CN105116101A - 一种矿井灾害预防与控制模拟试验系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矿井灾害预防与控制模拟试验系统及其使用方法，其包括试验架，并且该试验架顶部设置有纵向加载机构，该纵向加载机构上设置有水平布置的加载板，该试验架的左右两侧分别设置有横向加载机构，两侧的横向加载机构相向布置，横向加载机构设置有竖直布置的侧板，两侧板分别压在加载板的左右两边，该试验架的前后两侧分别设有透明材料制成的面板，加载板、两个侧板、两个面板与试验架的底部形成用于放置试样的容纳空间；压力囊布置在模拟煤层或模拟顶板或模拟底板中。本发明操作简便，提高了模拟试验的真实性。

Description

一种矿井灾害预防与控制模拟试验系统及其使用方法

技术领域

本发明涉及相似材料模拟领域，特别涉及一种矿井灾害预防与控制模拟试验系统及其使用方法。

背景技术

相似材料模拟试验是以相似理论为基础的模型试验技术，是利用事物或现象之间存在的相似和类似等特征来研究自然规律的一种方法。它特别适用于那些难以用理论分析方法获取结果的研究领域，同时也是一种对理论研究结果进行分析比较的有效手段。

相似材料模拟试验具有以下特点：相似材料模拟试验可以严格控制模拟对象的主要参数，不受外界条件的限制；相似材料模拟试验可突出所研究问题的主要矛盾，以便于发现并把握研究对象的本质特征和内在联系；相似材料模型容易制作，与原型试验相比，具有节省人力、物力、财力和时间的优势；相似材料模拟可预测对原型不可能直接测试和不可能分析的性能、相似材料模拟试验可以和数值模拟结合起来检验原型所得结论的正确性。

相似模拟试验是以相似理论、因次分析作为依据的试验研究方法，相比于传统结构模型试验更适用于矿山领域岩体突水的模型试验研究。目前，文献报道中相似材料模拟试验大多集中模拟煤层开采过程中煤壁前方应力分布，煤层开采后工作面来压规律以及顶板垮落形态和范围，有少数文献中可看到模拟底板突水的报道。传统的相似材料模拟试验系统所能模拟的情况单一，是制约相似材料模拟试验广泛应用的于研究矿井灾害的主要原因。

为了解决上述问题，提出了一种矿井灾害预防与控制模拟试验系统及其使用方法，该相似材料模拟系统可以模拟煤矿顶板突水、底板突水、断层突水、煤与瓦斯突出等矿井灾害，同时还可以模拟水平构造应力，使模拟条件跟接近现实煤层赋存条件，试验结果更可信准确，提高了模拟试验的真实性。

发明内容

本发明的目的是为克服传统相似材料模拟试验系统只能模拟煤层开采过程中顶板垮落的范围及形态，不能模拟突水及煤与瓦斯突出等矿井灾害，不能模拟构造应力的不足，提供一种可以模拟煤矿顶板突水、底板突水、断层突水、煤与瓦斯突出等矿井灾害，同时还可以模拟水平构造应力的多功能相似材料模拟试验系统。

为了解决上述问题，本发明的技术方法为：

一种矿井灾害预防与控制模拟试验系统，包括试验架，其特征在于：该试验架顶部设置有纵向加载机构，该纵向加载机构上设置有水平布置的加载板，该试验架的左右两侧分别设置有横向加载机构，两侧的横向加载机构相向布置，横向加载机构设置有竖直布置的侧板，两侧板分别压在加载板的左右两边，该试验架的前后两侧分别设有透明材料制成的面板，加载板、两个侧板、两个面板与试验架的底部形成用于放置试样的容纳空间；压力囊布置在模拟煤层或模拟顶板或模拟底板中。

所述的一种矿井灾害预防与控制模拟试验系统，其特征在于：上述加载板由滑动块、弹簧、连接块组成，连接块分别在滑动块上下两个面连接相邻的滑动块，两个滑动块之间设置有弹簧。

所述的一种矿井灾害预防与控制模拟试验系统，其特征在于：上述侧板由多块平整钢板组成，每块钢板与一个侧向千斤顶铰接，侧向千斤顶固定在两侧的框架上并且可以上下转动。

所述的一种矿井灾害预防与控制模拟试验系统，其特征在于：压力囊由囊体、隔层、密封环、弹簧、突水管组成，隔层将囊体分为上下两部分，突水管下端依次穿过弹簧和密封并且垂直于隔层安装到压力囊中，密封环密封隔层使水或气仅存在于囊体的下部，压力囊可以根据实验的具体情况调整安装的方向和位置。

所述的一种矿井灾害预防与控制模拟试验系统，其特征在于：模拟顶板突水、底板突水、断层突水时压力囊下部充有高压有色水，模拟煤与瓦斯突出时压力囊下部充高压有色气。

一种矿井灾害预防与控制模拟试验系统使用方法，其主要包括一下步骤：

A、根据地质钻孔资料，查阅模型配比用料表，铺设模型；

B、根据现场物理探测得到的数据，反演顶板水、底板水或瓦斯积聚存在的位置，依据比例在模型中确定压力囊位置并埋设压力囊；

C、在煤层顶底板安设传感器，监测煤层顶底板应力及位移变化，在压力囊突水管出口处布置传感器，监测突水管出口处的应力变化及出水量；

D、模型铺设完成后，根据实际情况确定相应位置侧板对模型施加侧向载荷，纵向加载机构施加纵向应力，同时向压力囊内填充水或气，当模拟突水时压力囊内填充水，当模拟瓦斯突出时压力囊中填充气；

E、开挖煤层同时收集数据，直至突水或煤与瓦斯突出。

有益效果：

根据上述技术方案，与已有技术比较本发明具有以下显著优点：可以模拟煤矿顶板突水、底板突水、断层突水、煤与瓦斯突出等矿井灾害，同时还可以模拟水平构造应力，使模拟条件跟接近现实煤层赋存条件，试验结果更可信准确，提高了模拟试验的真实性。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：

图1未铺设模型时模拟试验系统结构示意图；

图2铺设完成模型时模拟试验系统结构示意图；

图3水平加载板结构示意图；

图4底部框架结构示意图；

图5压力囊结构示意图；

图6模拟顶板突水结构示意图；

图7模拟底板突水结构示意图；

图8模拟煤与瓦斯突出结构示意图；

图9模拟断层突水结构示意图；

图例说明，1-液压泵、2-截止阀、3-减压阀、4-减压阀、5-纵向加载千斤顶、6-水平加载板、6a-滑动块、6b-连接块、6c-滑动槽、6d-弹性压缩机构、6e-千斤顶滑动槽、7-框架底板、8-框架底部支撑、9-框架底部空间、10-框架、11-侧向加载板、12-侧向加载千斤顶、13-压力囊、13a-囊体、13b-隔层、13c-密封圈、13d-密封环、13e-弹簧、13f-突水管、14-高压泵。

具体实施方式

本发明提供了一种矿井灾害预防与控制模拟试验系统及其使用方法，为了使本发明的目的、技术方案以及优点更清楚、明确，以下将结合附图与实施例，对本发明进一步详细说明。

本发明提供了一种矿井灾害预防与控制模拟试验系统，如图1所示的，其包括试验架10，试验架10可以采用现有技术中已知的任何技术形式，比如采用试验架的长宽高均为2米，但不仅限于上述方式。

该试验架10顶部设置有纵向加载千斤顶5，纵向加载千斤顶5设置有水平布置的加载板6，纵向加载千斤顶5可以加载板6施加相同的纵向应力，也可以施加不同的纵向应力进行剪切力测试。该试验架10的左右两侧分别设置有横向加载千斤顶12，两侧的横向加载千斤顶12相向布置，每个横向加载千斤顶上设置有一竖直布置的侧板11，侧板11压在加载板6的两侧，该试验架10的前后两侧分别设置有由高强度透明材料制成的面板，加载板6、两组侧板、两个面板与试验架10的底板7形成用于放置试样的容纳空间，试样采用地质钻孔资料，查阅模型配比用料表，铺设模型，当该纵向加载千斤顶5向试样施加纵向应力时，使试样与框架底板7接触更加紧密。

本发明还提供了一种模拟采动煤层顶板突水、底板突水、断层突水或煤与瓦斯突出的方法，其主要包括以下步骤：

A、根据地质钻孔资料，查阅模型配比用料表，铺设模型，如图2所示；

B、根据现场物理探测得到的数据和所要模拟的实际工程情况，反演顶板水、底板水或瓦斯积聚存在的位置，依据比例在模型中确定压力囊位置并埋设压力囊，如图6-图9所示，其中，图6模拟顶板突水结构示意图；图7模拟底板突水结构示意图；图8模拟煤与瓦斯突出结构示意图；图9模拟断层突水结构示意图；

C、在煤层顶板和煤层底板安设传感器，监测煤层顶板和煤层底板应力及位移变化，在一种相似材料模拟试验突水模拟装置突水管出口处布置传感器，监测突水管出口处的应力变化及出水量；

D、模型铺设完成后，根据实际情况确定相应位置侧板对模型施加侧向载荷，纵向加载机构施加纵向应力，同时向压力囊内填充水或气，当模拟突水时压力囊内填充水，当模拟瓦斯突出时压力囊中填充气；

E、开挖煤层同时收集数据，直至突水或煤与瓦斯突出。

实例一：模拟顶板突水

1）根据地质钻孔资料，得到具体岩层和煤层数量及位置关系，查阅模型配比用料表，得到煤层和各岩层相似材料配比，将所需物料放入搅拌锅中调制，并铺设模型，如图2所示；

2）根据现场地质雷达、瞬变电磁等物探手段得到的的数据，反演顶板水存在的位置，根据尺寸比例在模型中确定压力囊大小尺寸及位置，并埋设压力囊，如图6所示；

3）在煤层顶板和煤层底板安设传感器，监测煤层顶板和煤层底板应力及位移变化，在压力囊突水管出口处布置传感器，监测突水管出口处的应力变化及出水量；

4）模型铺设完成后，根据实际情况确定相应位置侧板对模型施加侧向载荷，纵向加载机构施加纵向载荷，同时向压力囊内填充水；

5）模拟工作面回采过程开挖煤层，同时收集数据，直至发生顶板突水；

6）根据需要，调整材料、水压等参数，重复上述步骤。

实例二：模拟煤与瓦斯突出

1）根据地质钻孔资料，得到具体岩层和煤层数量及位置关系，查阅模型配比用料表，得到煤层和各岩层相似材料配比，将所需物料放入搅拌锅中调制，并铺设模型，如图2所示；

2）根据现场地质雷达、瞬变电磁等物探手段得到的的数据，反演瓦斯集聚存在的位置，根据尺寸比例在模型中确定压力囊大小尺寸及位置，并埋设压力囊，如图7所示；

3）在煤层顶板和煤层底板安设传感器，监测煤层顶板和煤层底板应力及位移变化，在压力囊突水管出口处布置传感器，监测突水管出口处的应力变化及出气量；

4）模型铺设完成后，根据实际情况确定相应位置侧板对模型施加侧向载荷，纵向加载机构施加纵向载荷，同时向压力囊内填充高压有色气体；

5）模拟工作面回采过程开挖煤层，同时收集数据，直至发生煤与瓦斯突出；

6）根据需要，调整材料、气压等参数，重复上述步骤。

实例三：模拟底板突水

1）根据地质钻孔资料，得到具体岩层和煤层数量及位置关系，查阅模型配比用料表，得到煤层和各岩层相似材料配比，将所需物料放入搅拌锅中调制，并铺设模型，如图2所示；

2）根据现场地质雷达、瞬变电磁等物探手段得到的的数据，反演底板水存在的位置，根据尺寸比例在模型中确定压力囊大小尺寸及位置，并埋设压力囊，如图8所示；

3）在煤层顶板和煤层底板安设传感器，监测煤层顶板和煤层底板应力及位移变化，在压力囊突水管出口处布置传感器，监测突水管出口处的应力变化及出水量；

4）模型铺设完成后，根据实际情况确定相应位置侧板对模型施加侧向载荷，纵向加载机构施加纵向载荷，同时向压力囊内填充高压水；

5）模拟工作面回采过程开挖煤层，同时收集数据，直至发生底板突水；

6）根据需要，调整材料、水压等参数，重复上述步骤。

实例四：模拟断层突水

1）根据地质钻孔资料，得到具体岩层和煤层数量及位置关系，查阅模型配比用料表，得到煤层和各岩层相似材料配比，将所需物料放入搅拌锅中调制，并铺设模型，如图2所示；

2）根据现场地质雷达、瞬变电磁等物探手段得到的的数据，反演断层存在的位置，确定断层倾角、落差、断距等地质特征参数，根据尺寸比例在模型中确定断层位置和压力囊大小尺寸及位置，并埋设压力囊，如图9所示；

3）在煤层顶板和煤层底板安设传感器，监测煤层顶板和煤层底板应力及位移变化，在压力囊突水管出口处布置传感器，监测突水管出口处的应力变化及出水量；

4）模型铺设完成后，根据实际情况确定相应位置侧板对模型施加侧向载荷，纵向加载机构施加纵向载荷，同时向压力囊内填充高压水；

5）模拟工作面回采过程开挖煤层，同时收集数据，直至发生断层突水；

6）根据需要，调整材料、水压等参数，重复上述步骤。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种矿井灾害预防与控制模拟试验系统，包括试验架，其特征在于：该试验架顶部设置有纵向加载机构，该纵向加载机构上设置有水平布置的加载板，该试验架的左右两侧分别设置有横向加载机构，两侧的横向加载机构相向布置，横向加载机构设置有竖直布置的侧板，两组侧板分别压在加载板的左右两边，该试验架的前后两侧分别设有透明材料制成的面板，加载板、两组侧板、两个面板与试验架的底部形成用于放置试样的容纳空间；压力囊布置在模拟煤层或模拟顶板或模拟底板中。

2.根据权利要求1所述的一种矿井灾害预防与控制模拟试验系统，其特征在于：上述加载板由滑动块、弹簧、连接块组成，连接块分别在滑动块上下两个面连接相邻的滑动块，两个滑动块之间设置有弹簧。

3.根据权利要求1所述的一种矿井灾害预防与控制模拟试验系统，其特征在于：上述侧板由多块平整钢板组成，每块钢板与一个侧向千斤顶铰接，侧向千斤顶固定在两侧的框架上并且可以上下转动。

4.根据权利要求1所述的一种矿井灾害预防与控制模拟试验系统，其特征在于：压力囊由囊体、隔层、密封环、弹簧、突水管组成，隔层将囊体分为上下两部分，突水管下端依次穿过弹簧和密封环并且垂直于隔层安装到压力囊中，密封环密封隔层使水或气仅存在于囊体的下部，压力囊可以根据实验的具体情况调整安装的方向和位置。

5.根据权利要求1所述的一种矿井灾害预防与控制模拟试验系统，其特征在于：模拟顶板突水、底板突水、断层突水时压力囊下部充有高压有色水，模拟煤与瓦斯突出时压力囊下部充高压有色气。

6.一种矿井灾害预防与控制模拟试验系统使用方法，其主要包括一下步骤：

A.根据地质钻孔资料，查阅模型配比用料表，铺设模型；

B.根据现场物理探测得到的数据，反演顶板水、底板水、断层或瓦斯积聚存在的位置，依据比例在模型中确定压力囊位置并埋设压力囊；

C.在煤层顶底板安设传感器，监测煤层顶底板应力及位移变化，在压力囊突水管出口处布置传感器，监测突水管出口处的应力变化及出水量；

D.模型铺设完成后，根据实际情况确定相应位置侧板对模型施加侧向载荷，纵向加载机构施加纵向应力，同时向压力囊内填充水或气，当模拟突水时压力囊内填充水，当模拟瓦斯突出时压力囊中填充气；

E.开挖煤层同时收集数据，直至突水或煤与瓦斯突出。