CN104568706A - 一种流固耦合相似模拟实验平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种流固耦合相似模拟实验平台，包括箱体顶板、箱体底板、前挡板、后挡板、左侧向插板和右侧向插板，所述箱体底板、前挡板、后挡板、左侧向插板、右侧向插板和箱体顶板形成实验平台的封闭式箱体结构，所述箱体结构内设有传动杆，传动杆位于箱体底板上方，传动杆上方设有采动钢板，采动钢板与传动杆活动连接，采动钢板上铺有煤层，煤层上设有模拟岩层，模拟岩层中设有数据监测系统，模拟岩层顶部盖有承压钢板，承压钢板与箱体顶板之间设有液压千斤顶。发明结构简单、制作成低，研究人员可以直接观察并记录在采动作用下上覆岩层移动变形情况以及水在岩层裂隙中渗透的情况，并分析煤层开采对地表水以及岩溶水渗流规律的影响。
Description
技术领域
本发明涉及地下采矿领域，特别涉及一种流固耦合相似模拟实验平台。
背景技术
矿山开采向外部和深部扩展，对矿区水环境的影响愈来愈强烈，尤其在岩溶矿区，超量地疏排地下水，大范围地降低地下水位标高，由浅表水漏失引起的环境问题更为突出，这不仅严重制约着矿产资源的开发利用以及矿业经济的可持续发展，也给矿山开采带来了巨大的安全隐患。地下采煤引起的采矿破坏主要表现为地面沉降、地面裂缝、岩溶塌陷、浅表水漏失和水质污染、滑坡和泥石流等，对于南方岩溶矿区，采煤引起的采矿破坏更为严重，岩溶洞破坏了岩层结构的完整性，且常与浅表水资源形成水力联系，对岩溶煤矿区的资源与环境协调开采因缺少理论支撑而显得力不从心。
由于煤层开采后岩层移动具有不可见性，很难对岩层移动变形规律进行直接的观察，而岩溶洞的存在使煤层上覆岩层的移动变形变的更加复杂。目前，研究煤层开采过后的岩层移动变形规律的主要方法有数值模拟研究和物理相似模拟实验研究。数值模拟研究能够再现岩层移动变形过程，然而由于数值模拟参数取值相对理想化，且存在严重的人为干扰因素，因此数值模拟实验研究不如物理相似模拟实验有说服力。目前物理相似模拟实验广泛应用于煤层开采上覆岩层的移动规律的研究，且相似模拟实验技术已日趋成熟。然而国内多数相似模拟实验平台仅限于对上覆岩层移动规律的模拟，少有关于在采动作用下上覆岩土层、岩溶洞的渗透特征和水渗流演化规律的模拟。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单、能够模拟煤层在采动作用下上覆岩层的移动变形、渗透特征及渗流规律的流固耦合相似模拟实验平台。
本发明解决上述问题的技术方案是：一种流固耦合相似模拟实验平台，包括箱体顶板、箱体底板、前挡板、后挡板、左侧向插板和右侧向插板，所述箱体底板、前挡板、后挡板、左侧向插板、右侧向插板和箱体顶板形成实验平台的封闭式箱体结构，所述箱体结构内设有传动杆，传动杆位于箱体底板上方，传动杆上方设有采动钢板，采动钢板与传动杆活动连接，采动钢板上铺有煤层，煤层上设有模拟岩层，模拟岩层中设有数据监测系统，模拟岩层顶部盖有承压钢板，承压钢板与箱体顶板之间设有液压千斤顶。
上述流固耦合相似模拟实验平台中，所述箱体结构还包括4根箱体边柱，4根箱体边柱布设在箱体底板的四个角上，箱体顶板安装在4根箱体边柱的顶端，所述4根箱体边柱上均设有空槽，所述左侧向插板和右侧向插板分别插入左右两侧两根箱体边柱的空槽之间并用紧固螺栓固定，所述箱体顶板和箱体底板上设有卡槽，前挡板、后挡板的上下两端分别卡设于箱体顶板和箱体底板的卡槽内并用锁紧螺母锁紧。
上述流固耦合相似模拟实验平台中，所述空槽的宽度与左侧向插板、右侧向插板的厚度相匹配。
上述流固耦合相似模拟实验平台中，所述卡槽的宽度与前挡板、后挡板的厚度相匹配。
上述流固耦合相似模拟实验平台中，所述左侧向插板和右侧向插板中间均设有穿板孔洞。
上述流固耦合相似模拟实验平台中，所述数据监测系统包括等间距埋设在模拟岩层中的压力传感器、应变传感器和孔隙水压力传感器。
上述流固耦合相似模拟实验平台中，所述采动钢板底部与传动杆采用螺纹连接。
上述流固耦合相似模拟实验平台中，所述前挡板、后挡板均为有机玻璃。
本发明的有益效果在于：
1、本发明结构简单、制作成本低，需要实验时，将左右侧向插板抽出，慢慢转动传动杆，传动杆推动采动钢板，将采动钢板及采动钢板上的煤层推出，随着煤层的推出，上覆岩层悬露面积越来越大，在液压千斤顶压力作用下，上覆岩层发生弯曲下沉变形，直至破坏，研究人员可以直接观察并记录在采动作用下上覆岩层移动变形情况以及水在岩层裂隙中渗透的情况，并分析煤层开采对地表水以及岩溶水渗流规律的影响；
2、本发明采用全封闭式箱体结构，能够更好地模拟现实中煤层地下开采的封闭式环境，从而能够模拟煤层开采对地表水以及岩溶水的影响。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为图1的侧视图。
图3为图1的俯视图。
图4为本发明箱体顶板的结构示意图。
图5为本发明模拟工作面推进时的结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明包括箱体顶板3、箱体底板4、前挡板5、后挡板6、左侧向插板7-1、右侧向插板7-2和4根箱体边柱1，前挡板5、后挡板6均为有机玻璃，4根箱体边柱1布设在箱体底板4的四个角上，箱体顶板3安装在4根箱体边柱1的顶端，所述4根箱体边柱1上均设有空槽，空槽的宽度与左侧向插板7-1、右侧向插板7-2的厚度相匹配，所述左侧向插板7-1和右侧向插板7-2分别插入左右两侧两根箱体边柱1的空槽之间并用紧固螺栓2固定，左侧向插板7-1和右侧向插板7-2中间均设有穿板孔洞13，所述箱体顶板3和箱体底板4上设有卡槽14，卡槽14的宽度与前挡板5、后挡板6的厚度相匹配，前挡板5、后挡板6的上下两端分别卡设于箱体顶板3和箱体底板4的卡槽14内并用锁紧螺母12锁紧，所述箱体底板4、前挡板5、后挡板6、左侧向插板7-1、右侧向插板7-2和箱体顶板3形成实验平台的封闭式箱体结构，所述箱体结构内设有传动杆11，传动杆11位于箱体底板4上方，传动杆11上方设有采动钢板10，采动钢板10与传动杆11螺纹连接，采动钢板10上铺有煤层，煤层上设有模拟岩层，岩层模型中设有数据监测系统，数据监测系统包括等间距埋设在岩层模型中的压力传感器、应变传感器和孔隙水压力传感器，岩层模型顶部盖有承压钢板8，承压钢板8与箱体顶板3之间设有液压千斤顶9。
本实验平台的进行实验的步骤如下：
1、实验前准备：参照某煤矿钻孔资料，得到相似模拟试验所需的煤（岩）层属性，并按照相似模拟实验的要求得到煤（岩）层的模拟强度值，利用石膏、砂子、碳酸钙、硼砂配制煤（岩）层相似材料，完成实验箱体内煤（岩）层相似模型的构建。
2、实验平台的安装：先将箱体底板4与箱体边柱1连接起来，拧紧箱体边柱1上的锁紧螺母12，将箱体底板4固定住；安置传动杆11，然后将采动钢板10置于传动杆11上，并使传动杆11与采动钢板10螺纹连接，然后再在采动钢板10上安放煤层，煤层上覆岩层模型，岩层模型最顶端盖上承压钢板8，并将后挡板6插入箱体底板4的卡槽14中，在承压钢板8上放置液压千斤顶9，在液压千斤顶9放置完毕后将前挡板5也插入箱体底板4的卡槽14中，将箱体顶板3盖上，此处应注意使箱体顶板3的卡槽14能够与前后挡板6准确对接，使前后挡板6与箱体顶板3、箱体底板4咬合，拧紧锁紧螺母12，确保箱体顶板3不松动；最后由下往上依次将左右侧向插板插入箱体边柱1上的空槽，应注意传动杆11处的侧向插板上下应留有与传动杆11孔径大小的空缝，拧紧箱体边柱1外侧的紧固螺栓2以固定左右侧向插板的位置，并保留空缝以便传动杆11转动。
3、进行试验：利用液压千斤顶9施加初始应力，在待测相似模型的初始应力达到所要求的数值后，停止施加压力；将左右侧向插板抽出，转动传动杆11，传动杆11推出采动钢板10，采动钢板10上的煤层也随之一起推出，随着煤层的采出上覆岩层发生弯曲变形，并最终破坏。在煤层开采过程中，研究人员可以直接观察并记录上覆岩层的移动变形情况以及水在岩层裂隙中渗透的情况，并分析煤层开采对地表水以及岩溶水渗流规律的影响。通过改变煤层厚度、顶板岩层厚度，可以得到地表水渗透率与基岩厚度、采动影响程度的关系；以液压千斤顶9模拟上覆岩层载荷，可以研究煤层开采的扰动对岩体中的含水溶洞的影响，得出含水溶洞中地下水渗透率与上覆岩层载荷、煤层开采距离之间的关系；改变煤层上覆岩层的岩性状态，通过左右侧向插板上的穿板孔洞13对模拟箱中岩体材料进行注水，可以研究在不同的垂直载荷、不同的岩性条件下，不同的岩层透水率的差异，得到隔水关键层形成条件及岩层水渗流的影响因素。
综上所述，该流固耦合实验平台能够较好地模拟工作面连续推进时上覆结构关键层和隔水关键层的破断特征，以及破断前后的水渗流特征；实现了对在采动作用下上覆岩土层、岩溶洞的渗透特征和水渗流演化规律的模拟。
Claims (8)
1.一种流固耦合相似模拟实验平台，其特征在于：包括箱体顶板、箱体底板、前挡板、后挡板、左侧向插板和右侧向插板，所述箱体底板、前挡板、后挡板、左侧向插板、右侧向插板和箱体顶板形成实验平台的封闭式箱体结构，所述箱体结构内设有传动杆，传动杆位于箱体底板上方，传动杆上方设有采动钢板，采动钢板与传动杆活动连接，采动钢板上铺有煤层，煤层上设有模拟岩层，模拟岩层中设有数据监测系统，模拟岩层顶部盖有承压钢板，承压钢板与箱体顶板之间设有液压千斤顶。
2.如权利要求1所述的一种流固耦合相似模拟实验平台，其特征在于：所述箱体结构还包括4根箱体边柱，4根箱体边柱布设在箱体底板的四个角上，箱体顶板安装在4根箱体边柱的顶端，所述4根箱体边柱上均设有空槽，所述左侧向插板和右侧向插板分别插入左右两侧两根箱体边柱的空槽之间并用紧固螺栓固定，所述箱体顶板和箱体底板上设有卡槽，前挡板、后挡板的上下两端分别卡设于箱体顶板和箱体底板的卡槽内并用锁紧螺母锁紧。
3.如权利要求2所述的一种流固耦合相似模拟实验平台，其特征在于：所述空槽的宽度与左侧向插板、右侧向插板的厚度相匹配。
4.如权利要求2所述的一种流固耦合相似模拟实验平台，其特征在于：所述卡槽的宽度与前挡板、后挡板的厚度相匹配。
5.如权利要求1所述的一种流固耦合相似模拟实验平台，其特征在于：所述左侧向插板和右侧向插板中间均设有穿板孔洞。
6.如权利要求1所述的一种流固耦合相似模拟实验平台，其特征在于：所述数据监测系统包括等间距埋设在模拟岩层中的压力传感器、应变传感器和孔隙水压力传感器。
7.如权利要求1所述的一种流固耦合相似模拟实验平台，其特征在于：所述采动钢板底部与传动杆采用螺纹连接。
8.如权利要求1所述的一种流固耦合相似模拟实验平台，其特征在于：所述前挡板、后挡板均为有机玻璃。
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