一種煤層相似模擬實驗裝置及其使用方法
2023-07-05 11:17:26 1
一種煤層相似模擬實驗裝置及其使用方法
【專利摘要】本發明公開一種煤層相似模擬實驗裝置，包括有模型架、底板、煤層、上覆巖層、加壓裝置以及液壓泵，該底板、煤層、上覆巖層以及加壓裝置從下往上依次疊設於模型架內；該煤層包括有開挖煤層與保護煤柱，該保護煤柱分布於開挖煤層的兩側，該開挖煤層與保護煤柱均由合金塊構成，該液壓泵設置於模型架外，該液壓泵通過膠管與合金塊連接；通過利用合金塊來代替模擬煤層的開採部分，並配合在合金塊的表面塗一層環氧樹脂材料，再利用環氧樹脂溶解液將其溶解，代替了人工開挖煤層，可以精確開挖步距，減少了實驗所需時間；且不僅可以減小手工開挖模型在尺寸上的誤差，還可以降低開挖模型的勞動強度，同時可以避免開挖過程中產生的揚塵。
【專利說明】一種煤層相似模擬實驗裝置及其使用方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種煤層相似模擬實驗領域技術，特別是指一種實驗室模擬煤層採動後上覆巖層變化形態的裝置及其使用方法。
【背景技術】
[0002]礦井煤層開採後，上覆巖層隨工作面的推進在採場垂直方向上形成垮落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶，「覆巖三帶」的準確劃分是「三下採煤」可行性研究和設計、覆巖離層充填技術研究和應用、突出礦井保護層選擇和開採設計，以及上鄰近層瓦斯抽放研究和實施的依據。同時，隨著煤層工作面的推進，工作面前方的應力也在發生變化，掌握工作面前方應力分布對巷道支護具有重要意義。目前，研究採空區三帶、工作面前方應力變化規律方面，技術手段很多，其中實驗室相似模擬實驗是一種重要手段。眾多學者採用相似模擬實驗取得了驅動重要研究成果(李樹剛，2013，礦業安全與環保；劉秀英，2004，太原理工大學學報)。
[0003]傳統的相似模擬實驗裝置，是在長方體試驗框架內填入模擬煤層和巖層的相似材料，相似材料主要有河砂、碳酸鈣、石膏按照配比構成，巖層用電動錘或鐵鎬夯實，從而製成模型；通過人工逐次開挖一段距離的煤層模擬材料，模擬出採礦的推進過程。傳統實驗裝置在模擬工作面推進時，需要藉助工具逐步開挖模擬煤層的材料，這種方式不僅費時費力，而且不能保證每次開挖的距離相同。中國專利(申請號200810128331.8)公布了一種相似模擬和物理模擬相結合的採場礦壓機械模擬試驗臺，利用模擬橡膠板煤層底板、氣囊模擬煤層、由若干橡膠塊和硬質材料塊連接成整體的層狀結構模擬老頂；由於氣囊的膨脹不均勻，會影響頂板壓力測定的可靠性；由於煤層開採過後，頂板由於卸壓而出現膨脹變形現象，層狀結構體現不出這種現象；同時，相似模擬是基於「相似三定律」而建立的，由於橡膠的應力、容重固定，不能體現各個巖層的差異。文獻(採場下伏煤巖體卸壓作用原理及在被保護層卸壓瓦斯抽採中的應用，王海鋒，2008)利用石蠟易熔化的特性，採用石蠟加熱熔化方案代替煤層開挖，這種方法可以避免傳統方法開挖的弊端，但是實驗中是石蠟融化時間長大69min，從而造成實驗周期長；另外，石蠟容易變形，在夯實模型的過程中，很難保證石蠟的厚度達到模擬煤層的高度。
【發明內容】
[0004]有鑑於此，本發明針對現有技術存在之缺失，其主要目的是提供一種結構簡單、精確模擬開挖步距的煤層相似模擬實驗裝置及其使用方法。
[0005]為實現上述目的，本發明採用如下之技術方案:
一種煤層相似模擬實驗裝置，包括有模型架、底板、煤層、上覆巖層、加壓裝置以及液壓泵，該底板、煤層、上覆巖層以及加壓裝置從下往上依次疊設於模型架內；該煤層包括有開挖煤層與保護煤柱，該保護煤柱分布於開挖煤層的兩側，該開挖煤層與保護煤柱均由合金塊構成，該液壓泵設置於模型架外，該液壓泵通過膠管與合金塊連接。
[0006]作為一種優選方案，所述合金塊的長度為2(T30cm,寬度為5?10cm,厚度為2?10cm，開挖煤層的長度為15(T200cm，保護煤柱的長度為2(T40cm。
[0007]作為一種優選方案，所述合金塊具有第一進液口、第二進液口、第一出液口以及第二出液口，該第一出液口設置於合金塊的左側上方，該第二出液口設置於合金塊的底部，該第一進液口與第一出液口連通，該第二進液口與第二出液口連通，前述膠管連通第一進液口與第二進液口。
[0008]作為一種優選方案，所述第一出液口為整排間隔均勻地設置，該第一出液口距離合金塊的左側上邊界為2飛mm，相鄰兩個第一出液口之間間距為4飛_，每個第一出液口的直徑為3飛mm，該第一進液口到每個第一出液口之間的距離均相同。
[0009]作為一種優選方案，所述第二出液口為兩排間隔均勻地設置，該兩排第二出液口關於合金塊的中心線對稱，相鄰兩個第二出液口之間間距4飛_，每個第二出液口的直徑為3飛mm，該第二進液口到每個第二出液口之間的距離均相同。
[0010]作為一種優選方案，所述液壓泵的流量控制在2(T200ml/min，壓力控制在0.01 ?0.2MPa。
[0011]一種煤層相似模擬實驗裝置的使用方法，包括以下步驟:
(1)在開展煤層相似模擬實驗前，需要將模型架清理乾淨；
(2)將擋板固定在模型架的前後兩側；
(3)根據材料的配比，利用電子稱精確稱取所需材料的質量，將材料放入攪拌機內攪拌均勻，配成底板的材料，將材料鋪在模型架內，利用電動錘或者鐵鎬將材料夯實；
(4)在底板上均勻撒上一層厚度為2?4mm雲母片；
(5)將模擬開挖煤層的合金塊左側以及底部表面塗一層厚度為2飛_的環氧樹脂膠；
(6)將模擬保護煤柱的合金塊以及模擬開挖煤層的合金塊依次鋪在底板上面，合金塊長度方向與模型架寬度方向一致，利用電動錘或者鐵鎬輕輕夯實，同時在其上面均勻撒一層厚度為2?4mm的雲母片；
(7)根據模型搭建實際情況，在擋板正上方固定新的擋板，重複步驟:Γ6，直至將模型搭建到設計高度，如果實驗中只開挖一層煤，則步驟5、6可省略；在模型搭建過程中，根據檢測內容，需要在模型中預埋傳感器；
(8)待模型乾燥後，只保留模型架最上方的一層擋板，其餘擋板全部拆除，同時根據模型壓力計算結果，在模型上方固定加壓裝置；
(9)開挖煤層開挖前，通過膠管將液壓泵和模擬開挖煤層的合金塊相連；通過液壓泵將環氧樹脂膠溶解液注入合金塊的第一進液口與第二進液口內，該液壓泵的流量控制在20?200ml/min，壓力控制在 0.01 ?0.2MPa ；
(10)環氧樹脂膠溶解液通過合金塊內部通道到達表面，進而將環氧樹脂膠溶解，使得合金塊與周圍材料的縫隙減小，在重力作用下，合金塊會掉落在底板上，將合金塊取出即可模擬煤層的開採過程；再將膠管與取出的合金塊右側的合金塊相連，重複步驟9的過程，可以模擬整個工作面推進過程。
[0012]作為一種優選方案，所述加壓裝置為水袋加壓或者千斤頂加壓。
[0013]本發明與現有技術相比具有明顯的優點和有益效果，具體而言，由上述技術方案可知， 通過利用合金塊來代替模擬煤層的開採部分，並配合在合金塊的表面塗一層環氧樹脂材料，再利用環氧樹脂溶解液將其溶解，代替了人工開挖煤層，可以精確開挖步距，減少了實驗所需時間；且不僅可以減小手工開挖模型在尺寸上的誤差，還可以降低開挖模型的勞動強度，同時可以避免開挖過程中產生的揚塵。
[0014]為更清楚地闡述本發明的結構特徵和功效，下面結合附圖與具體實施例來對本發明進行詳細說明。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1是本發明之較佳實施例模擬一層煤的結構示意圖；
圖2是本發明之較佳實施例之合金塊的主視圖；
圖3是本發明之較佳實施例之合金塊的左視圖；
圖4是本發明之較佳實施例之合金塊的仰視圖；
圖5是圖2在A-A處的截面示意圖；
圖6是圖2在B-B處的截面不意圖；
圖7是圖2在C-C處的截面示意圖；
圖8是圖2在D-D處的截面不意圖。
[0016]附圖標識說明。
[0017]10、模型架20、底板
30、煤層31、合金塊
311、第一進液口312、第二進液口
313、第一出液口314、第二出液口
32、開挖煤層33、保護煤柱
40、上覆巖層50、加壓裝置
60、液壓泵70、膠管。
【具體實施方式】
[0018]請參照圖1至圖8所示，其顯示出了本發明之較佳實施例的具體結構，包括有模型架10、底板20、煤層30、上覆巖層40、加壓裝置50以及液壓泵60。
[0019]其中，該底板20、煤層30、上覆巖層40以及加壓裝置50從下往上依次疊設於模型架10內。該煤層30包括有開挖煤層32與保護煤柱33，該開挖煤層32與保護煤柱33均由合金塊31構成。
[0020]該開挖煤層32的長度為15(T200cm，該合金塊31的長度由模型架10的寬度確定，該合金塊31的寬度由開挖步距確定，該合金塊31的厚度由煤層30的高度確定。在本實施例中，該合金塊31的長度為2(T30cm,寬度為5?10cm,厚度為2?10cm。具體而言，該合金塊31具有第一進液口 311、第二進液口 312、第一出液口 313以及第二出液口 314，該第一進液口 311以及第二進液口 312設置於合金塊31的前側面上。該第一出液口 313設置於合金塊31的左側上方，該第一進液口 311與第一出液口 313連通(如圖5所示)，該第一進液口311到每個第一出液口 313之間的距離均相同。所述第一出液口 313為整排間隔均勻地設置，該第一出液口 313距離合金塊31的左側上邊界為2飛mm，相鄰兩個第一出液口 313之間間距為4?6cm,每個第一出液口 313的直徑為3?6mm,該第一出液口 313的形狀為圓形。該第二出液口 314設置於合金塊31的底部，該第二進液口 312與第二出液口 314連通(如圖6至圖8所示)，該第二進液口 312到每個第二出液口 314之間的距離均相同。所述第二出液口 314為兩排間隔均勻地設置，該兩排第二出液口 314關於合金塊31的中心線對稱，相鄰兩個第二出液口 314之間間距recm，每個第二出液口 314的直徑為3飛mm，該第二出液口 314的形狀為圓形。
[0021]該保護煤柱33分布於開挖煤層32的兩側，該保護煤柱33用來消除應力的邊界效應，保護煤柱33的長度為2(T40cm。
[0022]該液壓泵60設置於模型架10外，該液壓泵60通過膠管70與合金塊31連接，具體而言，該膠管70連通第一進液口 311與第二進液口 312。所述液壓泵的流量控制在20?200ml/min，壓力控制在 0.01 ?0.2MPa。
[0023]本發明的使用方法，包括以下步驟:
(1)在開展煤層相似模擬實驗前，需要將模型架10清理乾淨；
(2)將擋板固定在模型架10的前後兩側；
(3)根據材料的配比，利用電子稱精確稱取所需材料的質量，將材料放入攪拌機內攪拌均勻，配成底板20的材料，將材料鋪在模型架10內，利用電動錘或者鐵鎬將材料夯實；
(4)在底板20上均勻撒上一層厚度為2?4mm雲母片；
(5)將模擬開挖煤層32的合金塊31左側以及底部表面塗一層厚度為2飛_的環氧樹脂膠；
(6)將模擬保護煤柱33的合金塊31以及模擬開挖煤層32的合金塊31依次鋪在底板20上面，利用電動錘或者鐵鎬輕輕夯實，同時在其上面均勻撒一層厚度為2?4mm的雲母片；
(7)根據模型搭建實際情況，在擋板正上方固定新的擋板，重複步驟:Γ6，直至將模型搭建到設計高度，如果實驗中只開挖一層煤，則步驟5、6可省略；在模型搭建過程中，根據檢測內容，需要在模型中預埋傳感器；
(8)待模型乾燥後，只保留模型架最上方的一層擋板，其餘擋板全部拆除，同時根據模型壓力計算結果，在模型上方固定加壓裝置50，該加壓裝置50可以為水袋加壓或者千斤頂加壓；
(9)開挖煤層32開挖前，通過膠管70將液壓泵60和模擬開挖煤層32的合金塊31相連；通過液壓泵60將環氧樹脂膠溶解液注入合金塊31的第一進液口 311與第二進液口 312內，該液壓泵60的流量控制在2(T200ml/min，壓力控制在0.θΓθ.2MPa ；
(10)環氧樹脂膠溶解液通過合金塊31內部通道到達表面，進而將環氧樹脂膠溶解，使得合金塊31與周圍材料的縫隙減小，在重力作用下，合金塊31會掉落在底板20上，將合金塊31取出即可模擬煤層的開採過程；再將膠管70與取出的合金塊31右側的合金塊31相連，重複步驟9的過程，可以模擬整個工作面推進過程。
[0024]綜上所述，本發明的設計重點在於，通過利用合金塊來代替模擬煤層的開採部分，並配合在合金塊的表面塗一層環氧樹脂材料，再利用環氧樹脂溶解液將其溶解，代替了人工開挖煤層，可以精確開挖的步距，減少了實驗所需時間；且不僅可以減小手工開挖模型在尺寸上的誤差，還可以降低開挖模型的勞動強度，同時可以避免開挖過程中產生的揚塵。
[0025]以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，並非對本發明的技術範圍作任何限制，故凡是依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何細微修改、等同變化與修飾，均仍屬於本發明技術方案的範圍內。
【權利要求】
1.一種煤層相似模擬實驗裝置，其特徵在於:包括有模型架、底板、煤層、上覆巖層、力口壓裝置以及液壓泵，該底板、煤層、上覆巖層以及加壓裝置從下往上依次疊設於模型架內；該煤層包括有開挖煤層與保護煤柱，該保護煤柱分布於開挖煤層的兩側，該開挖煤層與保護煤柱均由合金塊構成，該液壓泵設置於模型架外，該液壓泵通過膠管與合金塊連接。
2.根據權利要求1所述的一種煤層相似模擬實驗裝置，其特徵在於:所述合金塊的長度為2(T30cm，寬度為5?10cm，厚度為2?10cm，開挖煤層的長度為15(T200cm，保護煤柱的長度為20?40cm。
3.根據權利要求1所述的一種煤層相似模擬實驗裝置，其特徵在於:所述合金塊具有第一進液口、第二進液口、第一出液口以及第二出液口，該第一出液口設置於合金塊的左側上方，該第二出液口設置於合金塊的底部，該第一進液口與第一出液口連通，該第二進液口與第二出液口連通，前述膠管連通第一進液口與第二進液口。
4.根據權利要求3所述的一種煤層相似模擬實驗裝置，其特徵在於:所述第一出液口為整排間隔均勻地設置，該第一出液口距離合金塊的左側上邊界為2飛mm，相鄰兩個第一出液口之間間距為4飛cm，每個第一出液口的直徑為3飛mm，該第一進液口到每個第一出液口之間的距離均相同。
5.根據權利要求3所述的一種煤層相似模擬實驗裝置，其特徵在於:所述第二出液口為兩排間隔均勻地設置，該兩排第二出液口關於合金塊的中心線對稱，相鄰兩個第二出液口之間間距4飛_，每個第二出液口的直徑為3飛mm，該第二進液口到每個第二出液口之間的距離均相同。
6.根據權利要求1所述的一種煤層相似模擬實驗裝置，其特徵在於:所述液壓泵的流量控制在2(T200ml/min，壓力控制在0.θΓθ.2MPa。
7.根據權利要求1至6中任一項權利要求所述的一種煤層相似模擬實驗裝置的使用方法，其特徵在於，包括以下步驟: (1)在開展煤層相似模擬實驗前，需要將模型架清理乾淨； (2)將擋板固定在模型架的前後兩側； (3)根據材料的配比，利用電子稱精確稱取所需材料的質量，將材料放入攪拌機內攪拌均勻，配成底板的材料，將材料鋪在模型架內，利用電動錘或者鐵鎬將材料夯實； (4)在底板上均勻撒上一層厚度為2?4mm雲母片； (5)將模擬開挖煤層的合金塊左側以及底部表面塗一層厚度為2飛_的環氧樹脂膠； (6)將模擬保護煤柱的合金塊以及模擬開挖煤層的合金塊依次鋪在底板上面，合金塊長度方向與模型架寬度方向一致，利用電動錘或者鐵鎬輕輕夯實，同時在其上面均勻撒一層厚度為2?4mm的雲母片； (7)根據模型搭建實際情況，在擋板正上方固定新的擋板，重複步驟:Γ6，直至將模型搭建到設計高度，如果實驗中只開挖一層煤，則步驟5、6可省略；在模型搭建過程中，根據檢測內容，需要在模型中預埋傳感器； (8)待模型乾燥後，只保留模型架最上方的一層擋板，其餘擋板全部拆除，同時根據模型壓力計算結果，在模型上方固定加壓裝置； (9)開挖煤層開挖前，通過膠管將液壓泵和模擬開挖煤層的合金塊相連；通過液壓泵將環氧樹脂膠溶解液注入合金塊的第一進液口與第二進液口內，該液壓泵的流量控制在20?200ml/min，壓力控制在 0.θΓθ.2MPa ； (10)環氧樹脂膠溶解液通過合金塊內部通道到達表面，進而將環氧樹脂膠溶解，使得合金塊與周圍材料的縫隙減小，在重力作用下，合金塊會掉落在底板上，將合金塊取出即可模擬煤層的開採過程；再將膠管與取出的合金塊右側的合金塊相連，重複步驟9的過程，可以模擬整個工作面推進過程。
8.根據權利要求7所述的一種煤層相似模擬實驗裝置的使用方法，其特徵在於:所述加壓裝置為水袋加壓或者千斤頂加壓。
【文檔編號】G01N33/24GK104391104SQ201410695015
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年11月27日 優先權日:2014年11月27日
【發明者】郭玉森, 劉謙, 林世豪, 王世潭, 張文武, 何慶標, 賴永明, 王璐瑤 申請人:龍巖學院