CN110646280B - 适用于煤层回采及充填模拟的试验系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于煤层回采及充填模拟的试验系统和方法，它解决了现有煤层开采模型试验中无法准确便捷的模拟煤层回采、充填及充填物密实沉降过程的问题，实现了回采及充填模拟过程方向、方式及速度可控的效果，其方案如下：包括反力框架、基座及回采装置，反力框架用于形成模型制作空间及提供加载反力，包括反力梁、支撑底梁、开挖横条及液压油缸；反力框架整体布置于基座上方，基座设置有下挖槽；回采装置包括支撑板、螺杆及支架，回采装置设置于基座下挖槽内，通过以不同顺序及不同速度旋转相应螺杆，带动其上方的支撑板下降或者上升，进而模拟反力框架内模型底部煤层以不同方向、方式及速度进行回采、充填以及充填物密实沉降的过程。

Description

适用于煤层回采及充填模拟的试验系统和方法

技术领域

本发明涉及模型试验煤矿开采技术领域，尤其涉及一种适用于煤层回采及充填模拟的试验系统和方法。

背景技术

煤矿回采过程中，随着工作面的推进，采空区原有力学平衡状态遭到破坏，失去支撑的上覆岩层发生变形位移，直至破坏垮落。为了准确认识顶板岩层变形破坏过程，保证煤矿安全开采，因此，对回采过程中物理力学参数以及变形破坏机理的认识至关重要。但是目前工作面及采空区现场试验存在诸多限制与安全隐患，无法开展准确的现场监测试验。物理模拟试验作为研究煤层回采过程顶板变形破坏的主要手段之一，具有方便、快捷、可重复的优势。为了更准确获取物理模拟试验数据，必须尽可能提高模拟试验与现场的相似性。此类物理模拟试验的技术难点在于如何在顶板岩层存在条件下准确模拟煤层回采及充填的过程，并尽可能考虑煤层厚度、回采方向、回采速度以及充填物沉降压实等因素，使其产生与实际工况相近的地质力学现象。

为此，目前已研发多种用于煤层回采及充填模拟的试验系统，例如：

中国专利ZL201110121561.3发明了一种充填开采三维模拟试验装置及方法，该装置可模拟综采工作面开采、采空区充填、充填物料压实等具体过程。但该试验系统必须采用人工的方式进行模拟回采，回采速度不易控制，且回采进刀深度不均匀，采用外力推压充填物料的方式与现场实际情况差距较大，无法准确模拟工作面回采和充填过程，且试验装置不能模拟不同位置工作面的回采。

中国专利ZL201621195155.6发明了“一种深部煤层条带开采、充填模拟试验系统”，该试验系统的模拟煤层由若干个受载气囊排布而成，每个受载气囊通过各自的通气管与充填系统连接，通过控制气囊中气体量的抽放来模拟不同采高的煤层开采，通过抽放不同间隔的位置的受载气囊来模拟不同采宽和留宽的煤层开采。然而实际操作工程中面临气囊漏气、模型制作过程中气囊刚度小，受压变形大导致上覆岩层压实不均匀等影响试验的情况。

中国专利ZL201510689917.1发明了一种可模拟倾斜岩层的全自动相似模拟试验装置及方法，该试验装置的自动开挖装置由开挖锯条、开挖装置支撑架、开挖锯条导轨组成，开挖锯条导轨可沿开挖装置支撑架滑动，满足不同倾角煤层的开挖，系统可控制开挖速度。但是，该方法无法适应不同厚度的煤层回采，不能实现充填模拟，实际操作中面临渣土清运困难、无法选择回采方式的问题

综上，现有煤层回采及充填模拟试验系统各有特点，但其主要局限性如下：

(1)通用性差，无法开展不同工作面方向及回采方向的煤层回采模拟试验。

(2)可靠性差，面临顶板垮落阻碍回采过程、回采产生的渣土清运困难以及误将渣土与采空区垮落顶板一同清运的问题，影响实验准确性。

(3)功能单一，无法模拟煤层回采、充填及充填物密实沉降的全过程，随着绿色开采理念的逐渐普及，充填开采越来越普遍，充填及充填物密实沉降过程对采场稳定性的影响不容忽视。

(4)操作复杂，需要在模型中设置多种构件，对模型的整体性及试验结果产生较大影响。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种适用于煤层回采及充填模拟的试验系统和方法，能够简单快捷的实现不同工作面方向、不同回采方向以及不同回采速度的煤层回采模拟，同时可准确模拟煤层回采、充填及充填物密实沉降的全过程。

适用于煤层回采及充填模拟的试验系统和方法具体方案如下：

适用于煤层回采及充填模拟的试验系统，包括反力框架，用于形成模型制作空间及提供加载反力；基座，用于支撑反力框架及布置回采装置；回采装置，用于实现回采、充填及充填物密实沉降的全过程模拟。

所述反力框架包括反力梁、支撑底梁、开挖横条及液压油缸；所述反力梁为所述反力框架的主体部分，用于形成模型制作空间及提供加载反力；所述支撑底梁位于所述反力梁的底部，所述支撑底梁与试验模型接触面镂空处理，用于布置所述回采装置；所述开挖横条布置于所述反力框架前面，试验过程中可拆除某条所述开挖横条，通过人工或者简易机械方式实现该位置煤层回采模拟；所述液压油缸布置于所述反力框架侧部，用于模拟地应力加载。

所述基座顶面与所述反力框架底面相接触，支撑所述反力框架，所述基座上设置下挖槽，所述下挖槽的深度与所述回采装置相对应。

所述回采装置自上而下分别为支撑板、螺杆及支架，回采装置设置于反力框架底部的基座下挖槽内，多块小尺寸的所述支撑板拼接布置于所述支撑底梁镂空位置，所述支撑板上表面与所述支撑底梁上表面平齐；每块所述支撑板下方对应布置两根所述螺杆，所述螺杆下方通过螺纹安装于所述支架上；所述支架的板面上设置多个螺纹孔，用于布置所述螺杆；通过转动所述螺杆可带动所述支撑板上升或者下降。

用于模型试验煤层回采及充填模拟的试验系统的试验方法，包括如下内容：

模型制作之前，根据试验方案的煤层厚度，转动所述螺杆，带动多块较小所述支撑板整体上升与煤层厚度一致的高度，用于间接模拟模型底部煤层铺设；在所述反力框架内完成煤层模型铺设；通过所述液压油缸加载地应力。

如需开采模型中部煤层，取下相应位置的所述开挖横条，便可通过人工或者机械方式进行模拟该位置煤层回采。

如需开采模型底部煤层，按照开采方案的工作面方向及回采方向依次旋转对应位置的所述螺杆，带动所述支撑板按照工作面方向及回采方向依次下降指定高度，从而模拟回采过程。

如需模拟模型底部煤层采空区充填，按照充填方案中的充填方式及方向，依次旋转对应位置的所述螺杆，带动所述支撑板按照充填方式及方向依次上升指定高度，从而模拟采空区充填过程。

为了模拟采空区充填物沉降压实过程，根据充填物的性质及压实过程，缓慢旋转所述螺杆，带动所述支撑板缓慢微量降低，从而模拟充填物的沉降过程。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)能够简单快捷的实现不同工作面方向、不同回采方向及不同回采速度的煤层回采模拟；

(2)可准确模拟煤层回采、充填及充填物密实沉降的全过程，回采、充填及充填物沉降速度可控。

(3)适应性好，可适用于不同厚度煤层的模拟试验，还可实现厚煤层分层回采过程模拟。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明实施例的试验系统三维视图；

图2为本发明实施例的试验系统主视图；

图3为本发明实施例的回采装置三维视图1；

图4为本发明实施例的回采装置三维视图2；

其中，1、反力框架，1-1、反力梁，1-2、支撑底梁，1-3、开挖横条，1-4、液压油缸，2、基座，2-1、下挖槽，3、回采装置，3-1、支撑板，3-2、螺杆，3-3、支架。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

模型是指为开展模型试验而制作的试件，用于模拟一定范围煤岩地层。

正如背景技术所介绍的，现有煤层回采及充填模拟试验系统存在以下局限性：通用性差，无法开展不同工作面方向及回采方向的煤层回采模拟试验；功能单一，无法模拟煤层回采、充填及充填物密实沉降的全过程；操作复杂，需要在模型中设置多种构件，对模型的整体性及试验结果产生较大影响。

为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种适用于煤层回采及充填模拟的试验系统和方法。

以本发明所适用的模型底部煤层回采及充填模拟为例进行介绍。

如图1-图4所示，适用于煤层回采及充填模拟的试验系统，包括反力框架1、基座2及回采装置3。

反力框架1主要包括反力梁1-1、支撑底梁1-2、开挖横条1-3及液压油缸1-4；反力梁1-1为反力框架1的主体部分，形成模型制作空间及提供加载反力；支撑底梁1-2位于反力梁1-1底部，二者通过螺栓连接为一体；支撑底梁1-2与反力框架1内的模型接触面镂空处理；多条较窄开挖横条1-3通过螺栓安装于反力框架1的前面，试验过程中可拆除部分开挖横条1-3，以便模拟煤层回采；液压油缸1-4通过螺栓布置于反力框架1外肋板之间，用于模拟地应力加载。

基座2位于反力框架1下面，基座2的顶面通过地脚螺栓与反力框架1的支撑底梁1-2底面相连接，防止试验过程中反力框架1出现偏移现象；基座2设置下挖槽2-1，下挖槽2-1位于反力框架1内的模型正下方，下挖槽内布置回采装置3，下挖槽2-1的深度与回采装置3相对应。

回采装置3设置于反力框架1底部的基座2下挖槽2-1内，自上而下分别为支撑板3-1、螺杆3-2及支架3-3。支撑板3-1为尺寸较小的板式结构，支撑板3-1的尺寸大小决定了回采模拟精度及最小进尺；多块小尺寸的支撑板3-1拼接布置于支撑底梁1-2镂空位置，多块支撑板3-1的总面积与支撑底梁1-2镂空面积一致，支撑板3-1上表面与支撑底梁1-2上表面平齐。

每块支撑板3-1下表面的槽内对应布置两根螺杆3-2；螺杆3-2下方通过螺纹安装于支架3-3上，支架3-3的板面上设置多个螺纹孔，用于固定螺杆3-2；通过转动螺杆3-2可带动支撑板3-1上升或者下降。螺杆的转动可以是人工，也可以采用更加精确的伺服电机带动。

通过上述系统，能够简单快捷的实现不同工作面方向、不同回采方向及不同回采速度的煤层回采模拟；可准确模拟煤层回采、充填及充填物密实沉降的全过程，回采、充填及充填物沉降速度可控。

本发明还提供了适用于煤层回采及充填模拟的试验系统的试验方法，包括如下内容：

模型制作之前，根据试验方案的煤层厚度，转动螺杆3-2，带动多块较小支撑板3-1整体上升与煤层厚度一致的高度，用于间接模拟模型底部煤层铺设；在反力框架1内完成煤层模型铺设；通过液压油缸1-4加载地应力。

如需开采模型中部煤层，取下相应位置的开挖横条1-3，便可通过人工或者机械方式进行模拟该位置煤层回采；如需开采模型底部煤层，按照开采方案的工作面方向及回采方向依次旋转对应位置的螺杆3-2，带动支撑板3-1按照工作面方向及回采方向依次下降指定高度，从而模拟回采过程；如需模拟模型底部煤层采空区充填，按照充填方案中的充填方式及方向，依次反向旋转对应位置的螺杆3-2，带动支撑板3-1按照充填方式及方向依次上升指定高度，从而模拟采空区充填过程；如需模拟采空区充填物沉降压实过程，可根据充填物的性质及压实过程，缓慢旋转螺杆3-2，带动支撑板3-1缓慢微量降低，从而模拟充填物的沉降过程。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (4)

1.适用于煤层回采及充填模拟的试验系统，其特征在于，包括：

包括反力框架，用于形成模型制作空间及提供加载反力；

基座，用于支撑反力框架及布置回采装置；

回采装置，用于实现回采、充填及充填物密实沉降的全过程模拟;

所述反力框架包括反力梁、支撑底梁、开挖横条及液压油缸；所述反力梁为所述反力框架的主体部分，用于形成模型制作空间及提供加载反力；所述支撑底梁位于所述反力梁的底部，所述支撑底梁与模型接触面镂空处理，用于布置所述回采装置；所述开挖横条布置于所述反力框架前面，试验过程中可拆除某条所述开挖横条，通过人工或者简易机械方式实现该位置煤层回采模拟；所述液压油缸布置于所述反力框架侧部，用于模拟地应力加载。

2.根据权利要求1所述的适用于煤层回采及充填模拟的试验系统，其特征在于，所述基座顶面与所述反力框架底面相接触，支撑所述反力框架，所述基座上设置下挖槽，所述下挖槽的深度与所述回采装置相对应。

3.根据权利要求1所述的适用于煤层回采及充填模拟的试验系统，其特征在于，所述回采装置自上而下分别为支撑板、螺杆及支架，回采装置设置于反力框架底部的基座下挖槽内，多块小尺寸的所述支撑板拼接布置于所述支撑底梁镂空位置，所述支撑板上表面与所述支撑底梁上表面平齐；每块所述支撑板下方对应布置两根所述螺杆，所述螺杆下方通过螺纹安装于所述支架上；所述支架的板面上设置多个螺纹孔，用于布置所述螺杆；通过转动所述螺杆可带动所述支撑板上升或者下降。

4.根据权利要求3所述的适用于煤层回采及充填模拟的试验系统的试验方法，其特征在于，包括如下内容：

模型制作之前，根据试验方案的煤层厚度，转动所述螺杆，带动多块较小所述支撑板整体上升与煤层厚度一致的高度，用于间接模拟模型底部煤层铺设；在所述反力框架内完成煤层模型铺设；通过所述液压油缸加载地应力；

如需开采模型中部煤层，取下相应位置的所述开挖横条，便可通过人工或者机械方式进行模拟该位置煤层回采；

如需开采模型底部煤层，按照开采方案的工作面方向及回采方向依次旋转对应位置的所述螺杆，带动所述支撑板按照工作面方向及回采方向依次下降指定高度，从而模拟回采过程；

如需模拟模型底部煤层采空区充填，按照充填方案中的充填方式及方向，依次旋转对应位置的所述螺杆，带动所述支撑板按照充填方式及方向依次上升指定高度，从而模拟采空区充填过程；

为了模拟采空区充填物沉降压实过程，根据充填物的性质及压实过程，缓慢旋转所述螺杆，带动所述支撑板缓慢微量降低，从而模拟充填物的沉降过程。

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