CN105510534B - 一种可模拟不同倾角含水煤层充填注浆试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种可模拟不同倾角含水煤层充填注浆试验装置及方法，包括方形试验台框架、充填注浆模拟装置、上部以及周边液压加载系统、应力应变数据采集系统以及试验台倾角调节装置，能模拟不同倾角煤层在一定含水量条件下综采工作面开采、采空区充填、顶板围岩注浆等具体过程；通过信息处理装置能实时监测充填过程中采空区充填体及采煤工作面上覆岩层内的压力、位移的三维变化情况，并利用计算机形象模拟，从而真实的反应充填开采的现场情况，能够真实的再现充填开采采动岩层的压力、位移和破坏情况，其结构简单，紧凑合理，稳定可靠，其开采充填环境无限接近于实际开采充填条件。

Description

一种可模拟不同倾角含水煤层充填注浆试验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种充填注浆模拟试验的装置及方法，尤其是一种适用于采矿工程中倾斜含水煤层充填注浆试验装置及方法。

背景技术

我国作为以煤炭为主要能源的国家，经济的高速发展，需要煤炭产量的快速增长。但很多矿区面临资源日益枯竭、环境破坏和“三下”压煤量大难采等问题。利用井下采空区处置煤矸石的矸石充填采煤技术，既可以回收“三下”压煤、减少煤矿固体废弃物地面排放、解放矿井提升能力、又可以减轻深井开采和沉陷灾害，是实现煤矿绿色开采的关键技术途径之一。

研究采场支承压力的发展变化与上覆岩层运动规律，一直是煤矿开采过程中重点关注的问题，也是一个难点问题。由于现场研究“三下”充填开采上覆岩层的运动规律具有不可见性，相关的“三下”充填开采沉陷预计也大多是以实验为基础的经验方法，因此，进行“三下”充填开采覆岩移动特征的相似材料实验研究非常有必要。相似模拟试验装置主要有两类，一类是平面模型架，一类是立体模型架。由于平面模型架其厚度有限，不能再现地下工程结构或岩层所处的工程环境，而立体模型试验装置可以通过加载装置对模型施加三个方向的载荷来模拟巷道、硐室或隧道等地下结构的围岩应力场，使模拟过程和模拟结果更接近于实际。现有的立体模型试验装置一般只能模拟工作面开采，模拟煤层开采与采空区充填同步进行的综采充填过程，无法对倾斜含水煤层在开挖充填同时进行注浆的施工过程中地下结构的围岩应力场进行模拟，现有技术中的模拟试验功能仍比较单一，模拟效果有限。

发明内容

本发明的目的是克服已有技术中的不足之处，提供一种结构简单、操作方便、最大限度符合工程实际、能够模拟任意倾角的含水煤层在充填开采同时进行注浆的试验装置及方法。

本发明的技术方案为：本发明的可模拟不同倾角含水煤层充填注浆试验装置，包括方形试验台框架、充填注浆模拟装置、上部以及周边液压加载系统、应力应变数据采集系统以及试验台倾角调节装置；所述方形试验台框架包括支架、以及将整个试验装置封闭的上部挡板和底部挡板以及四周挡板，以及固定在底部挡板上的支脚，其中支脚与承载板焊接固定；所述充填注浆模拟装置包括模拟岩层、模拟煤层、长方体模拟充填材料模块、注浆管道、注水管道、模拟支架，所述模拟煤层由若干长方体煤块组成，其中注浆管道与注浆泵相连，注水管道与注水泵相连，长方体模拟充填材料模块的尺寸与长方体煤块的尺寸相等。所述上部以及周边液压加载系统包括上部和四周的液压油缸以及油管道和油泵，所述上部和四周的液压油缸分别对上部、四周挡板进行加载；所述应力应变数据采集系统包括预先置于模拟岩层和模拟充填材料模块内的应力应变片以及与之相连的数据处理器；试验台倾角调节装置包括与承载板的一侧相连的轴座和与承载板另一侧相连的液压顶升装置和将整个试验台锁定的锁定装置；轴座和液压顶升装置固定在基座上。

其中，注浆管道由若干支管组成，其中每个支管垂直插入模拟岩层一定深度后，其位置对应于每个煤块中间的位置。

其中，所述支管的管壁以及所述注水管道的管壁开设由若干小孔。

所述注水管道有若干个，每个管道分别插入每个煤块内部，并用密封胶在插入口固定。

所述应力应变片置于模拟岩层和模拟充填材料模块的不同层位，具体位置依据试验要求和参数而定。

本发明还提供一种可模拟不同倾角含水煤层充填注浆试验装置的试验方法，其特征在于包括以下步骤：

a、根据实际工程参数计算试验所需的各项参数，包括模拟岩层的材料、厚度、模拟煤块的尺寸、注浆材料、注浆速度、注浆时间、注水速度、应力应变片的设置位置、加载油缸的加载荷载等参数；

b、组装所述方形试验台框架，将上部挡板和底部挡板以及四周挡板固定后，在内部从下往上铺设一定厚度的底板模拟岩层、由若干块煤块构成的模拟煤层、顶板模拟岩层，在模拟岩层的不同位置埋设应力应变片，并将数据线与数据处理器相连；

c、在上部挡板和四周挡板上用液压油缸进行加载，方向垂直于岩体；

d、根据需要的煤层倾角参数，开启液压顶升装置，使得方形试验台中的煤层达到需要的倾角，并将整个试验台锁定；

e、开启水泵，通过连接在每块煤块上的注水管道进行注水，注水流量及注水时间依据试验参数而定；

f、准备模拟开采过程，将最右边两块煤块抽取出，其中一块采空区填充入模拟支架，另一块采空区填入预先埋设好应力应变片的充填材料模块，打开注浆泵，通过充填材料模块以及模拟支架上方的两路注浆管道对模拟岩层进行注浆，达到一定注浆时间后，关闭注浆泵，此时通过数据处理器采集所有应力应变片的各项数据；

g、等应力应变的数值稳定后，继续模拟开采相邻左边的煤块，并在该采空区内移入所述模拟支架，并在原模拟支架位置填入另一充填材料模块，并打开注浆泵通过模拟支架上方的注浆管道进行注浆，达到一定注浆时间后，关闭注浆泵，再通过数据处理器采集所有应力应变片的各项数据；

h、如此往复，完成整个煤层的模拟开采和充填的应力应片变化数值的采集工作，并用计算机进行数据进一步处理，从而得到不同倾角含水煤层充填注浆过程中应力应变变化的规律。

本发明采用上述技术方案，通过加载系统和充填开采模拟系统，能模拟不同倾角煤层在一定含水量条件下综采工作面开采、采空区充填、顶板围岩注浆等具体过程；通过信息处理装置能实时监测充填过程中采空区充填体及采煤工作面上覆岩层内的压力、位移的三维变化情况，并利用计算机形象模拟，从而真实的反应充填开采的现场情况，能够真实的再现充填开采采动岩层的压力、位移和破坏情况，其结构简单，紧凑合理，稳定可靠，其开采充填环境无限接近于实际开采充填条件。

附图说明

图1是本发明可模拟不同倾角含水煤层充填注浆试验装置的主视图；

图2是图1的右视图；

图3是图1中显示内部岩层的主视图；

图4是图3中煤块开挖并充填的示意图；

图5是图4中注浆管道布置的示意图；

图6、7分别是煤块和充填材料模块的示意图。

图中：1-左挡板，2-上挡板，3-右挡板，4-模拟煤层，5-支脚，6-承载板，7-轴座，8-基座，9-液压顶升装置，10-前挡板，11-后挡板，12-模拟岩层，13-模拟支架，14-模拟充填材料模块，15-注浆管道，16-模拟煤块，18-注水管道。

具体实施方式

本发明的一种可模拟不同倾角含水煤层充填注浆试验装置，包括方形试验台框架、充填注浆模拟装置、上部以及周边液压加载系统、应力应变数据采集系统以及试验台倾角调节装置；所述方形试验台框架包括支架、以及将整个试验装置封闭的上部挡板2和底部挡板以及四周挡板1，3，10，11，以及固定在底部挡板上的支脚5，其中支脚5与承载板6焊接固定；所述充填注浆模拟装置包括模拟岩层12、模拟煤层、长方体模拟充填材料模块14、注浆管道15、注水管道18、模拟支架13，所述模拟煤层由若干长方体煤块16组成，其中注浆管道15与注浆泵相连，注水管道18与注水泵相连，长方体模拟充填材料模块14的尺寸与长方体煤块16的尺寸相等。

所述上部以及周边液压加载系统包括上部和四周的液压油缸以及油管道和油泵，所述上部和四周的液压油缸分别对上部、四周挡板进行加载；

所述应力应变数据采集系统包括预先置于模拟岩层和模拟充填材料模块内的应力应变片以及与之相连的数据处理器；

试验台倾角调节装置包括与承载板6的一侧相连的轴座7和与承载板另一侧相连的液压顶升装置9和将整个试验台锁定的锁定装置；轴座7和液压顶升装置9固定在基座8上。

所述注浆管道15由若干支管组成，其中每个支管垂直插入模拟岩层一定深度后，其位置对应于每个煤块中间的位置。

所述支管的管壁以及所述注水管道18的管壁开设由若干小孔。

所述注水管道18有若干个，每个管道分别插入每个煤块16内部，并用密封胶在插入口固定。

所述应力应变片置于模拟岩层12和模拟充填材料模块14的不同层位，具体位置依据试验要求和参数而定。

本发明的一种可模拟不同倾角含水煤层充填注浆试验装置的试验方法，包括以下步骤：

a、根据实际工程参数计算试验所需的各项参数，包括模拟岩层的材料、厚度、模拟煤块的尺寸、注浆材料、注浆速度、注浆时间、注水速度、应力应变片的设置位置、加载油缸的加载荷载等参数；

b、组装所述方形试验台框架，将上部挡板2和底部挡板以及四周挡板1，3，10，11固定后，在内部从下往上铺设一定厚度的底板模拟岩层12、由若干块煤块构成的模拟煤层4、顶板模拟岩层12，在模拟岩层的不同位置埋设应力应变片，并将数据线与数据处理器相连；

c、在上部挡板2和四周挡板1，3，10，11上用液压油缸进行加载，方向垂直于岩体；

d、根据需要的煤层倾角参数，开启液压顶升装置9，使得方形试验台中的煤层达到需要的倾角，并将整个试验台锁定；

e、开启水泵，通过连接在每块煤块16上的注水管道18进行注水，注水流量及注水时间依据试验参数而定；

f、准备模拟开采过程，将最右边两块煤块抽取出，其中一块采空区填充入模拟支架13，另一块采空区填入预先埋设好应力应变片的充填材料模块14，打开注浆泵，通过充填材料模块14以及模拟支架13上方的两路注浆管道15对模拟岩层12进行注浆，达到一定注浆时间后，关闭注浆泵，此时通过数据处理器采集所有应力应变片的各项数据；

g、等应力应变的数值稳定后，继续模拟开采相邻左边的煤块，并在该采空区内移入所述模拟支架13，并在原模拟支架位置填入另一充填材料模块14，并打开注浆泵通过模拟支架13上方的注浆管道进行注浆，达到一定注浆时间后，关闭注浆泵，再通过数据处理器采集所有应力应变片的各项数据；

h、如此往复，完成整个煤层的模拟开采和充填的应力应片变化数值的采集工作，并用计算机进行数据进一步处理，从而得到不同倾角含水煤层充填注浆过程中应力应变变化的规律。

Claims (2)

1.一种可模拟不同倾角含水煤层充填注浆试验装置，其特征在于：包括方形试验台框架、充填注浆模拟装置、上部以及周边液压加载系统、应力应变数据采集系统以及试验台倾角调节装置；

所述方形试验台框架包括支架、以及将整个试验装置封闭的上部挡板(2)和底部挡板以及四周挡板(1，3，10，11)，以及固定在底部挡板上的支脚(5)，其中支脚(5)与承载板(6)焊接固定；

所述充填注浆模拟装置包括模拟岩层(12)、模拟煤层(4)、长方体模拟充填材料模块(14)、注浆管道(15)、注水管道(18)、模拟支架(13)，所述模拟煤层由若干长方体煤块(16)组成，其中注浆管道(15)与注浆泵相连，注水管道(18)与注水泵相连，长方体模拟充填材料模块(14)的尺寸与长方体煤块(16)的尺寸相等；

所述上部以及周边液压加载系统包括上部和四周的液压油缸以及油管道和油泵，所述上部和四周的液压油缸分别对上部、四周挡板进行加载；

所述应力应变数据采集系统包括预先置于模拟岩层和模拟充填材料模块内的应力应变片以及与之相连的数据处理器；

试验台倾角调节装置包括与承载板(6)的一侧相连的轴座(7)和与承载板另一侧相连的液压顶升装置(9)和将整个试验台锁定的锁定装置；轴座(7)和液压顶升装置(9)固定在基座(8)上；

所述注浆管道(15)由7根支管组成，其中每个支管垂直插入模拟岩层一定深度后，其位置对应于每个煤块中间的位置；

所述支管的管壁以及所述注水管道(18)的管壁开设由若干小孔；

注水管道(18)有若干个，每个管道分别插入每个煤块(16)内部，并用密封胶在插入口固定；

应力应变片置于模拟岩层(12)和模拟充填材料模块(14)的不同层位，具体位置依据试验要求和参数而定。

2.如权利要求1所述的一种可模拟不同倾角含水煤层充填注浆试验装置的试验方法，其特征在于包括以下步骤：

a、根据实际工程参数计算试验所需的各项参数，包括模拟岩层的材料、厚度、模拟煤块的尺寸、注浆材料、注浆速度、注浆时间、注水速度、应力应变片的设置位置、加载油缸的加载荷载各参数；

b、组装所述方形试验台框架，将上部挡板(2)和底部挡板以及四周挡板(1，3，10，11)固定后，在内部从下往上铺设一定厚度的底板模拟岩层(12)、由若干块煤块构成的模拟煤层(4)、顶板模拟岩层(12)，在模拟岩层的不同位置埋设应力应变片，并将数据线与数据处理器相连；

c、在上部挡板(2)和四周挡板(1，3，10，11)上用液压油缸进行加载，方向垂直于岩体；

d、根据需要的煤层倾角参数，开启液压顶升装置(9)，使得方形试验台中的煤层达到需要的倾角，并将整个试验台锁定；

e、开启水泵，通过连接在每块煤块(16)上的注水管道(18)进行注水，注水流量及注水时间依据试验参数而定；

f、准备模拟开采过程，将最右边两块煤块抽取出，其中一块采空区填充入模拟支架(13)，另一块采空区填入预先埋设好应力应变片的充填材料模块(14)，打开注浆泵，通过充填材料模块(14)以及模拟支架(13)上方的两路注浆管道(15)对模拟岩层(12)进行注浆，达到一定注浆时间后，关闭注浆泵，此时通过数据处理器采集所有应力应变片的各项数据；

g、等应力应变的数值稳定后，继续模拟开采相邻左边的煤块，并在该采空区内移入所述模拟支架(13)，并在原模拟支架位置填入另一充填材料模块(14)，并打开注浆泵通过模拟支架(13)上方的注浆管道进行注浆，达到一定注浆时间后，关闭注浆泵，再通过数据处理器采集所有应力应变片的各项数据；

h、如此往复，完成整个煤层的模拟开采和充填的应力应片变化数值的采集工作，并用计算机进行数据进一步处理，从而得到不同倾角含水煤层充填注浆过程中应力应变变化的规律；

所述注浆管道(15)由7根支管组成，其中每个支管垂直插入模拟岩层一定深度后，其位置对应于每个煤块中间的位置；

所述支管的管壁以及所述注水管道(18)的管壁开设由若干小孔；

所述注水管道(18)有若干个，每个管道分别插入每个煤块(16)内部，并用密封胶在插入口固定。