CN104931674A - 急倾斜特厚煤层综放开采三维相似材料模拟试验台 - Google Patents

急倾斜特厚煤层综放开采三维相似材料模拟试验台 Download PDF

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本发明公开了一种急倾斜特厚煤层综放开采三维相似材料模拟试验台,其解决了现有技术中对于急倾斜特厚煤层开采的二维相似材料模拟相似性不高、准确性不足的问题,该试验台包括试验箱体、煤层开采模拟系统、声发射监测系统和应力监测系统,煤层开采模拟系统包括蠕动电机和控制器,蠕动电机与位于试验箱体内的柱状煤体模拟材料尾部的金属扣环相连接,在试验箱体的左右挡板上设置有平行四边形插孔。本发明可进行三维空间形式的模拟,更贴近工程实际情况,可以得出急倾斜特厚煤层综放开采中覆岩运动规律、煤层底板卸压规律、地表开采沉降规律,为构建急倾斜特厚煤层开采技术体系提供理论支持。

Description

急倾斜特厚煤层综放开采三维相似材料模拟试验台
技术领域
[0001] 本发明涉及一种煤层综放开采相似材料模拟试验技术领域,具体涉及一种针对急倾斜特厚煤层综放开采用的三维相似材料模拟试验台。
背景技术
[0002] 急倾斜煤层在我国分布较为广泛,这类煤层具有赋存条件复杂、矿井数量多、开采难度大等特点,近年来发生了多起重特大事故,导致这一现状的原因在于,关于急倾斜煤层开采中的矿压显现及岩层运移规律尚未系统的掌握。其中,急倾斜特厚煤层开采上覆岩层运移规律、煤层底板卸压规律、开采地表沉陷规律是指导急倾斜特厚煤层开采的重要理论基础,但在这些方面,现有的研宄尚不够深入,无法形成系统的急倾斜煤层开采理论,进而使得开采技术体系不够完善,制约了急倾斜特厚煤层开采行业的发展,影响了煤矿开采行业的安全运转。
[0003] 相似材料模拟试验是研宄煤层开采矿压规律及覆岩运移极为有效的手段。目前来看,对于急倾斜特厚煤层开采的相似材料模拟,较多的是进行二维模拟试验,根据试验分析所得的规律同实际三维空间中的煤层开采存在较大出入。此外,常规模拟试验中的煤层相似材料的开采过程,通常是人工进行开挖,对于时间相似比的执行不够精确,这同样是导致试验结论不佳的一个因素。急倾斜特厚煤层开采研宄领域,急需研发一种三维相似材料模拟试验台,对急倾斜特厚煤层开采过程中矿压规律、覆岩运移特征等进行全面、系统的研宄。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于提供一种适用于急倾斜特厚煤层综放开采的三维相似材料模拟试验台,其可对急倾斜特厚煤层综放开采上覆岩层运移规律、煤层底板卸压规律、地表开采沉陷规律及进行全面的研宄分析。
[0005] 本发明任务之一是提供一种急倾斜特厚煤层综放开采三维相似材料模拟试验台。
[0006] 一种急倾斜特厚煤层综放开采三维相似材料模拟试验台,其包括试验箱体、煤层开采模拟系统、声发射监测系统和应力监测系统,所述试验箱体包括底座、前后挡板和左右挡板,所述煤层开采模拟系统包括若干个柱状煤体模拟材料;
[0007] 所述煤层开采模拟系统还包括连接在一起的蠕动电机和控制器,所述蠕动电机和控制器位于左右挡板中心处的延伸线上,在每个柱状煤体模拟材料的尾部设置金属扣环,所述金属扣环和所述蠕动电机通过钢丝绳连接,通过蠕动电机和控制器结合对每个柱状煤体模拟材料进行开采,所述柱状煤体模拟材料在所述试验箱体的底部从下到上依次铺设形成铺设煤层;
[0008] 所述左右挡板上设置有若干个平行四边形插孔,每个平行四边形插孔的形状、大小与其对应的柱状煤体模拟材料相匹配,所述平行四边形的底边与水平方向的夹角等于铺设煤层的倾角,所述左右侧挡板上设置有若干个接线圆孔;
[0009] 所述声发射监测系统包括依次连接的声发射传感器、放大器、信号采集处理装置和计算机一,所述声发射传感器埋设在所述铺设煤层的上部岩层处,所述声发射传感器的线路通过接线圆孔引至试验箱体外部;
[0010] 所述应力监测系统包括若干个应力传感器、数据采集箱和计算机二,每个应力传感器均埋设在所述柱状煤体模拟材料的底部,每个应力传感器的线路通过接线圆孔引至试验箱体外部。
[0011] 上述平行四边形插孔底边的夹角与待模拟的铺设煤层的倾角相同,即根据煤层倾角的不同平行四边形插孔的形状、大小也发生改变,将平行四边形插孔设置在左右挡板上,可方便蠕动电机和牵引装置从侧方向施加力,平行四边形插孔内的模拟材料在蠕动电机的作用下,煤体模拟材料被牵引,在煤体模拟材料被牵引过程中,煤层上部覆岩模拟材料发生断裂与沉降等运移活动,在活动区域发射的弹性波可向周边传播并被声发射传感器探测,声发射传感器将弹性波信息转化为电信号,放大器将电信号放大,通过信号采集处理装置对信息进行处理,并在计算机一终端形成图像进行人工分析。
[0012] 作为本发明的一个优选方案,所述前后挡板、左右挡板均为有机玻璃制作而成,此处的有机玻璃为高强度透明有机玻璃,该模型即煤层的上表面盖板材质与前后挡板、左右挡板相同。
[0013] 作为本发明的另一个优选方案,所述底座为底面面积比顶面面积大的梯形,所述底座的顶面边缘处设置有螺孔带,所述前后挡板、左右挡板分别通过螺丝与底座上对应的螺孔带连接。
[0014] 本发明的任务之二是提供上述急倾斜特厚煤层综放开采三维相似材料模拟试验台的使用方法,其包括以下步骤:
[0015] 步骤1、设计试验方案与试验参数,其中,试验参数主要包括模型相似常数、模拟煤层倾角、岩层和煤层的相似材料配比;
[0016] 步骤2、组装试验箱体;
[0017] 步骤3、组装应力监测系统和煤层开采模拟系统,在组装完成的试验箱体内自下而上铺设柱状煤体模拟材料,若所研宄分析煤层为η个阶段的煤层,则该η个阶段的煤层用柱状煤体模拟材料进行模拟,在η个阶段以下和以上部分的邻近煤层及岩层利用常规相似材料按照所模拟现场实际条件的地层分布进行铺设;在最底层柱状煤体模拟材料铺设前,首先在其底部埋设应力传感器,然后将每个柱状煤体模拟材料插入对应的平行四边形插孔内,并利用钢丝绳,自其尾端金属扣环与蠕动电机牵引装置连接,并利用导线连接控制器;应力传感器的线路从接线圆孔引至试验箱体外部,并依次连接数据采集箱和计算机二;
[0018] 步骤4、组装声发射监测系统,铺设煤层后,在其上部岩层部分埋设声发射传感器,声发射传感器的线路通过接线圆孔引至试验箱体外部,并依次与放大器、信号采集处理装置和计算机一连接;
[0019] 步骤5、启动监测,开采煤层
[0020] 利用计算机一和计算机二分别启动声发射监测系统和应力监测系统,对模拟试验中上覆岩层运移活动以及煤层底板应力变化特征进行实时监测,依据模拟试验方案,利用控制器设定时间相似比,开启蠕动电机,自上而下,依次牵引各柱状煤体模拟材料由试验箱体右挡板缓缓移出,实现煤层的模拟开采;
[0021] 步骤6、分析数据、展开分析
[0022] 从计算机一和计算机二得到监测数据并对其进行汇总,即可展开对急倾斜特厚煤层综放开采上覆岩层运移规律、煤层底板卸压规律的研宄分析,通过对模型上表面的变化情况的观测,可以进行地表开采沉陷规律的研宄分析。
[0023] 本发明所带来的有益技术效果:
[0024] 本发明可方便、高效地进行急倾斜特厚煤层综放开采三维相似材料模拟试验,有助于模拟和分析急倾斜特厚煤层开采过程,得出急倾斜特厚煤层综放开采中覆岩运动规律、煤层底板卸压规律、地表开采沉降规律,为构建急倾斜煤层开采技术体系提供理论支持。
[0025] 相比传统的二维相似材料模拟试验台,本发明可进行三维空间形式的模拟,更贴近工程实际情况,实现科学的模拟;此外,本发明利用煤层开采模拟系统来实现煤层的模拟开采,通过蠕动电机牵引装置和控制器的配合,利用控制器设定时间相似比,开启蠕动电机,自上而下,依次牵引各柱状煤体模拟材料由试验箱体右侧挡板缓缓移出,实现煤层的模拟开采;与现有技术人工开挖相比,本发明蠕动电机牵引式开采,能够严格、准确的执行时间相似比,提供更为精准、可靠的试验结论。
附图说明
[0026] 下面结合附图对本发明做进一步清楚、完整的说明:
[0027] 图1为本发明试验箱体的侧视图
[0028] 图2为本发明试验台的结构示意图;
[0029] 图中一侧挡板;2—平行四边形插孔;3—底座;4一接线圆孔;5—柱状煤体模拟材料;6—试验箱体;7—声发射传感器;8—应力传感器;9一金属扣环;10—钢丝绳;11 一数据米集箱;12—婦动电机;13—计算机二 ;14一控制器;15—计算机一 ;16—彳目号米集处理装置;17—放大器。
具体实施方式
[0030] 下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。
[0031] 如图1、图2所示,一种急倾斜特厚煤层综放开采三维相似材料模拟试验台,包括:试验箱体6、煤层开采模拟系统、声发射监测系统和应力监测系统四大部分。
[0032] 上述试验箱体6包括底座、前后挡板和左右挡板,其中,底座部分为一梯形棱台结构,顶面为一矩形,且顶面的面积小于底面的面积,顶面的边缘部分设有螺孔带,前后挡板、左右挡板均为高强度透明有机玻璃制作,左右挡板上设有平行四边形插孔2,该平行四边形插孔的底边同水平方向存在夹角α,且该夹角α等同于待测的试验煤层的倾角,因此,依据试验的煤层倾角的不同,应存在一系列配套的左右挡板;前后、左右四块挡板通过螺丝相互拼接,并通过螺丝同底座相连,其所构成的立方体空间作为相似材料铺设空间。此外,为方便应力监测,左右挡板上设有若干微小接线圆孔4,以便连接应力传感器8的线路和声发射传感器7的线路。
[0033] 煤层开采模拟系统包括柱状煤体模拟材料5、蠕动电机12和控制器14。其中,柱状煤体模拟材料5由高强度复合材料制作,用于模拟试验中的煤层,为若干块柱状材料,其底面为平行四边形,每块材料用于模拟急倾斜综放开采过程中一个阶段的煤体,若干块材料依次插入左右挡板上对应的平行四边形插孔2后,可进行连续若干阶段煤体的模拟,每块柱状煤体模拟材料尾端设有金属扣环9,由钢丝绳10自该平行四边形柱状材料尾端的金属扣环9,将煤层模拟材料同蠕动电机12相连,利用控制器14可设定牵引速度并启动蠕动电机,在牵引力作用下,煤层模拟材料由右挡板插口缓慢拉出,实现该阶段煤层的模拟开采。
[0034] 声发射监测系统由声发射传感器7、放大器17、信号采集处理装置16和计算机一15组成,用于监测模拟试验中上覆岩层运移规律,主要监测参数包括:工作面直接顶垮落步距、初次来压步距、周期来压步距等。其工作原理为:在煤层模拟材料被牵引过程中,煤层上部覆岩模拟材料发生断裂与沉降等运移活动,在活动区域发射的弹性波可向周边传播并被声发射传感器探测,声发射传感器将弹性波信息转化为电信号,放大器将电信号放大,通过信号采集处理装置对信息进行处理,并在计算机一终端形成图像进行人工分析。
[0035] 应力监测系统由应力传感器8、数据采集箱11和计算机二 13组成,用于监测模拟试验中煤层底板的卸压规律。其工作原理为:将若干应力传感器埋设于柱状煤体模拟材料底部,当最下端柱状煤体模拟材料被牵引出后,该阶段煤层底板(由常规配比制作的煤层模拟材料)存在应力释放的过程,各测点处的应力传感器可将实时监测相应位置应力值,并将信息汇总至数据采集箱,进而显示于计算机二终端。
[0036] 本发明,急倾斜特厚煤层综放开采三维相似材料模拟试验台的具体使用方法,包括以下步骤:
[0037] 步骤1,设计试验方案与试验参数
[0038] 根据试验目的,设计试验方案,需要制定的试验参数主要包括:模型相似常数,其包括有几何相似比、时间相似比和强度相似比;模拟煤层倾角;岩层和煤层的相似材料配比(利用柱状煤层模拟材料模拟需要研宄的若干阶段煤层,除此之外的煤层采用砂子、活性炭等常规材料进行模拟)等。
[0039] 步骤2,组装试验台
[0040] 依据模型相似常数以及模拟煤层倾角,选择配套的左右侧挡板,通过螺丝将各挡板、底座相互拼接,完成试验台的组装;
[0041] 步骤3,铺设相似材料,组装监测系统
[0042]自下而上铺设相似材料,对于煤层部分,假设所要研宄的自下而上为M1, M2,…,Mn共η个阶段的煤层,则该部分煤层用柱状煤体模拟材料进行模拟,在η个阶段以下和以上部分的邻近煤层及岩层利用常规相似材料按照所模拟现场实际条件的地层分布进行铺设;
[0043] 铺设乂阶段煤层(即插入编号为M1的柱状煤体模拟材料)前,在其下部煤层埋设应力传感器,应力传感器的线路通过接线圆孔引至试验箱体外部,并依次连接数据采集箱、计算机,完成应力监测系统的组装;
[0044] 铺设|^至M η阶段煤层时,将编号为M 1至M „的柱状煤体模拟材料沿右挡板对应的平行四边形插口插入,并利用钢丝绳,自其尾端金属扣环与蠕动电机牵引装置连接,并利用导线连接控制器,进而组装完成煤层开采模拟系统;
[0045] 铺设煤层后,在其上部岩层部分埋设声发射传感器,声发射传感器的线路通过右挡板接线圆孔引至试验箱体外部,声发射监测系统组装完成;
[0046] 步骤4,启动监测,开采煤层
[0047] 利用计算机启动声发射监测系统和应力监测系统,对模拟试验中上覆岩层运移活动以及乂煤层底板应力变化特征进行实时监测。同时,采用常规方法,观测模型开采过程中地表沉降特征。依据模拟试验方案,利用控制器设定时间相似比,开启蠕动电机,自上而下,依次牵引各柱状煤体模拟材料由试验箱体右侧挡板缓缓移出,实现煤层的模拟开采。
[0048] 在煤层模拟材料被牵引过程中,煤层上部覆岩模拟材料发生断裂与沉降等运移活动,在活动区域发射的弹性波可向周边传播并被声发射传感器探测,声发射传感器将弹性波信息转化为电信号,放大器将电信号放大,通过信号采集处理装置对信息进行处理,并在计算机终端形成图像进行人工分析。
[0049]当最下端柱状煤体模拟材料被牵引出后,该阶段煤层底板(由常规配比制作的煤层模拟材料)存在应力释放的过程,各测点处的应力传感器可将实时监测相应位置应力值,并将信息汇总至数据采集箱,进而显示于电脑终端。
[0050] 步骤5,分析数据,得出结论
[0051] 由声发射监测系统和应力监测系统的计算机终端进行监测数据的汇总,人工进行分析,最终得到急倾斜特厚煤层综放开采上覆岩层运移规律、煤层底板卸压规律,并通过对模型上表面的变化情况的观测得到地表开采沉陷规律。
[0052] 本试验台可进行三维空间条件下的急倾斜煤层开采模拟试验,通过试验可以分析和研宄急倾斜煤层开采过程中的上覆岩层运移规律、煤层底板卸压规律、地表开采沉陷规律,本发明试验台可进行三维空间形式的模拟,更贴近工程实际情况,实现更为科学的模拟。
[0053] 应当理解的是,本领域的普通技术人员在本发明的启示下,在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下,还可以做出替换、简单组合等多种变形,本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种急倾斜特厚煤层综放开采三维相似材料模拟试验台,其包括试验箱体、煤层开采模拟系统、声发射监测系统和应力监测系统,所述试验箱体包括底座、前后挡板和左右挡板,所述煤层开采模拟系统包括若干个柱状煤体模拟材料,其特征在于: 所述煤层开采模拟系统还包括蠕动电机和控制器,所述蠕动电机和控制器位于左右挡板中心处的延伸线上,在每个柱状煤体模拟材料的尾部设置金属扣环,所述金属扣环和所述蠕动电机通过钢丝绳连接,通过蠕动电机和控制器结合对每个柱状煤体模拟材料进行开采,所述柱状煤体模拟材料在所述试验箱体的底部从下到上依次铺设形成铺设煤层; 所述左右挡板上设置有若干个平行四边形插孔,每个平行四边形插孔的形状、大小与其对应的柱状煤体模拟材料相匹配,所述平行四边形的底边与水平方向的夹角等于铺设煤层的倾角,所述左右侧挡板上设置有若干个接线圆孔; 所述声发射监测系统包括依次连接的声发射传感器、放大器、信号采集处理装置和计算机一,所述声发射传感器埋设在所述铺设煤层的上部岩层处,所述声发射传感器的线路通过接线圆孔引至试验箱体外部; 所述应力监测系统包括若干个应力传感器、数据采集箱和计算机二,每个应力传感器均埋设在所述柱状煤体模拟材料的底部,每个应力传感器的线路通过接线圆孔引至试验箱体外部。
2.根据权利要求1所述的急倾斜特厚煤层综放开采三维相似材料模拟试验台,其特征在于:所述前后挡板和左右挡板均为有机玻璃制作而成。
3.根据权利要求1所述的急倾斜特厚煤层综放开采三维相似材料模拟试验台,其特征在于:所述底座为底面面积比顶面面积大的梯形,所述底座的顶面边缘处设置有螺孔带,所述前后挡板、左右挡板分别通过螺丝与底座上对应的螺孔带连接。
4.根据权利要求1-3任一项所述的急倾斜特厚煤层综放开采三维相似材料模拟试验台的使用方法,其特征在于,依次包括以下步骤: 步骤1、设计试验方案与试验参数,其中,试验参数主要包括模型相似常数、模拟煤层倾角、岩层和煤层的相似材料配比; 步骤2、组装试验箱体; 步骤3、组装应力监测系统和煤层开采模拟系统,在组装完成的试验箱体内自下而上铺设柱状煤体模拟材料,若所研宄分析煤层为η个阶段的煤层,则该η个阶段的煤层用柱状煤体模拟材料进行模拟,在η个阶段以下和以上部分的邻近煤层及岩层利用常规相似材料按照所模拟现场实际条件的地层分布进行铺设;在最底层柱状煤体模拟材料铺设前,首先在其底部埋设应力传感器,然后将每个柱状煤体模拟材料插入对应的平行四边形插孔内,并利用钢丝绳,自其尾端金属扣环与蠕动电机牵引装置连接,并利用导线连接控制器;应力传感器的线路从接线圆孔引至试验箱体外部,并依次连接数据采集箱和计算机二; 步骤4、组装声发射监测系统,铺设煤层后,在其上部岩层部分埋设声发射传感器,声发射传感器的线路通过接线圆孔引至试验箱体外部,并依次与放大器、信号采集处理装置和计算机一连接; 步骤5、启动监测,开采煤层 利用计算机一和计算机二分别启动声发射监测系统和应力监测系统,对模拟试验中上覆岩层运移活动以及煤层底板应力变化特征进行实时监测,依据模拟试验方案,利用控制器设定时间相似比,开启蠕动电机,自上而下,依次牵引各柱状煤体模拟材料并由试验箱体右挡板缓缓移出,实现煤层的模拟开采; 步骤6、分析数据、展开分析 从计算机一和计算机二得到监测数据并对其进行汇总,即可展开对急倾斜特厚煤层综放开采上覆岩层运移规律、煤层底板卸压规律的研宄分析,通过对模型上表面的变化情况的观测,可以进行地表开采沉陷规律的研宄分析。
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