CN110596342B - 一种模块化放顶煤开采的相似模拟试验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于采矿工程相似模拟试验技术领域，具体是一种模块化放顶煤开采的相似模拟试验装置及方法。提供一种设计合理、操作简单、养护方便、试验便捷，可以最大限度的在实验室还原了放顶煤开采过程的放顶煤开采相似模拟，包括相似模拟试验台架、煤岩层相似模拟系统、放顶煤作业模拟系统和实时监测系统。本发明最大程度的还原了放顶煤开采过程，使得放顶煤开采的相似材料模拟方法从理论上更为可靠；易于对顶板关键块在放顶煤开采过程中的受力及运移情况进行监测。

Description

一种模块化放顶煤开采的相似模拟试验装置及方法
技术领域
本发明属于采矿工程相似模拟试验技术领域，具体是一种模块化放顶煤开采的相似模拟试验装置及方法。
背景技术
相似模拟研究是现代矿业工程领域研究中的一个非常重要的手段。该方法是基于相似三定律，按一定的几何、物理关系，用模拟替代工程现场原型的一种重要科学研究手段。现阶段放顶煤工作面覆岩运移规律的相似模拟还存在许多不足，目前关于放顶煤的相似材料模拟试验方法主要分为两种类型：传统相似材料模拟，该方法使用连续模拟材料模拟煤层及上覆岩层，不能体现放顶煤开采的放煤过程，无法将放顶煤开采方法与一次采全高方法区别开来，无法监测关键块的应力状态，且模拟材料养护条件不宜设定，养护效果不均；散体相似材料模拟，该方法使用散体颗粒模拟煤层及上覆岩层，顶煤放出后，上覆岩层随顶煤同步垮落，与实际上覆岩层形成的“砌体梁”力学承载结构不符，不能有效体现放顶煤开采过程中上覆岩层的垮落情况。上述原因制约了放顶煤开采相似材料模拟试验结果的可靠性和准确性。
发明内容
本发明为了提供一种设计合理、操作简单、养护方便、试验便捷，可以最大限度的在实验室还原了放顶煤开采过程的放顶煤开采相似模拟，提供一种模块化放顶煤开采的相似模拟试验装置及方法。
本发明采取以下技术方案：一种模块化放顶煤开采的相似模拟试验装置，包括相似模拟试验台架、煤岩层相似模拟系统、放顶煤作业模拟系统和实时监测系统。
所述的相似模拟试验台架包括相似模拟试验平台、均布载荷加载系统和模型箱体，相似模拟试验平台为刚性合金材料，均布载荷加载系统设置在相似模拟试验平台上方，均布载荷加载系统与相似模拟试验平台周侧之间设置模型箱体，模型箱体的前后挡板均为透明有机玻璃板，模型箱体的左右挡板为刚性合金板；所述的放顶煤作业模拟系统设置在相似模拟试验平台上侧。
所述的煤岩层相似模拟系统包括上覆岩层模块化模拟系统和顶煤散体化模拟系统，上覆岩层模块化模拟系统设置在放顶煤作业模拟系统上侧，顶煤散体化模拟系统设置在上覆岩层模块化模拟系统上侧，顶煤散体化模拟系统上侧与均布载荷加载系统接触；所述的实时监测系统包括预埋在上覆岩层模块化模拟系统中的BW箔式压力传感器，以及设置在相似模拟试验台架正前方的数码相机。
均布载荷加载系统包括一组平行设置的液压油缸，液压油缸底部为刚性合金板作为加压板。
放顶煤作业模拟系统包括底煤承载模拟抽屉和放煤板，底煤承载模拟抽屉为刚性合金材料，底煤承载模拟抽屉顶部为可开关的放煤板。
上覆岩层模块化模拟系统由若干预制模块组成。
顶煤散体化模拟系统包括不同粒径有机玻璃颗粒与弱粘结剂混合而成。
一种模块化放顶煤开采的相似模拟试验装置的试验方法，包括以下步骤，
a.覆岩模块及底煤承载模拟抽屉尺寸计算：根据实验室岩石力学实验测定的覆岩力学参数及岩层实际赋存状况，结合相似三定理，确定各相似常数，包括：几何相似常数
Figure RE-256071DEST_PATH_IMAGE001
、物理相似常数；根据组合梁原理及关键层理论，逐层计算各覆岩层所受载荷值并计算在该载荷下其极限跨距，
Figure RE-560014DEST_PATH_IMAGE002
，其中h为岩层厚度，
Figure RE-648187DEST_PATH_IMAGE003
为岩层抗拉强度，
Figure RE-291658DEST_PATH_IMAGE004
为岩层所受载荷，根据计算结果，结合几何相似常数
Figure RE-689141DEST_PATH_IMAGE001
，确定模拟试验中的预制模块长度
Figure RE-418063DEST_PATH_IMAGE005
满足
Figure RE-309926DEST_PATH_IMAGE006
，高度
Figure RE-807904DEST_PATH_IMAGE007
满足
Figure RE-641868DEST_PATH_IMAGE008
，模块宽度与相似模拟实验台架宽度相同；根据实际放煤步距
Figure RE-592506DEST_PATH_IMAGE009
、采煤高度
Figure RE-288061DEST_PATH_IMAGE010
及几何相似常数
Figure RE-640545DEST_PATH_IMAGE011
，确定底煤承载模拟抽屉的长度
Figure RE-645410DEST_PATH_IMAGE012
满足
Figure RE-83344DEST_PATH_IMAGE013
，高度
Figure RE-305292DEST_PATH_IMAGE014
满足
Figure RE-840178DEST_PATH_IMAGE015
，其宽度为相似模拟试验平台宽度。
b.模块模具及底煤承载模拟抽屉制作：根据步骤a的计算结果，制作与试验相匹配的各层覆岩模块模具与底煤承载模拟抽屉，其中，模块模具与底煤承载模拟抽屉采用ABS材料制作。
c.模块制备：根据步骤a的分析与计算结果，通过配置相关的正交试验，确定模块材料及配比；使用步骤b所制模块模具制作各层覆岩预制模块，将材料混合均匀注入模块模具内制成模块，制作完成后放入养护箱在规定条件下进行养护。
d.散体化顶煤模拟参数确定：根据现场顶煤块度分布测试结果，结合几何相似常数
Figure RE-953628DEST_PATH_IMAGE016
，定制用以模拟顶煤的不同粒径有机玻璃颗粒，其中，有机玻璃颗粒直径
Figure RE-691908DEST_PATH_IMAGE017
与现场顶煤块度
Figure RE-916216DEST_PATH_IMAGE018
满足
Figure RE-40030DEST_PATH_IMAGE019
，其中i为不同块度编号。
e.相似模拟系统搭建：在相似模拟试验平台上部先铺设底煤承载模拟抽屉，其上部逐层铺设顶煤散体化模拟系统、上覆岩层模块化模拟系统。结合散体顶煤流动特性，将不同粒径有机玻璃颗粒与水、粉煤灰混合均匀铺设在底煤承载模拟抽屉上部，模拟顶煤；将预制模块按照岩层分布逐层排列搭建上覆岩层模块化模拟系统。
f.安装压力传感器：在d步骤铺设顶煤散体化模拟系统、上覆岩层模块化模拟系统时，在预设位置安装BW箔式压力传感器以监测内部压力。
g.均布载荷加载：根据岩层柱状图及岩性分布情况，计算未模拟上覆岩层平均容重及其载荷大小，根据物理相似常数计算相似模拟加载值，通过均布载荷加载系统加压来实现其余上覆岩层载荷的相似模拟。
h.放煤过程模拟：按顺序抽开底煤承载模拟抽屉的放煤板，以模拟放煤作业，至该底煤承载模拟抽屉上方顶煤全部放出后关闭放煤板停止放煤，拉出底煤承载模拟抽屉，重复此步骤模拟放煤过程。
i.观测：观测放煤过程中覆岩及顶煤的运移破碎过程，并收集实时监测系统获得的数据，根据试验获得的BW箔式压力传感器数据对回采过程中岩层内部应力进行分析；根据设置在相似模拟试验台架正前方的数码相机图像数据，运用图像灰度化处理方法，对上覆岩层在断裂前后的不同结构状态、顶煤放出率进行分析。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：上覆岩层模块化模拟系统和顶煤散体化模拟系统的应用，最大程度的还原了放顶煤开采过程，使得放顶煤开采的相似材料模拟方法从理论上更为可靠；易于对顶板关键块在放顶煤开采过程中的受力及运移情况进行监测，可以对放顶煤开采过程中覆岩运移规律、顶板“砌体梁”结构形成过程做进一步的了解，对于放顶煤开采的相似材料模拟具有重要意义。
附图说明
图1为实现本发明一种模块化放顶煤开采的相似模拟试验装置图；
图2为上覆岩层预制模块的模具图；
图3为底煤承载模拟抽屉及放煤板示意图。
附图标记：1-相似模拟试验平台，2-均布载荷加载系统，3-模型箱体，4-上覆岩层模块化模拟系统，5-顶煤散体化模拟系统，6-放顶煤作业模拟系统，7-实时监测系统，8-预制模块，9-不同粒径有机玻璃颗粒，10-模块模具1，11-模块模具2，12-底煤承载模拟抽屉，13-放煤板。
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。
一种模块化放顶煤开采的相似模拟试验装置及方法，包括相似模拟试验台架、煤岩层相似模拟系统、放顶煤作业模拟系统6和实时监测系统7。
所述相似模拟试验台架包括相似模拟试验平台1、均布载荷加载系统2和模型箱体3，所述相似模拟试验平台1为刚性合金材料，模拟放顶煤工作面推进后，上覆岩层垮落至相似模拟试验平台1逐步压实，本发明其余系统的搭建均基于相似模拟试验平台1，所述均布载荷加载系统2用于模拟相似模型顶部均布载荷，由一组液压油缸组成，其底部为刚性合金板作为加压板，与相似模型上表面贴合，所述模型箱体3为相似模拟边界，其前后挡板均为透明有机玻璃板，左右挡板为刚性合金板。
所述煤岩层相似模拟系统包括上覆岩层模块化模拟系统4和顶煤散体化模拟系统5。
所述放顶煤作业模拟系统6包括底煤承载模拟抽屉12和放煤板13。
所述实时监测系统7包括多通道压力监测系统和正面影像分析系统。
所述上覆岩层模块化模拟系统4由特定尺寸的预制模块8组成。
所述顶煤散体化模拟系统5由不同粒径有机玻璃颗粒9与弱粘结剂混合组成。
所述底煤承载模拟抽屉12为刚性合金材料，其顶部为可开关的放煤板13。
所述多通道压力监测系统包括多个BW箔式压力传感器，在上覆岩层模块化模拟系统4铺设的过程中埋设于模块之间。
所述正面影像分析系统包括数码相机，设置在所述模拟实验台架的正前方。
一种模块化放顶煤开采的相似模拟试验装置的试验方法，包括以下步骤，
a. 覆岩模块及底煤承载模拟抽屉尺寸计算：根据实验室岩石力学实验测定的覆岩力学参数及岩层实际赋存状况，结合相似三定理，确定各相似常数，包括：几何相似常数
Figure RE-324381DEST_PATH_IMAGE011
、物理相似常数；根据组合梁原理及关键层理论，逐层计算各覆岩层所受载荷值并计算在该载荷下其极限跨距，
Figure RE-549957DEST_PATH_IMAGE020
，其中h为岩层厚度，
Figure RE-577955DEST_PATH_IMAGE021
为岩层抗拉强度，
Figure RE-821855DEST_PATH_IMAGE022
为岩层所受载荷，根据计算结果，结合几何相似常数
Figure RE-11528DEST_PATH_IMAGE011
，确定模拟试验中的预制模块长度
Figure RE-724400DEST_PATH_IMAGE023
满足
Figure RE-290511DEST_PATH_IMAGE024
，高度
Figure RE-654496DEST_PATH_IMAGE025
满足
Figure RE-15070DEST_PATH_IMAGE026
，模块宽度与相似模拟实验台架宽度相同；根据实际放煤步距
Figure RE-215238DEST_PATH_IMAGE027
、采煤高度
Figure RE-585040DEST_PATH_IMAGE028
及几何相似常数
Figure RE-537952DEST_PATH_IMAGE011
，确定底煤承载模拟抽屉的长度
Figure RE-335007DEST_PATH_IMAGE012
满足
Figure RE-756892DEST_PATH_IMAGE013
，高度
Figure RE-930385DEST_PATH_IMAGE014
满足
Figure RE-3383DEST_PATH_IMAGE015
，其宽度为相似模拟试验平台宽度。
b.模块模具及底煤承载模拟抽屉制作：根据步骤a的计算结果，制作与试验相匹配的各层覆岩模块模具与底煤承载模拟抽屉，其中，模块模具与底煤承载模拟抽屉采用ABS材料制作。
c.模块制备：根据步骤a的分析与计算结果，通过配置相关的正交试验，确定模块材料及配比；使用步骤b所制模块模具制作各层覆岩预制模块，将材料混合均匀注入模块模具内制成模块，制作完成后放入养护箱在规定条件下进行养护。
d.散体化顶煤模拟参数确定：根据现场顶煤块度分布测试结果，结合几何相似常数
Figure RE-971339DEST_PATH_IMAGE016
，定制用以模拟顶煤的不同粒径有机玻璃颗粒，其中，有机玻璃颗粒直径
Figure RE-880520DEST_PATH_IMAGE017
与现场顶煤块度
Figure RE-592124DEST_PATH_IMAGE018
满足
Figure RE-519629DEST_PATH_IMAGE019
，其中i为不同块度编号。
e.相似模拟系统搭建：在相似模拟试验平台上部先铺设底煤承载模拟抽屉，其上部逐层铺设顶煤散体化模拟系统、上覆岩层模块化模拟系统。结合散体顶煤流动特性，将不同粒径有机玻璃颗粒与水、粉煤灰混合均匀铺设在底煤承载模拟抽屉上部，模拟顶煤；将预制模块按照岩层分布逐层排列搭建上覆岩层模块化模拟系统。
f.安装压力传感器：在d步骤铺设顶煤散体化模拟系统、上覆岩层模块化模拟系统时，在预设位置安装BW箔式压力传感器以监测内部压力。
g.均布载荷加载：根据岩层柱状图及岩性分布情况，计算未模拟上覆岩层平均容重及其载荷大小，根据物理相似常数计算相似模拟加载值，通过均布载荷加载系统加压来实现其余上覆岩层载荷的相似模拟。
h.放煤过程模拟：按顺序抽开底煤承载模拟抽屉的放煤板，以模拟放煤作业，至该底煤承载模拟抽屉上方顶煤全部放出后关闭放煤板停止放煤，拉出底煤承载模拟抽屉，重复此步骤模拟放煤过程。
i.观测：观测放煤过程中覆岩及顶煤的运移破碎过程，并收集实时监测系统获得的数据，根据试验获得的BW箔式压力传感器数据对回采过程中岩层内部应力进行分析；根据设置在相似模拟试验台架正前方的数码相机图像数据，运用图像灰度化处理方法，对上覆岩层在断裂前后的不同结构状态、顶煤放出率进行分析。
上覆岩层用预制模块8来模拟，模块连接排列，模拟覆岩不同于散体覆岩，借助实时检测系统7，可观测到放煤过程中整块覆岩在回采期间的垮落情况，以及在不同垮落位置的垂直及水平受力状态。
制备预制模块8时，要根据各覆岩层的具体情况分别计算其垮落步距，分别为各层覆岩制作长度与垮落步距相匹配的模块，以保证模拟试验的可靠性。
使用不同粒径有机玻璃混合颗粒9模拟顶煤，在颗粒中均匀混合一定量的弱粘结剂，使其与顶煤的实际物理力学性质符合相似三定律。
不同粒径，通过顶煤块度现场观测数据，结合“相似三定理”设计颗粒级配关系，将不同大小有机玻璃颗粒均匀混合，加入一定比例水、粉煤灰充分搅拌，搭建顶煤相似模拟系统。

Claims (5)

1.一种模块化放顶煤开采的相似模拟试验装置，其特征在于：包括相似模拟试验台架、煤岩层相似模拟系统、放顶煤作业模拟系统（6）和实时监测系统（7）；
所述的相似模拟试验台架包括相似模拟试验平台（1）、均布载荷加载系统（2）和模型箱体（3），相似模拟试验平台（1）为刚性合金材料，均布载荷加载系统（2）设置在相似模拟试验平台（1）上方，均布载荷加载系统（2）与相似模拟试验平台（1）周侧之间设置模型箱体（3），模型箱体（3）的前后挡板均为透明有机玻璃板，模型箱体（3）的左右挡板为刚性合金板；
所述的放顶煤作业模拟系统（6）设置在相似模拟试验平台（1）上侧；
所述的煤岩层相似模拟系统包括上覆岩层模块化模拟系统（4）和顶煤散体化模拟系统（5），上覆岩层模块化模拟系统（4）设置在放顶煤作业模拟系统（6）上侧，顶煤散体化模拟系统（5）设置在上覆岩层模块化模拟系统（4）上侧，顶煤散体化模拟系统（5）上侧与均布载荷加载系统（2）接触；
所述的实时监测系统（7）包括预埋在上覆岩层模块化模拟系统（4）中的BW箔式压力传感器，以及设置在相似模拟试验台架正前方的数码相机；
所述的放顶煤作业模拟系统（6）包括底煤承载模拟抽屉（12）和放煤板（13），底煤承载模拟抽屉（12）为刚性合金材料，底煤承载模拟抽屉（12）顶部为可开关的放煤板（13）。
2.根据权利要求1所述的模块化放顶煤开采的相似模拟试验装置，其特征在于：所述的均布载荷加载系统（2）包括一组平行设置的液压油缸，液压油缸底部为刚性合金板作为加压板。
3.根据权利要求2所述的模块化放顶煤开采的相似模拟试验装置，其特征在于：所述的上覆岩层模块化模拟系统（4）由若干预制模块（8）组成。
4.根据权利要求3所述的模块化放顶煤开采的相似模拟试验装置，其特征在于：所述的顶煤散体化模拟系统（5）包括不同粒径有机玻璃颗粒（9）与弱粘结剂混合而成。
5.一种如权利要求4所述的模块化放顶煤开采的相似模拟试验装置的试验方法，其特征在于：包括以下步骤，
a.覆岩模块及底煤承载模拟抽屉尺寸计算：根据实验室岩石力学实验测定的覆岩力学参数及岩层实际赋存状况，结合相似三定理，确定各相似常数，包括：几何相似常数
Figure DEST_PATH_IMAGE001
、物理相似常数；根据组合梁原理及关键层理论，逐层计算各覆岩层所受载荷值并计算在该载荷下其极限跨距，
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，其中h为岩层厚度，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为岩层抗拉强度，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
为岩层所受载荷，根据计算结果，结合几何相似常数
Figure 179897DEST_PATH_IMAGE001
，确定模拟试验中的预制模块长度
Figure DEST_PATH_IMAGE005
满足
Figure DEST_PATH_IMAGE006
，高度
Figure DEST_PATH_IMAGE007
满足
Figure DEST_PATH_IMAGE008
，模块宽度与相似模拟实验台架宽度相同；根据实际放煤步距
Figure DEST_PATH_IMAGE009
、采煤高度
Figure DEST_PATH_IMAGE010
及几何相似常数
Figure 972404DEST_PATH_IMAGE001
，确定底煤承载模拟抽屉的长度
Figure DEST_PATH_IMAGE011
满足
Figure DEST_PATH_IMAGE012
，高度
Figure DEST_PATH_IMAGE013
满足
Figure DEST_PATH_IMAGE014
，其宽度为相似模拟试验平台宽度；
b.模块模具及底煤承载模拟抽屉制作：根据步骤a的计算结果，制作与试验相匹配的各层覆岩模块模具与底煤承载模拟抽屉，其中，模块模具与底煤承载模拟抽屉采用ABS材料制作；
c.模块制备：根据步骤a的分析与计算结果，通过配置相关的正交试验，确定模块材料及配比；使用步骤b所制模块模具制作各层覆岩预制模块，将材料混合均匀注入模块模具内制成模块，制作完成后放入养护箱在规定条件下进行养护；
d.散体化顶煤模拟参数确定：根据现场顶煤块度分布测试结果，结合几何相似常数
Figure DEST_PATH_IMAGE015
，定制用以模拟顶煤的不同粒径有机玻璃颗粒，其中，有机玻璃颗粒直径
Figure DEST_PATH_IMAGE016
与现场顶煤块度
Figure DEST_PATH_IMAGE017
满足
Figure DEST_PATH_IMAGE018
，其中i为不同块度编号；
e.相似模拟系统搭建：在相似模拟试验平台上部先铺设底煤承载模拟抽屉，其上部逐层铺设顶煤散体化模拟系统、上覆岩层模块化模拟系统；
结合散体顶煤流动特性，将不同粒径有机玻璃颗粒与水、粉煤灰混合均匀铺设在底煤承载模拟抽屉上部，模拟顶煤；将预制模块按照岩层分布逐层排列搭建上覆岩层模块化模拟系统；
f.安装压力传感器：在d步骤铺设顶煤散体化模拟系统、上覆岩层模块化模拟系统时，在预设位置安装BW箔式压力传感器以监测内部压力；
g.均布载荷加载：根据岩层柱状图及岩性分布情况，计算未模拟上覆岩层平均容重及其载荷大小，根据物理相似常数计算相似模拟加载值，通过均布载荷加载系统加压来实现其余上覆岩层载荷的相似模拟；
h.放煤过程模拟：按顺序抽开底煤承载模拟抽屉的放煤板，以模拟放煤作业，至该底煤承载模拟抽屉上方顶煤全部放出后关闭放煤板停止放煤，拉出底煤承载模拟抽屉，重复此步骤模拟放煤过程；
i.观测：观测放煤过程中覆岩及顶煤的运移破碎过程，并收集实时监测系统获得的数据，根据试验获得的BW箔式压力传感器数据对回采过程中岩层内部应力进行分析；根据设置在相似模拟试验台架正前方的数码相机图像数据，运用图像灰化处理方法，对上覆岩层在断裂前后的不同结构状态、顶煤放出率进行分析。
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