CN103956105A - 小型三维采空区气体运移规律物理相似模拟实验台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及利用相似材料开展矿山开采覆岩移动变形及采空区气体运移规律的三维物理模拟实验，具体是一种在实验室进行三维条件下矿山压力及采空区气体运移的小型三维采空区气体运移规律物理相似模拟实验台，包括实验台箱体、双摇杆开采系统、可控通风系统、气体注入系统、抽采系统、测试系统。本发明适用于开展三维条件下采动裂隙演化规律及采空区气体运移规律的物理相似模拟实验。可以满足进一步研究采动卸压瓦斯运移规律，完善煤与瓦斯安全共釆理论体系。

Description

小型三维采空区气体运移规律物理相似模拟实验台

技术领域

本发明专利涉及利用相似材料开展矿山开采覆岩移动变形及采空区气体运移规律的三维物理模拟实验，具体是一种在实验室进行三维条件下矿山压力及采空区气体运移的相似模拟实验台。适用于各大煤炭院校、矿山开采行业科研院所需要的模拟实验。

背景技术

随着煤炭开采机械化程度的不断提高，生产规模的不断扩大，开采深度的不断增加，使得开展采动过程中覆岩移动变形及瓦斯抽采与利用的研究就显得尤为重要，目前对采动覆岩移动规律及瓦斯运移规律的研究方法主要有：理论分析、现场观测、数值模拟及物理相似模拟。矿业工程所研究的天然岩体而言，其中存在的力学问题集众多影响因素、极其复杂的物理过程、受人为扰动相当严重与一身，从而使得在现有理论的基础上，无法准确获得描述岩体应力应变关系的本构方程，因此无法对问题进行较为精确的理论分析。开展现场实测是最为直接和准确的方式，但开展此方法存在固有周期较长、耗费人力物力较多、现场条件限制严重等条件的制约，并且直接测试岩体内部性状变化，又十分困难，因此对非测量地区也缺乏广泛适应性。数值模拟方法受理论、数值计算以及计算机软硬件发展等因素的限制，构建复杂地下工程模型时不得不对其进行大量简化，从而使其计算结果与现场存在较大差异。目前，物理相似模拟被公认为是一种研究采动覆岩移动规律行之有效的方法，不但可以直观的观测出采动过程中覆岩移动变化规律，而且可以实现重复观测多种不同赋存条件的煤层开采及不同开采方式下煤层覆岩运移规律的要求。就目前而言，大多数的物理相似模拟仍然集中于二维、单相或固液方面的物理相似模拟，利用三维物理相似模拟台研究采动卸压后采空区中瓦斯运移规律的报道还很少，而瓦斯的防治及利用对于煤矿安全高效开采及清洁能源的弥补尤为重要，因此研发三维采空区气体运移物理相似模拟实验台，对于实验室中再现煤矿生产实际，进一步研究采动卸压瓦斯运移规律，完善煤与瓦斯安全共釆理论体系显得非常重要。

发明内容

为了进一步开展三维条件下采动裂隙演化与采空区瓦斯运移规律的研究，本发明提供了一种小型三维采空区气体运移规律物理相似模拟实验台。

本发明是采用如下技术方案实现的：一种小型三维采空区气体运移规律物理相似模拟实验台，包括实验台箱体(4)、双摇杆开采系统、可控通风系统、气体注入系统、抽采系统和测试系统，箱体(4)内设有相似模型，双摇杆开采系统包括摇臂(23)、连杆(24)、螺栓(25)、条钢(10)，两个摇臂(23)通过连杆(24)连接，摇臂(23)另一端插入螺栓(25)中，螺栓(25)旋入箱体(4)底板中，螺栓(25)上设有条钢(10)；可控通风系统包括U型通风管(9)、调速蠕动泵(7)、压差仪(22)、气体质量流量计(16)，相似模型内设有U型通风管(9)，调速蠕动泵(7)、气体质量流量计(16)和压差仪(22)与U型通风管(9)连接；气体注入系统包括高压钢瓶(1)、减压阀(19)、平衡罐(18)、气体质量流量计(16)、分流控制阀组(15)、管路(11)及底部充气通道(12)，箱体(4)底部设有充气通道(12)，高压钢瓶(1)、减压阀(19)、平衡罐(18)、气体质量流量计(16)、分流控制阀组(15)通过充气管路(11)与箱体底部的充气通道(12)依次连接；抽采系统包括调速蠕动泵(7)和抽采细管(8)，相似模型中设有抽采细管(8)，调速蠕动泵(7)与抽采细管(8)连接；测试系统包括便携式氦气/氖气分析仪(21)、采气细管(20)、应力传感器(13)、数据采集箱(3)、声发射传感器(5)、声发射测试仪(6)、电脑(2)，相似模型中设有采气细管(20)和应力传感器(13)，采气细管(20)与氦气/氖气分析仪(21)连接，相似模型表面设有声发射传感器(5)，声发射传感器(5)与声发射仪(6)连接，声发射仪(6)与电脑(2)连接，应力传感器(13)与数据采集箱(3)连接，数据采集箱(3)连接电脑(2)。

本发明适用于开展三维条件下采动裂隙演化规律及采空区气体运移规律的物理相似模拟实验。可以满足进一步研究采动卸压瓦斯运移规律，完善煤与瓦斯安全共釆理论体系。

附图说明

图1为本发明的结构主示意图

图2为本发明的结构侧面示意图

图3为本发明的双摇杆采煤装置示意图

图4为本发明的应力传感器布置图。

图5为本发明实施例的声发射传感器的布置位置示意图。

图6为本发明实施例的测气点布置平面图。

图7为本发明实施例的工作面推进36m初次来压能量变化示意图。

图8为本发明实施例的工作面推进36m初次来压覆岩应力变化示意图。

图9为本发明实施例的采空区气体分布规律示意图。

具体实施方式

本发明涉及的小型三维物理相似模拟实验台是采用如下技术方案实现的：小型三维采空区气体运移规律物理相似模拟实验台由实验台箱体、双摇杆开采系统、可控通风系统、气体注入系统、抽采系统、测试系统组成。其中实验箱体4是由五个侧面组成的立方体，底面固定其余四立面可拆卸用以制作模型，为了方便拆卸及制作模型，箱体两侧面采用两块低碳钢钢板拼接，并用螺栓紧固而成，另外两个侧面则采用整块钢板及20mm厚透明有机玻璃板，能够清楚看到实验台内部情况。实验台箱体内部有效空间长×宽×高为1200mm×700mm×800mm，为能够保证气体不泄露，四周利用密封胶垫密封箱体；双摇杆开采系统包括摇臂22、连杆23、螺栓24、条钢10，两个摇臂22通过连杆23连接，摇臂22另一端插入螺栓24中，螺栓24旋入箱体底板中，螺栓24上设有条钢10；可控通风系统包括U型通风管9、WG600S调速蠕动泵7、压差仪21、MF5700(0-25L/min)气体质量流量计16，相似模型内设有U型通风管9，调速蠕动泵7、气体质量流量计16和压差仪22与U型通风管9连接；气体注入系统包括高压钢瓶1、减压阀19、平衡罐18、气体压力表17、MF5700气体质量流量计(0-10L/min)16、分流控制阀组15、管路11及底部充气通道12，箱体4底部设有充气通道12，高压钢瓶1、减压阀19、平衡罐18、气体质量流量计16、分流控制阀组15通过充气管路11与箱体底部的充气通道12依次连接，平衡罐18上设有气体压力表17；抽采系统包括WT600S调速蠕动泵7和抽采细管8组成，相似模型中设有抽采细管8，调速蠕动泵7与抽采细管20连接；测试系统包括MOT400-HE/NE便携式氦气/氖气分析仪21、采气细管20、应力传感器13、DH3816D数据采集箱3、声发射传感器5、声发射测试仪6、电脑2，相似模型中设有采气细管20和应力传感器13，采气细管20与氦气/氖气分析仪21连接，相似模型表面设有声发射传感器5，声发射传感器5与声发射仪6连接，声发射仪6与电脑2连接，应力传感器13与数据采集箱3连接，数据采集箱3连接电脑2。

实验开始前，将条钢10模拟的煤层升至预定高度，将实验需要的相似模型装入箱体4内，同时将可控通风系统中的U型通风管路9，抽采系统中的抽采细管8及测试系统中的抽采采气细管20和应力传感器13预先埋入模型，待模型完全晾干达到开展实验的要求后，首先将测试系统中的声发射传感器5按实验预定的位置布置在模型表面，并将其与声发射仪6相连。然后用充气管路11将减压阀19、高压钢瓶1、平衡罐18、气体压力表17、MF5700气体质量流量计(0-10L/min)16、分流控制阀组15与箱体底部的充气通道12相连接。第三，将测试系统中的应力传感器13与DH3816D数据采集箱3相连。最后，将WG600S调速蠕动泵7、压差仪22、MF5700(0-25L/min)气体质量流量计16与U型通风管路9相连，便可开始实验。在实验过程中，随着利用双摇杆开采系统14将条钢(煤层)10降至箱体底板，利用MOT400-HE/NE便携式氦气/氖气分析仪21对预先布置的抽采采气细管20中的气体成分进行测试，利用DH3816D数据采集箱3及声发射仪6对箱体内部模型垮落进行监测，以此对煤层开采过程中覆岩移动规律及卸压瓦斯运移规律开展研究。

目前，已利用该试验台对山西某煤矿一综采工作面进行采动过程中覆岩移动变形及采空区气体运移规律开展实验。模拟煤层基本情况为：煤层厚1.8～8.0m，平均厚度3.0m，倾角6°～16°。工作面走向成900m，面长160m，开采深度200～400m。采用综采一次采全高的开煤方法，采高为2.7m，推进速度是3～5m/d。直接顶是泥岩，局部含有砂质；老顶为中砂岩；直接底为铝质泥岩。实验过程中将应力传感器布置于模型内部，以便于观测煤层开采过程中覆岩应力变化，将传感器分为两组，呈平面为十字交叉型分别沿模型长和宽方向布置，布置方式为如图4所示。为了进一步观测采动过程中覆岩移动规律及其过程中的能量变化，将声发射传感器布置于模型中，为了能够清楚的检测弹性波的来源和能量大小，将八个声发射传感器分为两组，四个埋入模型上表面，其余四个传感器贴在实验台箱体上，布置方式如图5所示，依此编号为a～h。采空区气体运移规律测点沿着工作面走向方向条钢上布置8排，每一排沿着工作面倾向方向有7个测点，共计56个测气点，布置方式如图6所示。

实验对采动过程中覆岩中应力变化规律、能量变化及采空区中气体运移规律进行观测，实验结果如图7～图9所示。

从图7中可以看出，工作面向前推进36m时，即第四个条钢下降时，随着条钢下降产生的弹性波后，又有一次较大的振铃计数，释放的能量为模型此前自然垮落之最大(由于开采条钢间隙间涂油黄油，前四次让其在重力作用下自然下降较难，前四次的下降都伴随人为震动，此后条钢下降基本上没有震动)。结合应力显示规律，当工作面向前推进36m时，布置在切眼后方9m处煤壁中的3号传感器应力值突然增大，其余煤壁中的1号、2号传感器数值都有上升。布置在采空区的4号传感器应力值也突然由拉应力负值在增加。根据以上判定，工作面推进36m时，为初次来压。

从图8中可以看出，切眼开挖以后，首先影响到3号传感器，其前方4号传感器也有应力集中现象，工作面前方应力峰值范围为0-22.5m。随着工作面向前推进18m，4号传感器相对应力值也越来越大。当工作面推进27m时，4号传感器卸压。

从图9中可以看出，沿着采空区深度方向，瓦斯浓度经历了先增高，然后在深部采空区趋于稳定的变化过程。在采空区深度方向上，采空区靠近工作面区域，受进风巷漏风流的影响，采空区起始段的瓦斯浓度较低且上升趋势较缓；远离工作面的采空区中部区域，虽然进风侧瓦斯浓度较低，但由于瓦斯不易被漏风流带出，导致瓦斯浓度上升较快；在采空区深部，瓦斯浓度继续增大，并趋于稳定。

Claims (1)

1.一种小型三维采空区气体运移规律物理相似模拟实验台，包括实验台箱体(4)、双摇杆开采系统、可控通风系统、气体注入系统、抽采系统和测试系统，其特征在于：箱体(4)内设有相似模型，双摇杆开采系统包括摇臂(23)、连杆(24)、螺栓(25)、条钢(10)，两个摇臂(23)通过连杆(24)连接，摇臂(23)另一端插入螺栓(25)中，螺栓(25)旋入箱体(4)底板中，螺栓(25)上设有条钢(10)；可控通风系统包括U型通风管(9)、调速蠕动泵(7)、压差仪(22)、气体质量流量计(16)，相似模型内设有U型通风管(9)，调速蠕动泵(7)、气体质量流量计(16)和压差仪(22)与U型通风管(9)连接；气体注入系统包括高压钢瓶(1)、减压阀(19)、平衡罐(18)、气体质量流量计(16)、分流控制阀组(15)、管路(11)及底部充气通道(12)，箱体(4)底部设有充气通道(12)，高压钢瓶(1)、减压阀(19)、平衡罐(18)、气体质量流量计(16)、分流控制阀组(15)通过充气管路(11)与箱体底部的充气通道(12)依次连接；抽采系统包括调速蠕动泵(7)和抽采细管(8)，相似模型中设有抽采细管(8)，调速蠕动泵(7)与抽采细管(8)连接；测试系统包括便携式氦气/氖气分析仪(21)、采气细管(20)、应力传感器(13)、数据采集箱(3)、声发射传感器(5)、声发射测试仪(6)、电脑(2)，相似模型中设有采气细管(20)和应力传感器(13)，采气细管(20)与氦气/氖气分析仪(21)连接，相似模型表面设有声发射传感器(5)，声发射传感器(5)与声发射仪(6)连接，声发射仪(6)与电脑(2)连接，应力传感器(13)与数据采集箱(3)连接，数据采集箱(3)连接电脑(2)。