CN110297070B - 一种用于煤层开挖的三维固液耦合相似模拟系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于煤层开挖的三维固液耦合相似模拟系统及方法，属于煤矿开采模拟技术领域，解决了现有三维固液耦合相似模拟操作复杂、成本高以及模拟结果可靠性差的问题。模拟系统包括箱体、容器和天平，箱体内部自上而下设有上覆地层、煤层和下覆地层，煤层由石蜡制成，上覆地层和下覆地层由岩土颗粒材料制成；煤层和下覆地层之间设有加热装置；箱体的侧壁设有出料口，出料口位于煤层与煤层底板的交界处，出料口通过导管与容器连接，容器置于天平上。本发明的模拟系统及方法实现了三维固液耦合相似模拟试验中对煤层开挖的模拟，模拟结果更加可靠。

Description

一种用于煤层开挖的三维固液耦合相似模拟系统及方法

技术领域

本发明涉及煤矿开采模拟技术领域，尤其涉及一种三维固液耦合相似模拟的煤层开挖方法。

背景技术

为了提高煤矿开采效率和安全性，在煤矿开采前往往采用三维固液耦合相似模拟实验进行煤矿开采模拟。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岩土颗粒材料，依据具体的现场情况，对实际地层结构进行仿真构造，模拟实际开采过程并检测记录先关参数，所得结果具有研究价值。

在整个模拟过程中，煤层开挖环节是整个实验的关键性所在。目前存在一些方法，比如通过特定媒介或装置，手动对模拟煤层进行开挖，但此种方法操作复杂，对模拟整体产生扰动以及开挖程度不精确；还有一种方法是利用液压装置，将其置于模型中，通过升压、卸压来模拟煤层开挖，但这种方法制作和操作复杂、模型体积大以及实践成本高；其他还有通过放置水袋的方法，通过放出水袋中的水来模拟煤层开挖，但水袋的在储水时形状难以控制，无法达到准确模拟煤层形状及其支撑作用的要求。

因此，针对现有三维固液耦合相似模拟装置的不足，急需一种便捷安全、经济合理，又能保证模拟结果准确可靠的煤层开挖模拟方法。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种用于煤层开挖的三维固液耦合相似模拟系统及方法，用以解决现有三维固液耦合相似模拟操作复杂、成本高以及模拟结果可靠性差的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一方面，提供一种用于煤层开挖的三维固液耦合相似模拟系统，包括箱体、容器和天平，箱体内部自上而下设有上覆地层、煤层和下覆地层，煤层由石蜡制成，上覆地层和下覆地层由岩土颗粒材料制成；煤层和下覆地层之间设有加热装置；箱体的侧壁设有出料口，出料口位于煤层与煤层底板的交界处，出料口通过导管与容器连接，容器置于天平上。

进一步地，箱体为硬质透明材料制成的长方体结构。

进一步地，加热装置设有温度控制器和开关。

进一步地，加热装置设于煤层和与其直接接触的下覆岩层之间。

进一步地，石蜡包括熔点47℃～64℃的普通石蜡、熔点85℃的棕榈蜡中的一种或两种。

进一步地，岩土颗粒材料包括石英砂、重晶石粉、水泥、二甲基硅油、碳粉和水。

进一步地，加热装置设有加热板，加热板由多个矩形加热片组成。

进一步地，每个加热片均能独立加热且加热功率可调。

进一步地，容器的长宽与箱体的长宽相同，容器的底板为倾斜、平整、凹凸和波浪中的一种或多种。

另一方面，还提供一种用于煤层开挖的三维固液耦合相似模拟方法，采用上述用于煤层开挖的三维固液耦合相似模拟系统进行模拟，包括如下步骤：

步骤一：根据待模拟地层条件确定待模拟煤层的厚度以及上覆地层、下覆地层的岩层、层数及厚度参数；

步骤二：依据步骤一确定的参数安装模型；

步骤三：启动加热装置，进行煤层开挖模拟；

依据煤层开挖顺序及速度，打开温度控制器和开关，调节加热装置的温度控制石蜡融化速度，融化的液态石蜡经导管流入容器中；

天平实时称量容器的重量，监测容器质量的增长速度变化，获得煤层开挖速度的模拟结果。

与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果之一：

a)本发明提供的用于煤层开挖的三维固液耦合相似模拟系统，利用石蜡模拟待开采煤层，石蜡包括两种，普通石蜡(熔点47℃～64℃)和棕榈蜡(熔点85℃)，分别模拟软质煤、硬质煤层或者分别模拟构造地质条件复杂、简单的煤层，能够模拟各种复杂地层条件下的煤层开挖，比如，普通石蜡可模拟煤质较软、厚度较薄或者分布起伏较大的煤层，且可模拟其在上覆岩层重力作用下的破碎特征，棕榈蜡可模拟煤质较硬、分布稳定、形状规则的煤层，其形状固定且受上覆岩层影响较小。此外，两种石蜡均具有防水的功能，可减少煤层开挖后水渗入材料内部对试验结果的影响。模拟结果可靠，不仅能够用于教学实验，还能用于煤矿开采生产前的模拟，具有广泛应用前景。

b)本发明提供的用于煤层开挖的三维固液耦合相似模拟系统，加热装置能够对煤层不同位置进行加热，且加热速率、加热方式等均可调，通过设定不同的参数可以模拟煤层的不同开挖方法、开挖速度、开挖区域等，更真实、更具体地模拟工程现场中的实际操作，模拟条件更科学，模拟结果更可靠；同时，通过设置流量计和天平，石蜡融化后，天平通过测取其液体质量，可监测煤层开挖数量，对试验的过程进度进行掌控；流量计通过测取石蜡融化后形成的液体的流速来确定煤层开挖速度以及上覆岩层塌陷、沉降速度，更准确的控制试验进行的快慢，设计构思巧妙，实现了模拟过程可控性。

c)本发明提供的用于煤层开挖的三维固液耦合相似模拟系统，所用石蜡融化后，由特定容器收集，可进行二次利用，节约环保，成本较低；将容器设置为待模拟煤层特定形状，融化后的石蜡直接凝固成待模拟煤层，不必重新融化石蜡再等其凝固，减少实验中间等待环节，提高实验效率；此外，进行二次利用的石蜡与进行第一次试验的石蜡成分组成、品性等级完全一致，保证了试验材料的力学性质参数相同，最大程度地降低了对试验所造成的误差。

d)本发明提供的用于煤层开挖的三维固液耦合相似模拟方法，通过使用石蜡仿真实现三维固液耦合相似模拟的煤层开挖，首先可以控制其模拟煤层的形状，煤层的尺寸如煤厚等更容易且更精确地控制，其次通过融化石蜡来模拟煤层开挖，对整个系统没有扰动和影响，且由于石蜡较容易做成多个不同的形状，通过控制加热装置不同区域局部加热，使煤层开挖的程度更加简单和精确。此外，石蜡融化后进入容器，冷却后可二次利用，成本低且符合环保理念。而且，由于温度控制器和天平的使用，可以将所有控制条件参数化，所得结果更加准确可信。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为实施例中用于煤层开挖的三维固液耦合相似模拟系统的结构示意图；

图2为实施例中加热装置的结构示意图；

图3为实施例中石蜡模拟煤层的示意图一；

图4为实施例中石蜡模拟煤层的示意图二；

图5为实施例中石蜡模拟煤层的示意图三；

图6(a)至(f)为实施例中加热装置的加热板布置示意图。

附图标记：

1-箱体；2-煤层；3-上覆地层；4-导管；5-加热装置；6-温度控制器；7-开关；8-容器；9-天平；10-加热片；11-下覆地层。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

本发明的一个具体实施例，公开了一种用于煤层开挖的三维固液耦合相似模拟系统，如图1至图2所示，包括箱体1、容器8和天平9，箱体1内部自上而下设有上覆地层3、煤层2和下覆地层11，即箱体1内部设有煤层2以及位于煤层2上方的上覆地层3、位于煤层2下方的下覆地层11，其中，煤层2为石蜡制成的固状结构，也即采用石蜡模拟煤层2，石蜡受热融化用于模拟煤层开挖，煤层2的上覆地层3和下覆地层11由岩土颗粒材料制成，即煤层2上、下不同岩性的岩层由岩土颗粒材料模拟；煤层2和下覆地层11之间设有加热装置5，示例性的，加热装置5设于煤层2的底板岩层(与煤层直接接触的下覆岩层)与煤层2之间，加热装置5与用于模拟煤层2的石蜡直接接触，加热装置5设有温度控制器6和开关7；箱体1的侧壁设有出料口，出料口位于煤层2与煤层底板的交界处，出料口连接有导管4，导管4由金属或塑料材质制成，导管4的另一端与容器8连接，容器8置于天平9上。

本实施例中，箱体1为硬质透明材料制成的长方体结构，优选采用玻璃钢或透明陶瓷材料，模拟试验中的煤层2、岩层铺设在箱体1内部，箱体1的底部铺设由岩土颗粒材料制成的底板岩层，用于模拟煤层2底板，底板岩层与煤层2之间设有加热装置5，煤层2的上方铺设有至少一层岩层，用于模拟煤层2上覆地层3结构。箱体1的长、宽、高根据具体的试验需要来设计。

本实施例中，石蜡的作用主要是在加热装置5的作用下模拟煤层2的开挖。考虑到煤层2结构并非规则层状结构，本实施例中的石蜡包括两种，一种为普通石蜡，熔点47℃～64℃，另一种为棕榈蜡，熔点85℃。其中，普通石蜡用来模拟煤质较软、起伏较大、形状不规则的煤层2，棕榈蜡用于模拟煤质较硬、分布稳定、形状规则的煤层2，因此，根据设计需要，煤层2由熔点47℃～64℃的普通石蜡、熔点85℃的棕榈蜡的一种或两种制成。

本实施例中，用岩土颗粒材料模拟煤层2的上覆地层3和下覆地层11岩层，岩土颗粒材料包括石英砂、重晶石粉、水泥、二甲基硅油、碳粉和水等材料，上覆地层3和下覆地层11由上述岩土颗粒材料混合而成，材料配比取决于所模拟的上覆地层3、下覆地层11的岩层种类，岩层重种类包括粗砂岩、中砂岩、细砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩、炭质泥岩以及灰岩等。表1示例性的给出了几种岩层配比组成，具体配比根据待模拟的岩层岩性确定。采用此配比制作的上覆地层3或下伏地层11更接近实际地层岩性结构，模拟过程更科学，模拟结果更可靠。

表1不同岩性岩层的岩土颗粒配比表

铺设上覆地层3或下覆地层11岩层的具体操作为：根据岩性特征配置岩土颗粒材料的组份及配比，将配置好的岩土颗粒材料捯匀后铺入箱体1内，用铁质平板工具对其进行压实、压平，再进行下一层岩土颗粒材料的铺设。

本实施例中，加热装置5设有加热板，加热板由多个矩形加热片10组成，每个加热片10均能独立加热且加热功率可调，图6(a)至图6(f)示出了加热片10在加热板上的几种布置方式，不同设置方式对应不同的开启加热方式a至f，具体如下：

图6(a)和图6(b)中的加热片10均匀设置，铺满加热板，模拟时，方式a中的加热片10均未开启加热状态，用于模拟煤层未开挖的原始状态；方式b中的加热片10全部开启加热状态，用于模拟小区域煤层的整体开挖。

图6(c)和(d)中加热片10拼接成矩形组合，矩形组合的面积小于加热板的面积，矩形组合的长边与加热板的长边相等，矩形组合的一条长边与加热板的一条长边重合，或者，矩形组合的短边与加热板的短边相等，矩形组合的一条短边与加热板的一条短边重合，模拟时，方式c和方式d中加热片10的加热均是动态的，示例性的，方式c中的加热片10是从前往后随着时间逐渐开启加热状态，方式d中的加热片10是从右往左逐渐开启加热状态，最终，所有加热片10均开启加热状态，各加热片10开启时间不同，加热过程均是动态且可控的。

图6(e)中加热片10拼接成多组加热片组合，每组加热片组合为矩形，且均匀间隔设置于加热板上，通过开启不同加热片组合的加热状态，用于模拟房柱式开采，不同加热片组合的开启顺序根据实际需求设定；图6(f)中加热片10拼接成长条状组合，多条加热片长条状组合将煤层2隔成多个条带区域，通过开启不同加热片长条状组合的加热状态，用于模拟条带式开采。

因此，利用本实施例提供的模拟系统，在模拟实验中通过设置不同加热顺序，可以模拟不同的煤层开挖方法，具体为：通过方式a可模拟煤层2未开挖原始状态，通过方式b可模拟小区域煤层2整体开挖，通过方式c和方式d可模拟不同方向的顺序开挖，通过方式e可以模拟房柱式开采，通过方式f可以模拟条带式开采，模拟方案较全面；此外，由于每个加热片10均能独立加热且加热功率可调，通过调节每个加热片10的加热功率，可以模拟不同的煤层开挖速度，数据准确，模拟条件更真实，效果更可靠。

考虑到地层构造影响煤层2产状及结构，容器8的形状根据待模拟煤层2结构设定，也即容器8相当于待模拟煤层2的石蜡模具，容器8与导管4连接，导管4设有流量计，流量计用于实时监控液态石蜡的流量及流速。由于融化的液态石蜡流入容器8一段时间后会自行凝固，因此可根据试验需要，将容器8设置成不同形状，以便石蜡凝固后可以直接用来模拟煤层2。如图3至图5所示，容器8与箱体1的形状相同，即容器8的长宽与箱体1的长宽相同，但容器8的底板为倾斜、平整、凹凸和波浪中的一种或多种组合的形式，以便石蜡凝固后用来模拟形状规则、凹凸不平和起伏不定的煤层2。此结构的容器8针对实际地层结构设定，模拟煤层2的形状结构更贴近实际，而且融化的石蜡在容器8中直接凝固成待模拟煤层2，与模拟试验同步进行，不需要进行等待，提高实验效率，且节约环保，成本较低。

利用本实施例中的用于煤层开挖的三维固液耦合模拟系统模拟煤层开挖时，模拟方法包括如下步骤：

步骤一：根据待模拟地层条件确定煤层2的厚度以及上覆地层3、下覆地层11的岩层、层数及厚度参数。

步骤二：依据步骤一确定的煤层2及其上覆地层3、下覆地层11的参数安装模型。

S21：先在箱体1中铺设煤层2的下覆地层11。具体的，在预制的高强度透明玻璃材质的长方体箱体1中铺设相似模拟材料来模拟煤层2的下覆地层11，岩土颗粒材料为石英砂、重晶石粉、水泥、二甲基硅油和水混合而成，配比取决于所模拟的岩层种类，下覆地层11的岩性、厚度等根据实际地质条件设定。

S22：根据煤层2开采方式安装加热装置5。

在下覆地层11的上表面铺设加热装置5，即将加热装置5放置在箱体1中已铺设岩土颗粒材料的上表面。根据煤层2开采方式安装加热装置5，加热装置5的加热片10设置方式见图6(a)至图6(f)，模拟实验中，通过设置不同加热顺序，可以模拟不同的煤层开挖方法，示例性的，通过方式a可模拟煤层2未开挖原始状态，通过方式b可模拟小区域煤层2整体开挖，通过方式c和方式d可模拟不同方向的顺序开挖，通过方式e可以模拟房柱式开采，通过方式f可以模拟条带式开采，模拟方案较全面；此外，由于每个加热片10均能独立加热且加热功率可调，通过调节每个加热片10的加热功率，模拟不同的煤层开挖速度，数据准确，模拟条件更真实，效果更可靠。

S23：在加热装置5上铺设待模拟煤层2。在加热装置5的上方铺设长方体固态石蜡作为待模拟煤层2，待模拟煤层2的长、宽依据箱体1尺寸而定，待模拟煤层2的厚度根据实际地质条件煤层2厚度而定，煤层2厚度与其上覆地层3、下覆地层11厚度可与实际地层岩性厚度相同，也可以成比例同增减。石蜡层的外部包裹密封锡箔纸，同时导管4的一端接锡箔纸的开口，另一端伸出箱体1并伸入位于天平9上方的容器8中。

S24：在待模拟煤层2上铺设上覆地层3。在石蜡上端表面铺设不同配比的相似模拟材料来模拟煤层2上上覆岩层，根据实际地质条件确定上覆岩层的岩性、层数及厚度，若实际地层条件中有含水层，亦可在岩石层中布置含水层。

S25：将加热装置5与温度控制器6以及开关7连接好并使开关7保持关闭状态，至此模型搭建完毕。

步骤三：启动加热装置5，进行煤层开挖模拟。依据煤层2开挖顺序及速度，打开温度控制器6和开关7，设定加热温度，设定的温度依据所选用的石蜡熔点来定。调节加热装置5的温度来控制石蜡融化速度，加热装置5加热使石蜡融化，融化的液态石蜡经导管4流入容器8中，天平9实时称量容器8的重量，导管4设置的流量计实时监控液态石蜡的流量及流速，通过监测容器8质量的增长速度以及流量计参数变化，通过控制加热装置5的加热温度、加热面积来校正石蜡融化的流量和流速，获得煤层开挖速度的模拟结果。

与现有技术相比，本实施例提供的用于煤层开挖的三维固液耦合相似模拟系统及模拟方法，至少具备如下优点：

1)本发明提供的用于煤层开挖的三维固液耦合相似模拟系统，利用石蜡模拟待开采煤层2，石蜡包括两种，普通石蜡(熔点47℃～64℃)和棕榈蜡(熔点85℃)，分别模拟软质煤、硬质煤层2或者分别模拟构造地质条件复杂、简单的煤层2，能够模拟各种复杂地层条件下的煤层开挖，比如，普通石蜡可模拟煤质较软、厚度较薄或者分布起伏较大的煤层，且可模拟其在上覆岩层重力作用下的破碎特征，棕榈蜡可模拟煤质较硬、分布稳定、形状规则的煤层2，其形状固定且受上覆岩层影响较小。此外，两种石蜡均具有防水的功能，可减少煤层开挖后水渗入材料内部对试验结果的影响。模拟结果可靠，不仅能够用于教学实验，还能用于煤矿开采生产前的模拟，具有广泛应用前景。

2)本发明提供的用于煤层开挖的三维固液耦合相似模拟系统，加热装置5能够对煤层2不同位置进行加热，且加热速率、加热方式等均可调，通过设定不同的参数可以模拟煤层2的不同开挖方法、开挖速度、开挖区域等，更真实、更具体地模拟工程现场中的实际操作，模拟条件更科学，模拟结果更可靠；同时，通过设置流量计和天平9，石蜡融化后，天平9通过测取其液体质量，可监测煤层开挖数量，对试验的过程进度进行掌控；流量计通过测取石蜡融化后形成的液体的流速来确定煤层开挖速度以及上覆岩层塌陷、沉降速度，更准确的控制试验进行的快慢。设计构思巧妙，实现了模拟过程可控性。

3)本发明提供的用于煤层开挖的三维固液耦合相似模拟系统，所用石蜡融化后，由特定容器8收集，可进行二次利用，节约环保，成本较低；将容器8设置为待模拟煤层2特定形状，融化后的石蜡直接凝固成待模拟煤层2，不必重新融化石蜡再等其凝固，减少实验中间等待环节，提高实验效率；此外，进行二次利用的石蜡与进行第一次试验的石蜡成分组成、品性等级完全一致，保证了试验材料的力学性质参数相同，最大程度地降低了对试验所造成的误差。

4)本发明提供的用于煤层开挖的三维固液耦合相似模拟方法，通过使用石蜡仿真实现三维固液耦合相似模拟的煤层开挖，首先可以控制其模拟煤层2的形状，煤层2的尺寸如煤厚等更容易且更精确地控制，其次通过融化石蜡来模拟煤层开挖，对整个系统没有扰动和影响，且由于石蜡较容易做成多个不同的形状，通过控制加热装置5不同区域局部加热，使煤层开挖的程度更加简单和精确。此外，石蜡融化后进入容器8，冷却后可二次利用，成本低且符合环保理念。而且，由于温度控制器6和天平9的使用，可以将所有控制条件参数化，所得结果更加准确可信。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种用于煤层开挖的三维固液耦合相似模拟系统，其特征在于，由箱体(1)、容器(8)、天平(9)和加热装置(5)组成，箱体(1)内部自上而下设有上覆地层(3)、煤层(2)和下覆地层(11)，所述煤层(2)由石蜡制成，所述上覆地层(3)和下覆地层(11)由岩土颗粒材料制成；

煤层(2)和下覆地层(11)之间设有加热装置(5)；

箱体(1)的侧壁设有出料口，出料口位于煤层(2)与煤层底板的交界处，出料口通过导管(4)与容器(8)连接，所述容器(8)置于天平(9)上；

所述箱体(1)为硬质透明材料制成的长方体结构；

所述岩土颗粒材料由石英砂、重晶石粉、水泥、二甲基硅油、碳粉和水组成；

所述加热装置(5)设有加热板，所述加热板由多个矩形加热片(10)组成；

每个所述加热片(10)均能独立加热且加热功率可调；

所述加热装置(5)设有温度控制器(6)和开关(7)；

所述容器(8)的长宽与箱体(1)的长宽相同，容器(8)的底板为倾斜、平整、凹凸和波浪中的一种或多种；

所述煤层(2)为石蜡制成的固状结构，石蜡受热融化用于模拟煤层开挖；

所述加热装置(5)设于煤层(2)和与煤层(2)直接接触的下覆岩层之间；

根据加热片(10)在加热板上的布置方式，设置不同的开启加热方式，具体为：

加热片(10)均匀设置，铺满加热板；模拟时，加热片(10)均未开启加热状态，用于模拟煤层未开挖的原始状态；或者，加热片(10)全部开启加热状态，用于模拟小区域煤层的整体开挖；或者，

加热片(10)拼接成一组矩形组合，矩形组合的面积小于加热板的面积，矩形组合的长边与加热板的长边相等，模拟时，加热片(10)动态加热，用于模拟煤层整体动态开挖；或者，

加热片(10)拼接成多组加热片组合，每组加热片组合为矩形，且均匀间隔设置于加热板上，通过开启不同加热片组合的加热状态，用于模拟房柱式开采；

所述石蜡包括熔点47℃～64℃的普通石蜡、熔点85℃的棕榈蜡中的一种或两种；

导管(4)设有流量计，流量计用于实时监控液态石蜡的流量及流速。

2.一种用于煤层开挖的三维固液耦合相似模拟方法，其特征在于，采用权利要求1所述的用于煤层开挖的三维固液耦合相似模拟系统进行模拟，包括如下步骤：

步骤一：根据待模拟地层条件确定待模拟煤层(2)的厚度以及上覆地层(3)、下覆地层(11)的岩层、层数及厚度参数；

步骤二：依据步骤一确定的参数安装模型；

步骤三：启动加热装置(5)，进行煤层(2)开挖模拟；

依据煤层(2)开挖顺序及速度，打开温度控制器(6)和开关(7)，调节加热装置(5)的温度控制石蜡融化速度，融化的液态石蜡经导管(4)流入容器(8)中；

天平(9)实时称量容器(8)的重量，监测容器(8)质量的增长速度变化，获得煤层(2)开挖速度的模拟结果。

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