CN109444031A - 一种井下巷道围岩风化模拟装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种井下巷道围岩风化模拟装置及方法，适用于矿井易风化巷道围岩风化的模拟。包括括恒温系统、恒温恒湿系统、风化作用系统、通风系统、数据采集系统；将模拟巷道围岩的试件放入密封盒中并固定好，依次打开恒温系统、恒温恒湿系统，将温度、湿度设定为实验规定的标准值，同时打开数据采集系统；打开负压风机风化模拟实验开始；数据采集系统实时监测流入试件中气体的温度、湿度和风速并利用摄像头实时观测记录不同时间下表面风化的变化。检测效果直观，精度高，模块化设计、操作容易、成本低廉的优点。

Description

一种井下巷道围岩风化模拟装置及方法

技术领域

本发明涉及一种井下巷道围岩风化模拟的实验装置及方法，尤其适用于矿井易风化巷道围岩风化模拟研究。

背景技术

我国煤矿地质条件复杂，风化巷道广布。井下空气湿度大、巷道风速大、冬夏季节巷道通风温差较大，长时间的风化作用导致巷道围岩原有的结构和构造遭到破坏、矿物成份发生次生变化，使得煤岩体的孔隙率增大、风化裂隙增多，再加上受采掘等工程扰动的影响，围岩的松散破碎扩展深度长达6～10m，极大地弱化围岩强度和承载结构，降低了巷道围岩稳定性，缩短了巷道服务寿命，增加了巷道维修成本，甚至引发由于围岩片帮冒顶失稳导致的安全事故。

目前对于巷道围岩风化的研究主要集中于对已风化巷道的支护技术研究，缺少对于巷道围岩风化过程的研究，更缺乏巷道围岩风化模拟相关的实验装置及方法。

发明内容

技术问题：针对上述技术的不足之处，提供一种结构简单，使用方便，可以真实的模拟巷道围岩的风化变化，以揭示空气、水分及温度对围岩的风化作用规律，还可以用于测试不同厚度、不同材料配比的喷浆层对于围岩抗风化的实际效果的井下巷道围岩风化模拟的实验装置及方法。

技术方案：为实现上述技术目的，本发明的井下巷道围岩风化模拟装置，包括恒温系统、恒温恒湿系统、风化作用系统、通风系统和数据采集系统，其中恒温系统、恒温恒湿系统、风化作用系统、通风系统通过通风管路顺序串联，通风管路上设有隔热套，数据采集系统与风化作用系统相连接；

所述恒温系统包括恒温箱，恒温箱内设有双U型结构的蛇形通风管，恒温箱内设有加热管并充满恒温液体；所述恒温恒湿系统包括通过通风管相互连接的恒温恒湿箱Ⅰ和恒温恒湿箱Ⅱ，风化作用系统包括密封箱，整个密封箱内设有隔热层，密封箱内部设有固定试件装置，固定试件装置上设有模拟巷道围岩的试件，所述模拟巷道围岩的试件为圆环柱体结构，模拟巷道围岩的试件中的通孔与通风管匹配，密封箱两侧开有与通风管匹配的进风口和出风口，两根通风管分别通过进风口和出风口与模拟巷道围岩的试件的通孔连接，通过出进风口的通风管与恒温恒湿箱Ⅱ相连接，通过出风口的通风管与通风系统相连接，所述通风系统由负压风机以及连接恒温系统、恒温恒湿系统、风化作用系统中风道管路的通风管组成；构成；所述数据采集系统包括温度传感器、湿度传感器、风速传感器、摄像头、数据采集中心和工程机，其中温度传感器、湿度传感器设置在密封箱的进风口处的通风管路中，风速传感器设置在密封箱的出风口处的通风管路中，摄像头设置在模拟巷道围岩的试件上上，温度传感器、湿度传感器、风速传感器和摄像头通过线路分别与数据采集中心的输入端先烈，数据采集中心的输出端与工程机相连接。

所述蛇形通风管和通风管路由透明PE塑料制成，隔热套为气凝胶毡制成，所述隔热层由真空隔热板制成。

恒温恒湿箱Ⅰ和恒温恒湿箱Ⅱ为型号HK-640D，恒温箱的型号为CKDZ-080GF，湿度传感器的型号为HY6004。

所述模拟巷道围岩的试件经过45℃恒温烘干48h后，在抽真空箱中0.1MPa的压力下抽真空12h以去除水分，外径为20～40cm，内外径比为1/4～1/2，高径比为1～2。

一种井下巷道围岩风化模拟方法，其步骤如下：

a、根据要求制作模拟巷道围岩的试件，将模拟巷道围岩的试件放入密封盒中的固定试件装置上固定好，并将设置在模拟巷道围岩的试件两侧的通风管与模拟巷道围岩的试件的通孔密封连接，依次打开恒温系统，控制恒温箱内的加热管加热恒温液体从而使蛇形通风管内温度达到预设值，调节恒温恒湿系统使恒温恒湿箱Ⅰ和恒温恒湿箱Ⅱ内的温度和湿度达到预设值，同时打开数据采集系统；

b、根据需要利用围岩风化程度与风速为正相关这一理论，使用负压风机模拟煤矿井下巷道的通风风速，使外界气体先通过制恒温箱的蛇形通风管升温达到恒温系统预设值，之后先后进入恒温恒湿箱Ⅰ和恒温恒湿箱Ⅱ使升温后的气体在温度不变的情况下湿度达到恒温恒湿系统的预设值，从而完成对气体的围岩风化模拟；

c、围岩风化模拟的气体顺着与模拟巷道围岩的试件连接的通风管进入模拟巷道围岩的试件的的通孔，此时数据采集系统通过温度传感器、湿度传感器和风速传感器实时采集流入模拟巷道围岩的试件中的气体温度、湿度和风速，同时利用通过内置的摄像头实时观测记录不同风化时间下模拟巷道围岩的试件表面受风化作用下的变化，将不同时间点下的摄像头采集信息与同一时间节点下温度传感器、湿度传感器和风速传感器采集到的气体温度、湿度和风速分组存储起来，从而获取同一风速下，不同时间里模拟巷道围岩的试件的风化情况信息。

在模拟巷道围岩的试件内部表面喷涂一层喷浆层，等待晾干后，再进行上述模拟操作，即可获得喷浆层对于围岩抗风化的影响；通过调整喷浆层的厚度与材料配，即可获得不同喷浆层下围岩风化的规律。

所述的喷浆层使用的喷浆材料质量比为：水泥、黄沙、石子1:1:2。

在其余条件不变的情况下，通过增加调整负压风机的风速可以降低实验室模拟巷道围岩风化时间。

有益效果：

根据需要模拟井下巷道围岩的风化模拟，即可直接获得巷道围岩受风化作用的规律信息，本装置具有模块化设计、结构简单、操作容易及实验成本低的优点；

利用恒温系统、恒温恒湿系统可以对通风空气温度、湿度定量控制，实现了空气温度、湿度可控的目标，磨效果直观，获取数据精度高；

能够还原出不同风速、不同空气温度、不同空气湿度、不同喷浆层条件下巷道围岩风化状况便于对比分析，此外还能够研究喷浆层对于围岩抗风化的影响以及不同厚度、不同材料配比喷浆层下围岩风化的规律，喷浆层具体厚度和材料根据不同研究进行配比，可用于巷道围岩风化机理研究和确定现场喷浆防止围岩风化的喷浆参数；

在其余条件不变的情况下，可以通过增加风速来降低实验室模拟风化时间，缩短了巷道围岩风化模拟的研究周期，大大缩短了模拟消耗的时间。

附图说明

图1是本发明井下巷道围岩风化模拟装置的结构示意图；

图2是本发明的模拟巷道围岩的试件的结构示意图；

图3是本发明的加入喷浆层后模拟巷道围岩的试件的俯视图。

图中：1—恒温箱；2—蛇形通风管；3—恒温液体；4—通风管；5—隔热套；6—恒温恒湿箱Ⅰ；7—恒温恒湿箱Ⅱ；8—密封箱；9—模拟巷道围岩的试件；10—固定试件装置；11—隔热层；12—负压风机；13—温度传感器；14—湿度传感器；15—风速传感器；16—摄像头；17—数据采集中心；18—工程机；19—喷浆层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实例作进一步的说明：

如图1所示，本发明的井下巷道围岩风化模拟装置，包括恒温系统、恒温恒湿系统、风化作用系统、通风系统和数据采集系统，其中恒温系统、恒温恒湿系统、风化作用系统、通风系统通过通风管路4顺序串联，通风管路4上设有隔热套5，蛇形通风管2和通风管路4由透明PE塑料制成，隔热套5为气凝胶毡制成，数据采集系统与风化作用系统相连接；

所述恒温系统包括恒温箱1，恒温箱的型号为CKDZ-080GF，恒温箱1内设有双U型结构的蛇形通风管2，恒温箱1内设有加热管并充满恒温液体3；

所述恒温恒湿系统包括通过通风管相互连接的恒温恒湿箱Ⅰ6和恒温恒湿箱Ⅱ7，恒温恒湿箱Ⅰ6和恒温恒湿箱Ⅱ7为型号HK-640D；

风化作用系统包括密封箱8，整个密封箱8内设有隔热层11，隔热层11由真空隔热板制成，密封箱8内部设有固定试件装置10，固定试件装置10上设有模拟巷道围岩的试件9，如图2所示，所述模拟巷道围岩的试件9为圆环柱体结构，所述模拟巷道围岩的试件9经过45℃恒温烘干48h后，在抽真空箱中0.1MPa的压力下抽真空12h以去除水分，外径为20～40cm，内外径比为1/4～1/2，高径比为1～2；模拟巷道围岩的试件9中的通孔与通风管4匹配，密封箱8两侧开有与通风管4匹配的进风口和出风口，两根通风管4分别通过进风口和出风口与模拟巷道围岩的试件9的通孔连接，通过出进风口的通风管4与恒温恒湿箱Ⅱ7相连接，通过出风口的通风管4与通风系统相连接；

所述的通风系统由负压风机12以及连接恒温系统、恒温恒湿系统、风化作用系统中风道管路的通风管4组成；

所述数据采集系统包括温度传感器13、湿度传感器14、风速传感器15、摄像头16、数据采集中心17和工程机18，湿度传感器14的型号为HY6004，其中温度传感器13、湿度传感器14设置在密封箱8的进风口处的通风管路4中，风速传感器15设置在密封箱8的出风口处的通风管路4中，摄像头16设置在模拟巷道围岩的试件上9上，温度传感器13、湿度传感器14、风速传感器15和摄像头16通过线路分别与数据采集中心17的输入端先烈，数据采集中心17的输出端与工程机18相连接。

一种井下巷道围岩风化模拟方法，其步骤如下：

a、根据要求制作模拟巷道围岩的试件9，将模拟巷道围岩的试件9放入密封盒8中的固定试件装置10上固定好，并将设置在模拟巷道围岩的试件9两侧的通风管4与模拟巷道围岩的试件9的通孔密封连接，依次打开恒温系统，控制恒温箱1内的加热管加热恒温液体从而使蛇形通风管2内温度达到预设值，调节恒温恒湿系统使恒温恒湿箱Ⅰ6和恒温恒湿箱Ⅱ7内的温度和湿度达到预设值，同时打开数据采集系统；

b、根据需要利用围岩风化程度与风速为正相关这一理论，使用负压风机12模拟煤矿井下巷道的通风风速，使外界气体先通过制恒温箱1的蛇形通风管2升温达到恒温系统预设值，之后先后进入恒温恒湿箱Ⅰ6和恒温恒湿箱Ⅱ7使升温后的气体在温度不变的情况下湿度达到恒温恒湿系统的预设值，风化作用系统中的通风管4组成，风机采用负压通风，风流的方向及线路如图1中箭头所示，从而完成对气体的围岩风化模拟；

c、围岩风化模拟的气体顺着与模拟巷道围岩的试件9连接的通风管4进入模拟巷道围岩的试件9的通孔，此时数据采集系统通过温度传感器13、湿度传感器14和风速传感器15实时采集流入模拟巷道围岩的试件9中的气体温度、湿度和风速，同时利用通过内置的摄像头16实时观测记录不同风化时间下模拟巷道围岩的试件9表面受风化作用下的变化，将不同时间点下的摄像头16采集信息与同一时间节点下温度传感器13、湿度传感器14和风速传感器15采集到的气体温度、湿度和风速分组存储起来，从而获取同一风速下，不同时间里模拟巷道围岩的试件9的风化情况信息。

如图3所示，在模拟巷道围岩的试件9内部表面喷涂一层厚度为h的喷浆层19，等待晾干后，再进行上述模拟操作，即可获得喷浆层19对于围岩抗风化的影响；通过调整喷浆层19的厚度h与材料配，即可获得不同喷浆层下围岩风化的规律。

所述的喷浆层19使用的喷浆材料质量比为：水泥、黄沙、石子1:1:2。

在其余条件不变的情况下，通过增加调整负压风机12的风速可以降低实验室模拟巷道围岩风化时间。可通过增加模拟风速来减少实验室风化时间，如井下某一巷道风速为2m/s，需要研究风化100天、200天、300天后巷道围岩风化程度的变化。利用本发明模拟时可以将风速设定为4m/s，则模拟风化时间降为50天、100天、150天。

Claims (8)

1.一种井下巷道围岩风化模拟装置，其特征在于：它包括恒温系统、恒温恒湿系统、风化作用系统、通风系统和数据采集系统，其中恒温系统、恒温恒湿系统、风化作用系统、通风系统通过通风管路(4)顺序串联，通风管路(4)上设有隔热套(5)，数据采集系统与风化作用系统相连接；

所述恒温系统包括恒温箱(1)，恒温箱(1)内设有双U型结构的蛇形通风管(2)，恒温箱(1)内设有加热管并充满恒温液体(3)；所述恒温恒湿系统包括通过通风管相互连接的恒温恒湿箱Ⅰ(6)和恒温恒湿箱Ⅱ(7)，所述风化作用系统包括密封箱(8)，整个密封箱(8)内设有隔热层(11)，密封箱(8)内部设有固定试件装置(10)，固定试件装置(10)上设有模拟巷道围岩的试件(9)，所述模拟巷道围岩的试件(9)为圆环柱体结构，模拟巷道围岩的试件(9)中的通孔与通风管(4)匹配，密封箱(8)两侧开有与通风管(4)匹配的进风口和出风口，两根通风管(4)分别通过进风口和出风口与模拟巷道围岩的试件(9)的通孔连接，通过出进风口的通风管(4)与恒温恒湿箱Ⅱ(7)相连接，通过出风口的通风管(4)与通风系统相连接，所述的通风系统由负压风机(12)以及连接恒温系统、恒温恒湿系统、风化作用系统中风道管路的通风管(4)组成；构成；所述数据采集系统包括温度传感器(13)、湿度传感器(14)、风速传感器(15)、摄像头(16)、数据采集中心(17)和工程机(18)，其中温度传感器(13)、湿度传感器(14)设置在密封箱(8)的进风口处的通风管路(4)中，风速传感器(15)设置在密封箱(8)的出风口处的通风管路(4)中，摄像头(16)设置在模拟巷道围岩的试件上(9)上，温度传感器(13)、湿度传感器(14)、风速传感器(15)和摄像头(16)通过线路分别与数据采集中心(17)的输入端先烈，数据采集中心(17)的输出端与工程机(18)相连接。

2.根据权利要求1所述的井下巷道围岩风化模拟装置，其特征在于：所述蛇形通风管(2)和通风管路(4)由透明PE塑料制成，隔热套(5)为气凝胶毡制成，所述隔热层(11)由真空隔热板制成。

3.根据权利要求1所述的井下巷道围岩风化模拟装置，其特征在于：恒温恒湿箱Ⅰ(6)和恒温恒湿箱Ⅱ(7)为型号HK-640D，恒温箱的型号为CKDZ-080GF，湿度传感器(14)的型号为HY6004。

4.根据权利要求1所述的井下巷道围岩风化模拟装置，其特征在于：所述模拟巷道围岩的试件(9)经过45℃恒温烘干48h后，在抽真空箱中0.1MPa的压力下抽真空12h以去除水分，外径为20～40cm，内外径比为1/4～1/2，高径比为1～2。

5.一种使用权利要求1所述井下巷道围岩风化模拟装置的井下巷道围岩风化模拟方法，其特征在于步骤如下：

a、根据要求制作模拟巷道围岩的试件(9)，将模拟巷道围岩的试件(9)放入密封盒(8)中的固定试件装置(10)上固定好，并将设置在模拟巷道围岩的试件(9)两侧的通风管(4)与模拟巷道围岩的试件(9)的通孔密封连接，依次打开恒温系统，控制恒温箱(1)内的加热管加热恒温液体从而使蛇形通风管(2)内温度达到预设值，调节恒温恒湿系统使恒温恒湿箱Ⅰ(6)和恒温恒湿箱Ⅱ(7)内的温度和湿度达到预设值，同时打开数据采集系统；

b、根据需要利用围岩风化程度与风速为正相关这一理论，使用负压风机(12)模拟煤矿井下巷道的通风风速，使外界气体先通过制恒温箱(1)的蛇形通风管(2)升温达到恒温系统预设值，之后先后进入恒温恒湿箱Ⅰ(6)和恒温恒湿箱Ⅱ(7)使升温后的气体在温度不变的情况下湿度达到恒温恒湿系统的预设值，从而完成对气体的围岩风化模拟；

c、围岩风化模拟的气体顺着与模拟巷道围岩的试件(9)连接的通风管(4)进入模拟巷道围岩的试件(9)的通孔，此时数据采集系统通过温度传感器(13)、湿度传感器(14)和风速传感器(15)实时采集流入模拟巷道围岩的试件(9)中的气体温度、湿度和风速，同时利用通过内置的摄像头(16)实时观测记录不同风化时间下模拟巷道围岩的试件(9)表面受风化作用下的变化，将不同时间点下的摄像头(16)采集信息与同一时间节点下温度传感器(13)、湿度传感器(14)和风速传感器(15)采集到的气体温度、湿度和风速分组存储起来，从而获取同一风速下，不同时间里模拟巷道围岩的试件(9)的风化情况信息。

6.根据权利要求5所述的井下巷道围岩风化模拟方法，其特征在于：在模拟巷道围岩的试件(9)内部表面喷涂一层喷浆层(19)，等待晾干后，再进行上述模拟操作，即可获得喷浆层(19)对于围岩抗风化的影响；通过调整喷浆层(19)的厚度与材料配，即可获得不同喷浆层(19)下围岩风化的规律。

7.根据权利要求6所述的井下巷道围岩风化模拟方法，其特征在于：所述的喷浆层(19)使用的喷浆材料质量比为：水泥、黄沙、石子1:1:2。

8.根据权利要求5所述的井下巷道围岩风化模拟方法，其特征在于：在其余条件不变的情况下，通过增加调整负压风机(12)的风速可以降低实验室模拟巷道围岩风化时间。