CN104090087B - 煤矿陷落柱突水地质力学流固耦合试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤矿陷落柱突水地质力学流固耦合试验装置，包括试验台架和陷落柱模拟装置，试验台架为上部开口的箱型结构，其内部铺设若干层相似材料，相似材料中能开挖巷道或开采面；陷落柱模拟装置包括上部和下部均开口的有机玻璃桶，有机玻璃桶的上口部位设有有机玻璃提升装置和硬塑料挡板，有机玻璃提升装置设有提升杆，提升杆连接有提升绳。可用于模拟巷道开挖或者煤层开采等条件下的施工过程，采集突水先兆信息，研究施工过程中围岩力学、变形和陷落柱渗流规律，有利于实际工程的安全施工和灾害预警。
Description
技术领域
本发明涉及一种地质力学试验技术，尤其涉及一种煤矿陷落柱突水地质力学流固耦合试验装置。
背景技术
岩溶陷落柱是华北型煤田中常见的一种地质构造，大多数陷落柱并不导水，但是极少数具有强导水性的陷落柱引起过重大的突水灾害。陷落柱突水具有突水量大，突水速度快，突出物量大等特点，对矿井安全有极大的威胁。
目前，陷落柱问题逐渐受到了工程人员和科技工作者的重视，我国学者开展了大量的模型试验研究工作，但也存在明显的弱点。
现有技术中的研究集中在陷落柱的形成机理和预测、治理方面，关于陷落柱突水机理尤其是滞后突水机理的研究不足，三维相似物理模拟试验更几乎空白，尤其是对于陷落柱的制作设备和工艺鲜有涉及。
发明内容
本发明的目的是提供一种可以模拟巷道开挖或者开采面开采等其他因素影响下岩溶陷落柱施工过程力学和变形规律的煤矿陷落柱突水地质力学流固耦合试验装置。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的煤矿陷落柱突水地质力学流固耦合试验装置，包括试验台架和陷落柱模拟装置，所述试验台架为上部开口的箱型结构，其内部铺设若干层相似材料，所述相似材料中能开挖巷道或开采面；
所述陷落柱模拟装置包括上部和下部均开口的有机玻璃桶，所述有机玻璃桶的上口部位设有有机玻璃提升装置和硬塑料挡板，所述有机玻璃提升装置设有提升杆，所述提升杆连接有提升绳。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的煤矿陷落柱突水地质力学流固耦合试验装置，由于包括试验台架和陷落柱模拟装置，试验台架为上部开口的箱型结构，陷落柱模拟装置包括上部和下部均开口的有机玻璃桶，所述有机玻璃桶的上口部位设有有机玻璃提升装置和硬塑料挡板，有机玻璃提升装置设有提升杆，提升杆连接有提升绳，结构简单、模拟逼真，可用于模拟巷道开挖或者煤层开采等条件下的施工过程，采集突水先兆信息，研究施工过程中围岩力学、变形和陷落柱渗流规律，有利于实际工程的安全施工和灾害预警。
附图说明
图1为本发明实施例中陷落柱模拟装置的各部分示意图；
图2为本发明实施例中提升装置示意图；
图3为本发明实施例中组装完成后全断面导水陷落柱模拟装置示意图；
图4为本发明实施例中边缘导水陷落柱制作方法流程图；
图5为本发明实施例中边缘导水陷落柱制作过程第一循环示意图；
图6为本发明实施例中全断面导水陷落柱制作过程中间循环示意图；
图7为本发明实施例中边缘导水陷落柱制作过程最后循环示意图。
图中：
1.内层有机玻璃桶；2.内层有机玻璃提升装置；3.内层硬塑料挡板；4.提升杆；5.连接螺杆；6.外层有机玻璃桶；7.外层有机玻璃提升装置；8.外层硬塑料挡板；9.有机玻璃提升构件；10.压紧螺母；11.直提升杆；12.弯折提升杆；13.试验台架；14.相似材料；15.松散颗粒材料；16.提升绳。
具体实施方式
下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。
本发明的煤矿陷落柱突水地质力学流固耦合试验装置，其较佳的具体实施方式是：
包括试验台架和陷落柱模拟装置，所述试验台架为上部开口的箱型结构，其内部铺设若干层相似材料，所述相似材料中能开挖巷道或开采面；
所述陷落柱模拟装置包括上部和下部均开口的有机玻璃桶，所述有机玻璃桶的上口部位设有有机玻璃提升装置和硬塑料挡板，所述有机玻璃提升装置设有提升杆，所述提升杆连接有提升绳。
所述提升杆包括呈十字交叉设置的直提升杆和弯折提升杆，所述有机玻璃提升装置包括4个固定在所述有机玻璃桶的上口的有机玻璃提升构件，所述直提升杆和弯折提升杆穿过所述有机玻璃提升构件后用压紧螺母固定。
所述有机玻璃桶有一层或多层，多层有机玻璃桶之间通过连接螺杆连接。
该装置在进行全断面导水陷落柱试验时，所述陷落柱模拟装置选用一层有机玻璃桶，将所述陷落柱模拟装置置于所述试验台架的底部，在有机玻璃桶的外部填充非导水段的相似材料，在有机玻璃桶的内部填充导水段的松散颗粒状材料，提出所述有机玻璃桶后即在所述相似材料中制作成全断面导水陷落柱。
该装置在进行边缘导水陷落柱试验时，所述陷落柱模拟装置选用两层有机玻璃桶，将所述陷落柱模拟装置置于所述试验台架的底部，在外层有机玻璃桶的外部和内层有机玻璃桶的内部填充非导水段的相似材料，在两层有机玻璃桶之间填充导水段的松散颗粒状材料，提出所述有机玻璃桶后即在所述相似材料中制作成边缘导水陷落柱。
在制作导水陷落柱的过程中，采用逐层填充夯实并逐层提升所述陷落柱模拟装置的方法。
本发明的煤矿陷落柱突水地质力学流固耦合试验装置，结构简单、模拟逼真，可用于模拟巷道开挖或者煤层开采等条件下的施工过程，采集突水先兆信息，研究施工过程中围岩力学、变形和陷落柱渗流规律，有利于实际工程的安全施工和灾害预警的相似模拟试验中岩溶陷落柱及制作。
本发明的原理是：
依据工程背景，按照试验设计组装好陷落柱模拟装置。模拟全断面导水陷落柱为一个外径为试验设计陷落柱直径的有机玻璃桶；模拟边缘导水陷落柱的为两个有机玻璃桶，其外层桶外径为陷落柱直径，内层桶内径为中央阻水段的直径，两桶通过距桶底部30cm的螺旋孔由螺杆相连；利用玻璃胶将四个有机玻璃提升装置平均分布，粘结在有机玻璃桶顶部，粘结高度1cm；
铺设相似材料，将相似材料依据工程背景中岩土体强度和水理特性在试验台架中分层铺设，且可按实际岩土层倾角铺设；
待试验箱体内铺设相应相似模拟材料至试验设计的陷落柱底部所处的位置后，依据工程背景中的角度和方位安置陷落柱模拟装置；
首先在设备内部设计的导水段位置(全断面导水陷落柱试验时为全断面，边缘导水陷落柱试验时为两桶中间位置)填充试验用松散颗粒材料40cm，在设计的非导水段(全断面导水陷落柱试验时为有机玻璃桶外层，边缘导水陷落柱试验时还有内层桶的内部)铺设相似模拟材料20cm，以固定住试验装置；
将金属提升杆对中插入有机玻璃提升装置，拧紧螺丝以固定提升杆，提升杆两端绑紧共端的两根提升绳，利用人力或机械力抬起提升绳，以实验设计的陷落柱角度提升装置10cm并转动提升杆以使松散颗粒材料均匀分布，并使陷落柱外侧和相似材料的接触面松散并粗糙，再拆下提升绳和提升杆。再分别在陷落柱内外相应位置填筑松散颗粒材料和相似模拟材料10cm，填筑过程中转动硬塑料挡板使对应位置空间最大化(填筑松散颗粒材料时，外层挡板向外，内层挡板向内；填筑相似材料时外层挡板向内，内层挡板向外)。然后循环抬起和填筑直至装置底面于试验设计的陷落柱上沿位置20cm，填筑外层相似模拟材料(边缘导水陷落柱还包括内层相似模拟材料)至设计陷落柱上沿位置，拔出装置。
本发明中的相似材料、松散颗粒材料和试验台架均为现有材料和设备，在此不再赘述。
本发明按照实际工程中的陷落柱形状和大小，通过相似比换算后，用导水性好的松散颗粒材料模拟陷落柱中的导水段，用导水性较差的相似模拟材料模拟陷落柱中的阻水段；利用陷落柱模拟装置定位并固定相应材料，按照试验设计的要求把陷落柱制作过程分为既能满足现有施工条件又能保证试验目的的若干循环，每个循环以内分别完成内部填充、外部填充和提升装置等工序，并通过反复循环完成陷落柱的制作；待相应材料干燥粘结以后，含水层按照试验设计导水，完成相应突水试验。
本发明研究了模型试验中岩溶陷落柱的制作装置和制作方法，解决了岩溶陷落柱突水试验中的岩溶陷落柱制作和模拟问题。将岩溶陷落柱按照工程背景和试验设计要求模拟在相应位置，与前人研究相比，填补了岩溶陷落柱突水机理三维地质力学试验的空白，与工程实践更加接近，所能进行的地质力学相似模拟试验的适用范围更广。
本发明解决了岩溶陷落柱突水试验中的岩溶陷落柱制作和模拟问题，具有以下优点：
能成功的模拟不同倾角、不同大小的岩溶陷落柱；
不仅能够模拟全断面导水陷落柱，还可以模拟边缘导水陷落柱；
可以成功的模拟陷落柱和周边岩体的接触面；
能够保证相似模拟材料成功铺设，材料铺设过程中，装置内外的材料都可以按照试验设计保持各自的稳定；
便于安排施工顺序，施工工艺相对简便；
制作成的岩溶陷落柱可以模拟巷道开挖或者开采面开采等其他因素影响下岩溶陷落柱施工过程力学和变形规律等。
具体实施例：
如图1至图7所示，包括一套流固耦合模型试验台架13和一套陷落柱模拟系统。所述试验台架为刚性透明台架。所述陷落柱模拟系统包括陷落柱模拟装置和陷落柱模拟材料，所述陷落柱模拟材料包括模拟陷落柱导水段的松散颗粒材料15和模拟陷落柱非导水段的相似材料14。所述陷落柱模拟装置由有机玻璃桶6、有机玻璃提升装置7以及硬塑料挡板8组成。当模拟边缘导水陷落柱时还需利用连接螺杆5连接内外两个有机玻璃桶1和6，有机玻璃提升装置7包括有机玻璃提升构件9和压紧螺母10，可通过由直提升杆11和弯折提升杆12组成的提升杆4固紧提升绳16，同时，若提升提升绳16时，便可提升整个装置。
其陷落柱模拟方法包括以下几步：
A.按照试验要求选用相应大小的有机玻璃桶1和6，并组装连接螺杆5和有机玻璃提升装置2和7，对应图7中的S1；
B.在试验箱体内铺设相应相似模拟材料14至试验设计的陷落柱底部所处的位置和角度，对应图7中的S2；
C.将安装好的陷落柱模拟装置吊装至试验设计位置S3；
D.在导水段铺设40cm松散颗粒材料15，夯实以固定陷落柱模拟装置，对应图7中的S4；
E.在非导水段按照试验设计铺设相似材料14，铺设时旋转相应硬塑料挡板3和8，使相应位置的空间最大化，以稳定陷落柱模拟装置，对应图7中S5；
F.等待2小时，待相似材料基本胶结以后安装金属提升杆4旋转并上提模拟装置10cm，使松散颗粒状材料和相似模拟材料的边界松散、粗糙接触，并卸下金属提升杆4，对应图7中的S7、S8；
G.分别填筑模拟材料14、15各10cm，再组装提升杆提升，对应图7中的S9、S10；
H.重复进行填筑和提升，直至试验设计的陷落柱顶面，提出陷落柱模拟装置至实验台架13以外，待相似材料胶结干燥后，完成陷落柱的制作。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种煤矿陷落柱突水地质力学流固耦合试验装置，其特征在于，包括试验台架和陷落柱模拟装置，所述试验台架为上部开口的箱型结构，其内部铺设若干层相似材料，所述相似材料中能开挖巷道或开采面；
所述陷落柱模拟装置包括上部和下部均开口的有机玻璃桶，所述有机玻璃桶的上口部位设有有机玻璃提升装置和硬塑料挡板，所述有机玻璃提升装置设有提升杆，所述提升杆连接有提升绳。
2.根据权利要求1所述的煤矿陷落柱突水地质力学流固耦合试验装置，其特征在于，所述提升杆包括呈十字交叉设置的直提升杆和弯折提升杆，所述有机玻璃提升装置包括4个固定在所述有机玻璃桶的上口的有机玻璃提升构件，所述直提升杆和弯折提升杆穿过所述有机玻璃提升构件后用压紧螺母固定。
3.根据权利要求2所述的煤矿陷落柱突水地质力学流固耦合试验装置，其特征在于，所述有机玻璃桶有一层或多层，多层有机玻璃桶之间通过连接螺杆连接。
4.根据权利要求3所述的煤矿陷落柱突水地质力学流固耦合试验装置，其特征在于，该装置在进行全断面导水陷落柱试验时，所述陷落柱模拟装置选用一层有机玻璃桶，将所述陷落柱模拟装置置于所述试验台架的底部，在有机玻璃桶的外部填充非导水段的相似材料，在有机玻璃桶的内部填充导水段的松散颗粒状材料，提出所述有机玻璃桶后即在所述相似材料中制作成全断面导水陷落柱。
5.根据权利要求3所述的煤矿陷落柱突水地质力学流固耦合试验装置，其特征在于，该装置在进行边缘导水陷落柱试验时，所述陷落柱模拟装置选用两层有机玻璃桶，将所述陷落柱模拟装置置于所述试验台架的底部，在外层有机玻璃桶的外部和内层有机玻璃桶的内部填充非导水段的相似材料，在两层有机玻璃桶之间填充导水段的松散颗粒状材料，提出所述有机玻璃桶后即在所述相似材料中制作成边缘导水陷落柱。
6.根据权利要求4或5所述的煤矿陷落柱突水地质力学流固耦合试验装置，其特征在于，在制作导水陷落柱的过程中，采用逐层填充夯实并逐层提升所述陷落柱模拟装置的方法。
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