CN108088978B - 一种采动岩层移动和瓦斯运移的三维相似模拟试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采动岩层移动和瓦斯运移的三维相似模拟试验装置，包括一个主体框架，其四个侧面均安装了侧面板，底部固定若干根矩形管，矩形管上铺设有相似材料，相似材料内埋设若干抽气管，相似材料内两侧分别设有进风管和回风管，进风管一端与回风管一端相连，相似材料上方设有施压板和液压杆，液压杆的一端与对应的施压板的上表面固接，另一端固接至同一根横杆上，横杆一端设有手轮，手轮下方设有沿工作面走向的传动链条，手轮外周上分布有咬合齿，并与传动链条相接触，注油管一端分别导入对应液压杆内，另一端接入油泵，主体框架上开有若干瓦斯注入口。本发明实现了三维尺度下相似模拟实验以及采动影响下瓦斯在覆岩中运移、富集规律的研究。
Description
技术领域
本发明属于煤炭开采技术领域，特别涉及了一种采动岩层移动和瓦斯运移的三维相似模拟试验装置。
背景技术
相似模拟试验可以完成岩土工程和采矿工程中实验室尺度的巷道或隧道变形破坏机理、岩层运移特征、原岩应力探测、采动过程中瓦斯在上覆岩层中运移和富集规律等方面的研究。目前，国内所拥有的相似模拟试验平台有如下特点和缺点：
1、可使用各种相似模型材料，但试验平台尺寸多只可以模拟二维尺度下地表以及岩层的采动移动，三维尺度模拟试验台涉及较少；且三维尺度的模拟实验台，往往是通过铺设不同尺寸的充填物(如塑料泡沫球体等)来模拟采空区岩层垮落体，并不能够真正意义上模拟采空区的自然垮落形成的空隙物理特性。
2、可实现岩层移动、地表沉陷的模拟试验，但是模拟采动过程中结合通风、瓦斯释放来研究瓦斯随采动过程的运移、分布规律的相似实验则涉及较少。
发明内容
为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提供一种采动岩层移动和瓦斯运移的三维相似模拟试验装置，实现三维尺度下相似模拟实验以及采动影响下瓦斯在覆岩中运移、富集规律的研究。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
一种采动岩层移动和瓦斯运移的三维相似模拟试验装置，包括一个主体框架，主体框架的四个侧面均安装了侧面板，主体框架的底部固定若干根矩形管，矩形管上铺设有用于模拟覆岩或地表的相似材料，相似材料内均匀埋设若干抽气管，相似材料内两侧分别设有进风管和回风管，进风管一端与回风管一端相连，相似材料的上方设有n个施压板和n个液压杆，每个液压杆的一端与对应的施压板的上表面固接，每个液压杆的另一端固接至同一根横杆上，该横杆的一端设有手轮，手轮的下方设有沿工作面走向的传动链条，手轮的外周上分布有咬合齿，并与传动链条相接触，n根注油管的一端分别导入对应的液压杆内，n根注油管的另一端接入油泵，油泵内存储有液压油，主体框架上开有若干瓦斯注入口；待相似材料风干后，将液压油通过注油管注入液压杆以增加压力，用于模拟地层压力，通过转动手轮，沿着轨道链条调整施压板的按压位置以达到均匀施压的效果，同时抽出相似材料下的矩形管以模拟煤层工作面的推进过程(由于矩形管的抽出，形成了模拟的采空空间，上覆模拟覆岩或地表的相似材料在施压板的作用下进行了自然的垮落，形成了裂隙空间，可以很好地模拟实际工作面在采过后岩层的垮落过程)，向进风管注入新鲜风流，同时在另一侧回风管负压抽气，使得工作面内部形成开放循环风流，模拟工作面采空区的通风系统，向瓦斯注入口释放瓦斯气体以模拟采空区瓦斯运移和聚集，待模拟工作面推进完毕且施压效果达到预设的效果，并且取得系统的采动覆岩内部瓦斯浓度分布的数据之后，主体框架正面的侧面板替换为透明板。
基于上述技术方案的优选方案，矩形管与主体框架和各抽气管可拆卸式固接。
基于上述技术方案的优选方案，抽气管包括粗管和细管，细管内嵌于粗管中，粗管上按照预设高度打有钻孔，细管的底部设有一活塞气室，该气室能够上下移动至钻孔处进行抽吸和采集气体，然后可以进行气体浓度分析，获得了三维空间内任意一点的浓度分布。
基于上述技术方案的优选方案，进风管和回风管的管口处设有风机，进风管口为正压输出，回风管口为负压抽吸。
基于上述技术方案的优选方案，进风管与回风管之间通过pvc管连接，该pvc管上打有孔径不均匀的孔洞，以模拟漏风现象。
基于上述技术方案的优选方案，pvc管上靠近进风管的孔洞的半径较大，靠近回风管的孔洞的半径较小，以模拟进、回风处不同的漏风现象。
基于上述技术方案的优选方案，主体框架由经过裁剪的钢板制成，透明板的材料为高强度透明树脂板，侧面板、施压板为钢板，矩形管为钢制管。
基于上述技术方案的优选方案，透明板与主体框架之间通过喷胶密封。
基于上述技术方案的优选方案，矩形管和手轮的咬合齿的表面涂抹润滑油，以便移动。
采用上述技术方案带来的有益效果：
与现有技术相比，本发明能够实现三维尺度下地表以及岩层的采动移动的模拟实验；模拟采空区瓦斯释放，并通过预先布设的抽气管抽采固定覆岩层位区域内的瓦斯气体并进行浓度测定，研究采动影响下瓦斯在覆岩中运移、富集的规律；在施压结束后替换的透明板可使实验过程和结果可视、可测。
附图说明
图1是本发明装置的主视图；
图2是本发明装置的侧视图；
图3是本发明装置的俯视图；
图4是本发明中抽气管结构图；
图5是本发明中通风系结构图；
标号说明：1、主图框架；2、施压板；3、液压杆；4、轨道链条；5、手轮；6、抽气管；7、进风管；8、回风管；9、瓦斯注入口；10、油泵；11、注油杆；12、横杆；13、透明板；14、侧面板；15、矩形管；16、活塞气室；17、粗管；18、细管；19、钻孔。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1-3所示，本发明设计了一种采动岩层移动和瓦斯运移的三维相似模拟试验装置，包括主体框架1、施压板2、液压杆3、轨道链条4、手轮5、抽气管6、进风管7、回风管8、瓦斯注入口9、油泵10、注油管11、横杆12、透明板13、侧面板14、矩形管15。主体框架1四周利用铆钉固定8块侧面板3，主体框架1的底部固定4根矩形管15，矩形管15上铺设有用于模拟覆岩或地表的相似材料，相似材料内均匀埋设16根抽气管6，相似材料内两侧分别设有进风管7和回风管8，进风管7一端与回风管8一端相连，相似材料的上方设有3个施压板2和3个液压杆3，每个液压杆3的一端与对应的施压板2的上表面固接，每个液压杆3的另一端固接至同一根横杆12上，该横杆的一端设有手轮5，手轮5的下方设有沿工作面走向的传动链条4，手轮5的外周上分布有咬合齿，并与传动链条4相接触，3根注油管11的一端分别导入对应的液压杆3内，3根注油管11的另一端接入油泵10，油泵10内存储有液压油，主体框架1上开有6个瓦斯注入口9。
待材料风干后将施压板2按压于模拟地表之上，油泵10通过注油管11向液压杆3中注油增压，模拟地层压力。不断通过手轮5转动，沿着轨道链条4调整施压板2的按压位置以达到均匀施压的效果。同时不断抽出矩形管15模拟煤层工作面的推进。在模拟工作面推进以及覆岩跨落、地表沉陷的过程中辅以通风措施，向进风管7注入新鲜风流，同时在另一侧抽气管7负压抽气，使得工作面内部形成开放循环风流，模拟煤矿井下的通风系统。向6个瓦斯注入口9释放瓦斯气体模拟采空区瓦斯运移、聚集。待模拟工作面推进完毕且施压效果达到预设的效果，并且取得系统的采动覆岩内部瓦斯浓度分布的数据之后，换下正面的2块侧面板14。安装透明板13，以便于进一步观测和量化岩层移动、地表沉陷。
换装两块正面透明板13时，在透明板13四周进行喷胶密封的方式，以防相似材料跑漏；矩形管15和手轮锯齿上涂抹润滑油，以方便后期取出和移动。
主体框架1是由经过裁剪的钢板制成，透明板13的材料是高强度透明树脂板，侧面板14、施压板2为钢板，矩形管15为钢材所制。
矩形管15通过螺丝与主体框架1和抽气管6为可拆卸式接合，在进行模拟工作面的推进时需要卸下矩形管15，抽气管6与矩形管15一体化的原因在于铺设相似材料过程保证抽气管6不会偏离预设点位。抽气管6共设置16眼，均匀分布固定于4条矩形管15之上。
如图4所示，抽气管6的具体构造及使用方法：粗管17内嵌套细管18，较粗管17上按照预先设定的高度打有钻孔19，细管18底部构造一活塞气室16，其可以上下移动至钻孔19位置处进行抽吸、采集气体。
如图5所示，进风管7与回风管8之间用pvc管连接，该横管上打有孔径不均匀的孔洞，以模拟实际情况中进、回风处不同的漏风现象。具体为靠近进风一侧打孔的半径略大，回风一层带孔的半径较小。
实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
Claims (8)
1.一种采动岩层移动和瓦斯运移的三维相似模拟试验装置，其特征在于：包括一个主体框架(1)，主体框架(1)的四个侧面均安装了侧面板(14)，主体框架(1)的底部固定若干根矩形管(15)，矩形管(15)上铺设有用于模拟覆岩或地表的相似材料，相似材料内均匀埋设若干抽气管(6)，相似材料内两侧分别设有进风管(7)和回风管(8)，进风管(7)一端与回风管(8)一端相连，相似材料的上方设有n个施压板(2)和n个液压杆(3)，每个液压杆(3)的一端与对应的施压板(2)的上表面固接，每个液压杆(3)的另一端固接至同一根横杆(12)上，该横杆的一端设有手轮(5)，手轮(5)的下方设有沿工作面走向的传动链条(4)，手轮(5)的外周上分布有咬合齿，并与传动链条(4)相接触，n根注油管(11)的一端分别导入对应的液压杆(3)内，n根注油管(11)的另一端接入油泵(10)，油泵(10)内存储有液压油，主体框架(1)上开有若干瓦斯注入口(9)；将液压油通过注油管(11)注入液压杆(3)以增加压力，用于模拟地层压力，通过转动手轮(5)，沿着轨道链条(4)调整施压板(2)的按压位置以达到均匀施压的效果，同时抽出相似材料下的矩形管(15)以模拟煤层工作面的推进过程，向进风管(7)注入新鲜风流，同时在另一侧回风管(8)负压抽气，使得工作面内部形成开放循环风流，模拟煤矿井下工作面采空区的通风系统，向瓦斯注入口(9)释放瓦斯气体以模拟采空区瓦斯运移和聚集，待模拟工作面推进完毕且施压效果达到预设的效果，并且取得系统的采动覆岩内部瓦斯浓度分布的数据之后，主体框架(1)正面的侧面板替换为透明板(13)；抽气管(6)包括粗管(17)和细管(18)，细管(18)内嵌于粗管(17)中，粗管(17)上按照预设高度打有钻孔(19)，细管(18)的底部设有一活塞气室(16)，该气室能够上下移动至钻孔(19)处进行抽吸和采集气体。
2.根据权利要求1所述采动岩层移动和瓦斯运移的三维相似模拟试验装置，其特征在于：矩形管(15)与主体框架(1)和各抽气管(6)可拆卸式固接。
3.根据权利要求1所述采动岩层移动和瓦斯运移的三维相似模拟试验装置，其特征在于：进风管(7)和回风管(8)的管口处设有风机，进风管口为正压输出，回风管口为负压抽吸。
4.根据权利要求1所述采动岩层移动和瓦斯运移的三维相似模拟试验装置，其特征在于：进风管(7)与回风管(8)之间通过pvc管连接，该pvc管上打有孔径不均匀的孔洞，以模拟漏风现象。
5.根据权利要求4所述采动岩层移动和瓦斯运移的三维相似模拟试验装置，其特征在于：pvc管上靠近进风管(7)的孔洞的半径较大，靠近回风管(8)的孔洞的半径较小，以模拟进、回风处不同的漏风现象。
6.根据权利要求1所述采动岩层移动和瓦斯运移的三维相似模拟试验装置，其特征在于：主体框架(1)由经过裁剪的钢板制成，透明板(13)的材料为高强度透明树脂板，侧面板(14)、施压板(2)为钢板，矩形管(15)为钢制管。
7.根据权利要求1所述采动岩层移动和瓦斯运移的三维相似模拟试验装置，其特征在于：透明板(13)与主体框架(1)之间通过喷胶密封。
8.根据权利要求1所述采动岩层移动和瓦斯运移的三维相似模拟试验装置，其特征在于：矩形管(15)和手轮(5)的咬合齿的表面涂抹润滑油，以便移动。
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