CN110514806B - 一种相似模拟试验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种相似模拟试验装置及方法，该装置包括相似模拟试验台架、煤岩层相似模拟系统、地表地貌相似模拟系统、应力应变监测系统和梯度水平应力加载系统；所述煤岩层相似模拟结构包括上覆岩层模拟结构和煤块散体化模拟结构。所述地表地貌相似模拟结构包括PVC材料的方形透明管和模拟载荷填充材料。本装置用于模拟平缓或复杂地貌下以及水平应力影响下的煤层开采后的地表、覆岩运移等现象。本发明设计合理、操作简单、试验便捷、还原度高，最大限度的在试验室还原了地下采煤过程，可以对实际的煤层开采导致的覆岩垮落与地表沉降进行材料模拟反演，进一步研究工程实际中煤层开采导致的地表沉降以及覆岩垮落形态。

Description

一种相似模拟试验装置及方法
技术领域
本发明属于采矿工程技术领域，尤其涉及一种相似模拟试验装置及方法。
背景技术
相似模拟试验基于相似理论，简化了场景中复杂多变的观测对象，并在室内进行模拟研究的科学试验，它已被广泛应用于采矿领域。由于采煤工作发生在地下，由采动引起的覆岩结构动态变化与地表沉降规律难以直观监测，因此进行了相似模拟试验，为研究综采工作提供依据。现阶段复杂地貌相似模拟还存在许多不足。通过相关的调查分析，在进行复杂地貌相似模拟试验的进程中，基本上模拟不到地表高度，难以观察分析地表沉降现象；同时试验中无法观察监测到复杂地表下的覆岩结构变化；同时现有研究中，相似模拟中考虑地应力时通常采用液压油缸加载，这种加载方法无法实现梯度加载与实际情况不符，成本较大难以推广。上述原因制约了地应力影响下的复杂地貌下采煤相似模拟试验结果的可靠性和准确性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种设计合理、操作简单、试验便捷、还原度高，可以最大限度的在试验室还原水平应力影响下复杂地貌相似模拟试验装置及方法。
为实现上述目的，本发明提供一种相似模拟试验装置，包括包括相似模拟试验台架、煤岩层相似模拟系统、复杂地貌相似模拟系统、应力应变监测系统和梯度水平应力加载系统；
其中，所述相似模拟试验台架包括相似模拟试验平台和模型架，所述相似模拟试验平台为铁质材料，其余结构均搭建于相似模拟试验平台上，相似模拟试验平台的顶部设置带有抽板的凹槽，所述模型架为相似模拟模型边界，包括前后挡板、左右挡板及左右模型架，其前后挡板均为透明有机玻璃板，左右挡板为相对于左右模型架可抽动的铁板，垂直设置于相似性模拟试验平台的边缘，前后挡板与左右挡板围合形成试验空间，左右模型架为内部中空铁架，固定于相似模拟试验平台上，分别对应设置于左右挡板的外侧；
所述煤岩层相似模拟系统包括煤块散体化模拟结构和上覆岩层模拟结构，层叠设置于试验空间内；
所述地表地貌相似模拟系统包括PVC材料的方形透明管和模拟载荷填充材料，模拟载荷填充材料填充于PVC材料的方形透明管内部，PVC材料的方形透明管设置于试验空间内，上覆岩层模拟结构的上方；
所述梯度水平应力加载系统包括与配有压力表的柔性加载气囊、氮气瓶以及通气管路，柔性加载气囊设置于左右模型架的中空铁架的中空空隙内，通气管路连接于氮气瓶与配有压力表的柔性加载气囊之间；
应力应变监测系统包括压力监测装置，压力监测装置通过导线连接上覆岩层模拟结构，以进行应力应变监测。
进一步的，上覆岩层模拟结构由相似材料配比组成，所述煤块散体化模拟结构由不同粒径有机玻璃颗粒与弱粘结剂混合组成。
进一步的，复杂地貌相似模拟结构的模拟载荷填充材料包括石英砂、铁砂。
本发明涉及的相似模拟试验方法包括如下步骤：
根据所要模拟的采煤工作面，确定工作面采煤方法；选取工作面推进方向上的典型截面，确定地表地貌；现场实测工作面推进方向上的水平应力大小；
根据试验室岩石力学试验测定的覆岩力学参数，结合钻孔柱状图，按照“关键层理论”计算工作面上方的关键层层位，并将煤岩层相似模拟系统的模拟高度定位为煤层到“主关键层”的高度；结合地应力实测，按照递减原则，设计模型两侧柔性加载气囊的压力大小；
根据计算结果，定制与试验相匹配的方形透明管模型，选取符合计算结果的模拟材料填入透明管；按照常规相似配比制作煤块散体化模拟结构；其中，制作方法为：采用一定量的水、粉煤灰为弱粘结剂，并与一定量的不同粒径有机玻璃颗粒混合；
在相似模拟试验平台上部逐层铺设煤块散体化模拟结构，其中如工作面采用放顶煤采煤法，则煤层模拟高度为顶煤高度，若工作面采用从才一次采全高，则煤层模拟高度为全煤层厚度，上覆岩层模拟结构和地表地貌相似模拟系统；其中模拟复杂地貌的各个方形透明管间隙中涂抹润滑剂来减小摩擦，左右挡板用于保证模型在搭建时材料不会泄露，同时保证模型两侧平齐；在模型稳定后，采用氮气瓶向各个柔性加载气囊内加压；
若采煤工作面为综采一次采全高采煤法，则待模型稳定后，不抽动平台凹槽上方抽板，手动开采煤粒，观察记录，重复此步骤模拟采煤过程；若工作面采用放顶煤采煤法，则待模型稳定后，手动抽动平台凹槽上方抽板，观察记录，重复此步骤模拟放煤过程；
观测开采过程中上覆岩层模拟结构、地表地貌相似模拟系统的结构变化，并收集记录应力应变监测系统获得的数据，计算分析开采过程中应力变化状况和地表沉陷程度。
进一步的，制作大小相同的方形透明塑料管整齐排列在上覆岩层模拟结构上方，其中装入模拟载荷填充材料以模拟地表地貌对煤层开采过程中的覆岩结构变化。
进一步的，在模拟复杂地表载荷时要根据地表具体情况计算载荷强度，按照计算比例在方形透明管中填充不同量的相似材料模拟不同位置的载荷。
进一步的，按照现场实测工作面地应力数据，按照地应力递减原则，采用在模拟试验架两侧的多个柔性气囊梯次加载，模拟地应力影响下的覆岩垮落。
与相关技术相比，本发明的一种相似模拟试验装置及方法通过使用透明管填充不同量的材料来模拟复杂地貌载荷，提高了与实际情况的相似程度，使得复杂地表下的综采过程情况得以直观体现；使用带有气囊隔间的中空铁架为左右模型架内置压力表的柔性加载气囊，使得模型能够模拟梯度变化的水平应力；使用不同粒径有机玻璃混合颗粒模拟煤块，在颗粒中均匀混合一定量的弱粘结剂，使其与破碎煤块的实际物理力学参数符合相似三定律。
附图说明
图1为实现本发明的一种相似模拟试验装置图；
图2为地表载荷模拟的方形透明管模型图；
图3为所述相似模拟试验台架三视图；
图4为所述为中空模型架抽板与柔性加载气囊。
附图标记：
1-相似模拟试验平台，2-模型架，3-上覆岩层模拟结构，4-煤块散体化模拟结构，5-通气管路，6-复杂地表载荷模拟系统，7-不同粒径有机玻璃颗粒，8-压力监测装置，9-地表载荷透明管，10-方形透明管，11-模拟载荷填充材料，12-模型架中空气囊隔间，13-氮气瓶，14-中空模型架抽板，15-柔性加载气囊，16-相似模拟试验平台凹槽，17-相似模拟试验平台可抽动顶板,18-柔性气囊注气口，19-柔性气囊压力监测表。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。
参阅图1，本发明提供一种相似模拟试验装置，包括包括相似模拟试验台架、煤岩层相似模拟系统、复杂地貌相似模拟系统、应力应变监测系统和梯度水平应力加载系统；
其中，所述相似模拟试验台架包括相似模拟试验平台1和模型架2，所述相似模拟试验平台1为铁质材料，其余结构均搭建于相似模拟试验平台1上，相似模拟试验平台1的顶部设置带有抽板的凹槽，用于容置可抽动平板17；所述模型架2为相似模拟模型边界，包括前后挡板、左右挡板及左右模型架，其前后挡板均为透明有机玻璃板，左右挡板为相对于左右模型架可抽动的铁板，垂直设置于相似性模拟试验平台的边缘，前后挡板与左右挡板围合形成试验空间，左右模型架为内部中空铁架，固定于相似模拟试验平台1上，分别对应设置于左右挡板的外侧；试验台架的结构示意图如图3所示。
所述煤岩层相似模拟系统包括煤块散体化模拟结构4和上覆岩层模拟结构3，层叠设置于试验空间内；
所述地表地貌相似模拟系统包括PVC材料的方形透明管10和模拟载荷填充材料11，模拟载荷填充材料11填充于PVC材料的方形透明管10内部，PVC材料的方形透明管10设置于试验空间内，上覆岩层模拟结构3的上方；如图2所示。
所述梯度水平应力加载系统包括与配有压力表的柔性加载气囊15、氮气瓶13以及通气管路5，柔性加载气囊15设置于左右模型架的模型架中空气囊隔间12内，通气管路连接于氮气瓶与配有压力表的柔性加载气囊之间；
应力应变监测系统包括压力监测装置8，压力监测装置8通过导线连接上覆岩层模拟结构3，以进行应力应变监测。
进一步的，上覆岩层模拟结构3由相似材料配比组成，所述煤块散体化模拟结构4由不同粒径有机玻璃颗粒与弱粘结剂混合组成。
进一步的，复杂地貌相似模拟结构的模拟载荷填充材料11包括石英砂、铁砂。
本发明涉及的相似模拟试验方法包括如下步骤：
根据所要模拟的采煤工作面，确定工作面采煤方法；选取工作面推进方向上的典型截面，确定地表地貌；现场实测工作面推进方向上的水平应力大小；
根据试验室岩石力学试验测定的覆岩力学参数，结合钻孔柱状图，按照“关键层理论”计算工作面上方的关键层层位，并将煤岩层相似模拟系统的模拟高度定位为煤层到“主关键层”的高度；结合地应力实测，按照递减原则，设计模型两侧柔性加载气囊的压力大小；
根据计算结果，定制与试验相匹配的方形透明管模型，选取符合计算结果的模拟材料填入透明管；按照常规相似配比制作煤块散体化模拟结构；其中，制作方法为：采用一定量的水、粉煤灰为弱粘结剂，并与一定量的不同粒径有机玻璃颗粒混合；根据计算结果，定制与试验相匹配的方形透明管模型，选取符合计算结果的模拟材料填入透明管；按照常规相似配比制作上覆岩层模拟结构；采用一定量的水、粉煤灰为弱粘结剂，并与一定量的不同粒径有机玻璃颗粒混合，来模拟煤块散体化模拟结构。
在相似模拟试验平台上部逐层铺设煤块散体化模拟结构，其中如工作面采用放顶煤采煤法，则煤层模拟高度为顶煤高度，若工作面采用从才一次采全高，则煤层模拟高度为全煤层厚度，上覆岩层模拟结构和地表地貌相似模拟系统；其中模拟复杂地貌的各个方形透明管间隙中涂抹润滑剂来减小摩擦，左右挡板用于保证模型在搭建时材料不会泄露，同时保证模型两侧平齐；在模型稳定后，采用氮气瓶向各个柔性加载气囊内加压；
若采煤工作面为综采一次采全高采煤法，则待模型稳定后，不抽动平台凹槽上方抽板，手动开采煤粒，观察记录，重复此步骤模拟采煤过程；若工作面采用放顶煤采煤法，则待模型稳定后，手动抽动平台凹槽上方抽板，观察记录，重复此步骤模拟放煤过程；
观测开采过程中上覆岩层模拟结构、地表地貌相似模拟系统的结构变化，并收集记录应力应变监测系统获得的数据，计算分析开采过程中应力变化状况和地表沉陷程度。
进一步的，制作大小相同的方形透明塑料管整齐排列在上覆岩层模拟结构上方，其中装入模拟载荷填充材料以模拟地表地貌对煤层开采过程中的覆岩结构变化。
进一步的，在模拟复杂地表载荷时要根据地表具体情况计算载荷强度，按照计算比例在方形透明管中填充不同量的相似材料模拟不同位置的载荷。
进一步的，按照现场实测工作面地应力数据，按照地应力递减原则，采用在模拟试验架两侧的多个柔性气囊梯次加载，模拟地应力影响下的覆岩垮落。
与相关技术相比，本发明的一种相似模拟试验装置及方法通过使用透明管填充不同量的材料来模拟复杂地貌载荷，提高了与实际情况的相似程度，使得复杂地表下的综采过程情况得以直观体现；使用带有气囊隔间的中空铁架为左右模型架内置压力表的柔性加载气囊，使得模型能够模拟梯度变化的水平应力；使用不同粒径有机玻璃混合颗粒模拟煤块，在颗粒中均匀混合一定量的弱粘结剂，使其与破碎煤块的实际物理力学参数符合相似三定律。
本发明的保护范围并不仅仅局限于本试验实施方式的描述，而根据权力要求加以限定。

Claims (5)

1.一种相似模拟试验方法，采用如下相似模拟试验装置进行试验，所述装置包括：
相似模拟试验台架、煤岩层相似模拟系统、复杂地貌相似模拟系统、应力应变监测系统和梯度水平应力加载系统；
其中，所述相似模拟试验台架包括相似模拟试验平台和模型架，所述相似模拟试验平台为铁质材料，其余结构均搭建于相似模拟试验平台上，相似模拟试验平台的顶部设置带有抽板的凹槽，所述模型架为相似模拟模型边界，包括前后挡板、左右挡板及左右模型架，其前后挡板均为透明有机玻璃板，左右挡板为相对于左右模型架可抽动的铁板，垂直设置于相似模拟试验平台的边缘，前后挡板与左右挡板围合形成试验空间，左右模型架为内部中空铁架，固定于相似模拟试验平台上，分别对应设置于左右挡板的外侧；
所述煤岩层相似模拟系统包括煤块散体化模拟结构和上覆岩层模拟结构，层叠设置于试验空间内；
所述复杂地貌相似模拟系统包括PVC材料的方形透明管和模拟载荷填充材料，模拟载荷填充材料填充于PVC材料的方形透明管内部，PVC材料的方形透明管设置于试验空间内，上覆岩层模拟结构的上方；
所述梯度水平应力加载系统包括配有压力表的柔性加载气囊、氮气瓶以及通气管路，柔性加载气囊设置于左右模型架的中空铁架的中空空隙内，通气管路连接于氮气瓶与配有压力表的柔性加载气囊之间；
应力应变监测系统包括压力监测装置，压力监测装置通过导线连接上覆岩层模拟结构，以进行应力应变监测；
其特征在于，包括如下步骤：
根据所要模拟的采煤工作面，确定工作面采煤方法；选取工作面推进方向上的典型截面，确定地表地貌；现场实测工作面推进方向上的水平应力大小；
根据试验室岩石力学试验测定的覆岩力学参数，结合钻孔柱状图，按照“关键层理论”计算工作面上方的关键层层位，并将煤岩层相似模拟系统的模拟高度定位为煤层到“主关键层”的高度；结合地应力实测，按照递减原则，设计模型两侧柔性加载气囊的压力大小；
根据计算结果，定制与试验相匹配的方形透明管模型，制作大小相同的方形透明塑料管整齐排列在上覆岩层模拟结构上方，其中装入模拟载荷填充材料以模拟地表地貌对煤层开采过程中的覆岩结构变化；选取符合计算结果的模拟材料填入透明管；按照常规相似配比制作煤块散体化模拟结构；其中，制作方法为：采用一定量的水、粉煤灰为弱粘结剂，并与一定量的不同粒径有机玻璃颗粒混合；
在相似模拟试验平台上部逐层铺设煤块散体化模拟结构，其中如工作面采用放顶煤采煤法，则煤层模拟高度为顶煤高度，若工作面采用综采一次采全高，则煤层模拟高度为全煤层厚度，上覆岩层模拟结构和复杂地貌相似模拟系统；其中模拟复杂地貌的各个方形透明管间隙中涂抹润滑剂来减小摩擦，左右挡板用于保证模型在搭建时材料不会泄露，同时保证模型两侧平齐；在模型稳定后，采用氮气瓶向各个柔性加载气囊内加压；
若采煤工作面为综采一次采全高采煤法，则待模型稳定后，不抽动平台凹槽上方抽板，手动开采煤粒，观察记录，重复此步骤模拟采煤过程；若工作面采用放顶煤采煤法，则待模型稳定后，手动抽动平台凹槽上方抽板，观察记录，重复此步骤模拟放煤过程；
观测开采过程中上覆岩层模拟结构、复杂地貌相似模拟系统的结构变化，并收集记录应力应变监测系统获得的数据，计算分析开采过程中应力变化状况和地表沉陷程度。
2.根据权利要求1所述的相似模拟试验方法，其特征在于：所述上覆岩层模拟结构由相似材料配比组成，所述煤块散体化模拟结构由不同粒径有机玻璃颗粒与弱粘结剂混合组成。
3.根据权利要求1所述的相似模拟试验方法，其特征在于：所述复杂地貌相似模拟系统的模拟载荷填充材料包括石英砂、铁砂。
4.根据权利要求1所述的相似模拟试验方法，其特征在于：在模拟复杂地表载荷时要根据地表具体情况计算载荷强度，按照计算比例在方形透明管中填充不同量的相似材料模拟不同位置的载荷。
5.根据权利要求1所述的相似模拟试验方法，其特征在于：按照现场实测工作面地应力数据，按照地应力递减原则，采用在相似模拟试验台架两侧的多个柔性气囊梯次加载，模拟地应力影响下的覆岩垮落。
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