CN109272848A - 一种煤与稀有金属协调开采实验台及应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤与稀有金属协调开采实验台及应用方法。所述煤与稀有金属协调开采实验台，包括相似模拟系统、控制系统、信息采集系统，相似模拟系统设置有可移动有机玻璃板、抽注板、中部固定架、中部固定横梁、中部承载托板、底部固定竖梁、底部承载托板、模拟煤层、可伸缩弹簧、小挡板，控制系统设置有中央控制器、HDMI线、服务器、信号传输线、液压千斤顶、液泵、压力液存储罐、压力液输送管、抽液马达、注液马达、抽液管、注液管、压力表、阀门、注液存储箱、废液存储箱，信息采集系统设置有采集箱、压力传感器、数据传输线、高速相机。通过各系统之间相互配合，实现煤与稀有金属协调开采多物理场时空动态耦合效应的模拟。

Description

一种煤与稀有金属协调开采实验台及应用方法

技术领域

本发明涉及矿山领域，尤其涉及一种煤与稀有金属协调开采实验台。

背景技术

煤、稀有金属都是国家社会经济发展的重要资源，近年来，在内蒙古鄂尔多斯地区已探明的煤炭储量十分丰富，同时在其周边区域先后发现多个大规模稀有金属矿床，煤与稀有金属资源共生现象普遍存在，如何安全高效开发利用煤与稀有金属资源，对保障国家能源供应和国家战略安全意义重大。现有单一矿种开采具有扎实的科学研究基础、丰富的工程实践经验，针对煤与稀有金属叠置覆存状况，如何安全高效开采多种矿产资源，减小矿种开采过程中环境的负外部性，提升地下水文地质及地表生态保护力度，是当前煤与稀有金属协调开采的关键。实验设备是学校、科研院所、公司科研部门进行科研探索的基础工具，在科研领域扮演者重要角色，发挥着重要科研功能，尤其针对煤、稀有金属两种不同开采工艺的矿产资源开采研究。基于上述情况，亟需一种煤与稀有金属协调开采实验台，实现不同工程地质条件下煤、稀有金属资源协调开采模拟，达到研究煤与稀有金属协调开采多场时空动态耦合特征的目的。

发明内容

本发明实施例的目的在于提出一种煤与稀有金属协调开采实验台，相似模拟材料按相似比配置装填完毕后对信息采集系统进行设置，通过控制系统的中央控制器向液压千斤顶发送数据指令，液泵将压力液输送到液压千斤顶，实现可移动有机玻璃板小幅度位移加载，还原煤与稀有金属赋存三维空间应力场环境。煤与稀有金属协调开采过程中，压力传感器、高速相机将捕获的多物理场表征参量传输入服务器，由服务器进行数据处理。最终在三大系统高效配合下，实现不同工程地质条件下煤、稀有金属资源协调开采模拟，达到研究煤与稀有金属协调开采多场时空动态耦合特征的目的。为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种煤与稀有金属协调开采实验台，包括：

相似模拟系统，包括可移动有机玻璃板、抽注板、中部固定架、中部固定横梁、中部承载托板、底部固定竖梁、底部承载托板、模拟煤层、可伸缩弹簧、小挡板，所述中部固定架、中部固定横梁、底部固定竖梁通过螺丝与可移动有机玻璃板、中部承载托板、底部承载托板连接并固定，所述抽注板置于可移动有机玻璃板上部，所述模拟煤层位于相似模拟系统底部，所述可伸缩弹簧连接小挡板与可移动有机玻璃板；

控制系统，包括中央控制器、HDMI线、服务器、信号传输线、液压千斤顶、液泵、压力液存储罐、压力液输送管、抽液马达、注液马达、抽液管、注液管、压力表、阀门、注液存储箱、废液存储箱，所述液泵、注液马达、抽液马达置于压力液存储罐、注液存储箱、废液存储箱端部、所述压力表、阀门依次置于液泵、注液马达、抽液马达之后，所述压力液输送管连接压力液存储罐与液压千斤顶，所述抽液管连接废液存储箱与抽注板，所述注液管连接注液存储箱与抽注板，所述液压千斤顶置于可移动有机玻璃板与中部承载托板、底部承载托板之间，所述HDMI线连接中央控制器与服务器，所述信号传输线将服务器分别与液泵、抽液马达、注液马达连接；

信息采集系统，包括采集箱、压力传感器、数据传输线、高速相机，所述采集箱置于实验台外部，所述压力传感器铺设于模型中部，所述数据传输线将服务器分别与压力传感器、高速相机相连。

优选地，所述可移动有机玻璃板由可伸缩弹簧连接，内侧固定有小挡板，其顶部设置有抽注孔。

优选地，所述采集箱为三面箱体，且放置于实验台外部，并配备有高速相机。

本发明还提出了一种煤与稀有金属协调开采实验台应用方法，应用上述实验台，其包括如下实验步骤：

a、检查各系统部件完好性，确认其能正常工作后，将中部固定架、中部固定横梁、底部固定竖梁分别通过螺丝与可移动有机玻璃板、中部承载托板、底部承载托板连接并固定，将液压千斤顶固定于可移动有机玻璃板与中部承载托板、底部承载托板之间；

b、将制作好的透明相似材料铺设在相似模拟系统中，预先埋设压力传感器，正确连接数据传输线、信号传输线、HDMI线,将采集箱置于整体实验台外端，高速相机对准模型侧面中部；

c、操作中央控制器打开液泵及其阀门，将压力液存储罐中的压力液通过压力液输送管注入液压千斤顶中，使之对可移动有机玻璃板均匀加载；

d、操作中央控制器打开注液马达及其阀门，注液存储箱中的溶浸液通过注液管、抽注板，匀速注入顶部稀有金属矿床相似材料层，同时操作中央控制器打开抽液马达及其阀门，将溶浸液从顶部稀有金属矿床相似材料层通过抽液管抽出至废液存储箱，模拟整个稀有金属开采过程；

e、将条形模拟煤层从模型后部可移动有机玻璃板留设的小窗口依次抽出，模拟整个煤层开采过程；

f、压力传感器、高速相机通过数据传输线将实时数据传入中央控制器，同时服务器实时记录各压力表压力值，操作中央控制器将所采集的所有数据进行处理，并在中央控制器上显示处理结果；

g、实验完毕，操作中央控制器，停止抽液马达、注液马达，关闭阀门，并通过液压千斤顶对模型卸压，清理各系统装置，分类保存，以待下次使用。

与现有三维模拟实验台相比，本发明具有如下优点：

本发明述及的煤与稀有金属协调开采实验台,能够还原煤与稀有金属赋存三维空间应力场环境，可以根据不同研究背景调节煤层开采参数及稀有金属矿开采参数，更加真实的模拟煤与稀有金属协调开采行为；采用的相似材料以及装置材料均为透明材料，可直观观察实验现象；采集箱为三面箱体，且放置于实验台外部，并配备有高速相机，可全方位捕捉实验动态过程；通过中央控制器控制各个系统的实验操作，实现实验集约化、自动化；各压力传感器，压力表，高速相机等可动态记录实验全过程；各系统所采集的试验数据自动传入服务器，服务器自动对数据进行处理，并自动生成表格、图形。

附图说明

图1为本发明的整体结构图；

图2为相似模拟系统细节图；

图3为中部承载托板连接示意图；

图4为承载托板连接完毕整体示意图；

图5为本发明的可移动有机玻璃板连接图；

图6为液压千斤顶加载图；

图7为数据采集箱细节图。

图中：11-抽注板；12-可移动有机玻璃板；13-中部固定架；14-模拟煤层；15-中部固定横梁；16-中部承载托板；17-底部固定竖梁；18-底部承载托板；19-可伸缩弹簧；110-小挡板；21-中央控制器；22-HDMI线；23-服务器；24-信号传输线；25-阀门；26-压力表；27-液泵；28-压力液存储罐；29-压力液输送管；210-注液存储箱；211-废液存储箱；212-注液马达；213-抽液马达；214-注液管；215-抽液管；216-液压千斤顶；31-采集箱；32-高速相机；33-数据传输线；34-压力传感器。

具体实施方式

结合图1、图2、图3、图4、图5所示，一种煤与稀有金属协调开采实验台，包括相似模拟系统、控制系统、信息采集系统，相似模拟系统接收控制系统的信号指令进行模拟实验，信息采集系统进行实时动态数据采集，能够真实可靠高效的模拟煤与稀有金属协调开采活动。

相似模拟系统中，所述中部固定架13、中部固定横梁15、底部固定竖梁17通过螺丝与可移动有机玻璃板12、中部承载托板16、底部承载托板18连接并固定，可伸缩弹簧19连接小挡板110与可移动有机玻璃板12，所述抽注板11置于可移动有机玻璃板12上部，所述模拟煤层14位于相似模拟系统底部。

可移动有机玻璃板12与中部承载托板16、底部承载托板18之间的空间用于放置并固定控制系统中的液压千斤顶216，可移动有机玻璃板12与可伸缩弹簧19连接，同时特制小档板110至于系统中，可有效防止相似材料渗出，抽注板11放置相似材料顶部，连接控制系统中的注液管214和抽液管215；

控制系统中，所述液泵27、注液马达212、抽液马达213置于压力液存储罐28、注液存储箱210、废液存储箱211端部、所述压力表26、阀门25依次置于液泵27、注液马达212、抽液马达213之后，所述压力液输送管29连接压力液存储罐28与液压千斤顶216，所述抽液管215连接废液存储箱211与抽注板11，所述注液管214连接注液存储箱210与抽注板11，所述液压千斤顶216置于所述可移动有机玻璃板12与中部承载托板16、底部承载托板18之间，所述中央控制器21与服务器23通过HDMI线22连接，所述信号传输线24将服务器23分别与液泵27、抽液马达212、注液马达连接213连接。

信息采集系统中，所述采集箱31置于实验台外部，所述压力传感器34铺设于模型中部，所述数据传输线33将服务器23与高速相机32、压力传感器34分别连接。

结合图1、图2、图3、图4、图5所示，根据实验要求，相似模拟系统受到控制系统的数据指令进行模拟实验，信息采集系统进行实时动态采集，能够真实可靠高效的模拟煤稀有金属协调开采过程。

其步骤大致如下：

a、检查各系统部件完好性，确认其能正常工作后，将中部固定架13、中部固定横梁15、底部固定竖梁17分别通过螺丝与可移动有机玻璃板12、中部承载托板16、底部承载托板18连接并固定，将液压千斤顶216固定于可移动有机玻璃板12与中部承载托板16、底部承载托板18之间；

b、将制作好的透明相似材料放铺设在相似模拟系统中，预先埋设压力传感器34，正确连接数据传输线33、信号传输线24、HDMI线22,将采集箱31置于整体实验台外部，高速相机32对准模型侧面中部；

c、操作中央控制器21打开液泵27和阀门25，将压力液存储罐28中的压力液通过压力液输送管29注入液压千斤顶216中，使之对可移动有机玻璃12板均匀加载；

d、操作中央控制器21打开注液马达212和阀门25，注液存储箱210中的溶浸液通过注液管214、抽注板11，均匀注入顶部稀有金属矿床相似材料层，同时操作中央控制器21打开抽液马达213和阀门25，将溶浸液从顶部稀有金属矿床相似材料层通过抽液管215抽出至废液存储箱211，模拟整个稀有金属开采过程；；

e、将条形模拟煤层14从模型后面可移动有机玻璃板留设的小窗口依次抽出，模拟整个煤层开采过程；

f、压力传感器34、高速相机32通过数据传输线33将实时数据传入中央控制器，同时服务器23实时记录各压力表压力值，操作中央控制器21将所采集的所有数据进行处理，并在中央控制器21上显示处理结果；

g、实验完毕，操作中央控制器21，停止抽液马达213、注液马达212，关闭阀门，并通过液压千斤顶216对模型卸压，清理各系统装置，分类保存，以待下次使用。

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替换、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims (4)

1.一种煤与稀有金属协调开采实验台，其特征在于：所述煤与稀有金属协调开采实验台包括：

相似模拟系统，包括可移动有机玻璃板、抽注板、中部固定架、中部固定横梁、中部承载托板、底部固定竖梁、底部承载托板、模拟煤层、可伸缩弹簧、小挡板，所述中部固定架、中部固定横梁、底部固定竖梁通过螺丝与可移动有机玻璃板、中部承载托板、底部承载托板连接并固定，所述抽注板置于可移动有机玻璃板上部，所述模拟煤层位于相似模拟系统底部，所述可伸缩弹簧连接小挡板与可移动有机玻璃板；

控制系统，包括中央控制器、HDMI线、服务器、信号传输线、液压千斤顶、液泵、压力液存储罐、压力液输送管、抽液马达、注液马达、抽液管、注液管、压力表、阀门、注液存储箱、废液存储箱，所述液泵、注液马达、抽液马达置于压力液存储罐、注液存储箱、废液存储箱端部、所述压力表、阀门依次置于液泵、注液马达、抽液马达之后，所述压力液输送管连接压力液存储罐与液压千斤顶，所述抽液管连接废液存储箱与抽注板，所述注液管连接注液存储箱与抽注板，所述液压千斤顶置于可移动有机玻璃板与中部承载托板、底部承载托板之间，所述HDMI线连接中央控制器与服务器，所述信号传输线将服务器分别与液泵、抽液马达、注液马达连接。

信息采集系统，包括采集箱、压力传感器、数据传输线、高速相机，所述采集箱置于实验台外部，所述压力传感器铺设于模型中部，所述数据传输线将服务器分别与压力传感器、高速相机相连。

2.根据权利要求1所述的煤与稀有金属协调开采实验台，其特征在于：所述可移动有机玻璃板由可伸缩弹簧连接，内侧固定有小挡板，其顶部设置有抽注孔。

3.根据权利要求1所述的煤与稀有金属协调开采实验台，其特征在于：所述采集箱为三面箱体，且放置于实验台外部，并配备有高速相机。

4.一种煤与稀有金属协调开采实验台，其特征在于，采用如权利要求1至3任一项所述的煤与稀有金属协调开采实验台，包括如下步骤：

a、检查各系统部件完好性，确认其能正常工作后，将中部固定架、中部固定横梁、底部固定竖梁分别通过螺丝与可移动有机玻璃板、中部承载托板、底部承载托板连接并固定，将液压千斤顶固定于可移动有机玻璃板与中部承载托板、底部承载托板之间；

b、将制作好的透明相似材料铺设在相似模拟系统中，预先埋设压力传感器，正确连接数据传输线、信号传输线、HDMI线,将采集箱置于整体实验台外端，高速相机对准模型侧面中部；

c、操作中央控制器打开液泵及其阀门，将压力液存储罐中的压力液通过压力液输送管注入液压千斤顶中，使之对可移动有机玻璃板均匀加载；

d、操作中央控制器打开注液马达及其阀门，注液存储箱中的溶浸液通过注液管、抽注板，匀速注入顶部稀有金属矿床相似材料层，同时操作中央控制器打开抽液马达及其阀门，将溶浸液从顶部稀有金属矿床相似材料层通过抽液管抽出至废液存储箱，模拟整个稀有金属开采过程；

e、将条形模拟煤层从模型后部可移动有机玻璃板留设的小窗口依次抽出，模拟整个煤层开采过程；

f、压力传感器、高速相机通过数据传输线将实时数据传入中央控制器，同时服务器实时记录各压力表压力值，操作中央控制器将所采集的所有数据进行处理，并在中央控制器上显示处理结果；

g、实验完毕，操作中央控制器，停止抽液马达、注液马达，关闭阀门，并通过液压千斤顶对模型卸压，清理各系统装置，分类保存，以待下次使用。