CN110043261A - 一种煤铀协调开采透视化物理模拟装置及应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤铀协调开采透视化物理模拟装置及应用方法。所述煤铀协调开采透视化物理模拟装置，包括采煤机构、采铀机构、观测机构，采煤机构设置有有机玻璃箱、前面板、后面板、底面板、顶面板、左面板、右面板、条形水袋、传输管、阀门、烧杯、透明土、压力机压头、小孔，采铀机构设置有正压泵、负压泵、示踪剂、储液池、导管、电线、注液孔、抽液孔、集中控制台，观测机构设置有工业相机、线激光发生器。本发明模拟不同开采时序下煤铀协调开采过程，其中通过调整条形水袋容积模拟煤层开采，采用正负压泵向透明土内注抽示踪剂模拟铀矿地浸开采，各机构密切配合，获得煤铀协调开采多场耦合演化规律，优化煤铀协调开采方案，提升共伴生资源采出率及经济效益。

Description

一种煤铀协调开采透视化物理模拟装置及应用方法

技术领域

本发明涉及多资源协调开采领域，尤其涉及一种煤铀协调开采透视化物理模拟装置、以及应用所述装置的方法。

背景技术

鄂尔多斯盆地不仅资源种类多，而且资源储量丰富，大部分地区多种珍贵资源空间上垂直分布，若多资源时空协调开采不合理，必将造成珍贵资源不必要的浪费。铀矿层一般垂直分布在煤层上方，铀矿地浸开采其反应液有可能入侵至煤层开采范围内，造成煤层无法开采，同时煤层开采引发顶板岩层破坏运动，裂隙若贯通铀矿层，铀矿地浸开采其反应液直接流入采空区，以致铀矿无法开采。“一种绿色保水煤铀协调开采系统及其应用方法(CN201610397374.0)”采用冻结法控制反应液的扩散，有效减小煤铀开采之间的相互影响。“一种煤铀协调绿色精准开采系统(CN201610961228.6)”提出了智能无人安全绿色开采的构想，为多资源协调开采的未来指明了方向。以上成果对煤铀协调开采具有重要的指导意义，然而，煤铀协调开采相关研究相对较少，实验室物理模型试验依然缺乏。基于上述情况，迫切需要一种煤铀协调开采透视化物理模拟装置，对煤铀协调开采现场进行模拟，为工程实践提供借鉴，达到安全、绿色、经济、高效开采共伴生资源的目的。

发明内容

本发明实施例的目的在于提出一种煤铀协调开采透视化物理模拟装置，根据实际地层与相似材料的力学特性相似比在有机玻璃箱内铺设条形水袋与透明土，释放条形水袋容积模拟煤层开采，采用正压泵与负压泵通过注液孔、抽液孔向透明土内注入与抽出示踪剂模拟铀矿地浸开采。通过工业相机配合线激光发生器监测不同开采时序下煤铀协调开采多场演化数据，获得多场耦合演化规律，优化煤铀协调开采方案，提升共伴生资源采出率及经济效益。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种煤铀协调开采透视化物理模拟装置，包括:

采煤机构，包括有机玻璃箱、前面板、后面板、底面板、顶面板、左面板、右面板、条形水袋、传输管、阀门、烧杯、透明土、压力机压头、小孔，所述前面板、后面板、底面板、左面板固定密封连接，并构成所述有机玻璃箱，所述顶面板与所述有机玻璃箱内嵌式滑动连接，所述条形水袋铺设在所述有机玻璃箱底部，所述传输管端头分别与所述条形水袋、烧杯连接，所述阀门固定于所述传输管，所述透明土铺设于条形水袋上部，所述压力机压头与有机玻璃箱顶部固定连接，所述小孔嵌于底面板与后面板；

采铀机构，包括正压泵、负压泵、示踪剂、储液池、导管、电线、注液孔、抽液孔、集中控制台，所述注液孔、抽液孔均匀内嵌于顶面板，所述示踪剂由所述储液池经所述导管注入所述注液孔，并由所述抽液孔抽出至所述储液池，所述正压泵通过所述导管与所述注液孔相连，所述负压泵通过所述导管与所述抽液孔相连，所述储液池通过所述导管分别与正压泵和负压泵相连，所述集中控制台通过所述电线分别与所述正压泵和负压泵相连；

观测机构，包括工业相机、线激光发生器，所述工业相机固定于所述有机玻璃箱的正前方，所述线激光发生器固定于有机玻璃箱侧面。

优选地，所述顶面板内嵌于所述有机玻璃箱，并留设注液孔、抽液孔。

优选地，所述条形水袋为长方体，铺设于有机玻璃箱底部，其端部通过传输管与烧杯连接。

优选地，所述示踪剂为“油红O”染液，物理化学性质稳定，扩散路径明晰。

本发明还提出了一种煤铀协调开采透视化物理模拟装置应用方法，应用上述装置，其包括如下工作步骤：

a、根据需要模拟的工程地质尺寸和模型尺寸，确定几何相似比、力学相似比及时间相似比；

b、清洗有机玻璃箱、条形水袋，并用干毛巾擦净；

c、沿煤层开采方向在有机玻璃箱底部铺设条形水袋，传输管穿过后面板的小孔后，用凡士林密封；

d、向有机玻璃箱内分层铺设透明土，然后对透明土进行抽真空、固结处理，以保证透明土11满足模拟煤岩层的透明度和强度；

e、盖上顶面板，通过压力机压头施加上覆岩层载荷，将导管分别插入注液孔、抽液孔，然后用凡士林进行密封；

f、布置线激光发生器，使激光器发射的激光形成平面穿透有机玻璃箱；

g、布置并调试工业相机，工业相机拍摄方向垂直于激光平面，使工业相机保持自动拍照模式，每隔10～15秒拍照一次；

h、通过集中控制台打开正压泵将储液池内示踪剂泵入注液孔，然后打开负压泵抽采示踪剂至储液池，模拟铀矿地浸开采；

i、打开传输管上阀门，释放一定的条形水袋容积至烧杯内，模拟煤层开采，并沿煤层开采方向逐个释放条形水袋容积，模拟采煤工作面的循环推进直至开采完毕，关闭线激光发生器、工业相机、集中控制台；

j、利用专业软件处理观测数据，获取岩层移动规律、裂隙发育规律及示踪剂渗流路径。

本发明述及的煤铀协调开采透视化物理模拟装置，通过采煤机构、采铀机构与观测机构相互密切配合，达到煤铀协调绿色开采，提高资源采出率，经济效益最大化的目的；具体通过释放条形水袋容积模拟煤层开采，采用正压泵与负压泵通过注液孔、抽液孔向透明土内注入与抽出示踪剂模拟铀矿地浸开采，其中控制放出条形水袋内容积模拟不同厚度煤层开采，控制泵的压力模拟不同开采工艺的地浸开采；整个模拟过程采用非接触的观测方式，保证了观测数据的可靠性，可直接观测裂隙及示踪剂的渗流路径；通过工业相机所拍摄的照片准确分析覆岩裂隙发育分布规律及示踪剂渗流规律，运用专业软件处理数据，获得煤铀协调开采多场耦合演化规律，优化煤铀协调开采方案，提升共伴生资源采出率及经济效益。

附图说明

图1为本发明的整体组装效果图；

图2为本发明的条形水袋铺设效果图；

图3为本发明的条形水袋示意图；

图4为本发明的有机玻璃箱后面板图；

图5为本发明的有机玻璃箱底面板图；

图6为本发明的有机玻璃箱顶面板图。

图中：1-有机玻璃箱；2-条形水袋；3-压力机压头；4-导管；5-正压泵；6-负压泵；7-电线；8-集中控制台；9-线激光发生器；10-工业相机；1.1-前面板；1.2-后面板；1.3-底面板；1.4-顶面板；1.5-左面板；1.6-右面板；1.7-小孔；1.8-注液孔；1.9-抽液孔；2.1-示踪剂；2.2-传输管；2.3-阀门；2.4-烧杯；11-透明土；12-储液池。

具体实施方式

结合图1、图2、图3、图4、图5、图6所示，一种煤铀协调开采透视化物理模拟装置，包括采煤机构、采铀机构及观测机构，采煤机构用于模拟煤层开采，采铀机构用于模型铀矿层开采，观测机构用于记录覆岩运移规律、裂隙分布发育规律及地浸溶液渗流规律，各机构密切配合，获得煤铀协调开采多场耦合演化规律，优化煤铀协调开采方案。

采煤机构中，所述前面板1.1、后面板1.2、底面板1.3、左面板1.5固定密封连接，并构成所述有机玻璃箱1，所述顶面板1.4与所述有机玻璃箱1内嵌式滑动连接，所述条形水袋2铺设在所述有机玻璃箱1底部，所述传输管2.2端头分别与所述条形水袋2、烧杯2.4连接，所述阀门2.3固定于所述传输管2.2，所述透明土11铺设于条形水袋2上部，所述压力机压头3与有机玻璃箱1顶部固定连接，所述小孔1.7嵌于底面板1.3与后面板1.2下部；

采铀机构中，所述注液孔1.8、抽液孔1.9均匀内嵌于顶面板1.4，所述示踪剂2.1由所述储液池12经所述导管4注入所述注液孔1.8，并由所述抽液孔1.9抽出至所述储液池12，所述正压泵5通过所述导管4与所述注液孔1.8相连，所述负压泵6通过所述导管4与所述抽液孔1.9相连，所述储液池12通过所述导管4分别与正压泵5和负压泵6相连，所述集中控制台8通过所述电线7分别与所述正压泵5和负压泵6相连；

观测机构中，所述线激光发生器9固定于有机玻璃箱1侧面，所述工业相机10固定在有机玻璃箱1的正前方。

结合图1、图2、图3、图4、图5、图6所示，先铺设条形水袋2与透明土11，透明土11固结后盖上顶面板1.4，通过压力机压头3施加载荷，然后连接好导管4与电线7，固定线激光发生器9和工业相机10，最后释放条形水袋2容积模拟煤层开采，打开正压泵5、负压泵6模拟铀矿层开采。

其操作步骤大致如下：

a、根据需要模拟的工程地质尺寸和模型尺寸，确定几何相似比、力学相似比及时间相似比；

b、清洗有机玻璃箱1、条形水袋2，并用干毛巾擦净；

c、沿煤层开采方向在有机玻璃箱1底部铺设条形水袋2，传输管2.2穿过后面板1.2的小孔1.7后，用凡士林密封；

d、向有机玻璃箱1内分层铺设透明土11，然后对透明土11进行抽真空、固结处理，以保证透明土11满足模拟煤岩层的透明度和强度；

e、盖上顶面板1.4，通过压力机压头3施加上覆岩层载荷，将导管4分别插入注液孔1.8、抽液孔1.9，然后用凡士林进行密封；

f、布置线激光发生器9，使激光器发射的激光形成平面穿透有机玻璃箱1；

g、布置并调试工业相机10，工业相机10拍摄方向垂直于激光平面，使工业相机10保持自动拍照模式，每隔10～15秒拍照一次；

h、通过集中控制台8打开正压泵5将储液池12内示踪剂2.1泵入注液孔1.8，然后打开负压泵6抽采示踪剂2.1至储液池12，模拟铀矿地浸开采；

i、打开传输管2.2上阀门2.3，释放一定的条形水袋2容积至烧杯内，模拟煤层开采，并沿煤层开采方向逐个释放条形水袋2容积，模拟采煤工作面的循环推进直至开采完毕，关闭线激光发生器9、工业相机10、集中控制台8；

j、利用专业软件处理观测数据，获取岩层移动规律、裂隙发育规律及示踪剂渗流路径。

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 (5)

1.一种煤铀协调开采透视化物理模拟装置，其特征在于：所述煤铀协调开采透视化物理模拟装置包括：

采煤机构，包括有机玻璃箱、前面板、后面板、底面板、顶面板、左面板、右面板、条形水袋、传输管、阀门、烧杯、透明土、压力机压头、小孔，所述前面板、后面板、底面板、左面板固定密封连接，并构成所述有机玻璃箱，所述顶面板与所述有机玻璃箱内嵌式滑动连接，所述条形水袋铺设在所述有机玻璃箱底部，所述传输管端头分别与所述条形水袋、烧杯连接，所述阀门固定于所述传输管，所述透明土铺设于条形水袋上部，所述压力机压头与有机玻璃箱顶部固定连接，所述小孔嵌于底面板与后面板；

采铀机构，包括正压泵、负压泵、示踪剂、储液池、导管、电线、注液孔、抽液孔、集中控制台，所述注液孔、抽液孔均匀内嵌于顶面板，所述示踪剂由所述储液池经所述导管注入所述注液孔，并由所述抽液孔抽出至所述储液池，所述正压泵通过所述导管与所述注液孔相连，所述负压泵通过所述导管与所述抽液孔相连，所述储液池通过所述导管分别与正压泵和负压泵相连，所述集中控制台通过所述电线分别与所述正压泵和负压泵相连；

观测机构，包括工业相机、线激光发生器，所述工业相机固定于所述有机玻璃箱的正前方，所述线激光发生器固定于有机玻璃箱侧面。

2.根据权利要求1所述的煤铀协调开采透视化物理模拟装置，其特征在于：所述顶面板内嵌于所述有机玻璃箱，并留设注液孔、抽液孔。

3.根据权利要求1所述的煤铀协调开采透视化物理模拟装置，其特征在于：所述条形水袋为长方体，铺设于有机玻璃箱底部，并通过传输管与烧杯连接。

4.根据权利要求1所述的煤铀协调开采透视化物理模拟装置，其特征在于：所述示踪剂为“油红O”染液，物理化学性质稳定，扩散路径明晰。

5.一种煤铀协调开采透视化物理模拟装置应用方法，其特征在于，采用如权利要求1至4任一项所述的煤铀协调开采透视化物理模拟装置，包括如下步骤：

a、根据需要模拟的工程地质尺寸和模型尺寸，确定几何相似比、力学相似比及时间相似比；

b、清洗有机玻璃箱、条形水袋，并用干毛巾擦净；

c、沿煤层开采方向在有机玻璃箱底部铺设条形水袋，传输管穿过后面板小孔，并用凡士林密封；

d、向有机玻璃箱内分层铺设透明土，然后对透明土进行抽真空、固结处理，以保证透明土满足模拟煤岩层的透明度和强度；

e、盖上顶面板，通过压力机压头施加上覆岩层载荷，将导管分别插入注液孔、抽液孔，然后用凡士林进行密封；

f、布置线激光发生器，使激光器发射的激光形成平面穿透有机玻璃箱；

g、布置并调试工业相机，工业相机拍摄方向垂直于激光平面，使工业相机保持自动拍照模式，每隔10～15秒拍照一次；

h、通过集中控制台打开正压泵将储液池内示踪剂泵入注液孔，然后打开负压泵抽采示踪剂至储液池，模拟铀矿地浸开采；

i、打开传输管上阀门，释放一定的条形水袋容积至烧杯内，模拟煤层开采，并沿煤层开采方向逐个释放条形水袋容积，模拟采煤工作面的循环推进直至开采完毕，关闭线激光发生器、工业相机、集中控制台；

j、利用专业软件处理观测数据，获取岩层移动规律、裂隙发育规律及示踪剂渗流路径。