CN105952452A - 油囊式固体充填采煤三维物理相似模拟实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种油囊式固体充填采煤三维物理相似模拟实验装置及方法，该装置包括三维模型架，三维模型架设有岩层模拟体和油囊式充填体模拟系统，油囊式充填体模拟系统由多个并排布置的油囊式充填体组成，油囊式充填体由多个单层油囊由上而下叠加而成，单层油囊的进、出液口通过分流箱与液压泵相连；油囊实时监测系统包括油囊内外压、油囊式充填体顶部位移实时监测系统，该方法利用油囊式充填体的抽液卸压来模拟煤层开采过程，利用进液加压来模拟采空区充填，利用充液层数变化模拟填充材料压实过程。本发明能模拟实际条件下工作面开采、不同充实率条件下采空区充填以及充填物料压实等具体过程，能精确模拟开挖步距、充填步距，降低人工劳动强度。
Description
技术领域
本发明涉及三维物理相似模拟实验领域，具体的说，是一种多层油囊式充填采煤三维物理模拟实验装置及方法，该装置适用于在研究充填开采“三下”压煤时不同充实率条件下岩层移动特征以及充填体应力-应变关系。
背景技术
近年来，煤炭的高强度开采加速了矿井资源的枯竭，煤炭产量供需失衡，市场日益萎缩，针对我国煤炭资源开采现状及存在的问题，提出了煤炭资源“科学产能”。作为绿色开采的主要途径之一，充填采煤已经广泛应用到各个矿区，不仅解放了我国“三下”(建筑物下、铁路下、水体下)压煤资源，延长了矿井寿命，同时还解决了煤矸石排放、堆积问题和土地资源问题，抑制了矿井开采沉陷问题，在一定程度上实现了煤矿安全、高效、绿色、可持续开采。
三维物理相似模拟实验能再现地下工程结构或岩层所处的工程环境，使模拟过程和模拟结果更接近于实际，对研究充填采煤岩层移动特征具有重要意义。传统的三维立体模型实验装置，在模拟煤层开采和采空区充填的过程中，通过人工逐次开挖一段距离的煤层模拟材料，模拟煤层的开采过程，通过人工充入一定量的矸石或相似材料模拟采空区充填的过程，这种方式不仅费时费力，而且不能保证每次开挖、充填的步距相同，不能精确完成不同充实率条件下的模拟情况，实验精确度差、时间长，步骤繁杂，耗费大量人力资源，功能单一，模拟效果有限。
发明内容
发明目的：本发明的目的是针对上述充填采煤三维物理模拟技术中存在的不足，提供一种结构简单、精确模拟开挖步距、充填步距、采空区充填率的油囊式固体充填采煤三维物理模拟实验装置及方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：一种油囊式固体充填采煤三维物理相似模拟实验装置，包括三维模型架、油囊式充填体模拟系统、油囊实时监测系统、岩层模拟体和液压泵，三维模型架四周设有侧护板，侧护板内侧设有侧护板加载油盒，三维模型架设有顶部盖板，顶部盖板内侧设有顶部盖板加载油盒，侧护板加载油盒和顶部盖板加载油盒均通过油管与液压泵相连，在由三维模型架、侧护板和顶部盖板构成的密封空间内由上至下依次设有岩层模拟体和油囊式充填体模拟系统，油囊式充填体模拟系统由多个并排布置的油囊式充填体组成，油囊式充填体由多个单层油囊由上而下叠加而成，每个单层油囊端部均设有两个进、出液口，进、出液口通过分流箱与液压泵相连；油囊实时监测系统包括油囊内外压实时监测系统和油囊式充填体顶部位移实时监测系统，油囊内外压实时监测系统包括设置在油囊式充填体顶部的模拟岩层压力传感器和设置在油囊式充填体内的油泵压力传感器，油囊式充填体顶部位移实时监测系统包括设置在油囊式充填体顶部的位移传感器。
优选的，所述进、出液口设有油囊自控液压阀，所述分流箱设有分流油路自控液压阀。
优选的，所述油囊式充填体的总厚度为2～10cm、宽度为5～10cm、长度为100～200cm，所述单层油囊的厚度为1～2cm。
根据上所述实验装置的油囊式固体充填采煤三维物理相似模拟实验方法，包括以下步骤：
a、根据相似模拟条件及公式确定油囊式充填体长度、宽度及总厚度，试验测定煤层开采过程中实际充填材料在实际压实条件下的应力-应变曲线；
b、首先在三维模型架上安装侧护板及侧护板加载油盒，将油囊式充填体、岩层模拟体按照实验设计的顺序依次铺设在三维模型架内，对油囊式充填体进液加压，最后在三维模型架的顶部安装顶部盖板和顶部加载油盒，对岩层模拟体、油囊式充填体施加等效的计算载荷；
c、利用油囊式充填体抽液卸压来模拟煤层开采过程，开挖煤层的长度即为油囊式充填体长度，采高即为油囊式充填体总厚度，开挖步距为油囊式充填体宽度，利用油囊式充填体进液加压来模拟采空区充填；
d、根据油囊式充填体内外压、油囊式充填体顶部位移实时监测数据，结合实际充填材料应力-应变关系曲线对油囊式充填体变形量进行自动实时调整，进而模拟填充材料的压实过程。
优选的，在模拟采空区充填过程中，利用油囊式充填体的单层油囊充液层数变化模拟充填开采的不同充实率。
优选的，在模拟填充材料的压实过程中，通过用油囊式充填体单层油囊的充液层数变化来调整油囊式充填体的变形量。
有益效果：
(1)本发明通过多层油囊式充填体模拟系统，能模拟实际条件下综采工作面开采、不同充实率条件下采空区充填、以及充填物料压实等具体过程，能精确模拟开挖步距、充填步距，采空区充填率高；
(2)利用油囊抽液卸压来模拟煤层开采过程，利用加压进液来模拟采空区充填过程，克服了现有的实验装置无法对充填开采准确合理模拟的弊端，代替了人工开挖煤层、物料充填采空区等实验繁杂步骤，精确开挖步距，充填步距，减少实验所需时间；
(3)与现有技术相比，降低人工开采劳动强度，减小人为误差，同时避免开挖过程中产生的扬尘，节省材料；
(3)该实验装置及方法具有可靠的稳定性、广泛的实用性。
附图说明
图1是本发明油囊式固体充填采煤三维物理相似模拟实验装置的结构示意图。
图2是本发明油囊式充填体的结构示意图。
图3a是本发明油囊式固体充填采煤三维物理相似模拟实验装置在使用过程中，岩层模拟体和油囊式充填体的剖面示意图。
图3b是本发明油囊式固体充填采煤三维物理相似模拟实验装置在使用过程中，油囊式充填体的剖面局部放大示意图。
图4是本发明的煤层开采过程中实际充填材料在实际压实度条件下的压缩曲线示意图。
图中：1—三维模型架；2—侧护板；3—顶部盖板；4—支撑架；5—侧护板加载油盒；6—顶部盖板加载油盒；7—油管；8—液压泵；9—液压泵自控液压阀；10—分流箱；11—油囊式充填体模拟系统；12—岩层模拟体；13—油囊式充填体；14—单层油囊；15—进、出液口；16—油囊自控液压阀；17—分流油路自控液压阀；18—油囊实时监测系统；19—油囊内外压实时监测系统；20—油囊位移实时监测系统。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1和2所示，本发明的一种油囊式固体充填采煤三维物理相似模拟实验装置，包括三维模型架1、油囊式充填体模拟系统11、油囊实时监测系统18、岩层模拟体12和液压泵8。三维模型架1四周设有侧护板2，侧护板2外侧设有支撑架4，侧护板2内侧设有侧护板加载油盒5，三维模型架1设有顶部盖板3，顶部盖板3内侧设有顶部盖板加载油盒6，侧护板加载油盒5和顶部盖板加载油盒6均通过油管7与液压泵8相连。在由维模型架1、侧护板5和顶部盖板3构成的密封空间内由上至下依次设有岩层模拟体12和油囊式充填体模拟系统11。
油囊式充填体模拟系统11由多个并排布置的油囊式充填体13组成，所述油囊式充填体13由多个单层油囊14由上而下叠加而成，构成多层一体结构的油囊式充填体13。在每个单层油囊14端部均设有两个进、出液口15，进、出液口15通过分流箱10与液压泵8相连。所述进、出液口15设有油囊自控液压阀16，所述分流箱10设有分流油路自控液压阀17，油囊自控液压阀16与分流油路自控液压阀17之间、分流箱10与液压泵8之间均通过油管7相连。通过分流箱10控制，可分别对油囊式充填体13的单个单层油囊14加压进液与卸压抽液。油囊自控液压阀16、分流油路自控液压阀17和液压泵8由计算机控制。
所述油囊式充填体13的总厚度为2～10cm、宽度为5～10cm、长度为100～200cm，所述单层油囊14的厚度为1～2cm。
油囊实时监测系统18包括油囊内外压实时监测系统19和油囊位移实时监测系统20，油囊内外压实时监测系统19包括设置在油囊式充填体13顶部的模拟岩层压力传感器和设置在油囊式充填体13内的油泵压力传感器，油囊式充填体13内外压实时监测数据可在分流箱10上的仪表显示，油囊位移实时监测系统20包括设置在油囊式充填体13顶部的位移传感器。通过油囊实时监测系统18可对油囊式充填体13自身内外压、油囊式充填体13顶部位移进行实时监测。
根据上述实验装置的油囊式固体充填采煤三维物理相似模拟实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、根据相似模拟条件及公式确定油囊式充填体13长度、宽度及总厚度，试验测定煤层开采过程中实际充填材料在实际压实条件下的应力-应变曲线，如图4所示，纵轴ε表示应变，横轴σ表示应力；
b、首先在三维模型架1上安装侧护板5及侧护板加载油盒6，将油囊式充填体13、岩层模拟体12按照实验设计的顺序依次铺设在三维模型架1内，对油囊式充填体13进液加压，最后在三维模型架1的顶部安装顶部盖板3和顶部加载油盒7，对岩层模拟体12、油囊式充填体13施加等效的计算载荷；
c、利用油囊式充填体13抽液卸压来模拟煤层开采过程，开挖煤层的长度即为油囊式充填体13长度，采高即为油囊式充填体13总厚度，开挖步距为油囊式充填体13宽度，利用油囊式充填体13进液加压来模拟采空区充填，在模拟采空区充填过程中，利用油囊式充填体13的单层油囊14充液层数变化模拟充填开采的不同充实率，如图3a、3b所示，具体过程如下：
待铺设的岩层模拟体12、油囊式充填体13稳定后，拆下侧护板5，对模拟煤层进行开挖，首先进行油囊式充填体13编号，本实施例中铺设有十五个油囊式充填体13，编号分别为1＇……15＇，以下简称1＇油囊……15＇油囊，根据实际开采情况，在预开采煤层距离模型边界一定距离处模拟采煤工作面开切眼，即图中1＇油囊处开挖，打开1＇油囊顶部第一分层单层油囊自控液压阀16，分流箱11处分流油路自控液压阀17上的1＇开关，启动液压泵站9，进行抽液卸压，待油囊抽液完毕后，关闭顶部第一分层单层油囊的油囊自控液压阀16，开启第二分层单层油囊的油囊自控液压阀16，进行抽液卸压，从上到下依次重复此操作，直至1＇油囊全部分层抽液完毕，待岩层稳定，进行2＇油囊开挖，重复1＇油囊的开挖过程，直至2＇油囊全部分层抽液完毕，待岩层稳定，进行3＇油囊开挖，重复1＇油囊的开挖过程，与此同时，进行1＇油囊的充液过程，打开1＇油囊底部第一分层单层油囊的油囊自控液压阀16，分流箱11处分流油路自控液压阀17上的1＇开关，启动液压泵站9，进行进液加压，待油囊充液完毕后，关闭底部第一分层单层油囊的油囊自控液压阀16，开启底部第二分层单层油囊的油囊自控液压阀16，进行进液加压，从下到上依次重复此操作，根据充实率确定单层油囊14充液层数，直至1＇油囊层充液完毕，关闭分流箱11处分流油路自控液压阀17上的1＇、3＇开关。3＇油囊开挖与1＇油囊充液过程同时进行，当3＇油囊开挖完毕时，1＇油囊充液完全。依次重复上述操作，进行4＇油囊开挖、2＇油囊充液过程，直至15＇油囊开挖完毕时，13＇油囊充液完全，煤层开采完全，然后依次进行14＇油囊充液、15＇油囊充液，采空区充填完毕；
d、采空区充填完毕后，所有油囊式充填体13同时承载上覆岩层模拟体12的压力，此时可根据油囊式充填体13内外压、油囊式充填体13顶部位移实时监测数据，结合实际充填材料应力应变关系曲线对油囊式充填体13变形量进行自动实时调整，进而真实地模拟充填开采中的压实过程。该步骤中，基于计算机存储的压缩特性控制程序代码，通过油囊自控液压阀16、分流油路自控液压阀17和液压泵8对油囊式充填体13自动放液，进而实现油囊式充填体13变形量的自动调整。在模拟填充材料的压实过程中，同样的，也是通过用油囊式充填体单层油囊的充液层数变化来调整油囊式充填体的变形量。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种油囊式固体充填采煤三维物理相似模拟实验装置，其特征在于：包括三维模型架(1)、油囊式充填体模拟系统(11)、油囊实时监测系统(18)、岩层模拟体(12)和液压泵(8)，三维模型架(1)四周设有侧护板(2)，侧护板(2)内侧设有侧护板加载油盒(5)，三维模型架(1)设有顶部盖板(3)，顶部盖板(3)内侧设有顶部盖板加载油盒(6)，侧护板加载油盒(5)和顶部盖板加载油盒(6)均通过油管(7)与液压泵(8)相连，在由三维模型架(1)、侧护板(5)和顶部盖板(3)构成的密封空间内由上至下依次设有岩层模拟体(12)和油囊式充填体模拟系统(11)，油囊式充填体模拟系统(11)由多个并排布置的油囊式充填体(13)组成，油囊式充填体(13)由多个单层油囊(14)由上而下叠加而成，每个单层油囊(14)端部均设有两个进、出液口(15)，进、出液口(15)通过分流箱(10)与液压泵(8)相连；油囊实时监测系统(18)包括油囊内外压实时监测系统(19)和油囊位移实时监测系统(20)，油囊内外压实时监测系统(19)包括设置在油囊式充填体(13)顶部的模拟岩层压力传感器和设置在油囊式充填体(13)内的油泵压力传感器，油囊位移实时监测系统(20)包括设置在油囊式充填体(13)顶部的位移传感器。
2.根据权利要求1所述的一种油囊式固体充填采煤三维物理相似模拟实验装置，其特征在于：所述进、出液口(15)设有油囊自控液压阀(16)，所述分流箱(10)设有分流油路自控液压阀(17)。
3.根据权利要求2所述的一种油囊式固体充填采煤三维物理相似模拟实验装置，其特征在于：所述油囊式充填体(13)的总厚度为2～10cm、宽度为5～10cm、长度为100～200cm，所述单层油囊(14)的厚度为1～2cm。
4.根据权利要求1所述实验装置的油囊式固体充填采煤三维物理相似模拟实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、根据相似模拟条件及公式确定油囊式充填体(13)长度、宽度及总厚度，试验测定煤层开采过程中实际充填材料在实际压实条件下的应力-应变曲线；
b、首先在三维模型架(1)上安装侧护板(5)及侧护板加载油盒(6)，将油囊式充填体(13)、岩层模拟体(12)按照实验设计的顺序依次铺设在三维模型架(1)内，对油囊式充填体(13)进液加压，最后在三维模型架(1)的顶部安装顶部盖板(3)和顶部加载油盒(7)，对岩层模拟体(12)、油囊式充填体(13)施加等效的计算载荷；
c、利用油囊式充填体(13)抽液卸压来模拟煤层开采过程，开挖煤层的长度即为油囊式充填体(13)长度，采高即为油囊式充填体(13)总厚度，开挖步距为油囊式充填体(13)宽度，利用油囊式充填体(13)进液加压来模拟采空区充填；
d、采空区充填完毕后，根据油囊式充填体(13)内外压、油囊式充填体顶部位移实时监测数据，结合实际充填材料应力-应变关系曲线对油囊式充填体(13)变形量进行自动实时调整，进而模拟填充材料的压实过程。
5.根据权利要求4所述的油囊式固体充填采煤三维物理相似模拟实验方法，其特征在于：在模拟采空区充填过程中，利用油囊式充填体(13)单层油囊的充液层数变化模拟充填开采的不同充实率。
6.根据权利要求4所述的油囊式固体充填采煤三维物理相似模拟实验方法，其特征在于：模拟填充材料的压实过程中，通过用油囊式充填体(13)单层油囊的充液层数变化来调整油囊式充填体(13)的变形量。
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