CN108061792B - 一种可调变形速率的固体充填物料模拟试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可调变形速率的固体充填物料模拟试验装置，包括上部钢板、上部密封缸、密封垫圈、下部密封缸、导向滑杆、滑杆套筒、出液管、出液口抽排管、出液可调流速泵、储液槽、进液可调流速泵、进液抽排管、进液管和下部支撑架；其可升降调节自身高度模拟煤层开挖前的高度，然后本发明在物理相似实验模型内下降后可模拟实验模型的开挖高度，由于上部钢板平整，因此其下降后可使开挖煤层平整；另外由于本发明可根据需要调节升降速率，从而可模拟采空区实际充填物具有不同的回填和压缩变形速率，进而可有效模拟矿井井下实际采煤与采空区填充的情况，便于研究矿井煤层开采与采空区实际填充过程中覆岩移动的相关参数情况。
Description
技术领域
本发明涉及一种模拟试验装置，具体是一种可调变形速率的固体充填物料模拟试验装置。
背景技术
固体充填采煤是开采出地下煤炭资源的同时，将矸石、粉煤灰和河砂等固体物料充填入采出煤炭后形成的采空区中，减少上覆岩层的下沉空间，控制上覆岩层和地表的变形量。该技术目前已经成为国内地下煤炭资源开发的重要技术手段。采用该技术时，其上覆岩层的移动和变形规律与只采煤未充填时的移动及变形规律具有显著不同，为此可采用物理相似模拟实验方法进行进一步的研究。
物理相似模拟实验是研究地下资源开采覆岩移动规律的重要手段，其主要通过混合砂石、石膏、碳酸钙和水等模拟出不同性质的岩层，并按照一定顺序铺设模拟矿山的岩层实际分布，晾干成型之后，按照一定厚度用手或铲子等工具开挖出其中的一层或一层的部分厚度，观测开挖时和开挖后上覆岩层的下沉、破坏变形情况。
采用物理相似模拟实验研究充填采煤的覆岩移动规律时，开挖物理相似实验模型中的煤层时，由于采用人工手动进行开挖，从而无法准确开挖某特定厚度，误差大；且开挖过程中开挖空间各处不平整，不同位置开挖厚度不一致；开挖煤层后，进行充填时，由于采用是木块、海绵、塑料泡沫等材料模拟充填物料，导致加工误差大，无法确保各处的充填厚度一致且保持平整，从而不利于很好的模拟充填后上覆岩层的下沉变化规律。另外用于煤矿内的固体充填物料不同的时间段具有不同压缩变形速率，目前采用的木块、海绵、塑料泡沫等材料无法模拟不同时间段内充填物料的压缩变形特性。且实际在煤矿使用时充填物料是逐渐堆积到并接触采空区上部岩层的过程，目前也无法模拟该过程；并且充填物料进入前，由于上覆岩层会有一定的下沉量，而目前的充填物料模拟试件均是提前加工并为固定高度，从而导致在实验中不能完全匹配。综上所述，目前的充填物料模拟试件，无法很好的模拟矿井下实际填充的情况，从而导致模拟实验的精度较低，最终无法得出矿井采空区填充过程中覆岩移动的各参数。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种可调变形速率的固体充填物料模拟试验装置，不仅可模拟实际开挖的高度并保证开挖平整，而且可通过调节升降速率模拟矿井井下采空区内充填物料的回填和压缩变形速率，从而可有效模拟矿井采空区实际填充的情况，便于研究矿井采空区填充过程中覆岩移动的各参数。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种可调变形速率的固体充填物料模拟试验装置，包括上部钢板、上部密封缸、密封垫圈、下部密封缸、导向滑杆、滑杆套筒、出液管、出液口抽排管、出液可调流速泵、储液槽、进液可调流速泵、进液抽排管、进液管和下部支撑架；
所述上部密封缸的上部固定在上部钢板的下部，所述导向滑杆为两个，两个导向滑杆固定在上部钢板的下部且对称设置在上部密封缸的两侧，下部密封缸设置在上部密封缸的正下方，下部支撑架固定在下部密封缸的下部，所述滑杆套筒为两个，两个滑杆套筒固定在下部支撑架的上部且其位置与两个导向滑杆的位置相对应，使两个导向滑杆分别插入两个滑杆套筒内，滑杆套筒的侧壁上开设排气孔，所述上部密封缸插入下部密封缸内，上部密封缸的侧壁与下部密封缸的侧壁之间设有密封垫圈，使上部密封缸和下部密封缸内形成密封空腔；下部密封缸的底板上开设进液口和出液口，所述进液管和出液管均设置在下部支撑架内，出液管的一端与出液口密封连接，出液管的另一端与出液抽排管的一端密封连接，出液抽排管的另一端与出液可调流速泵的抽吸端连接，出液可调流速泵的排出端通过管路与储液槽连接；进液管的一端与进液口密封连接，进液管的另一端与进液抽排管的一端密封连接，进液抽排管的另一端与进液可调流速泵的排出端连接，进液可调流速泵的抽吸端通过管路与储液槽连接。
进一步，还包括限位钢丝，限位钢丝的两端分别通过钢丝固定环与上部钢板和下部支撑架连接。
进一步，所述出液管上装有出液单向阀，出液单向阀的进液端与出液口连接；进液管上装有进液单向阀，进液单向阀的出液端与进液口连接。
进一步，所述出液管与出液抽排管之间通过螺纹管口及连接头连接；进液管与进液抽排管之间通过螺纹管口及连接头连接。
进一步，所述出液管上装有出液阀门，进液管上装有进液阀门。
进一步，还包括下沉高度标尺和标尺刻度，下沉高度标尺竖直固定在上部钢板的一端，标尺刻度设置在靠近下沉高度标尺的滑杆套筒外表面。
与现有技术相比，本发明采用上部钢板、上部密封缸、密封垫圈、下部密封缸、导向滑杆、滑杆套筒、出液管、出液口抽排管、出液可调流速泵、储液槽、进液可调流速泵、进液抽排管、进液管和下部支撑架相结合的方式，其可升降调节自身高度模拟煤层开挖前的高度，然后本发明在物理相似实验模型内下降后可模拟实验模型的开挖高度，由于上部钢板平整，因此其下降后可使开挖煤层平整；另外由于本发明可根据需要调节升降速率，从而可模拟采空区实际充填物具有不同的回填和压缩变形速率，进而可有效模拟矿井实际采煤与采空区填充的情况，便于研究矿井煤层开采与采空区实际填充过程中覆岩移动的相关参数情况。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1中A—A向剖视图；
图3是图2中C—C向示意图；
图4是图1中B—B向剖视图；
图5是本发明使用时的工作状态示意图。
图中：1、上部钢板，2、上部密封缸，3、密封垫圈，4、下部密封缸，5、导向滑杆，6、滑杆套筒、7、排气孔，8、下部支撑架，9、出液口，10、出液单向阀，11、出液管，12、出液阀门，13、出液抽排管，14、出液可调流速泵，15、储液槽，16、进液可调流速泵，17、进液抽排管，18、进液阀门，19、进液管，20、进液单向阀，21、进液口，22、限位钢丝，23、钢丝固定环，24、下沉高度标尺，25、标尺刻度，26、物理相似实验模型。
具体实施方式
下面将对本发明作进一步说明。
如图1至图5所示，本发明包括上部钢板1、上部密封缸2、密封垫圈3、下部密封缸4、导向滑杆5、滑杆套筒6、出液管11、出液抽排管13、出液可调流速泵14、储液槽15、进液可调流速泵16、进液抽排管17、进液管19和下部支撑架8；
所述上部密封缸2的上部固定在上部钢板1的下部，所述导向滑杆5为两个，两个导向滑杆5固定在上部钢板1的下部且对称设置在上部密封缸2的两侧，下部密封缸4设置在上部密封缸2的正下方，下部支撑架8固定在下部密封缸4的下部，所述滑杆套筒6为两个，两个滑杆套筒6固定在下部支撑架8的上部且其位置与两个导向滑杆5的位置相对应，使两个导向滑杆5分别插入两个滑杆套筒6内，滑杆套筒6的侧壁上开设排气孔7，所述上部密封缸2插入下部密封缸4内，上部密封缸2的侧壁与下部密封缸4的侧壁之间设有密封垫圈3，使上部密封缸2和下部密封缸4内形成密封空腔；下部密封缸4的底板上开设进液口21和出液口9，所述进液管19和出液管11均设置在下部支撑架8内，出液管11的一端与出液口9密封连接，出液管11的另一端与出液抽排管13的一端密封连接，出液抽排管13的另一端与出液可调流速泵14的抽吸端连接，出液可调流速泵14的排出端通过管路与储液槽15连接；进液管19的一端与进液口21密封连接，进液管19的另一端与进液抽排管17的一端密封连接，进液抽排管17的另一端与进液可调流速泵16的排出端连接，进液可调流速泵16的抽吸端通过管路与储液槽15连接。
进一步，还包括限位钢丝22，限位钢丝22的两端分别通过钢丝固定环23与上部钢板1和下部支撑架8连接。设置这种结构可对上部密封缸2和下部密封缸4的最大距离进行限位，从而防止上部密封缸2从下部密封缸4内完全脱出，导致本装置出现故障，同时脱出后会造成内部液体的流失。
进一步，所述出液管11上装有出液单向阀10，出液单向阀10的进液端与出液口9连接；进液管19上装有进液单向阀20，进液单向阀20的出液端与进液口21连接。设置单向阀，可保证进液管19和出液管11内液体具有单一流向，防止由于液体回流造成本装置无法正常升降。
进一步，所述出液管11与出液抽排管13之间通过螺纹管口及连接头连接；进液管19与进液抽排管17之间通过螺纹管口及连接头连接。采用这种连接方式，便于使用时的安装及使用后的拆卸。
进一步，所述出液管11上装有出液阀门12，进液管19上装有进液阀门18。设置阀门便于对进液管19的进液及出液管11的排液进行控制。
进一步，还包括下沉高度标尺24和标尺刻度25，下沉高度标尺24竖直固定在上部钢板1的一端，标尺刻度25设置在靠近下沉高度标尺24的滑杆套筒6外表面。设置这种结构在上部钢板1升降时可便于工作人员查看上部钢板1实时升降的距离。
进一步，所述下部支撑架8由中部钢板、加强筋板和下部钢板组成，加强筋板固定在下部钢板上，中部钢板固定在加强筋板上。
在使用之前，用手动将上部钢板1和下部支撑架8之间的距离处于最大值，即使限位钢丝22处于绷直状态，之后将进液管19与进液抽排管17之间通过螺纹管口及连接头连接，并将本装置整体倒置(即使下部支撑架8处于最上部，上部钢板1处于最下部)，完成后打开进液阀门18，启动进液可调流速泵16使储液槽15内的液体经过进液抽排管17、进液管19及进液口21向密封空腔内注入，持续注入直至出液管11的另一端有液体流出时(即此时液体充满整个密封空腔)，将出液管11与出液抽排管13之间通过螺纹管口及连接头连接(此时出液阀门12处于关闭状态)，然后将本装置翻转恢复成上部钢板1处于最上部的状态，最后关闭进液可调流速泵16和进液阀门18，完成准备工作。
开始使用时，根据所需模拟的固体填充物的高度，将出液阀门12打开，启动出液可调流速泵14，将密封空腔内的水逐渐排出使其经过出液管11和出液抽排管13进入储液槽15，从而会使上部密封缸2相对下部密封缸4向下运动，缩短上部钢板1与下部支撑架8的间距，此时工作人员观察下沉高度标尺24所指的标尺刻度25的变化情况，达到所需模拟煤层的高度时，关闭出液阀门12和出液可调流速泵14，此时装置的高度即为模拟煤层的高度。将装置整体埋入物理相似实验模型26中煤层所在的位置；在物理相似实验模型26整体铺设完成后；首先将出液阀门12打开，并启动出液可调流速泵14，将密封空腔内的液体逐渐排出降低上部钢板1与下部支撑架8之间的间距(降低的高度即为模拟的开挖高度)，此时下沉高度标尺24所指的标尺刻度25变化，达到设计的开挖高度时关闭出液阀门12和出液可调流速泵14；然后可对开挖后的物理相似实验模型26进行相关参数的测定，完成测量后打开进液阀门18，启动进液可调流速泵16进行密封空腔的注液，通过不断控制和改变进液可调流速泵16的泵送功率控制密封空腔内的液体流入的速度，在注入液体的同时上部钢板1会出现按照与进液可调流速泵16的泵送功率正相关的速度上升，该过程可实现对井下采空区内充填物料回填过程的模拟，直到上部钢板1与煤层顶板(即物理相似实验模型26上半部分的下底面)接触后，关闭进液阀门18和进液可调流速泵16；此时可测量物理相似实验模型26的相关参数情况。再进行模拟充填物料的压缩变形过程：打开出液阀门12和出液可调流速泵14，通过不断控制和改变出液可调流速泵14的泵送功率控制密封空腔内的液体流出的速度，在排出液体的同时上部钢板1会出现按照与出液可调流速泵14的泵送功率正相关的速度下沉，该过程可实现对充填物料压缩变形的模拟。因此该装置可有效模拟矿井采空区实际填充的情况，此时可对物理相似实验模型26的相关参数进行测量，最终得出矿井采空区实际填充过程中覆岩移动的相关参数情况。
Claims (4)
1.一种可调变形速率的固体充填物料模拟试验装置，其特征在于，包括上部钢板（1）、上部密封缸（2）、密封垫圈（3）、下部密封缸（4）、导向滑杆（5）、滑杆套筒（6）、出液管（11）、出液抽排管（13）、出液可调流速泵（14）、储液槽（15）、进液可调流速泵（16）、进液抽排管（17）、进液管（19）和下部支撑架（8）；还包括限位钢丝（22），限位钢丝（22）的两端分别通过钢丝固定环（23）与上部钢板（1）和下部支撑架（8）连接；
所述上部密封缸（2）的上部固定在上部钢板（1）的下部，所述导向滑杆（5）为两个，两个导向滑杆（5）固定在上部钢板（1）的下部且对称设置在上部密封缸（2）的两侧，下部密封缸（4）设置在上部密封缸（2）的正下方，下部支撑架（8）固定在下部密封缸（4）的下部，所述滑杆套筒（6）为两个，两个滑杆套筒（6）固定在下部支撑架（8）的上部且其位置与两个导向滑杆（5）的位置相对应，使两个导向滑杆（5）分别插入两个滑杆套筒（6）内，滑杆套筒（6）的侧壁上开设排气孔（7），所述上部密封缸（2）插入下部密封缸（4）内，上部密封缸（2）的侧壁与下部密封缸（4）的侧壁之间设有密封垫圈（3），使上部密封缸（2）和下部密封缸（4）内形成密封空腔；下部密封缸（4）的底板上开设进液口（21）和出液口（9），所述进液管（19）和出液管（11）均设置在下部支撑架（8）内，出液管（11）的一端与出液口（9）密封连接，出液管（11）的另一端与出液抽排管（13）的一端密封连接，出液抽排管（13）的另一端与出液可调流速泵（14）的抽吸端连接，出液可调流速泵（14）的排出端通过管路与储液槽（15）连接；进液管（19）的一端与进液口（21）密封连接，进液管（19）的另一端与进液抽排管（17）的一端密封连接，进液抽排管（17）的另一端与进液可调流速泵（16）的排出端连接，进液可调流速泵（16）的抽吸端通过管路与储液槽（15）连接；所述出液管（11）上装有出液单向阀（10），出液单向阀（10）的进液端与出液口（9）连接；进液管（19）上装有进液单向阀（20），进液单向阀（20）的出液端与进液口（21）连接。
2. 根据权利要求1 所述的一种可调变形速率的固体充填物料模拟试验装置，其特征在于，所述出液管（11）与出液抽排管（13）之间通过螺纹管口及连接头连接；进液管（19）与进液抽排管（17）之间通过螺纹管口及连接头连接。
3. 根据权利要求1 所述的一种可调变形速率的固体充填物料模拟试验装置，其特征在于，所述出液管（11）上装有出液阀门（12），进液管（19）上装有进液阀门（18）。
4. 根据权利要求1 所述的一种可调变形速率的固体充填物料模拟试验装置，其特征在于，还包括下沉高度标尺（24）和标尺刻度（25），下沉高度标尺（24）竖直固定在上部钢板（1）的一端，标尺刻度（25）设置在靠近下沉高度标尺（24）的滑杆套筒（6）外表面。
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