一種工作面煤壁柔性加固實驗系統的製作方法

2023-08-06 17:53:06 1

本實用新型涉及一種柔性加固實驗系統，具體的說涉及確定煤壁片幫的寬度和深度及注漿相關參數的一種工作面煤壁柔性加固實驗系統，本實用新型屬於採場煤壁片幫室內實驗領域。

背景技術：

煤礦開採過程中，普遍存在著煤壁片幫問題（片幫是指採煤過程中，礦井作業面、巷道側壁在壓力作用下變形，使得一部分煤體從煤壁向工作面剝落的過程），與冒頂一樣成為影響生產安全的主要因素。

在煤礦大採高工作面、軟煤層工作面、仰斜開採工作面以及深部開採工作面，煤壁片幫問題尤為突出，而煤壁片幫不僅會影響到安全生產的正常進行，同時也會對採場內工人的人身安全造成嚴重的威脅。因此，煤壁穩定性控制是大採高採場圍巖控制的重點。

申請號 : CN201410769492.0，實用新型名稱：一種工作面煤壁穩定性控制模擬實驗臺及應用方法，公開（公告）日 : 2015.03.25，公開了一種工作面煤壁穩定性控制模擬實驗臺及應用方法，與現有技術相比，其採用的是在理論分析和數值模擬以及少量的二維平面物理模型上，很少涉及通過對煤壁片幫的各個因素分析，通過實驗確定柔性加固參數。基於上述情況，迫切需要一種工作面煤壁柔性加固實驗系統，達到精準測量煤壁穩定性與採高、煤體強度、液壓支架工作阻力、頂板壓力間的關係，通過柔性注漿各參數的改變，得出控制煤壁穩定性的措施，為現場治理煤壁片幫，實現採煤工作面安全高效開採提供實驗指導。

技術實現要素：

本實用新型的目的是提供一種工作面煤壁柔性加固實驗系統，該方案在研究煤壁穩定性與採高、煤體強度、液壓支架工作阻力、頂板壓力間關係的基礎上，通過調整柔性注漿錨杆數量、漿液數量、注漿壓力、注漿錨杆位置分布不同注漿參數，得出控制煤壁片幫的有效措施以改進公知技術中存在的缺陷。

為實現上述目的，本實用新型提供的一種工作面煤壁柔性加固實驗系統，包括實驗臺、加載系統、注漿系統和監測系統，所述的注漿系統包括柔性加固錨杆和注漿泵，注漿泵的注漿管道和柔性加固錨杆一端連接，柔性加固錨杆另一端通過鑽孔伸入煤層中；監測系統的液壓支架安裝在實驗臺靠煤壁方向的檯面上；加載系統安裝在液壓支架橫梁與實驗臺所屬的上方橫梁之間。

所述的柔性加固錨杆為直徑4~8mm的棕繩與5~10mm的PV管纏繞組成。

所述的注漿泵的注漿壓力為1~1.5MPa，在注漿泵的管道出口安裝有壓力表。

所述的液壓加載系統由千斤頂、加載橫梁和液壓泵組成，所述的千斤頂安裝在加載橫梁上方，液壓泵經過液壓連接管和千斤頂連接，所述的加載橫梁安裝在液壓支架的支架橫梁上。

所述的監測系統還包括刻度尺、裂縫探測儀和雷射測距儀。

所述的液壓支架由支架橫梁、支架支撐立柱、支架固定底板和支架調節裝置組成，支架底板與實驗臺臺面連接，支架支撐力主和支架調節裝置安裝在支架底板上，支架支撐力主和支架調節裝置頂部分別和支架橫梁連接。

採用本實用新型的技術方案，加載系統作用於煤壁上，用於模擬頂板壓力，柔性加固錨杆通過鑽孔打入實驗臺模擬的煤層中，通過注漿泵往煤層中注漿，注漿泵的注漿壓力為1~1.5MPa。液壓支架置放於煤壁前方，起到支護煤壁的作用；裂縫探測儀在煤壁前方測量加載過程中煤壁出現裂縫的寬度；雷射測距儀以液壓支架後方為基準測量加載過程中煤壁片幫的深度變化，刻度尺用於測定實驗臺模擬煤層高度以及測量加載過程中煤壁出現的裂隙長度和煤壁片幫寬度。

本實用新型的柔性加固錨杆為直徑4~8mm的棕繩與5~10mm的PV管纏繞組成，在PV管上纏繞棕繩可以保護PV管外管，提高使用壽命，選擇合適大小的PV管材和棕繩，以便於柔性加固錨杆能夠輕易深入鑽孔位置。

本實用新型的注漿泵的注漿壓力為1~1.5MPa，在注漿泵的管道出口安裝有壓力表，注漿壓力1~1.5MPa能夠更好地實現注漿，壓力太小無法注入，壓力太大要溢出，安裝壓力表便於觀察注漿泵的注漿壓力。

本實用新型的液壓加載系統由千斤頂、加載橫梁和液壓泵組成，所述的千斤頂安裝在加載橫梁上方，液壓泵經過液壓連接管和千斤頂連接，所述的加載橫梁安裝在液壓支架的支架橫梁上，通過千斤頂及液壓泵，可以給液壓支撐加壓，保證煤壁的受力支撐。

本實用新型的監測系統還包括刻度尺、裂縫探測儀和雷射測距儀，可以隨時在現場根據需要選擇測量儀器測量相關參數。

本實用新型的液壓支架由支架橫梁、支架支撐立柱、支架固定底板和支架調節裝置組成，支架底板與實驗臺臺面連接，支架支撐力主和支架調節裝置安裝在支架底板上，支架支撐力主和支架調節裝置頂部分別和支架橫梁連接，可更好的操作相關設備。

綜上所述，採用本實用新型的一種工作面煤壁柔性加固實驗系統及試驗方法可以精準測量煤壁穩定性與採高、煤體強度、液壓支架工作阻力、頂板壓力間的關係，通過柔性注漿各參數的改變，得出控制煤壁穩定性的措施，為現場治理煤壁片幫，實現採煤工作面安全高效開採提供實驗指導。

本實用新型具有簡單易操作，能安全、有效、經濟地確定控制煤壁片幫的柔性加固參數，通過室內物理實驗能有效指導現場實踐工作中的煤壁片幫治理問題，具有很好的推廣應用前景。

附圖說明

圖1為一種工作面煤壁柔性加固實驗系統示意圖；

圖2為一種工作面煤壁柔性加固實驗系統的實驗臺示意圖；

圖3為一種工作面煤壁柔性加固實驗系統的加載系統示意圖；

圖4為一種工作面煤壁柔性加固實驗系統的注漿系統示意圖；

圖5為一種工作面煤壁柔性加固實驗系統的監測系統示意圖；

附圖中的標記符號說明：

1實驗臺；2加載系統；3千斤頂；4加載橫梁；5液壓泵；6柔性加固錨杆；7注漿泵；8注漿系統；9液壓支架；10刻度尺；11裂縫探測儀；12雷射測距儀；13監測系統。

具體實施方式

下面結合附圖對本實用新型作進一步說明。

本實用新型的一種工作面煤壁柔性加固實驗系統主要通過以下技術方案實現的，參照圖1、2、3、4、5對本實用新型的實施例進行說明：

一種工作面煤壁柔性加固實驗系統，由實驗臺1、加載系統2、千斤頂3、加載橫梁4、液壓泵5、柔性加固錨杆6、注漿泵7、注漿系統8、液壓支架9、刻度尺10、裂縫探測儀11、雷射測距儀12、監測系統13。

注漿系統8包括柔性加固錨杆6和注漿泵7，注漿泵7的注漿管道和柔性加固錨杆6一端連接，柔性加固錨杆6另一端通過鑽孔伸入煤層中；監測系統13所述的液壓支架9安裝在實驗臺1靠煤壁方向的檯面上；加載系統2安裝在液壓支架9橫梁與實驗臺1所屬的上方橫梁之間；柔性加固錨杆6為直徑4~8mm的棕繩與5~10mm的PV管纏繞組成；注漿泵7的注漿壓力為1~1.5MPa，在注漿泵7的管道出口安裝有壓力表；液壓加載系統2由千斤頂3、加載橫梁4和液壓泵5組成，所述的千斤頂3安裝在加載橫梁4上方，液壓泵5經過液壓連接管和千斤頂3連接，所述的加載橫梁4安裝在液壓支架9的支架橫梁上。

液壓支架9由支架橫梁、支架支撐立柱、支架固定底板和支架調節裝置組成，支架底板與實驗臺1臺面連接，支架支撐力主和支架調節裝置安裝在支架底板上，支架支撐力主和支架調節裝置頂部分別和支架橫梁連接。

試驗時，實驗臺1用於模擬現場煤礦的實際煤層，實現煤壁的成型，通過刻度尺10確定所要模擬煤層的高度，煤層用通常所用的沙子、石膏、石灰、水按一定的相似比例模擬煤體材料，煤體成型以後，將液壓支架9放置在煤壁前方，對煤壁形成保護作用，在液壓支架9上方放置加載橫梁4，千斤頂3放置在加載橫梁4和實驗臺1上方的橫梁中間，通過液壓泵5使千斤頂3的壓力增大實現對煤壁的加壓，模擬實際煤層的頂板壓力，隨著壓力的增大，煤壁穩定性變差，首先在煤壁出現裂隙，通過刻度尺10量取裂隙長度的變化，用裂縫探測儀11量取裂隙寬度的變化，裂隙最終導致煤壁片幫的發生，此時用刻度尺10測定煤壁片幫寬度的變化，雷射測距儀12以液壓支架9後方為基準測量加載過程中煤壁片幫的深度變化。通過改變模擬煤層高度、相似材料配比、千斤頂加載壓力、液壓支架工作阻力，即可得出煤壁穩定性在無柔性加固條件下與採高、煤體強度、液壓支架工作阻力、頂板壓力間的關係。

在完成每次無柔性加固條件下的物理實驗以後，以與上一次實驗相同的材料配比、採高、液壓支架工作阻力、千斤頂加載壓力的基礎上，在煤壁中通過鑽孔放置柔性加固錨杆6，用注漿泵7往柔性加固錨杆6中注漿，完成對煤壁的柔性加固。在對煤壁柔性加固之後，通過液壓泵5使千斤頂3加壓，藉助刻度尺10、裂縫探測儀11、雷射測距儀12完成對加載過程中裂隙長度、寬度和煤壁片幫寬度、深度的變化監測工作，通過改變柔性加固錨杆6位置、數量和液壓泵7的注漿壓力、注漿量，得出煤壁穩定性與柔性加固參數的變化關係，為解決現場煤壁穩定性問題提供有效控制措施。其實驗步驟如下：

第一步、實驗前檢查實驗系統各組成部分的可靠性；

第二步、按照幾何相似比1:6~1:18的比例，利用實驗臺把沙子、石膏、石灰、水和水泥材料配製成的煤體材料製作成煤壁；

第三步、將液壓支架9安裝固定在實驗臺的煤壁前端，並做好撐，把加載板放在液壓支架9和煤壁頂端，同時安裝好液壓加載系統2；

第四步、利用液壓加載系統2對煤壁進行分級加壓，同時利用裂縫探測儀11和刻度尺10測量裂縫的變化參數，利用雷射測距儀12測量煤壁的水平位移，同時記錄煤壁變形、破壞過程中的壓力；

第五步、在完成每次無柔性加固條件下的物理實驗以後，以與上一次實驗相同的材料配比、採高、液壓支架工作阻力、千斤頂加載壓力的基礎上，在煤壁破壞處打直徑為10~20mm的鑽孔，先把一種直徑的柔性錨杆6放入鑽孔中，採用注漿泵7對柔性錨杆6進行注漿；

第六步、重新對煤壁進行逐級加壓，並利用監測系統13測量煤壁變形數據，通過改變柔性加固錨杆6位置、數量和液壓泵7的注漿壓力、注漿量，得出煤壁穩定性與柔性加固參數的變化關係；

第七步、重複步驟第一步至第五步試驗，經過數據處理系統對實驗數據進行處理, 有效確定煤壁片幫的寬度和深度，注漿加固參數；

注漿加固參數包括柔性錨杆位置及直徑，注漿量及壓力。

如上所述，對實用新型的實施例進行了詳細地說明，但是只要實質上沒有脫離本實用新型的實用新型點及效果，都屬於侵權，本實用新型可以有很多的變形，這對本領域的技術人員來說是顯而易見的。因此，這樣的變形例也全部包含在本實用新型的保護範圍之內。