CN105527403B - 一种应用于煤岩体的相似模拟试验装置及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于煤岩体的相似模拟试验装置，包括模型装置、顶部压力控制装置、湿度调节装置、温度调节装置、数据采集系统；其中湿度调节装置与温度调节装置分别用于调节模型装置的温度与湿度；本发明还公开了一种应用于煤岩体的相似模拟试验装置的试验方法。本发明其能够解决模拟试验过程中温度和湿度影响较大的问题，与实际工程条件更加符合；另外数据采集系统可准确获得上覆煤岩层内的压力、位移变化情况，更加真实的反应了开采现场情况，显著地降低研究人员的劳动强度，避免开采过程带来的危险，并可大大减少了人工读数与计算的时间，很大程度上提高了测试精度和准确性，且装置结构简单，紧凑合理，方法稳定可靠，实用价值高。
Description
技术领域
本发明涉及煤岩体的相似模拟试验技术领域，尤其涉及一种应用于煤岩体的相似模拟试验装置及试验方法。
背景技术
煤炭一直是我国的主要能源，而我国的煤矿开采主要是井工开采。在几百米甚至一千多米的煤矿井底下，进行一些试验研究给研究工作者带来了很大的困难，为了获得井下煤岩体的运移规律，煤矿开采相似模拟试验应运而生。人们通过相似材料模拟试验再现井下煤层开采之后上覆岩体移动规律，通过监测上覆岩体应力和位移分布规律来指导煤矿生产，为煤矿的安全高效生产提供了基础。
与原型试验相比，相似模拟试验容易制作，而且成本不高，节省了很大的人力和财力。目前相似模拟试验是矿山煤矿开采应用较多的试验方法之一。煤矿相似模拟试验是一种建立在相似理论基础上，利用相似材料模拟真实的采矿地质和工程条件，研究对应原型的力学运动以及其他相关特性的一种试验方法。它可以与数值模拟试验以及理论分析等其他方法结合起来验证原型所得结论的正确性。
纵观现有的相似模拟试验结果，由于各种原因导致模拟结果与实际偏差较大。相似模拟试验材料主要是由石膏、河沙和云母等材料搅拌混合而成，模拟材料容易受温度以及湿度的影响，导致材料固化后力学参数变化较大，而且测量应力用的应变片也会受温度的影响，产生温度应变，直接导致试验误差偏大。同时，传统的数据监测方法也比较落后，传统的位移监测采用水准仪进行人工读数，浪费人员时间而且数据还不准确，直接导致数据测量误差增大。这些种种原因直接导致了相似模拟试验的精确度，因此亟待发明一种试验结果精确度高的模拟地下采矿的相似模拟试验装置及其试验方法。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种应用于煤岩体的相似模拟试验装置及试验方法，其能够解决模拟试验过程中温度和湿度影响较大的问题，与实际工程条件更加符合；另外数据采集系统可准确获得上覆煤岩层内的压力、位移变化情况，更加真实的反应了开采现场情况，显著地降低研究人员的劳动强度，避免开采过程带来的危险，并可大大减少了人工读数与计算的时间，很大程度上提高了测试精度和准确性，且装置结构简单，紧凑合理，方法稳定可靠，实用价值高。
本发明提出的一种应用于煤岩体的相似模拟试验装置，包括模型装置、顶部压力控制装置、湿度调节装置、温度调节装置、数据采集系统；其中湿度调节装置与温度调节装置分别用于调节模型装置的温度与湿度；
模型装置包括模型容纳机构与模型台架，模型容纳机构包括底部基板、侧板及刚性盖板，底部基板至少与一侧侧板可拆卸连接，刚性盖板盖合在顶部，模型容纳机构用于提供盛放模型材料的空间，模型容纳机构与模型台架固定连接，模型台架用于提供顶部压力控制装置所需反作用力作用在刚性盖板进而对模型材料顶部施加压力，顶部压力控制装置一端与模型台架固定连接，另一端与刚性盖板外表面配合连接；
数据采集系统包括位移数据采集仪、压力数据采集装置及显示装置，位移数据采集仪与显示装置的输入端通讯连接，用于记录位移数据采集仪检测获得的实时位移；压力数据采集装置包括若干压力传感器与压力数据采集仪，压力传感器位于试验模型内部，压力传感器与压力数据采集仪的输入端通讯连接，压力数据采集仪的输出端与显示装置的输入端通讯连接，用于记录压力传感器检测获得的实时应力。
优选地，湿度调节装置与温度调节装置分别用于调节模型装置的温度为18-35℃与湿度20-50％；优选地温度为20℃，湿度为35％％；优选地，湿度调节装置(2)与温度调节装置(3)均位于模型装置(1)的侧面上端。
优选地，顶部压力控制装置包括控制台、液压油管及伸缩杆，控制台通过液压油管与伸缩杆连接，伸缩杆一端与模型台架固定连接，另一端与刚性盖板外表面配合连接，伸缩杆伸缩实现通过刚性盖板对试验模型的压力加载。
优选地，试验模型外表面设有若干测量标记点，位移数据采集仪为数码高清摄像机，用于检测测量标记点位移变化；压力传感器为压力盒，压力盒埋设于试验模型内部且临接测量标记点，用于检测测量标记点应力变化。
优选地，所述模型材料的原料包括：石膏、河沙及云母。
优选地，所述模型材料的原料还包括：石英、长石、绿泥石、蒙脱石及黄铁矿。
优选地，所述模型材料的原料按重量份包括：石膏20-40份、河沙10-30份、云母10-40份、石英5-15份、长石4-18份、绿泥石5-18份、蒙脱石1-7份、黄铁矿1-5份。
优选地，在云母中，粒径10-50μm的云母占40-80wt％，粒径为100-300μm的云母占5-15wt％，其余为粒径350-600μm的云母。
本发明还提出了一种所述的应用于煤岩体的相似模拟试验装置的试验方法，包括如下步骤：
S1、材料配置：向模型容纳机构内铺设模型材料，并在模型材料内埋设压力传感器；
S2、调节温度、湿度：调节湿度调节装置与温度调节装置达到预设温度与湿度；
S3、加压：通过顶部压力控制装置对模型材料顶部施加应力，待模型材料固结，得到试验模型，去掉至少一侧侧板；
S4、开挖：开挖过程中通过数据采集系统对数据进行检测和采集；
S5、数据处理与分析。
优选地，所述的应用于煤岩体的相似模拟试验装置的试验方法，包括如下步骤：
S1、材料配置：向模型容纳机构内铺设模型材料，并在模型材料内埋设压力传感器；
S2、调节温度、湿度：调节湿度调节装置使模型装置温度保持在20℃，调节温度调节装置使模型装置湿度保持在35％；
S3、加压：通过顶部压力控制装置对模型材料顶部施加应力，施加应力为上覆岩体的垂直重力，待模型材料固结，得到试验模型，去掉至少一侧侧板；
S4、开挖：对试验模型人工开挖，将煤层位置的模型材料掏出，每天开挖深度为6-12cm，开挖150-250cm后停止；开挖过程中通过数据采集系统对数据进行检测和采集，其中通过高清数码摄像机对开挖过程进行拍摄，获取随开挖深度的增加上覆岩体的位移变化，通过压力数据采集装置对变化应力进行采集，获取随开挖深度的增加上覆岩体的应力变化；
S5、数据处理与分析，将高清数码摄像机与压力数据采集装置获取的数据进行处理与分析。
本发明与现有技术相比具有明显的优势，其能够解决模拟试验过程中温度和湿度影响较大的问题，与实际工程条件更加符合；另外数据采集系统可准确获得上覆煤岩层内的压力、位移变化情况，更加真实的反应了开采现场情况，真实再现上覆煤岩层的压力、位移和破坏情况，结合相应的分析软件能够得到准确的位移变化，显著地降低研究人员的劳动强度，避免开采过程带来的危险，并可大大减少了人工读数与计算的时间，很大程度上提高了测试精度和准确性，且装置结构简单，紧凑合理，方法稳定可靠，实用价值高；另外井下煤岩体的运动规律受煤岩体本身矿物成分和岩性结构影响较大，本发明通过合理控制模型材料原料配比，其中云母的颗粒大小，并通过湿度调节装置与温度调节装置调节体系温度与湿度，有效降低模型材料固化后因温度与湿度导致的误差，最终制备的模型更符合天然煤岩层的成分与岩性结构，模拟试验检测的位移与压力数据变化更为准确，相似模拟试验的精确度极高。
附图说明
图1为本发明提出的一种应用于煤岩体的相似模拟试验装置的结构示意图。
图2为本发明提出的一种应用于煤岩体的相似模拟试验装置的试验方法的流程图。
图3为本发明中试验模型开挖50cm时上层覆岩垮落形态。
图4为本发明中试验模型开挖50cm时各测量标记点垂直位移。
具体实施方式
如图1、2、3、4所示，图1为本发明提出的一种应用于煤岩体的相似模拟试验装置的结构图。图2为本发明提出的一种应用于煤岩体的相似模拟试验装置的试验方法的流程图。图3为本发明中试验模型开挖50cm时上层覆岩垮落形态。图4为本发明中试验模型开挖50cm时各测量标记点垂直位移。
参照图1、3、4所示，一种应用于煤岩体的相似模拟试验装置，包括模型装置1、顶部压力控制装置、湿度调节装置2、温度调节装置3、数据采集系统；其中湿度调节装置2与温度调节装置3分别用于调节模型装置的温度与湿度；
模型装置1包括模型容纳机构11与模型台架12，模型容纳机构11包括底部基板、侧板及刚性盖板，底部基板至少与一侧侧板可拆卸连接，刚性盖板盖合在顶部，模型容纳机构11用于提供盛放模型材料的空间，模型容纳机构11与模型台架12固定连接，模型台架12用于提供顶部压力控制装置所需反作用力作用在刚性盖板进而对模型材料顶部施加压力，顶部压力控制装置一端与模型台架12固定连接，另一端与刚性盖板外表面配合连接。
数据采集系统包括位移数据采集仪4、压力数据采集装置及显示装置5，位移数据采集仪4与显示装置5的输入端通讯连接，用于记录位移数据采集仪4检测获得的实时位移；压力数据采集装置包括若干压力传感器与压力数据采集仪10，压力传感器位于试验模型内部，压力传感器与压力数据采集仪10的输入端通讯连接，压力数据采集仪10的输出端与显示装置5的输入端通讯连接，用于记录压力传感器检测获得的实时应力。
上述可解决模拟试验过程中温度和湿度影响较大的问题，与实际工程条件更加符合；另外数据采集系统可准确获得上覆煤岩层内的压力、位移变化情况，更加真实的反应了开采现场情况，真实再现上覆煤岩层的压力、位移和破坏情况，结合相应的分析软件能够得到准确的位移变化，显著地降低研究人员的劳动强度，避免开采过程带来的危险，并可大大减少了人工读数与计算的时间，很大程度上提高了测试精度和准确性，且装置结构简单，紧凑合理，方法稳定可靠，实用价值高。
上述应用于煤岩体的相似模拟试验装置的试验方法，包括如下步骤：
S1、材料配置：向模型容纳机构11内铺设模型材料，并在模型材料内埋设压力传感器；
S2、调节温度、湿度：调节湿度调节装置2与温度调节装置3达到预设温度与湿度；
S3、加压：通过顶部压力控制装置对模型材料顶部施加应力，待模型材料固结，得到试验模型，去掉至少一侧侧板；
S4、开挖：开挖过程中通过数据采集系统对数据进行检测和采集；
S5、数据处理与分析。
在具体实施过程中，湿度调节装置2与温度调节装置3分别用于调节模型装置1的温度为18-35℃与湿度20-50％；优选地温度为20℃，湿度为35％，具体的，湿度调节装置2与温度调节装置3均位于模型装置1的侧面上端。
顶部压力控制装置包括控制台6、液压油管7及伸缩杆8，控制台6通过液压油管7与伸缩杆8连接，伸缩杆8一端与模型台架12固定连接，另一端与刚性盖板外表面配合连接，伸缩杆8伸缩实现通过刚性盖板对试验模型的压力加载。
试验模型外表面设有若干测量标记点9，位移数据采集仪为数码高清摄像机，用于检测测量标记点位移变化；压力传感器为压力盒，压力盒埋设于试验模型内部且临接测量标记点9，用于检测测量标记点9应力变化。
所述模型材料的原料包括：石膏、河沙及云母。进一步的所述模型材料的原料还包括：石英、长石、绿泥石、蒙脱石及黄铁矿。具体的所述模型材料的原料按重量份包括：石膏20-40份、河沙10-30份、云母10-40份、石英5-15份、长石4-18份、绿泥石5-18份、蒙脱石1-7份、黄铁矿1-5份，具体的石膏的重量份可以为20份、22份、30份、38份、40份，河沙的重量份可以为10份、16份、24份、30份、28份，云母的重量份可以为10份、20份、26份、32份、40份，石英的重量份可以为5份、10份、12份、14份、15份，长石的重量份可以为4份、10份、12份、15份、18份，绿泥石的重量份可以为5份、10份、12份、14份、18份，蒙脱石的重量份可以为1份、2份、4份、6份、7份，黄铁矿的重量份可以为1份、2份、3份、4份、5份。
在云母中，粒径10-50μm的云母占40-80wt％，粒径为100-300μm的云母占5-15wt％，其余为粒径350-600μm的云母；具体的，粒径10-50μm的云母占40wt％，粒径为100-300μm的云母占15wt％，其余为粒径350-600μm的云母；具体的，粒径10-50μm的云母占60wt％，粒径为100-300μm的云母占12wt％，其余为粒径350-600μm的云母；具体的，粒径10-50μm的云母占80wt％，粒径为100-300μm的云母占5wt％，其余为粒径350-600μm的云母。
因为井下煤岩体的运动规律受煤岩体本身矿物成分和岩性结构影响较大，本发明通过合理控制模型材料原料配比，其中云母的颗粒大小，并通过湿度调节装置与温度调节装置调节体系温度与湿度，有效降低模型材料固化后因温度与湿度导致的误差，最终制备的模型更符合天然煤岩层的成分与岩性结构，模拟试验检测的位移与压力数据变化更为准确，相似模拟试验的精确度极高。
具体的，参照图2，所述的应用于煤岩体的相似模拟试验装置的试验方法，包括如下步骤：
S1、材料配置：向模型容纳机构11内铺设模型材料，并在模型材料内埋设压力传感器；
S2、调节温度、湿度：调节湿度调节装置2使模型装置1温度保持在20℃，调节温度调节装置3使模型装置1湿度保持在35％；
S3、加压：通过顶部压力控制装置对模型材料顶部施加应力，施加应力为上覆岩体的垂直重力，待模型材料固结，得到试验模型，去掉至少一侧侧板；
S4、开挖：对试验模型人工开挖，将煤层位置的模型材料掏出，每天开挖深度为6-12cm，开挖150-250cm后停止；开挖过程中通过数据采集系统对数据进行检测和采集，其中通过高清数码摄像机对开挖过程进行拍摄，获取随开挖深度的增加上覆岩体的位移变化，通过压力数据采集装置对变化应力进行采集，获取随开挖深度的增加上覆岩体的应力变化；
S5、数据处理与分析，将高清数码摄像机与压力数据采集装置获取的数据进行处理与分析。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种应用于煤岩体的相似模拟试验装置，其特征在于，包括模型装置(1)、顶部压力控制装置、湿度调节装置(2)、温度调节装置(3)、数据采集系统；其中湿度调节装置(2)与温度调节装置(3)分别用于调节模型装置(1)的湿度与温度；
模型装置(1)包括模型容纳机构(11)与模型台架(12)，模型容纳机构(11)包括底部基板、侧板及刚性盖板，底部基板至少与一侧侧板可拆卸连接，刚性盖板盖合在顶部，模型容纳机构(11)用于提供盛放模型材料的空间，模型容纳机构(11)与模型台架(12)固定连接，顶部压力控制装置一端与模型台架(12)固定连接，另一端与刚性盖板外表面配合连接，模型台架(12)用于提供顶部压力控制装置所需反作用力并作用在刚性盖板进而对模型材料顶部施加压力；
数据采集系统包括位移数据采集仪(4)、压力数据采集装置及显示装置(5)，位移数据采集仪(4)与显示装置(5)的输入端通讯连接，用于记录位移数据采集仪(4)检测获得的实时位移；压力数据采集装置包括若干压力传感器与压力数据采集仪(10)，压力传感器位于试验模型内部，压力传感器与压力数据采集仪(10)的输入端通讯连接，压力数据采集仪(10)的输出端与显示装置(5)的输入端通讯连接，用于记录压力传感器检测获得的实时应力；
试验模型外表面设有若干测量标记点(9)，位移数据采集仪为数码高清摄像机，用于检测测量标记点位移变化；压力传感器为压力盒，压力盒埋设于试验模型内部且临接测量标记点(9)，用于检测测量标记点(9)应力变化；
所述应用于煤岩体的相似模拟试验装置在试验状态时，首先向模型容纳机构(11)内铺设模型材料，并在模型材料内埋设压力传感器；接着调节湿度调节装置(2)与温度调节装置(3)达到预设湿度与温度；再通过顶部压力控制装置对模型材料顶部施加应力，待模型材料固结，得到试验模型，去掉至少一侧侧板；接着开挖，开挖过程中通过数据采集系统对数据进行检测和采集；最后数据处理与分析。
2.根据权利要求1所述的应用于煤岩体的相似模拟试验装置，其特征在于，湿度调节装置(2)与温度调节装置(3)分别用于调节模型装置(1)的湿度为20-50％与温度为18-35℃。
3.根据权利要求2所述的应用于煤岩体的相似模拟试验装置，其特征在于，湿度调节装置(2)与温度调节装置(3)分别用于调节模型装置(1)的湿度为35％与温度为20℃。
4.根据权利要求1所述的应用于煤岩体的相似模拟试验装置，其特征在于，湿度调节装置(2)与温度调节装置(3)均位于模型装置(1)的侧面上端。
5.根据权利要求1所述的应用于煤岩体的相似模拟试验装置，其特征在于，顶部压力控制装置包括控制台(6)、液压油管(7)及伸缩杆(8)，控制台(6)通过液压油管(7)与伸缩杆(8)连接，伸缩杆(8)一端与模型台架(12)固定连接，另一端与刚性盖板外表面配合连接，伸缩杆(8)伸缩实现通过刚性盖板对试验模型的压力加载。
6.根据权利要求1所述的应用于煤岩体的相似模拟试验装置，其特征在于，所述模型材料的原料包括：石膏、河沙及云母。
7.根据权利要求6所述的应用于煤岩体的相似模拟试验装置，其特征在于，所述模型材料的原料还包括：石英、长石、绿泥石、蒙脱石及黄铁矿。
8.根据权利要求7所述的应用于煤岩体的相似模拟试验装置，其特征在于，所述模型材料的原料按重量份包括：石膏20-40份、河沙10-30份、云母10-40份、石英5-15份、长石4-18份、绿泥石5-18份、蒙脱石1-7份、黄铁矿1-5份。
9.根据权利要求8所述的应用于煤岩体的相似模拟试验装置，其特征在于，在云母中，粒径10-50μm的云母占40-80wt％，粒径为100-300μm的云母占5-15wt％，其余为粒径350-600μm的云母。
10.根据权利要求1所述的应用于煤岩体的相似模拟试验装置，其特征在于，所述应用于煤岩体的相似模拟试验装置在试验状态时，首先向模型容纳机构(11)内铺设模型材料，并在模型材料内埋设压力传感器；接着调节湿度调节装置(2)使模型装置(1)湿度保持在35％，调节温度调节装置(3)使模型装置(1)温度保持在20℃；再通过顶部压力控制装置对模型材料顶部施加应力，施加应力为上覆岩体的垂直重力，待模型材料固结，得到试验模型，去掉至少一侧侧板；接着对试验模型人工开挖，将煤层位置的模型材料掏出，每天开挖深度为6-12cm，开挖150-250cm后停止；开挖过程中通过数据采集系统对数据进行检测和采集，其中通过高清数码摄像机对开挖过程进行拍摄，获取随开挖深度的增加上覆岩体的位移变化，通过压力数据采集装置对变化应力进行采集，获取随开挖深度的增加上覆岩体的应力变化；最后将高清数码摄像机与压力数据采集装置获取的数据进行处理与分析。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20171117 Termination date: 20190120 |