CN108982804B - 矿井充填温度、渗流、应力三场耦合相似试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种矿井充填温度、渗流、应力三场耦合相似试验装置，包括试验模拟箱体、设置在试验模拟箱体内的围岩模型和设置在围岩模型内的充填体模型，以及矿井风流模拟系统、热边界模拟系统、渗流条件模拟系统、应力条件模拟系统和测量监控系统；所述围岩模型内设置有位于充填体模型上部的模拟巷道；本发明还公开了一种矿井充填温度、渗流、应力三场耦合相似试验方法。本发明能够深入研究矿井充填温度、渗流、应力三场耦合的规律，获得不同埋深、不同矿井风流条件、不同热边界条件、不同渗流条件、不同力学条件，充填体及相邻围岩温度、渗流、应力变化特征及矿井风流对流换热特征，为充填采矿方法在矿井，尤其是深部矿井提供理论和技术支撑。
Description
技术领域
本发明属于采矿技术领域，具体涉及一种矿井充填温度、渗流、应力三场耦合相似试验装置及方法。
背景技术
随着浅部矿产资源的日渐枯竭，深部、难采资源的勘查与开发利用是人类社会必然的选择。充填采矿技术在这一背景下，因其资源回收率高、能有效抑制剧烈的地压活动，更为有利于安全和环保的特点而得到重视和大量应用，我国的有色金属矿山和黄金矿山分别有45％和37％使用充填法开采。目前对于充填采矿技术的发展还主要立足于经验，根据经验法则。充填体处于一定的地质环境中，受温度、应力和渗流的影响。这三种因素相互作用，相互影响。温度对充填体及围岩产生热应力，引起充填体的弹性模量、泊松比等力学特性的改变，同时温度也会引起充填体内水密度的变化，影响水的渗流。并且，渗流通过对流和传导的方式改变充填体及相邻围岩的温度分布，同时也会影响充填体的力学特性。充填体的受力变形会在内部产生一定热量，力学变形也会影响充填体热学特性的变化，同时改变充填体的孔隙率及渗流特性。因此，矿井充填温度、渗流、应力三场耦合相似试验方法及装置能够准确测定充填体内部温度场、渗流场和应力场，进一步深入研究矿井充填温度、渗流、应力三场耦合的规律，为充填采矿方法在矿井，尤其是深部矿井提供理论和技术支撑。但是，现有技术中还缺乏能够深入研究矿井充填温度、渗流、应力三场耦合的规律的装置及方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种结构简单，设计新颖合理，实现方便，能够深入研究矿井充填温度、渗流、应力三场耦合的规律，为充填采矿方法在深部矿井提供理论和技术支撑，实用性强，使用效果好，推广应用价值高的矿井充填温度、渗流、应力三场耦合相似试验装置。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种矿井充填温度、渗流、应力三场耦合相似试验装置，其特征在于：包括试验模拟箱体、设置在试验模拟箱体内的围岩模型和设置在围岩模型内的充填体模型，以及矿井风流模拟系统、热边界模拟系统、渗流条件模拟系统、应力条件模拟系统和测量监控系统；所述围岩模型内设置有位于充填体模型上部的模拟巷道；
所述矿井风流模拟系统包括恒温恒湿机和与恒温恒湿机的出口端连接且伸入模拟巷道内的风筒，所述风筒上连接有风机；
所述热边界模拟系统包括设置在试验模拟箱体内壁上且用于模拟矿井中地热的多根加热带；
所述渗流条件模拟系统包括设置在试验模拟箱体内的渗流形成层和设置在渗流形成层上方的PVC管，以及设置在试验模拟箱体外部的渗流入水箱和渗流出水箱，所述PVC管上开有渗流孔，所述PVC管的入水口通过穿过试验模拟箱体的进水导管与渗流入水箱的出水口连接，所述进水导管上设置有恒流泵、电磁阀和流量计，所述PVC管的出水口通过穿过试验模拟箱体的出水导管与渗流出水箱的入水口连接；
所述应力条件模拟系统包括对称设置在试验模拟箱体两侧的两套应力加载机构，所述应力加载机构包括设置在试验模拟箱体内部且用于将压力加载在充填体模型上的承压板，以及设置在试验模拟箱体外部的传力杆、用于对传力杆施加力的千斤顶、用于支撑传力杆的支柱；所述承压板与传力杆的端部固定连接；
所述测量监控系统包括监控计算机、矿井风流模拟测量监控系统、热边界模拟测量监控系统、渗流条件模拟监控系统和应力条件模拟监控系统；所述矿井风流模拟测量监控系统包括与监控计算机相接的风速控制器以及均匀布设在模拟巷道中的多个巷道温度探头、多个巷道湿度探头和多个风速探头，多个巷道温度探头的输出端、多个巷道湿度探头的输出端和多个风速探头的输出端均与风速控制器的输入端连接，所述风速控制器的输出端接有风机驱动器，所述风机与风机驱动器的输出端连接；所述热边界模拟测量监控系统包括与监控计算机相接的温度控制器和均匀布设在试验模拟箱体内壁上的多个箱体温度探头，多个箱体温度探头的输出端均与温度控制器的输入端连接，所述温度控制器的输出端接有串联在多根加热带的供电回路中的交流接触器；所述渗流条件模拟监控系统包括与监控计算机相接的湿度控制器以及均匀布设在充填体模型内的多个充填体湿度探头和多个孔隙水压力传感器，多个充填体湿度探头的输出端和多个孔隙水压力传感器的输出端均与湿度控制器的输入端连接，所述湿度控制器的输出端接有恒流泵驱动器和电磁阀驱动器，所述恒流泵与恒流泵驱动器的输出端连接，所述电磁阀与电磁阀驱动器的输出端连接；所述应力条件模拟监控系统包括与监控计算机相接的加载压力控制器、均匀布设在充填体模型内的多个应力应变传感器和设置在支柱上的荷载传感器，所述荷载传感器的输出端和多个所述应力应变传感器的输出端均与加载压力控制器的输入端连接。
上述的矿井充填温度、渗流、应力三场耦合相似试验装置，其特征在于：所述充填体模型内均匀布设有多个充填体温度探头，所述充填体温度探头的输出端与温度控制器的输入端连接。
上述的矿井充填温度、渗流、应力三场耦合相似试验装置，其特征在于：所述风机为变频风机。
上述的矿井充填温度、渗流、应力三场耦合相似试验装置，其特征在于：所述渗流形成层包括从下到上依次设置的防砂层、过滤网层和骨架层。
上述的矿井充填温度、渗流、应力三场耦合相似试验装置，其特征在于：所述PVC管呈蛇形布设。
上述的矿井充填温度、渗流、应力三场耦合相似试验装置，其特征在于：所述试验模拟箱体由钢板焊接制成，所述试验模拟箱体的形状为立方体形，所述试验模拟箱体的外壁上设置有防水层和隔热层；所述试验模拟箱体的上部设置有供所述进水导管穿过的进水导管孔，所述试验模拟箱体的下部设置有供所述出水导管穿过的出水导管孔。
本发明还公开了一种方法步骤简单，实现方便，能够深入研究矿井充填温度、渗流、应力三场耦合的规律，为充填采矿方法在深部矿井提供理论和技术支撑的矿井充填温度、渗流、应力三场耦合相似试验方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、根据要研究的矿井和相似试验方法设计矿井充填温度、渗流、应力三场耦合相似试验装置；
步骤二、制作试验模拟箱体、围岩模型和充填体模型，连接矿井风流模拟系统、热边界模拟系统、渗流条件模拟系统、应力条件模拟系统和测量监控系统，制成矿井充填温度、渗流、应力三场耦合相似试验装置；
步骤三、启动热边界模拟系统，温度控制器控制交流接触器接通多根加热带的供电回路，多根加热带开始加热，箱体温度探头对试验模拟箱体内的温度进行实时检测并将检测到的箱体内温度信号输出给温度控制器，温度控制器将箱体内温度信号与预先设定的箱体内温度阈值相比较，当箱体内温度信号高于箱体内温度阈值时，温度控制器控制交流接触器断开多根加热带的供电回路，多根加热带停止加热，当箱体内温度信号低于箱体内温度阈值时，温度控制器控制交流接触器接通多根加热带的供电回路，多根加热带开始加热，多根加热带循环工作，维持边界温度恒定；同时，多个充填体温度探头对充填体模型内的温度进行实时检测并将检测到的充填体温度信号输出给温度控制器，当温度控制器检测到充填体温度信号稳定在预设的充填体温度阈值范围内时，执行步骤四；
步骤四、启动矿井风流模拟系统，设定恒温恒湿机的风流温度和湿度，空气经恒温恒湿机处理后送入风筒，再由风机调节风速和风流均匀性后进入模拟巷道，风速探头对模拟巷道中的风速进行实时检测并将检测到的巷道风速信号输出给风速控制器，风速控制器将巷道风速信号与预先设定的巷道风速阈值相比较，当巷道风速信号高于巷道风速阈值时，风速控制器通过风机驱动器驱动风机降低风速，当巷道风速信号低于巷道风速阈值时，风速控制器通过风机驱动器驱动风机提高风速，维持巷道风速稳定；同时，多个巷道温度探头对模拟巷道中的温度进行实时检测并将检测到的巷道温度信号输出给风速控制器，多个巷道湿度探头对模拟巷道中的湿度进行实时检测并将检测到的巷道湿度信号输出给风速控制器；
步骤五、温度控制器向监控计算机周期性发送箱体内温度数据和充填体温度数据，风速控制器向监控计算机周期性发送巷道风速数据、巷道温度数据和巷道湿度数据，监控计算机对箱体内温度数据、充填体温度数据、巷道风速数据、巷道温度数据和巷道湿度数据进行记录；
步骤六、启动渗流条件模拟系统，所述进水导管从渗流入水箱引水，经恒流泵提供恒定水流量，并经流量计流入PVC管，水从PVC管上的渗流孔流出，形成均匀渗流水后流入所述渗流形成层并渗流进入充填体模型，再经所述出水导管流入渗流出水箱；多个充填体温度探头对充填体模型内的温度进行实时检测并将检测到的充填体温度信号输出给温度控制器，多个充填体湿度探头对充填体模型内的湿度进行实时检测并将检测到的充填体湿度信号输出给湿度控制器，多个孔隙水压力传感器对充填体模型内的孔隙水压力进行实时检测并将检测到的充填体孔隙水压力信号输出给湿度控制器；
步骤七、温度控制器向监控计算机周期性发送充填体温度数据，湿度控制器向监控计算机周期性发送充填体湿度数据和充填体孔隙水压力数据，监控计算机对充填体温度数据、充填体湿度数据和充填体孔隙水压力数据进行记录；
步骤八、启动应力条件模拟系统，千斤顶施加力，通过传力杆和承压板将压力加载到充填体模型上，多个应力应变传感器对充填体模型的应力应变进行实时检测并将检测到的充填体应力应变信号输出给加载压力控制器，荷载传感器对传力杆上的载荷进行实时检测并将检测到的传力杆载荷信号输出给加载压力控制器；
步骤九、加载压力控制器向监控计算机周期性发送充填体应力应变数据和传力杆载荷数据，监控计算机对充填体应力应变数据和传力杆载荷数据进行记录；
步骤十、改变矿井风流模拟参数、热边界模拟参数、渗流条件模拟参数和应力条件模拟参数，重复以上步骤三至步骤九，分别记录实验数据；
步骤十一、关闭矿井风流模拟系统、热边界模拟系统、渗流条件模拟系统、应力条件模拟系统和测量监控系统，试验结束。
上述的方法，其特征在于：步骤一中所述根据要研究的矿井和相似试验方法设计矿井充填温度、渗流、应力三场耦合相似试验装置的具体过程为：
步骤101、几何模型设计：根据要研究的原型矿井充填体的长L1、宽B1和高H1，以及充填体模型19与原型的几何相似比1∶Cl，确定充填体模型19的长l1＝L1/Cl,宽b1＝B1/Cl,高h1＝H1/Cl；根据要研究的原型矿井充填体相邻围岩调热圈的长L2、宽B2和高H2，以及围岩模型32与原型的几何相似比1∶Cl，确定围岩模型32的长l2＝L2/Cl,宽b2＝B2/Cl,高h2＝H2/Cl；
步骤102、导热相似设计：充填体和围岩为多孔介质，充填体和围岩的热物性参数取多孔介质的等效热物性参数，充填体模型19和围岩模型32与原型等效导热系数Cλ＝1∶1，充填体模型19和围岩模型32与原型等效比热容与密度乘积比Ccρ＝1∶1，围岩模型32与原型外壁的温度比Ctw＝1∶1；矿井风流模拟系统与原型风流温度比Ctf＝1∶1，矿井风流模拟系统与原型空气湿度比Cφ＝1∶1，矿井风流模拟系统与原型风流流速比Cv＝Cl∶1；充填体模型19和围岩模型32与原型原始温度比Cto＝1∶1，充填体模型19和围岩模型32与原型时间比Cτ＝1∶Cl 2；
步骤103、渗流相似设计：充填体模型19和围岩模型32与原型的渗流系数比Ck＝1∶1，充填体模型19和围岩模型32与原型的动力粘度系数比Cμ＝1∶1，充填体模型19和围岩模型32与原型渗流温度比Ctk＝1∶1，充填体模型19和围岩模型32与原型的渗流压差比Cp＝1∶Cl；
步骤104、力学相似设计：充填体模型19和围岩模型32与原型杨氏模量比为CαE＝1∶1，充填体模型19和围岩模型32与原型泊松比为CαV＝1∶1，充填体模型19和围岩模型32与原型载荷比Cαf＝1∶CρCl，其中，Cρ为充填体模型19和围岩模型32与原型的密度比。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明矿井充填温度、渗流、应力三场耦合相似试验装置的结构简单，设计新颖合理，实现方便且成本低。
2、本发明矿井充填温度、渗流、应力三场耦合相似试验方法的方法步骤简单，实现方便。
3、本发明给出了矿井充填温度、渗流、应力三场耦合相似试验方法和装置，通过相似试验方法及装置，能够深入研究矿井充填温度、渗流、应力三场耦合的规律，获得不同埋深、不同矿井风流条件、不同热边界条件、不同渗流条件、不同力学条件，充填体及相邻围岩温度、渗流、应力变化特征及矿井风流对流换热特征，为充填采矿方法在矿井，尤其是深部矿井提供理论和技术支撑。
4、本发明的实用性强，使用效果好，推广应用价值高。
综上所述，本发明设计新颖合理，实现方便且成本低，能够深入研究矿井充填温度、渗流、应力三场耦合的规律，为充填采矿方法在深部矿井提供理论和技术支撑，实用性强，使用效果好，推广应用价值高。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明矿井充填温度、渗流、应力三场耦合相似试验装置的结构示意图。
图2为本发明试验模拟箱体、围岩模型、充填体模型、模拟巷道和应力条件模拟系统的结构示意图。
图3为本发明PVC管的布置示意图。
图4为本发明验模拟箱体、围岩模型、充填体模型、模拟巷道和渗流形成层的截面示意图。
图5为本发明渗流形成层的结构示意图。
图6为本发明各检测探头的布设示意图。
图7为本发明加热带的布设示意图。
图8为本发明测量监控系统的电路原理框图。
附图标记说明:
1—试验模拟箱体； 2—模拟巷道； 3—风速探头；
4—PVC管； 5—流量计； 6—渗流出水箱；
7—巷道温度探头； 8—巷道湿度探头； 9—监控计算机；
10—传力杆； 11—支柱； 12—承压板；
13—箱体温度探头； 14—风机驱动器； 15—温度控制器；
16—交流接触器； 17—湿度控制器； 19—充填体模型；
20—应力应变传感器； 21—充填体湿度探头； 22—恒流泵；
23—电磁阀； 24—恒温恒湿机； 25—风机；
26—风筒； 27—渗流入水箱； 28—风速控制器；
29—充填体温度探头； 30—渗流形成层； 30-1—防砂层；
30-2—过滤网层； 30-3—骨架层； 31—加热带；
32—围岩模型； 33—孔隙水压力传感器； 34—恒流泵驱动器；
35—电磁阀驱动器； 36—加载压力控制器； 37—荷载传感器。
具体实施方式
如图1至图8所示，本发明的矿井充填温度、渗流、应力三场耦合相似试验装置，包括试验模拟箱体1、设置在试验模拟箱体1内的围岩模型32和设置在围岩模型32内的充填体模型19，以及矿井风流模拟系统、热边界模拟系统、渗流条件模拟系统、应力条件模拟系统和测量监控系统；所述围岩模型32内设置有位于充填体模型19上部的模拟巷道2；
所述矿井风流模拟系统包括恒温恒湿机24和与恒温恒湿机24的出口端连接且伸入模拟巷道2内的风筒26，所述风筒26上连接有风机25；
所述热边界模拟系统包括设置在试验模拟箱体1内壁上且用于模拟矿井中地热的多根加热带31；加热带31用于提供热量加热充填体模型19，模拟矿井中地热；
所述渗流条件模拟系统包括设置在试验模拟箱体1内的渗流形成层30和设置在渗流形成层30上方的PVC管4，以及设置在试验模拟箱体1外部的渗流入水箱27和渗流出水箱6，所述PVC管4上开有渗流孔，所述PVC管4的入水口通过穿过试验模拟箱体1的进水导管与渗流入水箱27的出水口连接，所述进水导管上设置有恒流泵22、电磁阀23和流量计5，所述PVC管4的出水口通过穿过试验模拟箱体1的出水导管与渗流出水箱6的入水口连接；
所述应力条件模拟系统包括对称设置在试验模拟箱体1两侧的两套应力加载机构，所述应力加载机构包括设置在试验模拟箱体1内部且用于将压力加载在充填体模型19上的承压板12，以及设置在试验模拟箱体1外部的传力杆10、用于对传力杆10施加力的千斤顶、用于支撑传力杆10的支柱11；所述承压板12与传力杆10的端部固定连接；
所述测量监控系统包括监控计算机9、矿井风流模拟测量监控系统、热边界模拟测量监控系统、渗流条件模拟监控系统和应力条件模拟监控系统；所述矿井风流模拟测量监控系统包括与监控计算机9相接的风速控制器28以及均匀布设在模拟巷道2中的多个巷道温度探头7、多个巷道湿度探头8和多个风速探头3，多个巷道温度探头7的输出端、多个巷道湿度探头8的输出端和多个风速探头3的输出端均与风速控制器28的输入端连接，所述风速控制器28的输出端接有风机驱动器14，所述风机25与风机驱动器14的输出端连接；所述热边界模拟测量监控系统包括与监控计算机9相接的温度控制器15和均匀布设在试验模拟箱体1内壁上的多个箱体温度探头13，多个箱体温度探头13的输出端均与温度控制器15的输入端连接，所述温度控制器15的输出端接有串联在多根加热带31的供电回路中的交流接触器16；所述渗流条件模拟监控系统包括与监控计算机9相接的湿度控制器17以及均匀布设在充填体模型19内的多个充填体湿度探头21和多个孔隙水压力传感器33，多个充填体湿度探头21的输出端和多个孔隙水压力传感器33的输出端均与湿度控制器17的输入端连接，所述湿度控制器17的输出端接有恒流泵驱动器34和电磁阀驱动器35，所述恒流泵22与恒流泵驱动器34的输出端连接，所述电磁阀23与电磁阀驱动器35的输出端连接；所述应力条件模拟监控系统包括与监控计算机9相接的加载压力控制器36、均匀布设在充填体模型19内的多个应力应变传感器20和设置在支柱11上的荷载传感器37，所述荷载传感器37的输出端和多个所述应力应变传感器20的输出端均与加载压力控制器36的输入端连接。
本实施例中，所述充填体模型19内均匀布设有多个充填体温度探头29，所述充填体温度探头29的输出端与温度控制器15的输入端连接。
本实施例中，所述风机25为变频风机。风机25用于调节进入模拟巷道2内的风速和风流均匀性。
本实施例中，所述渗流形成层30包括从下到上依次设置的防砂层30-1、过滤网层30-2和骨架层30-3。通过设置由防砂层30-1、过滤网层30-2和骨架层30-3构成的渗流形成层30，能够模拟多点压力相等的渗流。
本实施例中，所述PVC管4呈蛇形布设。
本实施例中，所述试验模拟箱体1由钢板焊接制成，所述试验模拟箱体1的形状为立方体形，所述试验模拟箱体1的外壁上设置有防水层和隔热层；所述试验模拟箱体1的上部设置有供所述进水导管穿过的进水导管孔，所述试验模拟箱体1的下部设置有供所述出水导管穿过的出水导管孔。通过在试验模拟箱体1的外壁上设置有防水层和隔热层，能够防止水渗漏，并减少热量散失。
本发明的矿井充填温度、渗流、应力三场耦合相似试验方法，包括以下步骤：
步骤一、根据要研究的矿井和相似试验方法设计矿井充填温度、渗流、应力三场耦合相似试验装置；
本实施例中，步骤一中所述根据要研究的矿井和相似试验方法设计矿井充填温度、渗流、应力三场耦合相似试验装置的具体过程为：
步骤101、几何模型设计：根据要研究的原型矿井充填体的长L1、宽B1和高H1，以及充填体模型19与原型的几何相似比1∶Cl，确定充填体模型19的长l1＝L1/Cl,宽b1＝B1/Cl,高h1＝H1/Cl；根据要研究的原型矿井充填体相邻围岩调热圈的长L2、宽B2和高H2，以及围岩模型32与原型的几何相似比1∶Cl，确定围岩模型32的长l2＝L2/Cl,宽b2＝B2/Cl,高h2＝H2/Cl；
步骤102、导热相似设计：充填体和围岩为多孔介质，充填体和围岩的热物性参数取多孔介质的等效热物性参数，充填体模型19和围岩模型32与原型等效导热系数Cλ＝1∶1，充填体模型19和围岩模型32与原型等效比热容与密度乘积比Ccρ＝1∶1，围岩模型32与原型外壁的温度比Ctw＝1∶1；矿井风流模拟系统与原型风流温度比Ctf＝1∶1，矿井风流模拟系统与原型空气湿度比Cφ＝1∶1，矿井风流模拟系统与原型风流流速比Cv＝Cl∶1；充填体模型19和围岩模型32与原型原始温度比Cto＝1∶1，充填体模型19和围岩模型32与原型时间比Cτ＝1∶Cl 2；
步骤103、渗流相似设计：充填体模型19和围岩模型32与原型的渗流系数比Ck＝1∶1，充填体模型19和围岩模型32与原型的动力粘度系数比Cμ＝1∶1，充填体模型19和围岩模型32与原型渗流温度比Ctk＝1∶1，充填体模型19和围岩模型32与原型的渗流压差比Cp＝1∶Cl；
步骤104、力学相似设计：充填体模型19和围岩模型32与原型杨氏模量比为CαE＝1∶1，充填体模型19和围岩模型32与原型泊松比为CαV＝1∶1，充填体模型19和围岩模型32与原型载荷比Cαf＝1∶CρCl，其中，Cρ为充填体模型19和围岩模型32与原型的密度比。
步骤二、制作试验模拟箱体1、围岩模型32和充填体模型19，连接矿井风流模拟系统、热边界模拟系统、渗流条件模拟系统、应力条件模拟系统和测量监控系统，制成矿井充填温度、渗流、应力三场耦合相似试验装置；
步骤三、启动热边界模拟系统，温度控制器15控制交流接触器16接通多根加热带31的供电回路，多根加热带31开始加热，箱体温度探头13对试验模拟箱体1内的温度进行实时检测并将检测到的箱体内温度信号输出给温度控制器15，温度控制器15将箱体内温度信号与预先设定的箱体内温度阈值相比较，当箱体内温度信号高于箱体内温度阈值时，温度控制器15控制交流接触器16断开多根加热带31的供电回路，多根加热带31停止加热，当箱体内温度信号低于箱体内温度阈值时，温度控制器15控制交流接触器16接通多根加热带31的供电回路，多根加热带31开始加热，多根加热带31循环工作，维持边界温度恒定；同时，多个充填体温度探头29对充填体模型19内的温度进行实时检测并将检测到的充填体温度信号输出给温度控制器15，当温度控制器15检测到充填体温度信号稳定在预设的充填体温度阈值范围内时，执行步骤四；
步骤四、启动矿井风流模拟系统，设定恒温恒湿机24的风流温度和湿度，空气经恒温恒湿机24处理后送入风筒26，再由风机25调节风速和风流均匀性后进入模拟巷道2，风速探头3对模拟巷道2中的风速进行实时检测并将检测到的巷道风速信号输出给风速控制器28，风速控制器28将巷道风速信号与预先设定的巷道风速阈值相比较，当巷道风速信号高于巷道风速阈值时，风速控制器28通过风机驱动器14驱动风机25降低风速，当巷道风速信号低于巷道风速阈值时，风速控制器28通过风机驱动器14驱动风机25提高风速，维持巷道风速稳定；同时，多个巷道温度探头7对模拟巷道2中的温度进行实时检测并将检测到的巷道温度信号输出给风速控制器28，多个巷道湿度探头8对模拟巷道2中的湿度进行实时检测并将检测到的巷道湿度信号输出给风速控制器28；
步骤五、温度控制器15向监控计算机9周期性发送箱体内温度数据和充填体温度数据，风速控制器28向监控计算机9周期性发送巷道风速数据、巷道温度数据和巷道湿度数据，监控计算机9对箱体内温度数据、充填体温度数据、巷道风速数据、巷道温度数据和巷道湿度数据进行记录；
步骤六、启动渗流条件模拟系统，所述进水导管从渗流入水箱27引水，经恒流泵22提供恒定水流量，并经流量计5流入PVC管4，水从PVC管4上的渗流孔流出，形成均匀渗流水后流入所述渗流形成层30并渗流进入充填体模型19，再经所述出水导管流入渗流出水箱6；多个充填体温度探头29对充填体模型19内的温度进行实时检测并将检测到的充填体温度信号输出给温度控制器15，多个充填体湿度探头21对充填体模型19内的湿度进行实时检测并将检测到的充填体湿度信号输出给湿度控制器17，多个孔隙水压力传感器33对充填体模型19内的孔隙水压力进行实时检测并将检测到的充填体孔隙水压力信号输出给湿度控制器17；
步骤七、温度控制器15向监控计算机9周期性发送充填体温度数据，湿度控制器17向监控计算机9周期性发送充填体湿度数据和充填体孔隙水压力数据，监控计算机9对充填体温度数据、充填体湿度数据和充填体孔隙水压力数据进行记录；
步骤八、启动应力条件模拟系统，千斤顶施加力，通过传力杆10和承压板12将压力加载到充填体模型19上，多个应力应变传感器对充填体模型19的应力应变进行实时检测并将检测到的充填体应力应变信号输出给加载压力控制器36，荷载传感器37对传力杆10上的载荷进行实时检测并将检测到的传力杆载荷信号输出给加载压力控制器36；
步骤九、加载压力控制器36向监控计算机9周期性发送充填体应力应变数据和传力杆载荷数据，监控计算机9对充填体应力应变数据和传力杆载荷数据进行记录；
步骤十、改变矿井风流模拟参数、热边界模拟参数、渗流条件模拟参数和应力条件模拟参数，重复以上步骤三至步骤九，分别记录实验数据；
步骤十一、关闭矿井风流模拟系统、热边界模拟系统、渗流条件模拟系统、应力条件模拟系统和测量监控系统，试验结束。
综上所述，本发明给出了矿井充填温度、渗流、应力三场耦合相似试验方法和装置，通过相似试验方法及装置，能够深入研究矿井充填温度、渗流、应力三场耦合的规律，获得不同埋深、不同矿井风流条件、不同热边界条件、不同渗流条件、不同力学条件，充填体及相邻围岩温度、渗流、应力变化特征及矿井风流对流换热特征，为充填采矿方法在矿井，尤其是深部矿井提供理论和技术支撑。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (8)
1.一种矿井充填温度、渗流、应力三场耦合相似试验装置，其特征在于：包括试验模拟箱体(1)、设置在试验模拟箱体(1)内的围岩模型(32)和设置在围岩模型(32)内的充填体模型(19)，以及矿井风流模拟系统、热边界模拟系统、渗流条件模拟系统、应力条件模拟系统和测量监控系统；所述围岩模型(32)内设置有位于充填体模型(19)上部的模拟巷道(2)；
所述矿井风流模拟系统包括恒温恒湿机(24)和与恒温恒湿机(24)的出口端连接且伸入模拟巷道(2)内的风筒(26)，所述风筒(26)上连接有风机(25)；
所述热边界模拟系统包括设置在试验模拟箱体(1)内壁上且用于模拟矿井中地热的多根加热带(31)；
所述渗流条件模拟系统包括设置在试验模拟箱体(1)内的渗流形成层(30)和设置在渗流形成层(30)上方的PVC管(4)，以及设置在试验模拟箱体(1)外部的渗流入水箱(27)和渗流出水箱(6)，所述PVC管(4)上开有渗流孔，所述PVC管(4)的入水口通过穿过试验模拟箱体(1)的进水导管与渗流入水箱(27)的出水口连接，所述进水导管上设置有恒流泵(22)、电磁阀(23)和流量计(5)，所述PVC管(4)的出水口通过穿过试验模拟箱体(1)的出水导管与渗流出水箱(6)的入水口连接；
所述应力条件模拟系统包括对称设置在试验模拟箱体(1)两侧的两套应力加载机构，所述应力加载机构包括设置在试验模拟箱体(1)内部且用于将压力加载在充填体模型(19)上的承压板(12)，以及设置在试验模拟箱体(1)外部的传力杆(10)、用于对传力杆(10)施加力的千斤顶、用于支撑传力杆(10)的支柱(11)；所述承压板(12)与传力杆(10)的端部固定连接；
所述测量监控系统包括监控计算机(9)、矿井风流模拟测量监控系统、热边界模拟测量监控系统、渗流条件模拟监控系统和应力条件模拟监控系统；所述矿井风流模拟测量监控系统包括与监控计算机(9)相接的风速控制器(28)以及均匀布设在模拟巷道(2)中的多个巷道温度探头(7)、多个巷道湿度探头(8)和多个风速探头(3)，多个巷道温度探头(7)的输出端、多个巷道湿度探头(8)的输出端和多个风速探头(3)的输出端均与风速控制器(28)的输入端连接，所述风速控制器(28)的输出端接有风机驱动器(14)，所述风机(25)与风机驱动器(14)的输出端连接；所述热边界模拟测量监控系统包括与监控计算机(9)相接的温度控制器(15)和均匀布设在试验模拟箱体(1)内壁上的多个箱体温度探头(13)，多个箱体温度探头(13)的输出端均与温度控制器(15)的输入端连接，所述温度控制器(15)的输出端接有串联在多根加热带(31)的供电回路中的交流接触器(16)；所述渗流条件模拟监控系统包括与监控计算机(9)相接的湿度控制器(17)以及均匀布设在充填体模型(19)内的多个充填体湿度探头(21)和多个孔隙水压力传感器(33)，多个充填体湿度探头(21)的输出端和多个孔隙水压力传感器(33)的输出端均与湿度控制器(17)的输入端连接，所述湿度控制器(17)的输出端接有恒流泵驱动器(34)和电磁阀驱动器(35)，所述恒流泵(22)与恒流泵驱动器(34)的输出端连接，所述电磁阀(23)与电磁阀驱动器(35)的输出端连接；所述应力条件模拟监控系统包括与监控计算机(9)相接的加载压力控制器(36)、均匀布设在充填体模型(19)内的多个应力应变传感器(20)和设置在支柱(11)上的荷载传感器(37)，所述荷载传感器(37)的输出端和多个所述应力应变传感器(20)的输出端均与加载压力控制器(36)的输入端连接。
2.按照权利要求1所述的矿井充填温度、渗流、应力三场耦合相似试验装置，其特征在于：所述充填体模型(19)内均匀布设有多个充填体温度探头(29)，所述充填体温度探头(29)的输出端与温度控制器(15)的输入端连接。
3.按照权利要求1或2所述的矿井充填温度、渗流、应力三场耦合相似试验装置，其特征在于：所述风机(25)为变频风机。
4.按照权利要求1或2所述的矿井充填温度、渗流、应力三场耦合相似试验装置，其特征在于：所述渗流形成层(30)包括从下到上依次设置的防砂层(30-1)、过滤网层(30-2)和骨架层(30-3)。
5.按照权利要求1或2所述的矿井充填温度、渗流、应力三场耦合相似试验装置，其特征在于：所述PVC管(4)呈蛇形布设。
6.按照权利要求1或2所述的矿井充填温度、渗流、应力三场耦合相似试验装置，其特征在于：所述试验模拟箱体(1)由钢板焊接制成，所述试验模拟箱体(1)的形状为立方体形，所述试验模拟箱体(1)的外壁上设置有防水层和隔热层；所述试验模拟箱体(1)的上部设置有供所述进水导管穿过的进水导管孔，所述试验模拟箱体(1)的下部设置有供所述出水导管穿过的出水导管孔。
7.一种利用如权利要求2所述试验装置进行矿井充填温度、渗流、应力三场耦合相似试验的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、根据要研究的矿井和相似试验方法设计矿井充填温度、渗流、应力三场耦合相似试验装置；
步骤二、制作试验模拟箱体(1)、围岩模型(32)和充填体模型(19)，连接矿井风流模拟系统、热边界模拟系统、渗流条件模拟系统、应力条件模拟系统和测量监控系统，制成矿井充填温度、渗流、应力三场耦合相似试验装置；
步骤三、启动热边界模拟系统，温度控制器(15)控制交流接触器(16)接通多根加热带(31)的供电回路，多根加热带(31)开始加热，箱体温度探头(13)对试验模拟箱体(1)内的温度进行实时检测并将检测到的箱体内温度信号输出给温度控制器(15)，温度控制器(15)将箱体内温度信号与预先设定的箱体内温度阈值相比较，当箱体内温度信号高于箱体内温度阈值时，温度控制器(15)控制交流接触器(16)断开多根加热带(31)的供电回路，多根加热带(31)停止加热，当箱体内温度信号低于箱体内温度阈值时，温度控制器(15)控制交流接触器(16)接通多根加热带(31)的供电回路，多根加热带(31)开始加热，多根加热带(31)循环工作，维持边界温度恒定；同时，多个充填体温度探头(29)对充填体模型(19)内的温度进行实时检测并将检测到的充填体温度信号输出给温度控制器(15)，当温度控制器(15)检测到充填体温度信号稳定在预设的充填体温度阈值范围内时，执行步骤四；
步骤四、启动矿井风流模拟系统，设定恒温恒湿机(24)的风流温度和湿度，空气经恒温恒湿机(24)处理后送入风筒(26)，再由风机(25)调节风速和风流均匀性后进入模拟巷道(2)，风速探头(3)对模拟巷道(2)中的风速进行实时检测并将检测到的巷道风速信号输出给风速控制器(28)，风速控制器(28)将巷道风速信号与预先设定的巷道风速阈值相比较，当巷道风速信号高于巷道风速阈值时，风速控制器(28)通过风机驱动器(14)驱动风机(25)降低风速，当巷道风速信号低于巷道风速阈值时，风速控制器(28)通过风机驱动器(14)驱动风机(25)提高风速，维持巷道风速稳定；同时，多个巷道温度探头(7)对模拟巷道(2)中的温度进行实时检测并将检测到的巷道温度信号输出给风速控制器(28)，多个巷道湿度探头(8)对模拟巷道(2)中的湿度进行实时检测并将检测到的巷道湿度信号输出给风速控制器(28)；
步骤五、温度控制器(15)向监控计算机(9)周期性发送箱体内温度数据和充填体温度数据，风速控制器(28)向监控计算机(9)周期性发送巷道风速数据、巷道温度数据和巷道湿度数据，监控计算机(9)对箱体内温度数据、充填体温度数据、巷道风速数据、巷道温度数据和巷道湿度数据进行记录；
步骤六、启动渗流条件模拟系统，所述进水导管从渗流入水箱(27)引水，经恒流泵(22)提供恒定水流量，并经流量计(5)流入PVC管(4)，水从PVC管(4)上的渗流孔流出，形成均匀渗流水后流入所述渗流形成层(30)并渗流进入充填体模型(19)，再经所述出水导管流入渗流出水箱(6)；多个充填体温度探头(29)对充填体模型(19)内的温度进行实时检测并将检测到的充填体温度信号输出给温度控制器(15)，多个充填体湿度探头(21)对充填体模型(19)内的湿度进行实时检测并将检测到的充填体湿度信号输出给湿度控制器(17)，多个孔隙水压力传感器(33)对充填体模型(19)内的孔隙水压力进行实时检测并将检测到的充填体孔隙水压力信号输出给湿度控制器(17)；
步骤七、温度控制器(15)向监控计算机(9)周期性发送充填体温度数据，湿度控制器(17)向监控计算机(9)周期性发送充填体湿度数据和充填体孔隙水压力数据，监控计算机(9)对充填体温度数据、充填体湿度数据和充填体孔隙水压力数据进行记录；
步骤八、启动应力条件模拟系统，千斤顶施加力，通过传力杆(10)和承压板(12)将压力加载到充填体模型(19)上，多个应力应变传感器对充填体模型(19)的应力应变进行实时检测并将检测到的充填体应力应变信号输出给加载压力控制器(36)，荷载传感器(37)对传力杆(10)上的载荷进行实时检测并将检测到的传力杆载荷信号输出给加载压力控制器(36)；
步骤九、加载压力控制器(36)向监控计算机(9)周期性发送充填体应力应变数据和传力杆载荷数据，监控计算机(9)对充填体应力应变数据和传力杆载荷数据进行记录；
步骤十、改变矿井风流模拟参数、热边界模拟参数、渗流条件模拟参数和应力条件模拟参数，重复以上步骤三至步骤九，分别记录实验数据；
步骤十一、关闭矿井风流模拟系统、热边界模拟系统、渗流条件模拟系统、应力条件模拟系统和测量监控系统，试验结束。
8.按照权利要求7所述的方法，其特征在于：步骤一中所述根据要研究的矿井和相似试验方法设计矿井充填温度、渗流、应力三场耦合相似试验装置的具体过程为：
步骤101、几何模型设计：根据要研究的原型矿井充填体的长L1、宽B1和高H1，以及充填体模型(19)与原型的几何相似比1∶Cl，确定充填体模型(19)的长l1＝L1/Cl,宽b1＝B1/Cl,高h1＝H1/Cl；根据要研究的原型矿井充填体相邻围岩调热圈的长L2、宽B2和高H2，以及围岩模型(32)与原型的几何相似比1∶Cl，确定围岩模型(32)的长l2＝L2/Cl,宽b2＝B2/Cl,高h2＝H2/Cl；
步骤102、导热相似设计：充填体和围岩为多孔介质，充填体和围岩的热物性参数取多孔介质的等效热物性参数，充填体模型(19)和围岩模型(32)与原型等效导热系数Cλ＝1∶1，充填体模型(19)和围岩模型(32)与原型等效比热容与密度乘积比Ccρ＝1∶1，围岩模型(32)与原型外壁的温度比Ctw＝1∶1；矿井风流模拟系统与原型风流温度比Ctf＝1∶1，矿井风流模拟系统与原型空气湿度比Cφ＝1∶1，矿井风流模拟系统与原型风流流速比Cv＝Cl∶1；充填体模型(19)和围岩模型(32)与原型原始温度比Cto＝1∶1，充填体模型(19)和围岩模型(32)与原型时间比Cτ＝1∶Cl 2；
步骤103、渗流相似设计：充填体模型(19)和围岩模型(32)与原型的渗流系数比Ck＝1∶1，充填体模型(19)和围岩模型(32)与原型的动力粘度系数比Cμ＝1∶1，充填体模型(19)和围岩模型(32)与原型渗流温度比Ctk＝1∶1，充填体模型(19)和围岩模型(32)与原型的渗流压差比Cp＝1∶Cl；
步骤104、力学相似设计：充填体模型(19)和围岩模型(32)与原型杨氏模量比为CαE＝1∶1，充填体模型(19)和围岩模型(32)与原型泊松比为CαV＝1∶1，充填体模型(19)和围岩模型(32)与原型载荷比Cαf＝1∶CρCl，其中，Cρ为充填体模型(19)和围岩模型(32)与原型的密度比。
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