CN107687958B - 沙漠地区煤层顶板垮落与输气管道协同变形物理模拟装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了沙漠地区煤层顶板垮落与输气管道协同变形物理模拟装置及方法，无承载板相似模拟架通过带有支撑板的液压千斤顶及其上的可折叠式胶带铺层实现对河沙承载，由千斤顶可控升降，折叠处液压千斤顶的下降实现顶板垮落模拟，应变片及应力‑应变仪实现应变实时监控，监测反光片的移动实现沙体位移的监测。线圈支撑杆穿接在无承载板相似模拟架上，测量线圈通过测量线与模拟输气管上的测点垂直相连，通过对测量线的监测实现对模拟输气管道局部及整体宏观变形量的监测。本发明可使河沙、顶板垮落与模拟输气管变形实现联动，实现沙漠地区煤层顶板垮落与模拟输气管道协同变形的模拟与精确测量，实现了模拟输气管变形量化及变形过程再现。
Description
技术领域
本发明涉及沙漠地区煤气共采区煤层顶板垮落与输气管道协同变形物理模拟装置及方法，涉及相似模拟实验设备技术领域。
背景技术
我国的西北地区有着丰富的矿产资源储量，煤、天然气大量赋存，采煤工作面、输气管道往往呈现交叉布置，随着工作面的推进，采空区垮落，采煤工工作面上覆岩层的塌陷，由于沙体属于散体且沙粒经过风化剥蚀形成近似球体形状，相互间的摩擦较小，就会造成沙体流至塌陷区或裂隙中，导致上覆河沙同步移动，河沙的移动将产生对输气管道的压力，造成输气管道的变形甚至折断，使得管道漏气甚至断气，进而造成大量的资源和财产损失，同时也会对采煤工作面的推进产生较大影响。当前对于这种现象的研究，集中于现象的描述，没能构建合理的物理模拟装置并精确分析管道的变形。
本发明根据相似理论，构建了由沙、顶板塌陷和管道变形及相关控制监测系统的协同变形物理模拟架，通过控制局部千斤顶下降实现对底板垮落的模拟，并通过应变片、测量线、反光片及相关监测系统实现对工作面垮落而引起的管道变形、应变、河沙移动的测量，从而得出管道变形过程中各段位移发展过程及管道变形量。
发明内容
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：沙漠地区煤层顶板垮落与输气管道协同变形物理模拟装置，其特征在于，其包括无承载板相似模拟架、 PVC有机玻璃板、侧护板、线圈支撑杆、测量线圈、河沙、模拟输气管、液压千斤顶、液压千斤顶支撑板、可折叠式胶带铺层、应变片、应力-应变仪、计算机、液压泵站及操控台、反光片和测线缠绕装置；
其中，所述PVC有机玻璃板设置在无承载板相似模拟架的侧面上，所述侧护板设置在PVC有机玻璃板的中部并与无承载板相似模拟架连接；
所述无承载板相似模拟架上位于所述PVC有机玻璃板的上方设置有所述线圈支撑杆；
所述线圈支撑杆穿过测线缠绕装置滚动轮，测量线圈缠绕在测线缠绕装置的滚动轮上，测量线圈通过测量线与模拟输气管上的测点连接，所述模拟输气管埋于河沙内，测点上设置应变片，应变片采集的数据通过线路传至应力-应变仪上；
所述液压千斤顶、千斤顶支撑板、可折叠式胶带铺层组合成可局部和整体均可升降的承载板，以便用于支承河沙，液压千斤顶通过液压泵站及操控台实现可控伸缩；
所述反光片贴在沙体上，随沙体的移动而移动，反光片与有机玻璃板的摩擦较小，能够实现与沙体的协同移动，通过观测反光片的移动，观测沙体的移动状况；
所述液压泵站及操控台由所述计算机控制。
进一步，作为优选，所述无承载板相似模拟架上设置有相似模拟架固定孔，所述PVC有机玻璃板通过螺栓固定在相似模拟架固定孔内，所述侧护板也通过螺栓设置在无承载板相似模拟架上，所述线圈支撑杆选用钢管，测量线选用带有刻度的并涂有润滑油的卷尺。
进一步，作为优选，所述PVC有机玻璃板的下部边缘位于所述液压千斤顶处于完全收缩时的高度，所述千斤顶支撑板与PVC有机玻璃板两侧距离相等，且各边平滑、相互垂直。
进一步，作为优选，可折叠式胶带铺层选用表面比较平滑的、延展性较弱的软弱塑料铺层。
进一步，作为优选，可折叠式胶带铺层在千斤顶支撑板组成的矩形面的中部折叠，折叠重合长度不低于40cm。
进一步，作为优选，所述模拟输气管的长度，大于由于液压千斤顶下降而造成的河沙移动区范围的长度，所述测量线圈的内径大于线圈支撑杆的外径，且线圈支撑杆表面光滑。
进一步，作为优选，所述测量线系在模拟输气管上并通过强力胶黏在一起。
进一步，作为优选，每个所述测点上设置的应变片，分别沿轴向布置和垂直轴向布置，通过测量不同部位的应变实现管道整体变形监测。
进一步，作为优选，所述液压泵站实现对每个液压千斤顶的压缩量的控制。
此外，本发明还提供了一种沙漠地区煤气共采区煤层顶板垮落与输气管道协同变形物理模拟方法；其特征在于，其包括下述步骤：
（1）在液压千斤顶支撑板上铺设可折叠式胶带铺层，将可折叠式胶带铺层在中部折叠，折叠重合长度不小于40cm.
（2）将折叠处的下部及其附近的液压千斤顶下降一定高度，可折叠式胶带铺层展开，河沙同步向下移动；
（3）以PVC有机玻璃板上部边缘为参照，利用摄像技术，将不同时间各测量线（2）数值进行记录至测量线完全静止后，静置一天，记录测量线最终数值，通过摄像机同一时间记录的不同测量线数据及最终数据，反算出模拟输气管道的变形过程及最终变形量。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明根据相似理论，构建了由沙、顶板塌陷和管道变形及相关控制监测系统的协同变形物理模拟架，通过控制局部千斤顶下降实现对底板垮落的模拟，并通过应变片、测量线、反光片及相关监测系统实现对工作面垮落而引起的管道变形、应变、河沙移动的测量，从而得出管道变形过程中各段位移发展过程及管道变形量。
附图说明
图1为沙体流动、煤层顶板垮落与输气管道协同变形物理模拟装置；
其中，1.无承载板相似模拟架；2.测量线；3.相似模拟架固定孔；4.PVC有机玻璃板；5.侧护板；6.线圈支撑杆；7.测量线圈；8.河沙；9.模拟输气管；10.测点；11.液压千斤顶；11a.千斤顶支撑板；12.可折叠式胶带铺层；13.应变片；14.应力-应变仪；15.计算机；16.液压泵站及操控台；17.反光片；18.测线缠绕装置滚动轮；19.测线缠绕装置。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：沙漠地区煤层顶板垮落与输气管道协同变形物理模拟装置，沙漠地区煤层顶板垮落与输气管道协同变形物理模拟装置，其包括无承载板相似模拟架1、 PVC有机玻璃板4、侧护板5、线圈支撑杆6、测量线圈7、河沙8、模拟输气管9、液压千斤顶11、液压千斤顶支撑板11a、可折叠式胶带铺层12、应变片13、应力-应变仪14、计算机15、液压泵站及操控台16、反光片17和测线缠绕装置19；
其中，所述PVC有机玻璃板4设置在无承载板相似模拟架1的侧面上，所述侧护板5设置在PVC有机玻璃板4的中部并与无承载板相似模拟架1连接；所述无承载板相似模拟架1上位于所述PVC有机玻璃板4的上方设置有所述线圈支撑杆6；所述线圈支撑杆6穿过测线缠绕装置滚动轮18，测量线圈7缠绕在测线缠绕装置19的滚动轮18上，测量线圈7通过测量线2与模拟输气管9上的测点连接，所述模拟输气管9埋于河沙8内，测点上设置应变片13，应变片13采集的数据通过线路传至应力-应变仪14上；
所述液压千斤顶11、千斤顶支撑板11a、可折叠式胶带铺层12组合成可局部和整体均可升降的承载板，以便用于支承河沙8，液压千斤顶11通过液压泵站及操控台16实现可控伸缩；所述反光片17贴在沙体上，随沙体的移动而移动，反光片与有机玻璃板的摩擦较小，能够实现与沙体的协同移动，通过观测反光片的移动，观测沙体的移动状况；所述液压泵站及操控台16由所述计算机控制。
在本实施例中，为了便于拆卸与连接，所述无承载板相似模拟架上设置有相似模拟架固定孔3，所述PVC有机玻璃板4通过螺栓固定在相似模拟架固定孔3内，所述侧护板5也通过螺栓设置在无承载板相似模拟架1上，
作为更佳的实施例，为降低测量误差，降低测量线2的延展性，及测量线2与河沙8之间的摩擦效应，所述线圈支撑杆6选用钢管，测量线2选用带有刻度的并涂有润滑油的卷尺。
为防治在液压千斤顶11降低过程中，河沙8外漏，所述PVC有机玻璃板4的下部边缘位于所述液压千斤顶11处于完全收缩时的高度，所述千斤顶支撑板11a与PVC有机玻璃板4两侧距离相等，且各边平滑、相互垂直。
作为更佳的实施例，可折叠式胶带铺层12选用表面比较平滑的、延展性较弱的软弱塑料铺层。液压千斤顶11为独立的系统，为实现不同部位液压千斤顶11下降量可控，通过计算机15控制液压泵站及操控台16实现液压千斤顶11的局部定量升降，可折叠式胶带铺层12在千斤顶支撑板11a组成的矩形面的中部折叠，折叠重合长度不低于40cm。所述模拟输气管9的长度，大于由于液压千斤顶11下降而造成的河沙8移动区范围的长度，所述测量线圈7的内径大于线圈支撑杆6的外径，且线圈支撑杆6表面光滑。所述测量线2系在模拟输气管9上并通过强力胶黏在一起，以避免测量线2的滑动造成误差。每个所述测点上设置的应变片13，分别沿轴向布置和垂直轴向布置，通过测量不同部位的应变实现管道整体变形监测。所述液压泵站实现对每个液压千斤顶11的压缩量的控制。
本发明还提供了一种沙漠地区煤气共采区煤层顶板垮落与输气管道协同变形物理模拟方法；其特征在于，其包括下述步骤：
1在液压千斤顶支撑板11a上铺设可折叠式胶带铺层12，将可折叠式胶带铺层在中部折叠，折叠重合长度不小于40cm.
2将折叠处的下部及其附近的液压千斤顶11下降一定高度，可折叠式胶带铺层12展开，河沙8同步向下移动；
3以PVC有机玻璃板4上部边缘为参照，利用摄像技术，将不同时间各测量线2数值进行记录至测量线2完全静止后，静置一天，记录测量线2最终数值，通过摄像机同一时间记录的不同测量线2数据及最终数据，反算出模拟输气管9道的变形过程及最终变形量。
本发明根据相似原理确定模拟输气管9的位置，并在模拟输气管道的测点位置布置应变片13，应变片13通过测量线2与应力-应变仪14相连，无承载板相似模拟架1两侧面通过螺栓与相似模拟架固定孔3与透明的PVC有机玻璃板4连接；结合物理模拟架的长度与千斤顶支撑板11a的宽度计算所需相同液压千斤顶11的数量，将液压千斤顶11沿物理模拟架的底部中间位置直线布置，并使得千斤顶支撑板11a无缝排列，液压千斤顶11通过计算机15对液压泵站及操控台16的操控实现对千斤顶升降的控制，液压千斤顶11均升至80%最大高度为保证有足够大的下降空间支撑板上铺设可折叠式胶带铺层12，并在中间折叠。
本发明在可折叠式胶带铺层12上部均匀倒入满足相似理论湿度的河沙8至模拟输气管9预定铺设位置，期间敷设反光片17，将模拟输气管9放在河沙8铺设的平面上的中间位置并固定，并按预设好的测点(10)位置通过测线缠绕装置下放的测量线2与模拟输气管道相连并标号；然后将其测量线圈7通过测线缠绕装置19滚动轮18将其垂直悬吊在无承载板相似模拟架1上部线圈支撑杆6上。继续倒入河沙8，直至达到设定高度。静置一段时间，待河沙8稳定；为模拟煤层顶板垮落导致沙体运动，将无承载板相似模拟架1下部可折叠式胶带铺层12下部及其附近的若干个液压千斤顶11卸压下放，期间利用应力-应变仪14及应变片13对模拟输气管道的应变进行监测；利用经纬仪对反光片17每隔一段时间监测一次，并绘制河沙位移-时间关系图；此外，选用PVC有机玻璃板4的上部边缘为参照利用摄像机对测量线2进行实时记录；经过一段时间，待河沙8下沉并稳定后，以PVC有机玻璃板4上部边缘为参照，利用摄像技术，将不同时间各测量线2数值进行记录至测量线2完全静止后，静置一天，记录测量线2最终数值；通过摄像机同一时间记录的不同测量线2数据及最终数据，反算出模拟输气管9道的变形过程及最终变形量。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.沙漠地区煤层顶板垮落与输气管道协同变形物理模拟装置，其特征在于，其包括无承载板相似模拟架（1）、PVC有机玻璃板（4）、侧护板（5）、线圈支撑杆（6）、测量线圈（7）、河沙（8）、模拟输气管（9）、液压千斤顶（11）、液压千斤顶支撑板（11a）、可折叠式胶带铺层 （12）、应变片（13）、应力-应变仪（14）、计算机（15）、液压泵站及操控台（16）、反光片（17）和测线缠绕装置（19）；
其中，所述PVC有机玻璃板（4）设置在无承载板相似模拟架（1）的侧面上，所述侧护板（5）设置在PVC有机玻璃板（4）的中部并与无承载板相似模拟架（1）连接；
所述无承载板相似模拟架（1）上位于所述PVC有机玻璃板（4）的上方设置有所述线圈支撑杆（6）；
所述线圈支撑杆（6）穿过测线缠绕装置滚动轮（18），测量线圈（7）缠绕在测线缠绕装置（19）的滚动轮（18）上，测量线圈（7）通过测量线（2）与模拟输气管（9）上的测点连接，所述模拟输气管（9）埋于河沙（8）内，测点上设置应变片（13），应变片（13）采集的数据通过线路传至应力-应变仪（14）上；
所述液压千斤顶（11）、千斤顶支撑板（11a）、可折叠式胶带铺层（12）组合成可局部和整体均可升降的承载板，以便用于支承河沙（8），液压千斤顶（11）通过液压泵站及操控台（16）实现可控伸缩；
所述反光片（17）贴在沙体上，随沙体的移动而移动，反光片与有机玻璃板的摩擦较小，能够实现与沙体的协同移动，通过观测反光片的移动，观测沙体的移动状况；
所述液压泵站及操控台（16）由所述计算机控制；
所述无承载板相似模拟架上设置有相似模拟架固定孔（3），所述PVC有机玻璃板（4）通过螺栓固定在相似模拟架固定孔（3）内，所述侧护板（5）也通过螺栓设置在无承载 板相似模拟架（1）上，所述线圈支撑杆（6）选用钢管，测量线（2）选用带有刻度的并涂有润滑油的卷尺；
所述PVC有机玻璃板（4）的下部边缘位于所述液压千斤顶（11）处于完全收缩时的高度，所述千斤顶支撑板（11a）与PVC有机玻璃板（4）两侧距离相等，且各边平滑、相互垂直。
2.根据权利要求1所述的沙漠地区煤层顶板垮落与输气管道协同变形物理模拟装置，其特征在于：可折叠式胶带铺层（12）选用表面比较平滑的、延展性较弱的软弱塑料铺层。
3.根据权利要求1所述的沙漠地区煤层顶板垮落与输气管道协同变形物理模拟装置，其特征在于：可折叠式胶带铺层（12）在千斤顶支撑板（11a）组成的矩形面的中部折叠，折叠重合长度不低于40cm。
4.根据权利要求1所述的沙漠地区煤层顶板垮落与输气管道协同变形物理模拟装置，其特征在于：所述模拟输气管（9）的长度，大于由于液压千斤顶（11）下降而造成的河沙（8）移动区范围的长度，所述测量线圈（7）的内径大于线圈支撑杆（6）的外径，且线圈支撑杆（6）表面光滑。
5.根据权利要求1所述的沙漠地区煤层顶板垮落与输气管道协同变形物理模拟装置，其特征在于：所述测量线（2）系在模拟输气管（9）上并通过强力胶黏在一起。
6.根据权利要求1所述的沙漠地区煤层顶板垮落与输气管道协同变形物理模拟装置，其特征在于：每个所述测点上设置的应变片（13），分别沿轴向布置和垂直轴向布置，通过测量不同部位的应变实现管道整体变形监测。
7.根据权利要求1所述的沙漠地区煤层顶板垮落与输气管道协同变形物理模拟装置，其特征在于：所述液压泵站实现对每个液压千斤顶（11）的压缩量的控制。
8.一种沙漠地区煤气共采区煤层顶板垮落与输气管道协同变形物理模拟方法；其特征在于，其采用权利要求1-7任意一项所述的沙漠地区煤层顶板垮落与输气管道协同变形物理模拟装置，其模拟方法包括下述步骤：
（1）在液压千斤顶支撑板（11a）上铺设可折叠式胶带铺层（12），将可折叠式胶带铺层在中部折叠，折叠重合长度不小于40cm.
（2）将折叠处的下部及其附近的液压千斤顶（11）下降一定高度，可折叠式胶带铺层（12）展开，河沙（8）同步向下移动；
（3）以PVC有机玻璃板（4）上部边缘为参照，利用摄像技术，将不同时间各测量线（2）数值进行记录至测量线（2）完全静止后，静置一天，记录测量线（2）最终数值，通过摄像机同一时间记录的不同测量线（2）数据及最终数据，反算出模拟输气管（9）道的变形过程及最终变形量。
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