CN103364534B - 采动覆岩隔离注浆充填模拟实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种采动覆岩隔离注浆充填模拟实验装置，包括储浆罐、模拟试验台和废水池；储浆罐内设有搅拌棒，搅拌棒与电动机相连，储浆罐上还设有吸水管，吸水管与注浆泵相连；模拟试验台内设有注浆充填袋，注浆充填袋上部设有输浆管和滤水管，输浆管与注浆泵相连；废水池与所述模拟试验台中的滤水管相连。本发明利用模拟实验装置对采动覆岩隔离注浆充填方法在实验室内进行研究，提供了一种成本低廉、试验周期短、便于直观观测、可重复性强和相似性高的观测装置及方法，为研究采动覆岩隔离注浆充填不迁村采煤技术原理和工艺参数优化提供了有效的手段。
Description
技术领域
本发明涉及一种充填采煤方法的模拟实验装置及方法，具体涉及一种采动覆岩隔离注浆充填模拟实验装置及方法。
技术背景
我国煤矿面临的建筑物下压煤问题极为突出，充填采煤方法是解决这一问题的有效途径。目前国内已研发形成了多种充填采煤方法，在解决建筑物压煤开采问题中取得了显著的成效。如专利201210164929.9公开了一种采动覆岩分区隔离注浆充填采煤方法，克服了已有充填技术中的不足之处，提供一种方法简单、煤炭采出率高、充填与采煤干扰小、充填成本低、沉陷控制效果好的采动覆岩分区隔离注浆充填采煤方法。但目前对于这项技术，尚缺乏有效、实用、成本低的模拟实验研究手段与方法，用于研究注浆充填减沉原理、注浆充填参数设计及优化等问题。现场实测方法是一种反映最真实状况的研究方法，但是其研究周期长、研究成本高、可重复性差，而且不便于直观的观测和研究覆岩内部变化及注浆充填情况，如覆岩采动应力变化、采动离层发育、注浆充填浆体赋存状况等。因而现场实测方法在研究采动覆岩隔离注浆充填采煤技术时受到了极大限制与应用。模拟实验是一种便捷、快速、成本低、可重复性强的研究方法。但是，目前对于采动覆岩隔离注浆充填不迁村采煤方法，缺乏相应的实验手段和方法。
发明内容
发明目的：本发明针对采动覆岩隔离注浆充填采煤方法现场实测研究周期长、研究成本高、可重复性差，而且不便于直观的观测和研究覆岩内部变化及注浆充填情况的问题，提供了一种采动覆岩隔离注浆充填采煤的实验装置，及利用该实验装置进行模拟实验的方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种采动覆岩隔离注浆充填模拟实验装置，包括储浆罐、模拟试验台和废水池；储浆罐内设有搅拌棒，搅拌棒固定在电动机的输出轴上，所述储浆罐的出浆口通过吸水管与注浆泵的进料口相连；所述模拟试验台为箱体结构，其侧壁为可拆卸的挡板；模拟试验台的内部设有注浆充填袋，注浆泵的出料口通过输浆管与注浆充填袋的进浆口相连通，所述输浆管上设有液压表、水阀和流量计；所述注浆充填袋的溢流口通过滤水管与废水池相连通，所述滤水管上设有滤网和溢流阀。
作为优选，所述注浆充填袋为透明PE塑料制成，便于观察注浆充填袋充填状态。
作为优选，所述注浆充填袋与模拟试验台的宽度相同，注浆充填袋可以完全充填模拟试验台。
作为优选，所述储浆罐的容积大于注浆充填袋的容积。
一种方法，包括如下步骤：
（1）在模拟试验台内由下向上铺设模拟煤层和模拟岩层，将注浆充填袋设置在模拟岩层的中上部；
（2）用粉煤灰和水按要求配制成浆液，将浆液注入储浆罐内，启动电动机带动搅拌棒转动，使储浆罐内的浆液保持浓度均匀；
（3）拆下作为模拟试验台前后侧壁的挡板，模拟开采模拟煤层，同时打开水阀、开启注浆泵、调节溢流阀、监控注浆充填袋的充填压力，按规定时间间隔记录流量计和液压表的检测值，并同时监测模拟岩层的移动以及应力变化、观察模拟岩层的破坏和地表破坏情况。
作为优选，所述步骤（3）中，所述注浆充填袋的充填压力小于地层压力。
作为优选，所述步骤（3）中，记录流量计的检测值的时间间隔为60～120s。
作为优选，所述步骤（3）中，记录液压表的检测值的时间间隔为3～5s。
作为优选，所述步骤（2）中，用粉煤灰和水按要求配制成浓度为60%～85%的浆液。
有益效果：本发明利用实验装置模拟采动覆岩隔离注浆充填方法，在实验室内即可对采动覆岩隔离注浆充填技术进行研究，具有成本低廉、试验周期短、便于直观观测、可重复性强和相似性高等优点；可以通过对比试验研究采动覆岩隔离注浆充填层位、注浆充填压力、浆液浓度和钻孔位置等工艺参数对注浆充填减沉效果的影响，为工艺参数的优化提供依据；而且采动覆岩隔离注浆充填模拟实验直观性强，能够精确观测覆岩内部岩层移动变形情况、采动应力变化和离层空间发育形态，能够直观验证采动覆岩隔离注浆充填不迁村采煤技术原理。
附图说明
图1是本发明的结构示意图
图2是模拟试验台的横截面结构示意图
具体实施方式
如图1、2所示，本发明的一种采动覆岩隔离注浆充填模拟实验装置，包括储浆罐1、模拟试验台2和废水池3；储浆罐1内设有搅拌棒4，搅拌棒4与电动机5的输出轴相连，储浆罐1的出浆口通过吸水管6与注浆泵7相连。储浆罐1用于储存模拟用的浆液19。
模拟试验台2为箱体结构，其前后侧壁均为可拆卸的挡板16；所述模拟试验台2的内部设有注浆充填袋8；所述注浆充填袋8由透明PE塑料制成，且注浆充填袋8与模拟试验台2的宽度相同，注浆充填袋8容积小于储浆罐1的容积；所述注浆泵7的出料口通过输浆管9与注浆充填袋8的进浆口相连通，沿输浆管9的浆液流动方向依次设有液压表13、水阀14和流量计15；所述注浆充填袋8的溢流口通过滤水管10与废水池3相连通；所述滤水管10上设有滤网11和溢流阀12。
基于上述采动覆岩隔离注浆充填模拟实验装置的一种采动覆岩隔离注浆充填模拟实验方法，包括如下步骤：
（1）先采用沙子、碳酸钙、石膏按配比在模拟试验台1内自下至上依次铺设模拟煤层17和模拟岩层18，在铺设过程中，将注浆充填袋8预置在模拟岩层18中。所述模拟煤层（17）和模拟岩层（18）由沙子、碳酸钙、石膏混合均匀后加水搅拌制成，其中水与固体的质量比为1：7～1：9；对于煤层，沙子、碳酸钙、石膏的质量比为70：21：9；对于软岩层，沙子、碳酸钙、石膏的质量比为15：7：3；对于硬岩层，沙子、碳酸钙、石膏的质量比为30：21：49。按照要模拟的岩层的强度，其配比比例，参照《相似材料和相似模型》一书中的配比表确定。
（2）用粉煤灰和水按要求配制成浓度为60%～85%的浆液19，将浆液19注入储浆罐1内，启动电动机5带动搅拌棒4转动保持搅拌棒一直处于转动状态，使储浆罐1内的浆液19保持浓度均匀，始终处于流态化状态。
（3）拆下作为模拟试验台2前后侧壁的挡板16，开采模拟煤层17，同时打开水阀14、开启注浆泵7、调节溢流阀12、监控注浆充填袋8的充填压力，按规定时间间隔记录流量计15和液压表13的监测值，并同时监测模拟岩层18的移动以及应力变化、观察模拟岩层和地表的破坏情况。
模拟开采的速度根据需要设定，一般每15分钟开采一个步距，每个步距5～10厘米；模拟开采启动后，会引起模拟岩层18的移动、破坏，并产生离层；此时，注浆泵7将储浆罐1中的浆液19通过吸水管6和输浆管9输送至注浆充填袋8内，而注浆充填袋8内的浆液19中的水会通过滤水管10溢流至废水池中、浆液19中的粉煤灰则被滤网11拦截下来继续存留在注浆充填袋8内，通过存留在注浆充填袋8中的粉煤灰支撑模拟岩层18以减小地表下沉。
在模拟开采的过程中，需要控制注浆充填袋8的充填压力小于地层压力，避免地表抬高；一般每隔60s记录一次流量计15的读数，每隔3s记录一次液压表13的读数；通过对模拟岩层18的移动以及应力变化的监测，以及对模拟岩层和地表破坏情况的观察，来评价注浆填充的效果；地表下沉越小，说明注浆填充效果越好。
应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
Claims (9)
1.一种采动覆岩隔离注浆充填模拟实验装置，其特征在于：包括储浆罐(1)、模拟试验台(2)和废水池(3)；
所述储浆罐(1)内设有搅拌棒(4)，搅拌棒(4)固定在电动机(5)的输出轴上，所述储浆罐(1)的出浆口通过吸水管(6)与注浆泵(7)的进料口相连；
所述模拟试验台(2)为箱体结构，其侧壁为可拆卸的挡板(16)；所述模拟试验台(2)的内部设有注浆充填袋(8)，所述注浆泵(7)的出料口通过输浆管(9)与注浆充填袋(8)的进浆口相连通，所述输浆管(9)上设有液压表(13)、水阀(14)和流量计(15)；所述注浆充填袋(8)的溢流口通过滤水管(10)与废水池(3)相连通，所述滤水管(10)上设有滤网(11)和溢流阀(12)。
2.根据权利要求1所述的一种采动覆岩隔离注浆充填模拟实验装置，其特征在于：所述注浆充填袋(8)为透明PE塑料制成。
3.根据权利要求1所述的一种采动覆岩隔离注浆充填模拟实验装置，其特征在于：所述注浆充填袋(8)与模拟试验台(2)的宽度相同。
4.根据权利要求1所述的一种采动覆岩隔离注浆充填模拟实验装置，其特征在于：所述储浆罐(1)的容积大于注浆充填袋(8)的容积。
5.利用权利要求1～4任意一项所述采动覆岩隔离注浆充填模拟实验装置进行模拟实验的方法，其特征在于，它包括如下步骤：
(1)在模拟试验台(2)内由下向上铺设模拟煤层(17)和模拟岩层(18)，将注浆充填袋(8)设置在模拟岩层(18)的中上部；
(2)用粉煤灰和水按要求配制成浆液(19)，将浆液(19)注入储浆罐(1)内，启动电动机(5)带动搅拌棒(4)转动，使储浆罐(1)内的浆液(19)保持浓度均匀；
(3)拆下作为模拟试验台(2)前后侧壁的挡板(16)，模拟开采模拟煤层(17)，同时打开水阀(14)、开启注浆泵(7)、调节溢流阀(12)、监控注浆充填袋(8)的充填压力，按规定时间间隔记录流量计(15)和液压表(13)的监测值，并同时监测模拟岩层(18)的移动以及应力变化、观察模拟岩层的破坏和地表破坏情况。
6.根据权利要求5所述的利用所述采动覆岩隔离注浆充填模拟实验装置进行模拟实验的方法，其特征在于：所述步骤(3)中，所述注浆充填袋(8)的充填压力小于地层压力。
7.根据权利要求5所述的利用所述采动覆岩隔离注浆充填模拟实验装置进行模拟实验的方法，其特征在于：所述步骤(3)中，记录流量计(15)的检测值的时间间隔为60～120s。
8.根据权利要求5所述的利用所述采动覆岩隔离注浆充填模拟实验装置进行模拟实验的方法，其特征在于：所述步骤(3)中，记录液压表(13)的检测值的时间间隔为3～5s。
9.根据权利要求5所述的利用所述采动覆岩隔离注浆充填模拟实验装置进行模拟实验的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，用粉煤灰和水按要求配制成浓度为60％～85％的浆液(19)。
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