CN110208491A - 一种三维固液耦合相似模拟煤层采空区积水的装置及方法 - Google Patents

一种三维固液耦合相似模拟煤层采空区积水的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三维固液耦合相似模拟煤层采空区积水的装罝及方法，用以解决现有模拟煤层开挖方法中煤层开挖不准确、不完全、操作复杂、模拟装置体积大及成本高致使采空区积水状况不易观察等问题。该装置包括箱体、岩层模拟系统和煤层开采系统，所述箱体由外框架、底板、左侧板、右侧板、前侧板、后侧板构成的长方体台架，所述箱体的顶部不加设顶板为露天结构，所述箱体内部合理布置有导水软管。本发明严格按照地下各岩层性质使用合适的材料进行相似模拟配比，真实反映地下岩层，也使实验结果更加准确。

Description

一种三维固液耦合相似模拟煤层采空区积水的装置及方法
技术领域
本发明属于固液耦合相似模拟实验技术领域，具体涉及一种三维固液耦合相似模拟煤层采空区积水的装置及方法。
背景技术
煤层开采会打破围岩岩层原有的力学平衡，引起岩体发生相对移动、错动甚至断裂，并重复、持续组建新的力学平衡，由于地质条件各异性，很多时候在开采之前我们需要通过一系列的实验来预测岩层的破坏特征，为此，相似模拟实验是针对此类问题最好手段之一。
对于固液耦合问题，固液耦合以固体和液体介质间的力学耦合基本规律为研究焦点，即渗流场与应力场的耦合作用，因此固液耦合相似模拟是研究煤层开采时采空区积水特征的重要手段。然而进行相似模拟非常复杂，首先固流耦合相似理论的研究少之甚少，没有完整的体系；其次是模拟材料必须同时满足固体变形和渗透性相似两个条件，这就给相似材料研制带来相当大的困难，也未见到相关研究；第三方面涉及模拟设备的密封及其测试手段也很重要。所以过去的研究往往不做渗流模拟，仅采用柔性加载模拟水压力的外力等效性。
三维固液耦合相似模拟实验是通过在实验箱体中按比例铺设相似材料，对实际地层结构进行仿真模拟，所得结果具有研究价值。
在三维固液耦合相似模拟的采空区积水实验中，如何实现煤层开挖是关键，只有准确模拟开挖过程才能使采空区积水现象更直观。目前有俩种开挖方法，一种是通过人为设计装置对煤层进行开挖，但是开挖的煤层不准确、不完全，同时也会耗费大量人力、物力、操作复杂。另一种是利用液压装置升、降压模拟煤层开挖，将液压装置放置在三维模型中。但是这种方法所使用的装罝体积大及成本高、操作步骤也很繁琐。
鉴于此，本发明提供了一种新的思路，搭建三维固液耦合相似模拟实验平台来对煤矿开采中的采空区积水状态进行比较准确地模拟。
发明内容
本发明的目的在于提出一种三维固液耦合相似模拟煤层采空区积水的装罝及方法，用以解决现有模拟煤层开挖方法中煤层开挖不准确、不完全、操作复杂、模拟装置体积大及成本高致使采空区积水状况不易观察等问题。
本发明所设计的三维固液耦合相似模拟煤层采空区积水的装罝，包括箱体、岩层模拟系统和煤层开采系统，所述箱体由外框架、底板、左侧板、右侧板、前侧板、后侧板构成的长方体台架，所述箱体的顶部不加设顶板为露天结构，所述箱体内部合理布置有导水软管。
作为优选方案，所述外框架采用槽钢材料，所述左侧板、右侧板采用尺寸为200×800mm2厚度为6mm的橡胶板，所述后侧板采用尺寸为600×800mm2厚度为6mm的橡胶板，所述前侧板采用尺寸为1000×800mm2厚度为10mm的有机玻璃板，所述有机玻璃与外框架用螺栓连接固定，所述橡胶板的内侧涂有有机防水涂料，所述橡胶板的接合处内侧贴有遇水膨胀止水条。
作为优选方案，所述岩层模拟系统采用相同物化性质的相似材料铺设于箱体内部模拟地下煤岩层，从上往下依次为松散岩层、覆岩层、煤层以及底板隔水层。
作为优选方案，所述煤层开采系统为采煤机器人，所述采煤机器人包括采煤机构、设置在所述采煤机构顶部的感应机构、设置所述采煤机构右侧面上的采煤臂、设置在所述采煤机构底部的液压传动机构、设置在所述采煤臂与所述液压传动机构之间的液压杆，所述液压传动机构的左端设置有运输装置，所述液压传动机构的右下端设置有收煤机构，所述运输装置与所述液压传动机构的底部设置有行走机构，所述运输装置的顶部设置有风扇。
作为优选方案，所述行走机构采用设置有自锁装置的微型履带式行走机构。
一种采用三维固液耦合相似模拟煤层采空区积水装罝进行相似模拟煤层采空区积水的方法，包括如下步骤：
1)在箱体内部四周均匀铺设相似材料模拟煤柱；
2)选取相似材料按从上到下一次铺设松散岩层、覆岩层、煤层以及底板隔水层，且保持铺设旳各岩层平直，同时通过导水软管向覆岩层中注入水形成含水层；
3)编辑相关程序和指令来远程控制采煤机器人进行采掘工作，期间通过有机玻璃来观察采空区积水以及导水裂隙带的情况，在所注入水中添加颜料便于观察。
作为优选方案，所述松散岩层模拟为细砂岩层，所述覆岩层模拟为石灰岩，所述煤层模拟为中砂岩，所述底板隔水层模拟为粗砂岩，所用主要材料为水泥、砂子、石子、石膏、滑石粉、克晒赢等按照比例铺设各岩层。
本发明的有益效果是：
第一，本发明实验箱体四周铺设橡胶板，能够在两侧受压时每个面发生形变的条件下保证防水性；而且在橡胶板内部涂有机防水涂料和遇水膨胀止水条，使防水效果达到最佳，避免在导水裂隙带垮落时对箱体产生新的载荷作用；
第二，本发明严格按照地下各岩层性质使用合适的材料进行相似模拟配比，真实反映地下岩层，也使实验结果更加准确；
第三，本发明使用采煤机器人进行采掘作业，十分方便而且可控性强，同时也能精准开采煤层，适应各种岩层复杂结构，解决了三维平台不易开采的问题，同时也能准确地实现采空区存在积水时的状况；
第四，本发明在箱体内部合理布置有导水软管可以导水形成含水层，同时加入颜料使得观察结果更为清晰、形象。
附图说明
图1为本发明中三维固液耦合相似模拟装置的结构示意图；
图2为本发明中三维固液耦合相似模拟装置的主视图；
图3为本发明中采煤机器人的结构示意图。
图中：1-箱体、2-外框架、3-左侧板、4-右侧板、5-前侧板、6-螺栓、7-后侧板、8-止水条、9-岩层模拟系统、10-采煤机器人、11-采煤臂、12-行走机构、13-液压传动机构、14-液压杆、15-收煤机构、16-采煤机构、17-感应机构、18-风扇、19-运输装置、20-导水软管。
具体实施例
下面通过具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明内容不仅限于这些实施例。
如图1～3所示，一种三维固液耦合相似模拟煤层采空区积水的装置，包括箱体1、岩层模拟系统9和煤层开采系统10。所述箱体1为长方体台架，长为2000mm、宽为1000mm、高为1000mm，由外框架2、底板、左侧板3、右侧板4、前侧板5、后侧板7构成；外框架2选择槽钢材料，左侧板3、右侧板4以及后侧板7选用橡胶板，其中，左右侧面采用的橡胶板尺寸是200×800mm2，厚度为6mm；后侧板所用橡胶板为600×800mm2，厚度为6mm；所述橡胶板的内侧涂有有机防水涂料，防止水的渗流；前侧板5采用有机玻璃板便于观察，尺寸为1000×800mm2，厚度为10mm，且有机玻璃5与外框架2用螺栓6连接固定；此外所述橡胶板的接合处内侧贴有遇水膨胀止水条8，防止开采过程中导水裂隙带垮落带来的力学影响。箱体1的顶部为露天结构不加设顶板，方便之后的煤层开采。
所述岩层模拟系统9为采用相同物化性质的材料相似模拟地下煤岩层，铺设于箱体内部，从上往下依次为松散岩层、覆岩层、煤层以及底板隔水层。通常所用相似材料的骨料为沙子、尾砂、黏土、铁粉、铝粉、云母粉、木屑、硅藻土等；胶结材料为石膏、水泥、石灰、水玻璃、碳酸钙、石蜡等。本发明决定选用的主要材料为水泥、砂子、石子、石膏、滑石粉、克晒赢等，然后按照一定的比例铺设各岩层。
本发明所述煤层开采系统使用采煤机器人10进行远程控制来开挖煤层；采煤机器人10包括：采煤机构16、行走机构12、液压传动机构13、感应机构17、收煤机构15。
本发明所述的采煤机器人10的采煤机构16是采煤机器人10的直接工作部分，使用采煤臂11直接接触煤层进行开采，这里采用了冲击式采煤方法，利用混合驱动可控机构来完成冲击，通过对煤层的冲击进行切削，从而使煤层剥离实现采煤过程。优点是采煤过程中粉尘较少，而且其驱动部分、传动部分简单易行。
本发明所述的采煤机器人10的行走机构12采用微型履带，这一机构通过传动机构经行星轮系进行驱动，并设置有自锁装置。履带式行走机构可以很好地适应岩层各种复杂的环境，自锁装置保证了进行冲击式采煤时更好的承受煤层对其的反作用力。行走机构十分灵活，可以全方位无死角的进行开采，并能够随时停止并自锁。
本发明所述的采煤机器人10的液压传动机构13是机器人工作时的核心成分，控制一切活动。在采煤过程中，由液压传动机构13推动液压杆14使冲击采煤的采煤臂11可以在一个平面内以固定点为轴心进行转动，从而使其能够采到某一平面内的所有位置，顺利完成采煤工作；同时液压传动机构13也负责连接收煤机构15，通过推动另一组液压杆，使收煤机构15前方托盘抬起，从而将地面的煤处理干净，避免使形成的采空区含有煤渣而影响观察效果。
本发明所述的采煤机器人10的收煤机构15用来将开采的煤收集起来，使采空区内不含杂质，便于观察采空区积水现象；通过前方托盘上的一对旋转的小轮将采到的煤旋转到后方的传送带上，从而通过传送带运输到后方的运输装置19上.
本发明所述的采煤机器人10的感应机构17是采煤机器人的大脑。本发明采用蓝牙传输操作控制采煤机器人10，在采煤机器人10工作前预先编程好各种指令，当感应机构17接收到命令后，通过控制系统将任务分配到液压传动机构13，经液压传动机构13分配到上述各机构中，从而完成采煤作业。
本发明所述采煤机器人10由远程电脑经过蓝牙功能进行具体操作，同时在采煤机器人10身上安装风扇18用来清理开挖时产生的砂土杂质。
本发明在所述箱体1内合理布置导水软管20，用于在覆岩层中导水形成含水层结构，导水软管20与外界联通。
与此同时提出一种三维固液耦合相似模拟煤层采空区积水的方法，包括如下步骤：
1)在箱体内部四周均匀铺设相似材料模拟煤柱；
2)岩层模拟系统9选取相似材料按从上到下一次铺设松散岩层、覆岩层、煤层以及底板隔水层，且保持铺设旳各岩层平直，同时通过导水软管20向覆岩层中注入水形成含水层；
其中，各煤岩层的具体配比情况如下：松散岩层模拟为细砂岩层，所用砂子质量68g、体积102cm3、体积比33、质量比25；所用石膏质量55g、体积40cm3、体积比13、质量比20；所用滑石质量95g、体积90cm3、体积比29、质量比35；所用水泥质量25g、体积75cm3、体积比25、质量比9.8；所用水质量30g、质量比10；所用克晒赢质量比0.2；强度3.12kg/cm2。覆岩层模拟为石灰岩，所用砂子质量135g、体积90cm3、体积比44、质量比52；所用石膏质量25g、体积18cm3、体积比8、质量比10；所用滑石质量30g、体积34cm3、体积比16、质量比12；所用水泥质量15g、体积45cm3、体积比22、质量比6；所用水质量20g、质量比8；强度1.01kg/cm2；渗透系数0.02m/d。煤层模拟为中砂岩，所用砂子质量135g、体积90cm3、体积比32、质量比40；所用石膏质量40g、体积29cm3、体积比10、质量比14；所用滑石质量95g、体积90cm3、体积比32、质量比29；所用水泥质量25g、体积75cm3、体积比26、质量比7.7；所用水质量30g、质量比9.2；所用克晒赢质量比0.1；强度4.51kg/cm2。底板隔水层模拟为粗砂岩，所用砂子质量135g、体积90cm3、体积比27、质量比40；所用石膏质量55g、体积76cm3、体积比23、质量比16；所用滑石质量95g、体积90cm3、体积比27、质量比28；所用水泥质量25g、体积75cm3、体积比23、质量比7.3；所用水质量30g、质量比8.5；所用克晒赢质量比0.2；强度1.01kg/cm2。
3)编辑相关程序和指令来远程控制采煤机器人10进行采掘工作，设置为均匀的速度进行煤层开挖，避免其他干扰因素对采空区积水现象的影响，期间通过有机玻璃板5来观察采空区积水以及导水裂隙带的情况，在所注入水中添加颜料便于观察，同时设置摄像机进行定时拍照。
采挖工作结束后，编辑指令使采煤机器人10沿所挖的原路返回，然后关闭采煤机器人10电源，收好。
待所有数据与所拍照片收集完毕后，关闭所有设备开关，整理仪器与实验场地。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种三维固液耦合相似模拟煤层采空区积水装罝，其特征在于：包括箱体(1)、岩层模拟系统(9)和煤层开采系统(10)，所述箱体(1)由外框架(2)、底板、左侧板(3)、右侧板(4)、前侧板(5)、后侧板(7)构成的长方体台架，所述箱体(1)的顶部不加设顶板为露天结构，所述箱体(1)内部合理布置有导水软管(20)。
2.根据权利要求1所述的三维固液耦合相似模拟煤层采空区积水装罝，其特征在于：所述外框架(2)采用槽钢材料，所述左侧板(3)、右侧板(4)采用尺寸为200×800mm2厚度为6mm的橡胶板，所述后侧板(7)采用尺寸为600×800mm2厚度为6mm的橡胶板，所述前侧板(5)采用尺寸为1000×800mm2厚度为10mm的有机玻璃板，所述有机玻璃与外框架(2)用螺栓(6)连接固定，所述橡胶板的内侧涂有有机防水涂料，所述橡胶板的接合处内侧贴有遇水膨胀止水条(8)。
3.根据权利要求1所述的三维固液耦合相似模拟煤层采空区积水装罝，其特征在于：所述岩层模拟系统(9)为利用相同物化性质的相似材料铺设于箱体内部模拟地下煤岩层，从上往下依次为松散岩层、覆岩层、煤层以及底板隔水层。
4.根据权利要求1所述的三维固液耦合相似模拟煤层采空区积水装罝，其特征在于：所述煤层开采系统(10)为采煤机器人，所述采煤机器人包括采煤机构(16)、设置在所述采煤机构(16)顶部的感应机构(17)、设置所述采煤机构(16)右侧面上的采煤臂(11)、设置在所述采煤机构(16)底部的液压传动机构(13)、设置在所述采煤臂(11)与所述液压传动机构(13)之间的液压杆(14)，所述液压传动机构(13)的左端设置有运输装置(19)，所述液压传动机构(13)的右下端设置有收煤机构(15)，所述运输装置(19)与所述液压传动机构(13)的底部设置有行走机构(12)，所述运输装置(19)的顶部设置有风扇(18)。
5.根据权利要求4所述的三维固液耦合相似模拟煤层采空区积水装罝，其特征在于：所述行走机构(12)采用设置有自锁装置的微型履带式行走机构。
6.一种采用权利要求1所述的三维固液耦合相似模拟煤层采空区积水装罝进行相似模拟煤层采空区积水的方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)在箱体内部四周均匀铺设相似材料模拟煤柱；
2)选取相似材料按从上到下一次铺设松散岩层、覆岩层、煤层以及底板隔水层，且保持铺设旳各岩层平直，同时通过导水软管向覆岩层中注入水形成含水层；
3)编辑相关程序和指令来远程控制采煤机器人进行采掘工作，期间通过有机玻璃来观察采空区积水以及导水裂隙带的情况，在所注入水中添加颜料便于观察。
7.根据权利要求6所述的三维固液耦合相似模拟煤层采空区积水的方法，其特征在于：所述松散岩层模拟为细砂岩层，所述覆岩层模拟为石灰岩，所述煤层模拟为中砂岩，所述底板隔水层模拟为粗砂岩，所用主要材料为水泥、砂子、石子、石膏、滑石粉、克晒赢等按照比例铺设各岩层。
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