CN102262148A - 煤矿固体充填开采三维模拟实验平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤矿固体充填开采三维模拟实验平台，该平台可以在煤矿固体充填开采中研究充填开采效果。该平台包括内部铺设有模拟煤层的箱体、设置在箱体顶部的顶板载荷加载装置、设置在箱体内部的煤体开采装置和充填体夯实机构、以及充填体注浆系统、信号采集系统和数据处理系统。该实验平台能够测试出不同充填材料配比、不同充填工艺、不同煤层赋存条件下充填料的变形特征和上覆岩层移动规律，在实验室里实现了进行固体充填开采效果的相似模拟实验，是一种可靠、经济、简单的实验手段。

Description

煤矿固体充填开采三维模拟实验平台

技术领域

本发明涉及一种煤矿固体充填开采三维模拟实验平台，该平台可以在煤矿固体充填开采中研究充填开采效果。

背景技术

固体充填开采是将煤矸石、炉渣、城市固体废料等破碎成一定块度，混上粉煤灰等胶结材料，运至井下工作面，借助一定机械设备充入采空区，从而实现最大限度的回收煤炭资源，并最终控制地表下沉的采煤方法。充填开采因其能够置换出大量“三下”压煤、减小地表下沉、同时能够处理矸石或其他固体废料，越来越被关注并逐渐成为煤矿绿色开采技术。目前关于充填开采的研究主要是集中于研究充填材料的性质和充填所用的设备。其中对充填材料性质的研究，主要在实验室通过测试材料的力学特性获得最优材料配比，对于充填设备也是在生产过程中逐渐改进和完善。然而，目前缺少一种有效的、快速的研究充填材料在充填工作面里的压实和变形过程，并研究充填效果的实验设备和实验方法。

发明内容

本发明提供了一种煤矿固体充填开采三维模拟实验平台，该平台能够模拟充填开采充填材料的受力、变形过程，进而研究充填材料性质和充填工艺对充填效果的影响。

本发明采取了如下技术方案：本发明中的实验平台包括内部铺设有模拟煤层的箱体、设置在箱体顶部用于对模拟煤层加压的顶板载荷加载装置、设置在箱体内用于开采模拟煤层的煤体开采装置和对开采区的填充材料进行夯实的充填体夯实机构、以及信号采集系统和数据处理系统；所述箱体内模拟煤层的不同层位均铺设有应变片传感器，信号采集系统采集各传感器信号并将其传送给数据处理系统进行处理。

所述顶板加载装置包括安装在箱体顶部的导轨、安装在导轨上的液压缸、布置在液压缸和模拟煤层上端面之间的加载垫板、设置在液压缸和加载垫板之间的压力传感器、以及设置在加载导轨和加载垫板之间的位移传感器。

所述煤体开采装置包括割煤刀具前后行走导轨、安装在割煤刀具前后行走导轨上的割煤刀具左右行走导轨、以及安装在割煤刀具左右行走导轨上的割煤刀具。

所述充填体夯实机构包括夯实机构前后行走导轨、安装在夯实机构前后行走导轨上的夯实机构左右行走导轨、安装在夯实机构左右行走导轨上的液压缸、安装在液压缸活塞端的夯实推板、布置在液压缸活塞和夯实推板之间的传感器。

所述箱体侧面开有注浆孔，在煤层开采后，向采空区充进充填材料过程中同时埋设与注浆孔相连通的注浆管路。箱体的四个侧面均由透明材料制成。

本发明将固体充填料充入三维箱体内，随着工作面推进充填材料不断充入采空区，并通过布置在工作面的带有压力传感器的液压夯实机构对充填材料夯实。在试验台的两侧设有注浆孔和注浆管路，能够将水泥浆等材料注入充填体内。通过顶板载荷加载装置模拟地应力，对顶板相似材料进行加载。通过数据采集和处理系统，即可测出不同顶板载荷、不同夯实力情况下，充填体力学性质变化、压实率、强度以及顶板的下沉量等参数。

相对于现有技术而言，本发明能够在实验室模拟固体充填开采，在模拟煤层开采的同时将充填材料充进采空区，并通过充填体夯实机构模拟井下充填材料压实过程；通过顶板载荷加载装置模拟地应力和重力，随着煤层的开挖和充填材料充入采空区，相似材料模拟的上覆岩层会在重力作用下发生变形和移动。该实验平台能够测试出不同充填材料配比、不同充填工艺、不同煤层赋存条件下充填料的变形特征和上覆岩层移动规律，在实验室里实现了进行固体充填开采效果的相似模拟实验，是一种可靠、经济、简单的实验手段。

附图说明

图1为本发明中的煤矿固体充填开采三维模拟实验平台结构示意图；

图2为本发明中的煤矿固体充填开采三维模拟实验平台正视图；

图3为本发明中的煤矿固体充填开采三维模拟实验平台侧视图；

图4为本发明中的煤层开采装置和充填材料夯实机构俯视图；

图5为割煤刀具俯视图；

图6为割煤刀具正视图；

图中：1、三维箱体，2、顶板载荷加载装置，3、煤体开采装置，4、充填体夯实机构，5、充填体注浆系统，6、信号采集系统，7、数据处理系统，11、箱体底座，12、箱体立框，13、箱体加载导轨，14、导轨卡槽，15、箱体加强筋板，16、有机玻璃板，21、加载液压缸，22、压力传感器，23、位移传感器，24、加载垫板，31、煤体开采刀具，32、割煤刀具导轨，33、割煤刀具左右行走手柄，34、采煤前后行走导轨，35、割煤前后行走手柄，41、夯实推板，42、加载传感器，43、加载液压缸，44、夯实左右行走导轨，45、夯实左右行走手柄，46、夯实机构前后行走导轨，47、夯实机构前后行走手柄，48、夯实加载泵站。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明中的实验平台包括内部铺设有模拟煤层的箱体、设置在箱体顶部用于对模拟煤层加压的顶板载荷加载装置、设置在箱体内用于开采模拟煤层的煤体开采装置和对开采区的填充材料进行夯实的充填体夯实机构、以及信号采集系统和数据处理系统；所述箱体内模拟煤层的不同层位均铺设有应变片传感器，信号采集系统采集各传感器信号并将其传送给数据处理系统进行处理。顶板加载装置包括安装在箱体顶部的导轨、安装在导轨上的液压缸、布置在液压缸和模拟煤层上端面之间的加载垫板、设置在液压缸和加载垫板之间的压力传感器、以及设置在加载导轨和加载垫板之间的位移传感器。煤体开采装置包括割煤刀具前后行走导轨、安装在割煤刀具前后行走导轨上的割煤刀具左右行走导轨、以及安装在割煤刀具左右行走导轨上的割煤刀具。充填体夯实机构包括夯实机构前后行走导轨、安装在夯实机构前后行走导轨上的夯实机构左右行走导轨、安装在夯实机构左右行走导轨上的液压缸、安装在液压缸活塞端的夯实推板、布置在液压缸活塞和夯实推板之间的传感器。箱体侧面开有注浆孔，在煤层开采后，向采空区充进充填材料过程中同时埋设与注浆孔相连通的注浆管路。箱体的四个侧面均由透明材料制成。

本发明能够进行如下实验：1)能够模拟不同埋藏深度条件，充填体的力学性质、充填工艺对充填效果的影响；2)能够模拟不同夯实力情况下，充填体的力学性质、充填工艺对充填效果的影响；3)不同材料配比条件下，充填体的力学性质、充填工艺对充填效果的影响；4)不同注浆量条件下，充填体的力学性质、充填工艺对充填效果的影响；5)能够模拟不同煤层倾角、不同煤层厚度、以及不同覆岩特征条件时，充填体的力学性质和顶板下沉量的大小。

本发明中的煤矿固体充填开采三维模拟试验平台，可以将配置好的充填材料通过夯实机构充进采空区，在顶板上通过加载装置进行加载，监测充填材料在采空区内的压实过程，并对顶板的下沉量进行检测，研究不同充填材料配比和不同充填工艺时充填效果。通过优化充填材料配比和充填工艺，获得不同煤层赋存条件最优充填效果。

实施例：

如图1～图3所示，本发明中的煤矿固体充填开采三维模拟实验平台包括三维箱体1、顶板载荷加载装置2、煤体开采装置3、充填体夯实机构4、以及充填体注浆管路5、信号采集系统6和数据处理系统7七部分。顶板载荷加载装置2布置在三维箱体1的顶部，煤体开采装置3和充填体夯实机构4布置在三维箱体1的内部。

如图1所示，三维箱体1为方形，由一个底板11和前后左右四个侧板16封闭而成。本实施例中的底板采用的是钢板，四个侧板采用的是有机玻璃板，底板和侧板均焊接在立框12上，其中底板11通过箱体加强筋板15增加整体的强度和稳定性。当模拟固体充填开采时，将相似材料按照煤层赋存特征在三维箱体内进行模型铺设，并通过顶板载荷加载装置2补偿上覆岩层的重力。在铺设模型过程中分别在煤层底板、煤层、直接顶、基本顶以及上覆岩层中铺设应变片，用以监测工作面回采和充填压实过程中顶板应力变化。本实施例中的信号采集系统主要采集：顶板载荷压力信号、充填体夯实压力载荷、充填体应力和应变信号、顶板位移信号。

如图2、图3所示，在三维箱体1的上部设置有顶板载荷加载装置2，顶板载荷加载装置2包括加载导轨13、液压缸21、压力传感器22、位移传感器23和加载垫板24。其中箱体加载导轨13通过螺栓固定在三维箱体1的顶部，加载液压缸21和位移传感器23安装在箱体加载导轨13上，通过手动可左右调整加载液压缸21和位移传感器的位置，实现对不同部位加载并测量位移。在加载液压缸21和加载垫板24之间安装压力传感器22，能够实现实时监测加载载荷的大小。加载液压缸21通过加载垫板24作用在实验铺设的相似材料上，利于载荷均匀分布。

煤体开采装置包括割煤刀具前后行走导轨34、割煤刀具左右行走导轨32、割煤刀具左右行走手柄33和安装在割煤刀具左右行走导轨上的割煤刀具31。充填体夯实机构4包括夯实机构前后行走导轨46、夯实左右行走导轨44、安装在夯实机构左右行走导轨上的液压缸、安装在液压缸加载端的夯实推板41、布置在液压缸和夯实推板之间的传感器42、夯实左右行走手柄45、夯实机构前后行走手柄47、夯实加载泵站48。割煤刀具前后行走导轨34和夯实机构前后行走导轨46分别布置在箱体的两相对侧面上，割煤刀具左右行走导轨32和夯实左右行走导轨44平行安装在前后行走导轨34和夯实机构前后行走导轨46之间，能够沿着前后行走导轨移动。

如图4所示，煤体的开采装置3和充填体夯实机构4通过导轨卡槽14并列安设在三维箱体1的中部，并且都能实现左右和前后行走，来完成割煤和夯实充填材料。割煤刀具31安装在割煤刀具导轨32上，通过转动割煤刀具行走手柄33，割煤刀具31能够在丝杠32上左右行走，从而完成割煤过程。通过转动割煤前后行走手柄35，左右行走机构33在采煤前后行走导轨34上可以前后移动，模拟采煤机进刀。因此，通过转动割煤前后和左右行走手柄，割煤刀具31可以左右和前后移动，完成进刀和割煤过程。通过更换割煤刀具31的大小和位置，来适应不同厚度煤层开采。割煤刀具包括与割煤刀具左右行走导轨相配合的支架，和与固定在支架上的割煤装置，割煤装置的割煤端类似U型，如图5、图6所示。

如图4所示，充填体夯实推板41和加载液压缸43之间通过螺丝装配加载传感器42。加载液压缸43安装在夯实左右行走导轨44上，夯实左右行走手柄45连接在夯实行走导轨44上。转动手柄45，加载液压缸43可以在夯实左右行走导轨44上左右行走。夯实机构前后行走手柄47安装在前后行走导轨46上，夯实左右行走导轨44连接在前后行走导轨上，通过转动手柄47，前后行走导轨46可以在前后行走导轨46上前后行走。因此，转动夯实机构前后行走手柄47和左右行走手柄45，通过夯实加载泵站48可以对加载液压缸43供液，完成充填材料被充进采空区后夯实充填材料的工作。通过更换不同大小的夯实推板41，来满足不同充填材料厚度的夯实。本实施例中的各导轨选用的都是丝杠，通过更换刀具和夯实推板的大小满足不同厚度煤层的回采。

实验时，依据相似理论和矿井地质条件，用沙土、水泥、石膏和水等按照一定比例分别制备底板、煤层、直接顶、老顶以及上覆岩层对应的相似模拟材料，将相似模拟材料分层铺设在三维箱体1中，并同时埋设应变片，当相似材料模型经过一定时间后模拟工作面回采。按照一定比例配置充填材料，并随着工作面回采将充进采空区，同时在充填材料的不同层位铺设应变片和注浆管路，通过如图4所示的充填材料夯实机构对充填材料进行夯实。随着工作面推进，不断将充填材料充进采空区，并将注浆材料注入采空区充填体内。在工作面推进和充填工作面稳定过程中，实时监测夯实力、顶板载荷、充填体和上覆岩层应力和应变情况，数据经信号采集系统6进入数据处理系统7。本实施例在煤层开采后，将充填材料充进采空区过程中铺设注浆管路和应变片，充填材料是通过手动充进采空区，注浆管路注入的粘结剂，如水泥浆等，如果充填效果好，也可以不进行注浆。

当顶板不在下沉后，取出充填体，对充填体力学性质、压实度、孔隙率等参数进行测试。改变充填材料配比，重复上述实验观测充填效果，最终找出适合特定条件下的充填材料配比，充填工艺、以及注浆量的大小，实现最大限度的减少地表下沉，获得满意的充填效果。本试验台信号采集系统具有信号采集频率高、测试数据准确的特点，能够满足实验进行固体充填开采的三维相似模拟实验。该平台能够将充填材料充进模拟的采空区，通过在采空区顶板上加载，监测充填体受力变化、顶板下沉量，一定时间后取出充填体进行力学参数确定。

以上对本发明所提供的一种煤矿固体充填开采三维模拟实验平台进行详细介绍，本文中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种煤矿固体充填开采三维模拟实验平台，其特征在于：包括内部铺设有模拟煤层的箱体、设置在箱体顶部用于对模拟煤层加压的顶板载荷加载装置、设置在箱体内用于开采模拟煤层的煤体开采装置和对开采区的填充材料进行夯实的充填体夯实机构、以及信号采集系统和数据处理系统；所述箱体内模拟煤层的不同层位均铺设有应变片传感器，信号采集系统采集各传感器信号并将其传送给数据处理系统进行处理。

2.根据权利要求1所述的一种煤矿固体充填开采三维模拟实验平台，其特征在于：所述顶板加载装置包括安装在箱体顶部的导轨、安装在导轨上的液压缸、布置在液压缸和模拟煤层上端面之间的加载垫板、设置在液压缸和加载垫板之间的压力传感器、以及设置在加载导轨和加载垫板之间的位移传感器。

3.根据权利要求2所述的一种煤矿固体充填开采三维模拟实验平台，其特征在于：所述煤体开采装置包括割煤刀具前后行走导轨、安装在割煤刀具前后行走导轨上的割煤刀具左右行走导轨、以及安装在割煤刀具左右行走导轨上的割煤刀具。

4.根据权利要求3所述的一种煤矿固体充填开采三维模拟实验平台，其特征在于：所述充填体夯实机构包括夯实机构前后行走导轨、安装在夯实机构前后行走导轨上的夯实机构左右行走导轨、安装在夯实机构左右行走导轨上的液压缸、安装在液压缸活塞端的夯实推板、布置在液压缸活塞和夯实推板之间的传感器。

5.根据权利要求4所述的一种煤矿固体充填开采三维模拟实验平台，其特征在于：所述箱体侧面开有注浆孔，在煤层开采后，向采空区充进充填材料过程中同时埋设与注浆孔相连通的注浆管路。

6.根据权利要求5所述的一种煤矿固体充填开采三维模拟实验平台，其特征在于：所述箱体的四个侧面均由透明材料制成。

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