CN105093962A - 模拟三维煤层开采试验台的双向柔性加载系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟三维煤层开采试验台的双向柔性加载系统，其包括承载模型的框式试验台、三维开采模拟系统、气压加载系统和数控系统，其中，三维开采模拟系统包括网格型气囊装置，其是由若干个单元气囊组成，并且每个单元气囊均有独立的空腔，这样通过气压加载系统、数控系统和稳压装置配合对其输送气体，充气过程中每个单元气囊均为独立的，充气后的网格型气囊装置可模拟煤层的三维加载，使用硫化橡胶制成的胶囊进行加压，压力加载均匀，胶囊内部压力处处相等，作用在试样表面上的力是均匀的。本发明弥补了具有时间效应的煤层真三维的空白，有利于提高试验真实性，还原煤矿真实开采。

Description

模拟三维煤层开采试验台的双向柔性加载系统及方法

技术领域

本发明涉及三维煤层开采试验台的模拟系统，具体涉及一种模拟三维煤层开采试验台的双向柔性加载系统及方法。

背景技术

三维物理模拟实验中煤层的开采是关乎试验真实性和可靠性的关键。目前三维物理模拟实验煤层开采一般采用一次性采出一进刀煤层、利用抽钢板或木板的方法模拟煤层开采，这种方法仅仅是二维开采方法，并不能满足三维开采的需要。以往的二维煤层开采方法促使上覆岩层在工作面上方一次性垮落，没有充足的时间使上方岩层形成结构，试验现象并不明显。

目前，柔性加载方式主要包括加载液压囊和活塞式柔性均布压力加载器。孟祥跃(柔性边界加载试验机研制[J].岩石力学与工程学报，2004，23(10)：1760–1764.)等利用液压囊加载，研制出了新型的岩土材料加载试验机，但存在注入液体过程中不能完全排出空气，导致测试结果不够准确等问题；姜耀东等(一种新型真三轴巷道模型试验台的研制[J].岩石力学与工程学报，2004，23(21)：3727–3731.)研制了真三轴巷道模型试验台，利用液压枕进行柔性加载，仍存在行程小、易漏油、寿命较短等问题；CN2532474Y公开了一种活塞式均布压力加载器，其制造了活塞式柔性均布压力加载器，采用多头连通组合液压油缸配以散粒状半流动物质的柔性垫层进行加载，一定程度上解决了柔性传力均匀加载难题。上述系统的加载装置往往采用液压油实现柔性加载，加载系统庞大且笨重，并且采用单一方向加载模式，不能实现双向柔性加载，不适用与模拟真实的煤矿开采环境。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模拟三维煤层开采试验台的加载系统及方法，其通过在顶板和底板设置气压加载装置，并且在试验台的中部铺设网格型气囊垫来模拟煤层开采，通过向每个网格单元内部注入气可实现煤层的三维模拟，本发明弥补了具有时间效应的煤层真三维的空白，有利于提高试验真实性，还原煤矿真实开采。

本发明的任务之一在于提供一种模拟三维煤层开采试验台的加载系统。

一种模拟三维煤层开采试验台的双向柔性加载系统，其包括承载模型的框式试验台、三维开采模拟系统、气压加载系统和数控系统，

所述试验台的顶部和底部分别设置有顶板柔性加载装置和底板柔性加载装置，以实现对模拟煤层的双向柔性加载；

所述试验台包括上开放口，位于前、后、左与右方的侧墙板，及底板；所述前、后侧墙板为有机玻璃板；

所述三维开采模拟系统包括网格型气囊装置和稳压装置，所述网格型气囊装置铺设在试验台的中部用以模拟煤层，所述稳压装置的一端依次与气压加载系统、数控系统连接，另一端与所述网格型气囊装置连接，所述网格型气囊装置是由若干个单元气囊组合排列成的长方形垫体，其中，每个单元气囊均为独立的空腔体，通过气压加载系统、数控系统与稳压装置配合对每个空腔体内输送气体。

上述技术方案直接带来的有益技术效果是：

采用顶底板双向柔性气囊加载方式，该加载方式利用气囊加载使得加载系统轻便更容易操作，而且采用顶底板双向加载不仅可以模拟煤矿开采矿压及水压共同的作用，且提高了试验模拟的真实性和可信程度。对比以往的物理模拟试验台，增加的底板柔性加载系统可以模拟受开采影响下底板底鼓破裂的过程，同时针对煤矿深部开采、承压水上开采、地质构造活化模拟等模拟对象均具有较高的模拟价值；

试验台的中部铺设网格型气囊垫来模拟煤层开采，通过向每个网格单元内部注入气可实现煤层的三维模拟，试验开始时期进行煤层的开采，导通三通阀，气囊在上覆岩层重力的影响作用下，每一个单元格气囊里面的气体得到释放，进而引起上覆岩层垮落，模拟了三维空间内的局部区域的开采，该开采方式弥补了具有时间效应的煤层真三维的空白，有利于提高试验真实性，还原煤矿真实开采。

作为本发明的一个优选方案，每个单元气囊均由硫化橡胶制成，在每个单元气囊的底部开设用以注气的通道，所述通道的中部设有注气孔，所述注气孔与单元气囊的空腔保持连通，所述注气孔处连接有注气管；所述稳压装置的出气管上连接有连通器，每个单元气囊的注气管均连接在所述连通器上。

上述技术方案直接带来的有益技术效果是：

每个气囊注入的是无毒的空气，气压加载系统相比液压加载系统占用空间小操作简单；注气管一端连接气源，中间设置阀门。阀门为气路开关，当开启后，压缩气体由气源进入单元气囊。数控系统检测注入气体压力大小，当到达标准值时停止注气，并开启保压功能。

作为本发明的另一个优选方案，所述注气管上设置有三通阀门。

上述技术方案直接带来的有益技术效果是：

注气时，三通阀连接气囊和气压加载系统；开挖煤层释放气体时，三通阀连接气囊和外界大气，使气囊气体得到释放。采用三通阀门使得不需要安装出气管，减少管路的数量，减少操作的复杂性。

优选的，所述顶板柔性加载装置和底板柔性加载装置均为气压加载。

上述技术方案直接带来的有益技术效果是：

使用气压柔性加载合适硬岩模型材料，气压加载可有效避免液压加载因漏油造成的环境污染，采用顶底板双向柔性气囊加载方式，该加载方式利用气囊加载使得加载系统轻便更容易操作，而且采用顶底板双向加载不仅可以模拟煤矿开采矿压及水压共同的作用，而且提高了试验模拟的真实性和可信程度。

优选的，所述底板加载装置上方布置稳压橡胶板。

上述技术方案直接带来的有益技术效果是：

稳压橡胶板由超柔性调整橡胶和柔性传力橡胶组成，底板柔性加载气囊通过超柔性调整橡胶和柔性传力橡胶加载到模型表面，以达到对模型表面进行柔性边界加载的效果。同时，橡胶板相对气囊垫拥有姣好的平整度，有利于相似材料的铺设。

优选的，所述单元气囊为长方形，通过气压加载系统、数控系统与稳压装置配合向每个空腔体内输送1MPa的气体。

上述技术方案直接带来的有益技术效果是：

长方形单元格尺寸与实际煤矿开采的开采步距和割煤距离相符，进而模拟煤矿柔性加载；保证每个空腔体内输送1MPa的气体，保证每个胶囊膨胀体积相同，采煤系统表面平整，有利于模拟煤矿的开挖、顶板垮落及底板破坏。

本发明的任务之二是提供上述加载系统的使用方法，其包括以下步骤：

a、依据实验研究要求及实际地质条件，选择合适的相似材料，设计合理的模型，铺设煤层底板和传感器；

b、在试验台标注所需铺设的煤层的位置，铺设网格型气囊装置，其中单元气囊的个数根据模型设计要求来定，依次打开数控系统、气压加载系统和稳压装置，分别向每一列每一排的单元气囊中注入气体并调节稳压；

c、在三维开采模拟系统上方铺设模拟顶板，层与层之间铺撒定量云母粉，并铺设传感器进行实验数据的采集；

d、模型静置24h后，依据试验设定进行顶板和底板的柔性加载；

e、根据煤层开采设定，依次将网格型气囊装置内的气体进行泄压，模拟实际开采进刀，记录试验现象和数据。

本发明所带来的有益技术效果是：

本发明提出了一种模拟三维煤层开采试验台的双向柔性加载系统，通过在试验台的顶部和底部分别设置顶板柔性加载装置和底板柔性加载装置，可实现对模拟煤层的双向加载；网格型气囊装置由若干个单元气囊组成，并且每个单元气囊均有独立的空腔，这样通过气压加载系统、数控系统和稳压装置配合对其输送气体，充气过程中每个单元气囊均为独立的，充气后的网格型气囊装置可模拟煤层的三维加载，使用硫化橡胶制成的胶囊进行加压，压力加载均匀，胶囊内部压力处处相等，作用在试样表面上的力是均匀的；

本发明方法采用顶底板双向柔性气囊加载方式，该加载方式利用气囊加载使得加载系统轻便更容易操作，而且采用顶底板双向加载不仅可以模拟煤矿开采矿压及水压共同的作用，进而深入研究煤矿底板变形破坏的力学作用，而且提高了试验模拟的真实性和可信程度。

利用单元格开采方法，克服以往一次性二维全采的弊端，弥补具有时间效应的煤层真三维的空白，有利于提高试验真实性，还原煤矿真实开采。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步清楚、完整的说明：

图1为本发明加载系统的整体装配图；

图2为本发明所述顶板柔性加载装置的剖面图；

图3为本发明所述底板柔性加载装置的剖面图；

图4为本发明三维开采模拟系统的整体装配图；

图5为三维开采模拟系统中单元气囊的剖视图；

图6为三维开采模拟系统中单元气囊的正视图；

图7为三维开采模拟系统的模拟试验铺设的平面图；

附图标记如下：

1-网格型气囊装置；2-稳压装置；3-气压加载系统；4-数控系统；5-单元气囊；6-空腔；7-注气孔；8-注气管；9-三通阀门；10-压力表；11-出气管；12-进气管；13-连通器；14-试验台；15-顶板柔性加载装置；16-底板柔性加载装置，17-稳压橡胶板；18-有机玻璃；19-底板气囊进出气管；20-顶板气囊进出气管；21-伸缩杆。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做详细说明。

本发明一种模拟三维煤层开采试验台的加载系统，如图1所示，其包括承载模型的框式试验台14、三维开采模拟系统、气压加载系统3和数控系统4，其中，气压加载系统3和数控系统4用于向三维开采模拟系统提供并输送气体，其可采用现有技术中常规结构的加载系统和数控系统。

下面对本发明的创新部分做详细说明。

框式试验台14，包括上开放口，位于前、后、左与右方的侧墙板，及底板；前、后侧墙板为有机玻璃板，可方便观察试验台内的模拟实验，并且有机玻璃板强度高；

在该框式试验台14的顶部设置有顶板柔性加载装置15，在其底板上设置有底板柔性加载装置16，通过顶板柔性加载装置15和底板柔性加载装置16可实现对模拟煤层的双向加载，顶板柔性加载装置15如图2所示，其通过顶板气囊进出气管20向其中注入气体，底板柔性加载装置16如图3所示，其通过底板气囊进出气管19向其中注入气体，底板进出气管19位于试验台的侧部，顶板气囊进出气管20和底板进出气管19均与供气的气压加载系统3连接。

三维开采模拟系统，其包括网格型气囊装置1和稳压装置2，如图4所示，该网格型气囊装置1是由若干个单元气囊5组合排列而成的，其形状可以为长方形，也可根据试验需求排列为其它形状，每个单元气囊均为方形气囊，是由硫化橡胶制成的，气囊的内部具有空腔6，其包括注气管8和三通阀门9，在每个气囊的右下方开取用以安置注气管8的通道，结合图5、图6和图7所示，在通道中部设有注气孔7，注气孔7与单元气囊的空腔保持连通，注气管8固定设置在注气孔中，在注气管与注气孔连接处进行密封处理，三通阀门9与注气管8连接。

稳压装置2包括稳压泵、压力表10、进气管12、出气管11和连通器13，稳压泵是由2cm厚钢板制成，其形状为圆柱形，稳压泵下方开设进气孔和出气孔，压力表与稳压泵连接，进气管12与稳压泵的进气孔连接，出气管11与稳压泵的出气孔连接，连通器13与出气管11和三通阀门9连接。

本发明加载系统的具体实验方法如下：

步骤1、依据实验研究要求及实际地质条件，选择合适的相似材料，设计合理的模型，进行铺设煤层底板；

步骤2、在三维试验台标注所需铺设的煤层的位置，依据模型设计要求选用若干个网格型气囊垫排列模拟煤层，依次打开控制装置、气压加载装置和稳压装置，向每一列每一排的单元气囊中注入1MPa的气体，调节三通阀门进行稳压；

步骤3、在三维煤层开采系统上方铺设模拟顶板，层与层之间铺撒定量云母粉，并铺设传感器进行实验数据的采集；

步骤4、模型静置24h，依据试验设定进行顶底板的柔性加载；

步骤5、根据煤层开采设定，依次打开每一列每一排的单元气囊连接的三通阀门，释放气囊中的气体进行泄压，模拟实际开采进刀，记录试验现象和数据。

需要说明的是，本领域技术人员在本发明的启示下，对网格型气囊装置的结构所做的简单替换，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种模拟三维煤层开采试验台的加载系统，其包括承载模型的框式试验台、三维开采模拟系统、气压加载系统和数控系统，其特征在于：

所述试验台的顶部和底部分别设置有顶板柔性加载装置和底板柔性加载装置，以实现对模拟煤层的双向柔性加载；

所述试验台包括上开放口，位于前、后、左与右方的侧墙板，及底板；所述前、后侧墙板为有机玻璃板；

所述三维开采模拟系统包括网格型气囊装置和稳压装置，所述网格型气囊装置铺设在试验台的中部用以模拟煤层，所述稳压装置的一端依次与气压加载系统、数控系统连接，另一端与所述网格型气囊装置连接，所述网格型气囊装置是由若干个单元气囊组合排列成的长方形垫体，其中，每个单元气囊均为独立的空腔体，通过气压加载系统、数控系统与稳压装置配合对每个空腔体内输送气体。

2.根据权利要求1所述的模拟三维煤层开采试验台的加载系统，其特征在于：每个单元气囊均由硫化橡胶制成，在每个单元气囊的底部开设用以注气的通道，所述通道的中部设有注气孔，所述注气孔与单元气囊的空腔保持连通，所述注气孔处连接有注气管；所述稳压装置的出气管上连接有连通器，每个单元气囊的注气管均连接在所述连通器上。

3.根据权利要求2所述的模拟三维煤层开采试验台的加载系统，其特征在于：所述注气管上设置有三通阀门。

4.根据权利要求1所述的模拟三维煤层开采试验台的加载系统，其特征在于：所述顶板柔性加载装置和底板柔性加载装置均为气压加载。

5.根据权利要求1所述的模拟三维煤层开采试验台的加载系统，其特征在于：所述底板加载装置上方布置稳压橡胶板。

6.根据权利要求1所述的模拟三维煤层开采试验台的加载系统，其特征在于：所述单元气囊为长方形，通过气压加载系统、数控系统与稳压装置配合向每个空腔体内输送1MPa的气体。

7.根据权利要求1-6任一项所述的加载系统的使用方法，其特征在于：依次包括以下步骤：

a、依据实验研究要求及实际地质条件，选择合适的相似模拟材料，设计合理的试验模型，铺设煤层底板；

b、在试验台标注所需铺设的煤层的位置，铺设网格型气囊装置，其中单元气囊的个数根据模型设计要求来定，依次打开数控系统、气压加载系统和稳压装置，分别向每一列每一排的单元气囊中注入气体并调节稳压；

c、在三维开采模拟系统上方铺设模拟顶板，层与层之间铺撒定量云母粉，并铺设传感器进行实验数据的采集；

d、模型静置24h后，依据试验设定进行顶板和底板的柔性加载；

e、根据煤层开采设定，依次将网格型气囊装置内的气体进行泄压，模拟实际开采进刀，记录试验现象和数据。