的教導下本領域技術人員所做出的任何等同方式，或明顯變型方式均應在本實用新型的保護範圍內。