CN103983742B - 煤层覆岩破断煤岩体瓦斯运移及抽采实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤层覆岩破断煤岩体瓦斯运移及抽采实验系统，包括静态伺服液压控制系统和模型基台；模型基台包括底板、安装在底板上的前、后、左、右四个侧壁和顶板，底板、四个侧壁和顶板围成一个用于填充模拟材料的长方体空间；后侧壁设有气孔管；静态伺服液压控制系统的个数为四个，四个静态伺服液压控制系统分别与底板、顶板、左侧壁和右侧壁上的千斤顶相连接；模型基台中设置有钢丝波纹管；模型基台的底部设置有模型底座支承装置。本发明不仅解决了而目前计算机数值模拟解决非连续大变形问题的局限性，避免了不能完整准确的反映具体条件采矿过程中由于采动而引起的岩层运动；同时能对瓦斯在卸压区内的运移规律及瓦斯抽采规律进行试验。

Description

煤层覆岩破断煤岩体瓦斯运移及抽采实验系统

技术领域

本发明涉及一种煤层覆岩破断煤岩体瓦斯运移及抽采实验系统。

背景技术

随着社会的发展，越来越多的复杂地质条件下的矿产资源被探测开发，由于地质条件极其复杂，因而在矿床开采过程中的力学问题对于合理选择采矿方法及其结构参数，提高开采强度，合理利用矿产资源，保证工人安全作业以及最终提高矿山开采经济效益都是尤为重要的。

近几年电子计算机在矿床开采中的普遍应用为解决上述复杂问题提供了一种行之有效的手段，比如，分析工程软件被大量运用到采矿工业(比如ANSYA分析软件和FLAC分析软件的大量应用)，大大加快了实验研究。然而，由于采矿地质条件的复杂，采矿学问题多为大变形和非连续变形问题，而目前计算机数值模拟解决非连续大变形问题还存在局限性，不能完整准确的反映具体条件采矿过程中由于采动而引起的岩层运动。

从而所属技术人员采用相似模拟实验可以较好的解决上面的问题，因为相似模拟是利用现场真实的物理实体，在满足条件下，能更准确地模拟开挖施工过程的影响，但目前的相似模拟实验不能够进行水平方向连续加压，从而不能模拟水平方向下岩体受力状态，在岩体开挖过程中也是采取纯人工方式去除坍塌的岩体，岩体坍塌过程不可控。

另外，目前对瓦斯在卸压区中的运移规律和瓦斯抽采规律的试验研究中的数据，都是通过现场钻孔监测的方式获得的，只能以较少的局部数据推断研究整体的瓦斯运移富集规律，局限性大，本试验装置可以从各高度、倾向、走向监测瓦斯浓度从而得到整体的监测数据。

因此本领域技术人员致力于开发一种在岩体开挖过程中，能够准确控制坍塌过程，实现水平方向和竖直方向连续加压，全面监测瓦斯运移规律的煤层覆岩破断煤岩体瓦斯运移及抽采实验系统。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种在岩体开挖过程中，能够准确控制坍塌过程，实现水平方向和竖直方向连续加压的煤层覆岩破断煤岩体瓦斯运移及抽采实验系统。

为实现上述目的，本发明提供了一种煤层覆岩破断煤岩体瓦斯运移及抽采实验系统，包括静态伺服液压控制系统和模型基台；所述模型基台包括底板、安装在底板上的前、后、左、右四个侧壁和顶板，所述底板、四个侧壁和顶板围成一个用于填充模拟材料的长方体空间；所述后侧壁设有气孔管，所述前壁由透明有机玻璃板制成；所述后壁上设有穿孔，所述后壁由钢板制成；

所述底板、顶板、左侧壁和右侧壁上均设置有一排千斤顶，所述千斤顶的另一端设置有压板，所述每个千斤顶上均设置有压力传感器；

所述静态伺服液压控制系统的个数为四个，所述四个静态伺服液压控制系统分别与所述底板、顶板、左侧壁和右侧壁上的千斤顶相连接；

所述模型基台中设置有钢丝波纹管；所述模型基台的底部设置有模型底座支承装置。

采用以上结构后，将模型基台放入基坑中，将模型底座支承装置与基坑底固定，以保证在模型基台进行实验时，以确保模型基台的稳固性。

在实验前进行相似材料配比，以确定材料相似强度，并通过相似配比确定所需材料的质量等。绘制材料配比用量表，将每层所需的相似材料按配比称量好，按从下到上进行逐层配料搅拌。

随后根据每层需要配料的量高度以及总高选择适合规格的有机玻璃板，从下到上依次分层进行填料封装，待每块封板填料基本完成后再安装上一块封板。每层厚度设置为3cm，将相似材料均匀水平填装在模型架内，并进行抹平、压实。根据研究范围，可在填料过程中埋设测量应力应变和位移的传感器以测量相关参数。

待填料达到设计高度后，所有封板封装完毕，并拧紧封装螺栓，使模型内部成为一个密闭的立方体。

随后静态伺服液压控制系统通过压力传感器使顶板、左侧壁和右侧壁上的千斤顶实现竖直和水平方向的连续加压，加压的大小通过静态伺服液压控制系统控制，使得所施加的压力连续可控。由于前壁由透明有机玻璃板制成，从而在实验过程中还可以看到位移的变化情况。

模型煤层回采通过底板上的千斤顶完成，千斤顶为液压千斤顶，可模拟井下不同采煤方法对煤层进行开采，千斤顶由静态伺服液压控制系统控制。堆砌模型时，将此装置放置在拟开挖区域代替煤层，活塞处于伸出状态，油压管路由后壁上的穿孔引出。

模拟开挖时，通过计算机控制静态伺服液压控制系统将活塞按开挖步骤一次收缩，实现分步卸压，从而模拟开挖。千斤顶活塞与支撑板之间布置有压力传感器并与电脑相连接，可以实时监测矿压变化并绘制压力变化曲线。

模型晾干后，自上而下拆除有机玻璃板，并对预设的煤层或岩层进行开挖，结合全站仪，应力应变读数仪，相机等完成模型开挖与参数测量等工作。

瓦斯抽采装置由钢丝波纹管、测压计、流量计等组成，用于瓦斯抽采模拟实验。通过预置不同方位角和倾角，不同长度的波纹管，模拟不同形式的瓦斯抽采钻孔。从而对各种布置方法的瓦斯抽采钻孔进行模拟，找出最优化的瓦斯抽采钻孔设计方案。当要分析煤岩层在回采过程的裂隙场时，可将波纹管，换成透明玻璃管，直接利用钻孔成像仪对钻孔进行扫描，直观的得到钻孔内裂隙发育的情况。

瓦斯运移监测系统由后壁上的穿孔、可装卸流量计、浓度传感器、压力表组成，模型回采前，在密封的煤层中通入一定浓度和压力的瓦斯，随着模型煤层的回采，煤层覆岩破断，裂隙场形成，瓦斯在裂隙场中运移。通过瓦斯运移监测系统即可对瓦斯流动及富集规律进行监测，从而得到其规律。

本实验模型采用全部密封的形式，通入瓦斯后，能很好地分析破断煤层覆岩中瓦斯运移及抽采时瓦斯变化规律。

所述静态伺服液压控制系统包括油箱、油滤和油泵；所述油滤分别与所述油箱和所述油泵连接，所述油泵连接有电机和单向阀，所述单向阀连接有溢流阀，所述溢流阀上连接有储能器和第一液电转化开关，所述溢流阀与所述第一液电转化开关之间设有第一开关；

所述储能器上连接有第一压力表，所述第一压力表上连接有气控开关，所述气控开关的第一端口连接有压力传感器，所述压力传感器连接有第二液电转化开关，所述压力传感器与所述第二液电转化开关之间设有第二开关；

所述气控开关的第二端口连接有第二压力表、气容和电磁阀；所述电磁阀连接有消音器；

所述气容连接有微调开关，所述微调开关连接有减压阀，所述减压阀连接有压力阀和氮气源。

为了使模型底座支承装置与基坑固定更加牢固，作为优选所述模型底座支承装置包括支承座和锚勾，所述锚勾通过螺栓和螺帽与支承座固定。

在型钢中，工字钢、角钢、槽钢、矩型钢都有较强的综合力学性能，在同等载荷下，矩形截面钢的力学性能优于工字钢、方钢、槽钢等，因此作为优选所述钢板为矩形钢。

本发明的有益效果是：本发明不仅解决了而目前计算机数值模拟解决非连续大变形问题的局限性，避免了不能完整准确的反映具体条件采矿过程中由于采动而引起的岩层运动；同时能对瓦斯在卸压区内的运移规律及瓦斯抽采规律进行试验。

附图说明

图1是本发明一具体实施方式的结构示意图；

图2是静态伺服液压控制系统的具体结构示意图；

图3是图1的左视结构示意图；

图4是图1的后视结构示意图；

图5是图1的俯视结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1、图3、图4、图5所示，包括静态伺服液压控制系统1和模型基台2；所述模型基台2包括底板3、安装在底板3上的前、后、左、右四个侧壁和顶板4，所述底板3、四个侧壁和顶板4围成一个用于填充模拟材料的长方体空间；所述前壁由透明有机玻璃板5制成；所述后壁上设有穿孔105和流量计35，所述后壁由矩形钢板6制成；

如图1、图3所示，所述底板、顶板、左侧壁和右侧壁上均设置有一排千斤顶50，所述千斤顶50的另一端设置有压板100，所述每个千斤顶50上均设置有压力传感器6；

如图1、图3所示，所述静态伺服液压控制系统1的个数为四个，所述四个静态伺服液压控制系统1分别与所述底板、顶板、左侧壁和右侧壁上的千斤顶50相连接；

如图1所示，所述模型基台2中设置有钢丝波纹管7；所述模型基台2的底部设置有模型底座支承装置8。所述模型底座支承装置8包括支承座9和锚勾10，所述锚勾10通过螺栓和螺帽与支承座9固定。

如图2所示，所述静态伺服液压控制系统1包括油箱11、油滤12和油泵13；所述油滤12分别与所述油箱11和所述油泵13连接，所述油泵13连接有电机14和单向阀15，所述单向阀15连接有溢流阀16，所述溢流阀16上连接有储能器17和第一液电转化开关21，所述溢流阀16与所述第一液电转化开关21之间设有第一开关20；

如图2所示，所述储能器17上连接有第一压力表18，所述第一压力表18上连接有气控开关19，所述气控开关19的第一端口连接有压力传感器101，所述压力传感器101连接有第二液电转化开关22，所述压力传感器101与所述第二液电转化开关22之间设有第二开关30；

如图2所示，所述气控开关19的第二端口连接有第二压力表23、气容24和电磁阀25；所述电磁阀25连接有消音器26；

如图2所示，所述气容24连接有微调开关27，所述微调开关27连接有减压阀28，所述减压阀28连接有压力阀29和氮气源31。

(1)相似材料模拟实验基本原理：

相似材料模拟是可许实验的一种，这是人们探讨和认识低压规律的途径之一，用与天然岩石物理力学性质相似的人工材料，按矿山实际原型，遵循一定比例缩小做成模型，然后在模型中开挖巷道模拟采场工作，观察模型的变形，位移，破坏和岩层移动等情况，据以分析，推测原型中发生的情况，这种方法称为相似材料模拟方法。

要使模型中发射功能的情况能如实反映原型中发生的情况，就必须根据问题的性质，找出主要矛盾，并根据主要矛盾，确定原型与模型之间的相似关系和相似准则，所以相似准则要求具备以下几个条件：

①几何相似

(1)

式中a_l—原型与模型长度比；

l_n—原型广义长度；

l_m—模型广义长度；

一般a_l＝20～100。

②运动相似

$a_t=t_n/t_m=\sqrt{a_l}---\left(2\right)$

式中a_t—时间比；

t_n—原型运动所需时间；

t_m—模型运动所需时间；

③动力相似

$a_{\mathrm{\δ}}=\frac{r_n}{r_m}{a}_l---\left(3\right)$

a_δ—应力比；

r_n—原型密度比；

r_m—模型视密度；一般r_m取在1.5～1.8g/cm³，过大容易造成制作模型时夯实困难。过小则使模型材料松散不易成型。

根据相似准则计算模型上相应的参数，相似模型同时满足原由物理力学指标相似是很困难的，也是没有必要的，根据要解决的问题，应选取影响模型与原型的主要指标作为相似参数。故选用强度指标压应力和拉应力作为原型和模型相似的主要指标。

(2)相似材料的选择

相似材料包括骨料和胶结物两部分：骨料：砂子、铝粉、云母粉等；胶结物：水泥，石灰、石膏、石蜡等。相似材料的强度取决于胶结物的强度，而胶结物的强度取决于砂子和胶结物的比例及胶结物成分的比例，即材料配比，所以在模型试验之前，必须进行大量的相似材料配比工作，对每一种材料的配比都要进行力学性质的测定。

(3)相似材料模型制作

相似材料是装在模型架上进行试验的，而模型架是根据研究的内容和要求设计的。模型架可分为平面模型和立体模型架两种。平面模型架可分为水平成层模型架和可调角度模型架。现在大多数采用平面模型架，架子的主体是由槽钢和角钢组成，架子两边上有孔，用以固定模板，模型架尺寸主要决定于长度比尺寸，一般长度为2m到6m，高1.5m到2.5m，宽0.2m到0.8m，架子两边架设模板，模板厚度用3cm木板和金属板，因模型架的高度有限，模拟足够大深度岩石层时，不能完全靠模型材料自重，需要外力载荷，采用杠杆加压或千斤顶加压装置。

制作模型过程，所用的材料质量、体积及配比，都是通过和原形比较计算得出的。所以，如果制作物理相似模型的模型架发生结构变形，比如槽钢弯曲，按设计模型材料制作成的模型一定达不到设计模型要求，和原型在相似比上存在一定误差，影响实验效果，实验记录的数据分析并不能准确的体现原型的在采掘过程的岩层变化状态。

本发明的工作原理如下：

将模型基台放入基坑中，将模型底座支承装置与基坑底固定，以保证在模型基台进行实验时，以确保模型基台的稳固性。

在实验前进行相似材料配比，以确定材料相似强度，并通过相似配比确定所需材料的质量等。绘制材料配比用量表，将每层所需的相似材料按配比称量好，按从下到上进行逐层配料搅拌。

随后根据每层需要配料的量高度以及总高选择适合规格的有机玻璃板，从下到上依次分层进行填料封装，待每块封板填料基本完成后再安装上一块封板。每层厚度设置为3cm，将相似材料均匀水平填装在模型架内，并进行抹平、压实。根据研究范围，可在填料过程中埋设测量应力应变和位移的传感器以测量相关参数。

待填料达到设计高度后，所有封板封装完毕，并拧紧封装螺栓，使模型内部成为一个密闭的立方体。

随后静态伺服液压控制系统通过压力传感器使顶板、左侧壁和右侧壁上的千斤顶实现竖直和水平方向的连续加压，加压的大小通过静态伺服液压控制系统控制，使得所施加的压力连续可控。由于前壁由透明有机玻璃板制成，从而在实验过程中还可以看到位移的变化情况。

模型煤层回采通过底板上的千斤顶完成，千斤顶为液压千斤顶，可模拟井下不同采煤方法对煤层进行开采，千斤顶由静态伺服液压控制系统控制。堆砌模型时，将此装置放置在拟开挖区域代替煤层，活塞处于伸出状态，油压管路由后壁上的穿孔引出。

模拟开挖时，通过计算机控制静态伺服液压控制系统将活塞按开挖步骤一次收缩，实现分步卸压，从而模拟开挖。千斤顶活塞与支撑板之间布置有压力传感器并与电脑相连接，可以实时监测矿压变化并绘制压力变化曲线。

模型晾干后，自上而下拆除有机玻璃板，并对预设的煤层或岩层进行开挖，结合全站仪，应力应变读数仪，相机等完成模型开挖与参数测量等工作。

瓦斯抽采装置由钢丝波纹管、测压计、流量计等组成，用于瓦斯抽采模拟实验。通过预置不同方位角和倾角，不同长度的波纹管，模拟不同形式的瓦斯抽采钻孔。从而对各种布置方法的瓦斯抽采钻孔进行模拟，找出最优化的瓦斯抽采钻孔设计方案。当要分析煤岩层在回采过程的裂隙场时，可将波纹管，换成透明玻璃管，直接利用钻孔成像仪对钻孔进行扫描，直观的得到钻孔内裂隙发育的情况。

瓦斯运移监测系统由后壁上的穿孔、可装卸流量计、浓度传感器、压力表组成，模型回采前，在密封的煤层中通入一定浓度和压力的瓦斯，随着模型煤层的回采，煤层覆岩破断，裂隙场形成，瓦斯在裂隙场中运移。通过瓦斯运移监测系统即可对瓦斯流动及富集规律进行监测，从而得到其规律。

本实验模型采用全部密封的形式，通入瓦斯后，能很好地分析破断煤层覆岩中瓦斯运移及抽采时瓦斯变化规律。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (3)

1.一种煤层覆岩破断煤岩体瓦斯运移及抽采实验系统，其特征在于：包括静态伺服液压控制系统(1)和模型基台(2)；所述模型基台(2)包括底板(3)、安装在底板(3)上的前、后、左、右四个侧壁和顶板(4)，所述底板(3)、四个侧壁和顶板(4)围成一个用于填充模拟材料的长方体空间；所述后侧壁设有气孔管；所述前侧壁由透明有机玻璃板(5)制成；所述后侧壁上设有穿孔(105)和流量计(35)，所述后侧壁由钢板(6)制成；

所述底板、顶板、左侧壁和右侧壁上均设置有一排千斤顶(50)，所述千斤顶(50)的另一端设置有压板(100)，所述每个千斤顶(50)上均设置有压力传感器(101)；

所述静态伺服液压控制系统(1)的个数为四个，所述四个静态伺服液压控制系统(1)分别与所述底板、顶板、左侧壁和右侧壁上的千斤顶(50)相连接；

所述模型基台(2)中设置有钢丝波纹管(7)；所述模型基台(2)的底部设置有模型底座支承装置(8)；

所述静态伺服液压控制系统(1)包括油箱(11)、油滤(12)和油泵(13)；所述油滤(12)分别与所述油箱(11)和所述油泵(13)连接，所述油泵(13)连接有电机(14)和单向阀(15)，所述单向阀(15)连接有溢流阀(16)，所述溢流阀(16)上连接有储能器(17)和第一液电转化开关(21)，所述溢流阀(16)与所述第一液电转化开关(21)之间设有第一开关(20)；

所述储能器(17)上连接有第一压力表(18)，所述第一压力表(18)上连接有气控开关(19)，所述气控开关(19)的第一端口连接有压力传感器(101)，所述压力传感器(101)连接有第二液电转化开关(22)，所述压力传感器(101)与所述第二液电转化开关(22)之间设有第二开关(30)；

所述气控开关(19)的第二端口连接有第二压力表(23)、气容(24)和电磁阀(25)；所述电磁阀(25)连接有消音器(26)；

所述气容(24)连接有微调开关(27)，所述微调开关(27)连接有减压阀(28)，所述减压阀(28)连接有压力阀(29)和氮气源(31)。

2.如权利要求1所述的煤层覆岩破断煤岩体瓦斯运移及抽采实验系统，其特征是：所述模型底座支承装置(8)包括支承座(9)和锚勾(10)，所述锚勾(10)通过螺栓和螺帽与支承座(9)固定。

3.如权利要求1所述的煤层覆岩破断煤岩体瓦斯运移及抽采实验系统，其特征是：所述钢板(6)为矩形钢。