CN104568593B - 固体充填法采煤二维物理模拟实验装置及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固体充填法采煤二维物理模拟实验装置及实验方法，涉及借助于测定材料的化学或物理性质来测试或分析材料技术领域。所述实验装置包括二维物理模拟实验台以及若干个固体充填相似材料模具，所述二维物理模拟试验台上堆筑有岩层物理模型，所述岩层物理模型的采煤层中设有模拟支架，采煤层的采空区设有固体充填相似材料模具，所述模拟支架和固体充填相似材料模具上设有压力传感器，所述采煤层上下两侧的岩层物理模型上设有位移监测点。所述方法操作简单，测量方便，能预先精确设定固体充填相似材料的压实度。

Description

固体充填法采煤二维物理模拟实验装置及实验方法

技术领域

本发明涉及借助于测定材料的化学或物理性质来测试或分析材料技术领域，尤其涉及一种固体充填法采煤二维物理模拟实验装置及实验方法。

背景技术

固体充填法采煤是将煤矸石、粉煤灰、炉渣、尾矿、建筑垃圾、土等一种或多种材料混合充填入开采后形成的空间，以控制围岩的移动和矿压显现强度的采煤方法。固体充填法采煤对保护地表工程建筑、防治顶底板突水等方面效果明显，能消耗大量固体废弃物、对生态环境的破环程度较小、成本较其它充填采煤方法低，因而得到较多采用。

物理模拟实验是研究采煤活动中煤岩层移动和矿压显现规律的常用方法，可分为二维（平面）物理模拟实验和三维物理模拟实验两类。二维物理模拟实验使用材料少，模型堆筑和煤层开挖相对方便、工作量少，应力和位移的观测相对直观和方便，在把煤层开采看作平面应变问题时被广泛采用。

申请号为201110097491.2的专利文献提的模拟充填的解决方法：“充填体夯实机构包括夯实机构前后行走导轨、安装在夯实机构前后行走导轨上的夯实机构左右行走导轨、安装在夯实机构左右行走导轨上的液压缸、安装在液压缸活塞端的夯实推板、布置在液压缸活塞和夯实推板之间的传感器”。“将固体充填料充入三维箱体内，随着工作面推进充填材料不断充入采空区，并通过布置在工作面的带有压力传感器的液压夯实机构对充填材料夯实”。

申请号为201110121561.3的专利文献提出的模拟充填的解决方法是：“设在仿真煤层处的支撑架，支撑架上设有模拟综采充填支架，模拟综采充填支架包括推压板、与推压板相连的推压双向油缸，推压双向油缸的前部设有固定块，推压双向油缸经油管连接有油泵，推压板上设有推压调节装置”。“对模拟综采充填支架后的采空区充填仿真采空区充填物料，并在仿真采空区充填物料内埋设多信息无线传感器”。“启动油泵的控制开关，首先调节推压双向油缸和固定块，固定推压板的位置，然后通过依次推压调节压块前后上下推压仿真采空区充填物料直至密实”。

申请号为201110121563.2的专利文献提出的模拟充填的解决方法与申请号为201110121561.3的专利文献基本相同。以上解决方法的缺点是结构较为复杂，对液压设备和机械传动设备的控制精度要求高。

受物理模拟实验台尺寸和工程量的限制，模型是不能做得太大的。因此煤层的厚度一般较小，向模型内部添加固体充填相似材料很不方便，也不易做到铺设均匀。机械装置复杂，不易精确控制压实程度，如果固体充填相似材料含有水分，还可能会浸湿煤层的顶板和底板，从而改变顶板和底板的力学性质。（这里要说明的是模拟实验中模型材料遇水后的性质改变和工程中顶底板遇水后性质的改变在规律上未必一致）。另外，实际采煤过程中受顶梁移动的影响，很难做到100%的接顶率，也不是所有充填都要求达到很高的充填率。还有就是在推压固体充填相似材料的过程中，可能造成压力传感器方位和位置的变化，使实验准确性降低。因而这几种模拟方法具有一定局限性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种固体充填法采煤二维物理模拟实验装置及实验方法，所述方法操作简单，测量方便，能预先精确设定固体充填相似材料的压实度。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种固体充填法采煤二维物理模拟实验装置，其特征在于：所述实验装置包括二维物理模拟实验台以及若干个固体充填相似材料模具，所述二维物理模拟试验台上堆筑有岩层物理模型，所述岩层物理模型的采煤层中设有模拟支架，采煤层的采空区设有固体充填相似材料模具，所述模拟支架和固体充填相似材料模具上设有压力传感器，所述采煤层上下两侧的岩层物理模型上设有位移监测点。

进一步的技术方案在于：所述岩层物理模型的表面设有第一压力调整板，所述第一压力调整板的上表面设有压力调整装置，所述压力调整装置的上端设有第二压力调整板，所述第二压力调整板与所述二维物理模拟实验台固定连接。

进一步的技术方案在于：所述压力调整装置为液压气缸或液压油缸。

进一步的技术方案在于：所述固体充填相似材料模具包括模具本体、模具本体内的固体充填相似材料以及压力传感器，所述模具本体包括前挡板、后挡板、左活动挡板、右活动挡板和底板，所述前挡板和后挡板可分离的连接于所述底板的前后两侧，所述左活动挡板和右活动挡板设置在所述底板的左右两侧，所述模具本体包括前挡板、后挡板、左活动挡板、右活动挡板和底板围合成放置固定充填材料的盆状结构，所述后挡板上开设有通线孔，所述压力传感器位于所述固体充填相似材料内，压力传感器的信号输出端通过信号线经后挡板上的通线孔向模具本体的外部引出。

进一步的技术方案在于：所述固体充填相似材料的上表面设有塑料薄膜。

进一步的技术方案在于：所述前挡板和后挡板由透明材料制成。

进一步的技术方案在于：所述前挡板和后挡板采用有机玻璃板。

与上述实验装置相对应的，本发明还公开了一种固体充填法采煤二维物理模拟实验方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

（1）测定在煤层开采过程中实际充填材料在实际压实度条件下的压缩曲线；

（2）根据实际充填材料在实际压实度条件下的压缩曲线和应力相似条件配置固体充填相似材料，确定固体原料的颗粒级配、配合比例、混合材料的水含量及起始压实程度；

（3）计算固体充填相似材料模具的底部面积，按照实验所得的压实度以及需要模拟的充填率，计算所需固体充填相似材料的多少，将固体充填相似材料均匀装入模具本体内，向下压至需要模拟的充填率高度；

（4）随着工作面进行煤层开采，向左移动模拟支架，然后将固体充填相似材料模具连同固体充填相似材料插入开采空间，之后抽出相应的左、右活动挡板并调整固体充填相似材料模具的位置，完成一次充填；

（5）在充填到设定位置时，在固体充填相似材料模具内放置压力传感器；

（6）在岩层物理模型的位移监测点放置位移传感器；

（7）在开挖、支护和充填的过程中以及以后的设定时间内，通过仪器测记煤岩层移动变形和破坏情况，并测记模型内部煤岩层和充填体的压力变化。

进一步的技术方案在于：如果固体充填相似材料中含有水分，则在固体充填相似材料上面加盖一层塑料薄膜。

进一步的技术方案在于：所述步骤具体为：在需开采煤层的设定位置上开切眼，然后放置模拟支架，模拟支架上设置压力传感器，在工作面进行煤层开采第一步，向左移动模拟支架，将固体充填相似材料模具连同固体充填相似材料插入到开采空间，抽出右活动挡板，将固体充填相似材料模具整体右移，弥补抽出右活动挡板形成的固体充填相似材料与煤壁的缝隙；依照几何和时间相似条件开挖第二步，向左移动模拟支架，然后充填第二步，之后抽出第一次充填的左活动挡板和第二次充填的右活动挡板，并将第二次充填的固体充填相似材料模具整体右移，弥补抽出挡板形成的固体充填相似材料间的缝隙，以后的充填开采过程依次类推；根据研究问题的需要，在充填到设定位置时，在固体充填相似材料模具内的固体充填相似材料中放置压力传感器，将压力传感器的信号线穿过通线孔，放置压力传感器时，要保证其位置和倾角的准确。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明所述方法操作简单，配料精确，测量方便，能预先精确设定固体充填相似材料的压实度。实验中，固体充填相似材料可做到不与采煤层之上的顶板以及之下的底板直接接触，避免了由于水份作用改变顶底板模型材料的性质。固体充填相似材料内部的压力传感器位置和方位准确，能够直观得出固体充填相似材料的变形情况。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明所述实验装置的结构示意图；

图2是图1中固体充填相似材料模具的结构示意图；

其中：1、固体充填相似材料模具 2、底板 3、前挡板 4、后挡板 5、左活动挡板 6、右活动挡板 7、通线孔 8、信号线 9、压力传感器 10、二维物理模拟实验台 11、位移监测点12、模拟支架 13、岩层物理模型 14、采煤层 15、第一压力调整板 16、压力调整装置 17、第二压力调整板。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1所示本发明公开了一种固体充填法采煤二维物理模拟实验装置，所述实验装置包括二维物理模拟实验台10以及若干个固体充填相似材料模具1。所述二维物理模拟试验台10上堆筑有岩层物理模型13，岩层物理模型13用于模拟实际的岩层结构。所述岩层物理模型13的采煤层14中设有模拟支架12，采煤层14的采空区设有固体充填相似材料模具1。所述模拟支架12和固体充填相似材料模具1上设有压力传感器9，所述采煤层14上下两侧的岩层物理模型上设有位移监测点11，所述位移监测点11上设有位移传感器。

所述岩层物理模型13的表面设有第一压力调整板15，所述第一压力调整板15的上表面设有压力调整装置16，所述压力调整装置16的上端设有第二压力调整板17，所述第二压力调整板17与所述二维物理模拟实验台10固定连接。所述压力调整装置16一般为液压气缸或液压油缸。压力调整装置16用于输出动力作用于第一压力调整板15，调节岩层物理模型13的岩层之间的压力。

如图2所示，所述固体充填相似材料模具1包括模具本体、模具本体内的固体充填相似材料以及压力传感器9，所述模具本体包括前挡板3、后挡板4、左活动挡板5、右活动挡板6和底板2。理论上，固体充填相似材料模具1的前后内边缘距离与二维物理模型的厚度相等。为了避免上层岩层下沉过程中与固体充填相似材料模具1的内壁摩擦影响实验效果，根据实际情况将底板2稍稍加长，本实施例中底板2比二维物理模型的厚度加大了4mm。

所述前挡板3和后挡板4可分离的连接于所述底板2的前后两侧，前挡板3和后挡板4由透明材料制成，本实施例中采用有机玻璃板。底板2在满足强度和刚度条件下尽可能薄，本实施例中的底板2由高强度钢板制成。本实施例中前挡板3与底板2之间采用螺栓连接，前挡板3的固体充填相似材料模具1内侧表面采用沉头螺杆形式，以避免造成前挡板3的固体充填相似材料模具1内侧表面的不平整。后挡板4与底板2采用螺钉连接方式。

所述左活动挡板5和右活动挡板6设置在所述底板2的左右两侧，所述模具本体包括前挡板3、后挡板4、左活动挡板5、右活动挡板6和底板2围合成放置固定充填材料的盆状结构。所述后挡板4上开设有通线孔7，所述压力传感器9位于所述固体充填相似材料内，压力传感器9的信号输出端通过信号线）经后挡板上的通线孔7向模具本体的外部引出。固体充填相似材料模具1的高度与煤层开采厚度相同。

在有些情况下，很难做到固体充填相似材料模具1的高度与模型中煤层开采高度完全一致。在本实施例中，在固体充填相似材料模具1内部装填完充填材料后，将后挡板4撤掉，利用固体充填相似材料的粘结力保持自立，将固体充填相似材料模具1连同固体充填相似材料插入开采空间，装上后挡板4，用螺钉固定后挡板4和底板2，这样就避免了后挡板4对顶板可能造成的损伤。底板2的底部应光滑平整，以避免插入开采空间时对底板造成破环。在本实施例中，底板2的底部采用抛光处理。

与上述实验装置相对应的，本发明还公开了一种固体充填法采煤二维物理模拟实验方法，所述方法包括如下步骤：

（1）在所述实验前，首先在煤层开采过程中实际充填材料在实际压实度条件下的压缩曲线。

（2）根据实际充填材料在实际压实度条件下的压缩曲线和应力相似条件配置固体充填相似材料，确定固体原料的颗粒级配、配合比例、混合材料的水含量及起始压实程度；

（3）根据工程实际煤层赋存情况，遵循相似原理，在二维物理模拟实验台10上堆筑岩层物理模型13。堆筑过程中，根据要研究问题的实际情况，在煤岩层内部设定位置埋设压力传感器9，引出压力传感器信号线8，以方便记录煤岩层内部的压力变化情况，待模型晾干后，在模型表面布设位移测点11。

（4）计算固体充填相似材料模具1的底部面积，按照实验所得的压实度，需要模拟的充填率计算所需固体充填相似材料的多少，将固体充填相似材料均匀装入固体充填相似材料模具1，向下压至需要模拟的充填率高度，在压实过程中需要保证压实的均匀。

（5）在固体充填相似材料上面加盖一层塑料薄膜，减小因水分的蒸发对固体充填相似材料性质的影响，亦避免顶板岩层遇水后性质发生变化。

（6）在需开采煤层的设定位置上开切眼，然后放置模拟支架12，模拟液压支架对顶板的作用。模拟支架12上设置了压力传感器9。在工作面进行煤层开采第一步。向左移动模拟支架12，将固体充填相似材料模具1连同固体充填相似材料插入开采空间，抽出右活动挡板6，将固体充填相似材料模具1整体右移，弥补抽出右活动挡板6形成的固体充填相似材料与煤壁的缝隙。依照几何和时间相似条件开挖第二步，向左移动模拟支架12，然后充填第二步。之后抽出第一次充填的左活动挡板5和第二次充填的右活动挡板6，并将第二次充填的固体充填相似材料模具1整体右移，弥补抽出挡板形成的固体充填相似材料间的缝隙。以后的充填开采过程依次类推。根据研究问题的需要，在充填到设定位置时，在固体充填相似材料模具1内的固体充填相似材料中放置压力传感器9，将压力传感器的信号线8穿过通线孔7，放置压力传感器9时，要保证其位置和角度的准确。

（7）在岩层物理模型13的位移监测点放置位移传感器；

（8）在开挖、支护和充填的过程中以及以后的设定时间内，通过仪器测记煤岩层移动变形和破坏情况，并测记模型内部煤岩层和充填体的压力变化。

本发明所述方法操作简单，配料精确，测量方便，能预先精确设定固体充填相似材料的压实度。实验中，固体充填相似材料可做到不与采煤层之上的顶板以及之下的底板直接接触，避免了由于水份作用改变顶底板模型材料的性质。固体充填相似材料内部的压力传感器位置和方位准确，能够直观得出固体充填相似材料的变形情况。

Claims (3)

1.一种固体充填法采煤二维物理模拟实验方法，所述方法使用固体充填法采煤二维物理模拟实验装置，所述实验装置包括二维物理模拟实验台（10）以及若干个固体充填相似材料模具（1），所述二维物理模拟试验台（10）上堆筑有岩层物理模型（13），所述岩层物理模型（13）的采煤层（14）中设有模拟支架（12），采煤层（14）的采空区设有固体充填相似材料模具（1），所述模拟支架（12）和固体充填相似材料模具（1）上设有压力传感器（9），所述采煤层（14）上下两侧的岩层物理模型上设有位移监测点（11）；所述岩层物理模型（13）的表面设有第一压力调整板（15），所述第一压力调整板（15）的上表面设有压力调整装置（16），所述压力调整装置（16）的上端设有第二压力调整板（17），所述第二压力调整板（17）与所述二维物理模拟实验台（10）固定连接；所述固体充填相似材料模具（1）包括模具本体、模具本体内的固体充填相似材料以及压力传感器（9），所述模具本体包括前挡板（3）、后挡板（4）、左活动挡板（5）、右活动挡板（6）和底板（2），所述前挡板（3）和后挡板（4）可分离的连接于所述底板（2）的前后两侧，所述左活动挡板（5）和右活动挡板（6）设置在所述底板（2）的左右两侧，所述模具本体包括前挡板（3）、后挡板（4）、左活动挡板（5）、右活动挡板（6）和底板（2）围合成放置固定充填材料的盆状结构，所述后挡板（4）上开设有通线孔，所述压力传感器（9）位于所述固体充填相似材料内，压力传感器（9）的信号输出端通过信号线经后挡板上的通线孔向模具本体的外部引出；所述前挡板（3）和后挡板（4）由透明材料制成，其特征在于所述方法包括如下步骤：

1）测定在煤层开采过程中实际充填材料在实际压实度条件下的压缩曲线；

2）根据实际充填材料在实际压实度条件下的压缩曲线和应力相似条件配置固体充填相似材料，确定固体原料的颗粒级配、配合比例、混合材料的水含量及起始压实程度；

3）计算固体充填相似材料模具（1）的底部面积，按照实验所得的压实度以及需要模拟的充填率，计算所需固体充填相似材料的多少，将固体充填相似材料均匀装入模具本体内，向下压至需要模拟的充填率高度；

4）随着工作面进行煤层开采，向左移动模拟支架（12），然后将固体充填相似材料模具（1）连同固体充填相似材料插入开采空间，之后抽出相应的左、右活动挡板并调整固体充填相似材料模具的位置，完成一次充填；

5）在充填到设定位置时，在固体充填相似材料模具（1）内放置压力传感器（9）；

6）在岩层物理模型（13）的位移监测点放置位移传感器；

7）在开挖、支护和充填的过程中以及以后的设定时间内，通过仪器测记煤岩层移动变形和破坏情况，并测记模型内部煤岩层和充填体的压力变化。

2.根据权利要求1所述的固体充填法采煤二维物理模拟实验方法，其特征在于：如果固体充填相似材料中含有水分，则在固体充填相似材料上面加盖一层塑料薄膜。

3.根据权利要求1所述的固体充填法采煤二维物理模拟实验方法，其特征在于所述步骤4）具体为：在需开采煤层的设定位置上开切眼，然后放置模拟支架（12），模拟支架（12）上设置压力传感器，在工作面进行煤层开采第一步，向左移动模拟支架（12），将固体充填相似材料模具连同固体充填相似材料插入到开采空间，抽出右活动挡板（6），将固体充填相似材料模具（1）整体右移，弥补抽出右活动挡板（6）形成的固体充填相似材料与煤壁的缝隙；依照几何和时间相似条件开挖第二步，向左移动模拟支架（12），然后充填第二步，之后抽出第一次充填的左活动挡板（5）和第二次充填的右活动挡板（6），并将第二次充填的固体充填相似材料模具整体右移，弥补抽出挡板形成的固体充填相似材料间的缝隙，以后的充填开采过程依次类推；根据研究问题的需要，在充填到设定位置时，在固体充填相似材料模具内的固体充填相似材料中放置压力传感器，将压力传感器的信号线穿过通线孔，放置压力传感器（9）时，要保证其位置和倾角的准确。