CN104391104B - 一种煤层相似模拟实验装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种煤层相似模拟实验装置，包括有模型架、底板、煤层、上覆岩层、加压装置以及液压泵，该底板、煤层、上覆岩层以及加压装置从下往上依次叠设于模型架内；该煤层包括有开挖煤层与保护煤柱，该保护煤柱分布于开挖煤层的两侧，该开挖煤层与保护煤柱均由合金块构成，该液压泵设置于模型架外，该液压泵通过胶管与合金块连接；通过利用合金块来代替模拟煤层的开采部分，并配合在合金块的表面涂一层环氧树脂材料，再利用环氧树脂溶解液将其溶解，代替了人工开挖煤层，可以精确开挖步距，减少了实验所需时间；且不仅可以减小手工开挖模型在尺寸上的误差，还可以降低开挖模型的劳动强度，同时可以避免开挖过程中产生的扬尘。

Description

一种煤层相似模拟实验装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种煤层相似模拟实验领域技术，特别是指一种实验室模拟煤层采动后上覆岩层变化形态的装置及其使用方法。

背景技术

矿井煤层开采后，上覆岩层随工作面的推进在采场垂直方向上形成垮落带、裂隙带、弯曲下沉带， “覆岩三带”的准确划分是“三下采煤”可行性研究和设计、覆岩离层充填技术研究和应用、突出矿井保护层选择和开采设计，以及上邻近层瓦斯抽放研究和实施的依据。同时，随着煤层工作面的推进，工作面前方的应力也在发生变化，掌握工作面前方应力分布对巷道支护具有重要意义。目前，研究采空区三带、工作面前方应力变化规律方面，技术手段很多，其中实验室相似模拟实验是一种重要手段。众多学者采用相似模拟实验取得了驱动重要研究成果（李树刚，2013，矿业安全与环保；刘秀英，2004，太原理工大学学报）。

传统的相似模拟实验装置，是在长方体试验框架内填入模拟煤层和岩层的相似材料，相似材料主要有河砂、碳酸钙、石膏按照配比构成，岩层用电动锤或铁镐夯实，从而制成模型；通过人工逐次开挖一段距离的煤层模拟材料，模拟出采矿的推进过程。传统实验装置在模拟工作面推进时，需要借助工具逐步开挖模拟煤层的材料，这种方式不仅费时费力，而且不能保证每次开挖的距离相同。中国专利（申请号200810128331.8）公布了一种相似模拟和物理模拟相结合的采场矿压机械模拟试验台，利用模拟橡胶板煤层底板、气囊模拟煤层、由若干橡胶块和硬质材料块连接成整体的层状结构模拟老顶；由于气囊的膨胀不均匀，会影响顶板压力测定的可靠性；由于煤层开采过后，顶板由于卸压而出现膨胀变形现象，层状结构体现不出这种现象；同时，相似模拟是基于“相似三定律”而建立的，由于橡胶的应力、容重固定，不能体现各个岩层的差异。文献（采场下伏煤岩体卸压作用原理及在被保护层卸压瓦斯抽采中的应用，王海锋，2008）利用石蜡易熔化的特性，采用石蜡加热熔化方案代替煤层开挖，这种方法可以避免传统方法开挖的弊端，但是实验中是石蜡融化时间长大69min，从而造成实验周期长；另外，石蜡容易变形，在夯实模型的过程中，很难保证石蜡的厚度达到模拟煤层的高度。

发明内容

有鉴于此，本发明针对现有技术存在之缺失，其主要目的是提供一种结构简单、精确模拟开挖步距的煤层相似模拟实验装置及其使用方法。

为实现上述目的，本发明采用如下之技术方案：

一种煤层相似模拟实验装置，包括有模型架、底板、煤层、上覆岩层、加压装置以及液压泵，该底板、煤层、上覆岩层以及加压装置从下往上依次叠设于模型架内；该煤层包括有开挖煤层与保护煤柱，该保护煤柱分布于开挖煤层的两侧，该开挖煤层与保护煤柱均由合金块构成，该液压泵设置于模型架外，该液压泵通过胶管与合金块连接。

作为一种优选方案，所述合金块的长度为20~30cm，宽度为5~10cm，厚度为2~10cm，开挖煤层的长度为150~200cm，保护煤柱的长度为20~40cm。

作为一种优选方案，所述合金块具有第一进液口、第二进液口、第一出液口以及第二出液口，该第一出液口设置于合金块的左侧上方，该第二出液口设置于合金块的底部，该第一进液口与第一出液口连通，该第二进液口与第二出液口连通，前述胶管连通第一进液口与第二进液口。

作为一种优选方案，所述第一出液口为整排间隔均匀地设置，该第一出液口距离合金块的左侧上边界为2~6mm，相邻两个第一出液口之间间距为4~6cm，每个第一出液口的直径为3~6mm，该第一进液口到每个第一出液口之间的距离均相同。

作为一种优选方案，所述第二出液口为两排间隔均匀地设置，该两排第二出液口关于合金块的中心线对称，相邻两个第二出液口之间间距4~6cm，每个第二出液口的直径为3~6mm，该第二进液口到每个第二出液口之间的距离均相同。

作为一种优选方案，所述液压泵的流量控制在20~200ml/min，压力控制在0.01~0.2MPa。

一种煤层相似模拟实验装置的使用方法，包括以下步骤：

（1）在开展煤层相似模拟实验前，需要将模型架清理干净；

（2）将挡板固定在模型架的前后两侧；

（3）根据材料的配比，利用电子称精确称取所需材料的质量，将材料放入搅拌机内搅拌均匀，配成底板的材料，将材料铺在模型架内，利用电动锤或者铁镐将材料夯实；

（4）在底板上均匀撒上一层厚度为2~4mm云母片；

（5）将模拟开挖煤层的合金块左侧以及底部表面涂一层厚度为2~6mm的环氧树脂胶；

（6）将模拟保护煤柱的合金块以及模拟开挖煤层的合金块依次铺在底板上面，合金块长度方向与模型架宽度方向一致，利用电动锤或者铁镐轻轻夯实，同时在其上面均匀撒一层厚度为2~4mm的云母片；

（7）根据模型搭建实际情况，在挡板正上方固定新的挡板，重复步骤3~6，直至将模型搭建到设计高度，如果实验中只开挖一层煤，则步骤5、6可省略；在模型搭建过程中，根据检测内容，需要在模型中预埋传感器；

（8）待模型干燥后，只保留模型架最上方的一层挡板，其余挡板全部拆除，同时根据模型压力计算结果，在模型上方固定加压装置；

（9）开挖煤层开挖前，通过胶管将液压泵和模拟开挖煤层的合金块相连；通过液压泵将环氧树脂胶溶解液注入合金块的第一进液口与第二进液口内，该液压泵的流量控制在20~200ml/min，压力控制在0.01~0.2MPa；

（10）环氧树脂胶溶解液通过合金块内部通道到达表面，进而将环氧树脂胶溶解，使得合金块与周围材料的缝隙减小，在重力作用下，合金块会掉落在底板上，将合金块取出即可模拟煤层的开采过程；再将胶管与取出的合金块右侧的合金块相连，重复步骤9的过程，可以模拟整个工作面推进过程。

作为一种优选方案，所述加压装置为水袋加压或者千斤顶加压。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果，具体而言，由上述技术方案可知，

通过利用合金块来代替模拟煤层的开采部分，并配合在合金块的表面涂一层环氧树脂材料，再利用环氧树脂溶解液将其溶解，代替了人工开挖煤层，可以精确开挖步距，减少了实验所需时间；且不仅可以减小手工开挖模型在尺寸上的误差，还可以降低开挖模型的劳动强度，同时可以避免开挖过程中产生的扬尘。

为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对本发明进行详细说明。

附图说明

图1是本发明之较佳实施例模拟一层煤的结构示意图；

图2是本发明之较佳实施例之合金块的主视图；

图3是本发明之较佳实施例之合金块的左视图；

图4是本发明之较佳实施例之合金块的仰视图；

图5是图2在A-A处的截面示意图；

图6是图2在B-B处的截面示意图；

图7是图2在C-C处的截面示意图；

图8是图2在D-D处的截面示意图。

附图标识说明。

10、模型架 20、底板

30、煤层 31、合金块

311、第一进液口 312、第二进液口

313、第一出液口 314、第二出液口

32、开挖煤层 33、保护煤柱

40、上覆岩层 50、加压装置

60、液压泵 70、胶管。

具体实施方式

请参照图1至图8所示，其显示出了本发明之较佳实施例的具体结构，包括有模型架10、底板20、煤层30、上覆岩层40、加压装置50以及液压泵60。

其中，该底板20、煤层30、上覆岩层40以及加压装置50从下往上依次叠设于模型架10内。该煤层30包括有开挖煤层32与保护煤柱33，该开挖煤层32与保护煤柱33均由合金块31构成。

该开挖煤层32的长度为150~200cm，该合金块31的长度由模型架10的宽度确定，该合金块31的宽度由开挖步距确定，该合金块31的厚度由煤层30的高度确定。在本实施例中，该合金块31的长度为20~30cm，宽度为5~10cm，厚度为2~10cm。具体而言，该合金块31具有第一进液口311、第二进液口312、第一出液口313以及第二出液口314，该第一进液口311以及第二进液口312设置于合金块31的前侧面上。该第一出液口313设置于合金块31的左侧上方，该第一进液口311与第一出液口313连通（如图5所示），该第一进液口311到每个第一出液口313之间的距离均相同。所述第一出液口313为整排间隔均匀地设置，该第一出液口313距离合金块31的左侧上边界为2~6mm，相邻两个第一出液口313之间间距为4~6cm，每个第一出液口313的直径为3~6mm，该第一出液口313的形状为圆形。该第二出液口314设置于合金块31的底部，该第二进液口312与第二出液口314连通（如图6至图8所示），该第二进液口312到每个第二出液口314之间的距离均相同。所述第二出液口314为两排间隔均匀地设置，该两排第二出液口314关于合金块31的中心线对称，相邻两个第二出液口314之间间距4~6cm，每个第二出液口314的直径为3~6mm，该第二出液口314的形状为圆形。

该保护煤柱33分布于开挖煤层32的两侧，该保护煤柱33用来消除应力的边界效应，保护煤柱33的长度为20~40cm。

该液压泵60设置于模型架10外，该液压泵60通过胶管70与合金块31连接，具体而言，该胶管70连通第一进液口311与第二进液口312。所述液压泵的流量控制在20~200ml/min，压力控制在0.01~0.2MPa。

本发明的使用方法，包括以下步骤：

（1）在开展煤层相似模拟实验前，需要将模型架10清理干净；

（2）将挡板固定在模型架10的前后两侧；

（3）根据材料的配比，利用电子称精确称取所需材料的质量，将材料放入搅拌机内搅拌均匀，配成底板20的材料，将材料铺在模型架10内，利用电动锤或者铁镐将材料夯实；

（4）在底板20上均匀撒上一层厚度为2~4mm云母片；

（5）将模拟开挖煤层32的合金块31左侧以及底部表面涂一层厚度为2~6mm的环氧树脂胶；

（6）将模拟保护煤柱33的合金块31以及模拟开挖煤层32的合金块31依次铺在底板20上面，利用电动锤或者铁镐轻轻夯实，同时在其上面均匀撒一层厚度为2~4mm的云母片；

（7）根据模型搭建实际情况，在挡板正上方固定新的挡板，重复步骤3~6，直至将模型搭建到设计高度，如果实验中只开挖一层煤，则步骤5、6可省略；在模型搭建过程中，根据检测内容，需要在模型中预埋传感器；

（8）待模型干燥后，只保留模型架最上方的一层挡板，其余挡板全部拆除，同时根据模型压力计算结果，在模型上方固定加压装置50，该加压装置50可以为水袋加压或者千斤顶加压；

（9）开挖煤层32开挖前，通过胶管70将液压泵60和模拟开挖煤层32的合金块31相连；通过液压泵60将环氧树脂胶溶解液注入合金块31的第一进液口311与第二进液口312内，该液压泵60的流量控制在20~200ml/min，压力控制在0.01~0.2MPa；

（10）环氧树脂胶溶解液通过合金块31内部通道到达表面，进而将环氧树脂胶溶解，使得合金块31与周围材料的缝隙减小，在重力作用下，合金块31会掉落在底板20上，将合金块31取出即可模拟煤层的开采过程；再将胶管70与取出的合金块31右侧的合金块31相连，重复步骤9的过程，可以模拟整个工作面推进过程。

综上所述，本发明的设计重点在于，通过利用合金块来代替模拟煤层的开采部分，并配合在合金块的表面涂一层环氧树脂材料，再利用环氧树脂溶解液将其溶解，代替了人工开挖煤层，可以精确开挖的步距，减少了实验所需时间；且不仅可以减小手工开挖模型在尺寸上的误差，还可以降低开挖模型的劳动强度，同时可以避免开挖过程中产生的扬尘。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种煤层相似模拟实验装置，其特征在于：包括有模型架、底板、煤层、上覆岩层、加压装置以及液压泵，该底板、煤层、上覆岩层以及加压装置从下往上依次叠设于模型架内；该煤层包括有开挖煤层与保护煤柱，该保护煤柱分布于开挖煤层的两侧，该开挖煤层与保护煤柱均由合金块构成，该液压泵设置于模型架外，该液压泵通过胶管与合金块连接；所述合金块具有第一进液口、第二进液口、第一出液口以及第二出液口，该第一出液口设置于合金块的左侧上方，该第二出液口设置于合金块的底部，该第一进液口与第一出液口连通，该第二进液口与第二出液口连通，前述胶管连通第一进液口与第二进液口。

2.根据权利要求1所述的一种煤层相似模拟实验装置，其特征在于：所述合金块的长度为20~30cm，宽度为5~10cm，厚度为2~10cm，开挖煤层的长度为150~200cm，保护煤柱的长度为20~40cm。

3.根据权利要求1所述的一种煤层相似模拟实验装置，其特征在于：所述第一出液口为整排间隔均匀地设置，该第一出液口距离合金块的左侧上边界为2~6mm，相邻两个第一出液口之间间距为4~6cm，每个第一出液口的直径为3~6mm，该第一进液口到每个第一出液口之间的距离均相同。

4.根据权利要求1所述的一种煤层相似模拟实验装置，其特征在于：所述第二出液口为两排间隔均匀地设置，两排第二出液口关于合金块的中心线对称，相邻两个第二出液口之间间距4~6cm，每个第二出液口的直径为3~6mm，该第二进液口到每个第二出液口之间的距离均相同。

5.根据权利要求1所述的一种煤层相似模拟实验装置，其特征在于：所述液压泵的流量控制在20~200ml/min，压力控制在0.01~0.2MPa。

6.根据权利要求1至5中任一项权利要求所述的一种煤层相似模拟实验装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）在开展煤层相似模拟实验前，需要将模型架清理干净；

（2）将挡板固定在模型架的前后两侧；

（3）根据材料的配比，利用电子称精确称取所需材料的质量，将材料放入搅拌机内搅拌均匀，配成底板的材料，将材料铺在模型架内，利用电动锤或者铁镐将材料夯实；

（4）在底板上均匀撒上一层厚度为2~4mm云母片；

（5）将模拟开挖煤层的合金块左侧以及底部表面涂一层厚度为2~6mm的环氧树脂胶；

（6）将模拟保护煤柱的合金块以及模拟开挖煤层的合金块依次铺在底板上面，合金块长度方向与模型架宽度方向一致，利用电动锤或者铁镐轻轻夯实，同时在其上面均匀撒一层厚度为2~4mm的云母片；

（7）根据模型搭建实际情况，在挡板正上方固定新的挡板，重复步骤（3）～（6），直至将模型搭建到设计高度，如果实验中只开挖一层煤，则重复步骤（3）～（4）；在模型搭建过程中，根据检测内容，需要在模型中预埋传感器；

（8）待模型干燥后，只保留模型架最上方的一层挡板，其余挡板全部拆除，同时根据模型压力计算结果，在模型上方固定加压装置；

（9）开挖煤层开挖前，通过胶管将液压泵和模拟开挖煤层的合金块相连；通过液压泵将环氧树脂胶溶解液注入合金块的第一进液口与第二进液口内，该液压泵的流量控制在20~200ml/min，压力控制在0.01~0.2MPa；

（10）环氧树脂胶溶解液通过合金块内部通道到达表面，进而将环氧树脂胶溶解，使得合金块与周围材料的缝隙减小，在重力作用下，合金块会掉落在底板上，将合金块取出即可模拟煤层的开采过程；再将胶管与取出的合金块右侧的合金块相连，重复步骤9的过程，模拟整个工作面推进过程。

7.根据权利要求6所述的一种煤层相似模拟实验装置的使用方法，其特征在于：所述加压装置为水袋加压或者千斤顶加压。