CN110873715A - 模拟老空区煤泥水对下覆煤岩层力学作用的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟老空区煤泥水对下覆煤岩层力学作用的装置及方法，该装置包括采空区模拟缸体、进水装置、扰动装置、数据采集装置和恒温保温盖体；采空区模拟缸体一端与进水装置连接，进水装置另一端设置扰动装置，采空区模拟缸体的上方设有恒温保温盖，在采空区模拟缸体的外侧设有数据采集装置；煤颗粒样品位于采空区模拟缸体内；本发明设计使用模拟手段来还原采空区突水之前煤水混合物的作用对于突水的影响，分析不断增加的积水与残留煤混合后的煤水混合物的状态，在不同状态下对采空区下覆岩层的力学作用。
Description
技术领域
本发明涉及一种模拟老空区煤泥水对下覆煤岩层力学作用的装置及方法，属于采矿技术 领域。
背景技术
在煤炭生产作业中，水害防治是生产及科研的一大技术难题，尤其是老空区积水的水害问题更是最为严重之一。矿井严重水害问题则与采空区积水息息相关，通常由于采空区年代久远，积水量逐年增涨使得采空区下部煤岩层受到相当大的力的作用，使得煤岩层破坏，发生突水事故造成重大灾害。与此同时在采空区积水积聚的过程中，由于采空区下部会有残留煤层或者残留煤颗粒，在掘进扰动的情况下积水与残留煤混合形成固液共存体或者煤泥水，对下部煤岩层形成不均匀的应力作用使得采空区积水引起的水害问题更加复杂。
现阶段针对采空区积水问题还停留在积水对下覆煤岩层的力学作用或者化学侵蚀作用，而对于研究采空区积水与残留煤形成的固液共存体或者胶状物质对下覆岩层的力学作用研究甚少，因此对采空区所形成残留煤与水混合物的研究尤为重要。
发明内容
本发明旨在提供一种模拟老空区煤泥水对下覆煤岩层力学作用的装置及方法，具体是一种模拟老空区逐年增加的积水与残留煤在掘进扰动的作用下形成的煤水混合物对下覆岩层产生力学作用的测定装置及方法，用以模拟老空区逐年增加的积水与残留煤所形成的不同煤水混合物的作用效果，并且，模拟引起最大变化量时的积水量来反向推演出采空区突水的临界条件。
本发明提供了一种模拟老空区煤泥水对下覆煤岩层力学作用的装置，所述装置包括：采空区模拟缸体、进水装置、扰动装置、数据采集装置和恒温保温盖体；
采空区模拟缸体一端与进水装置连接，进水装置另一端设置扰动装置，采空区模拟缸体的上方设有恒温保温盖，在采空区模拟缸体的外侧设有数据采集装置；
所述采空区模拟缸体为长方体结构，尺寸为400mm*500mm*800mm，由厚度10mm的无盖透明有机聚酯纤维材料拼接固定封闭长方体，在其侧面距离底部高50mm中心位置留有直径35mm的开孔，并且在其四个侧面中间位置都带有从底部到顶部的刻度，从0开始直到最顶端；在其底部铺设400mm*500mm*200mm的慢回弹模拟下垫层，材质为慢回弹海绵，在其上面使用隔水胶带将400mm*500mm*1mm的高强度隔水薄膜粘贴固定，用以隔离采空区模拟积水与残留煤。
所述进水装置包括：直径10mm的进水管道，进水管道一端与流量计、水速调节阀门、容积为0.5m3钢制增压水箱连接，进水管另一端与闭合环形模拟加水装置留有的开孔通过502胶水粘住，使两者连接，模拟加水装置为直径10mm环形闭合软管，总长度为1800mm，其一端留有10mm开孔，黏贴在所述采空区模拟缸体上部内壁处，其朝向内部一侧留有直径1mm、间距20mm的圆形小孔；
所述扰动装置为型号ZN35*4M型的振动器，其振动头直径为35mm，振动头长度为370mm，软轴直径为10mm，软管外径为30mm，振动频率为200Hz，振幅为0.8mm，电动机功率为1.1Kw，总重为25kg。
所述数据采集装置包括四个高像素摄像机，其正对所述采空区模拟缸体四个侧面，用以记录刻度变化。
所述恒温保温盖为1000mm*1000mm*1000mm厚度10mm透明带有加热丝的无底立方体结构，并且其上带有温度计用以控制内部温度。
所述煤颗粒样品为镜质组反射率R o，max范围在4-5，粒径尺寸分为0.25-0.5mm、0.5-1mm、1-3mm或3-6mm。
本发明提供了一种模拟老空区煤泥水对下覆煤岩层力学作用的方法，包括以下步骤：
步骤一：先将振动器通过预留孔洞放入采空区模拟缸体，然后将慢回弹模拟下垫层缓慢塞入，等一段时间（大约5min）过后，消除因为慢回弹模拟下垫层在塞入过程引起的形变，将高强度隔水薄膜轻轻放置在慢回弹模拟下垫层上，使用隔水胶带高强度隔水薄膜四边粘贴在采空区模拟缸体内壁上，并且保证粘贴的密封性。将煤颗粒样品均匀的铺设在高强度隔水薄膜上。
步骤二：检查装置是否密封，将振动器连入电源，同时打开增压水箱开关，使用水速调节阀门调节流入采空区模拟缸体的水流大小，防止因为水速过大冲散铺设的煤颗粒样品，同时确定初次水量，等达到所需水量后关掉增压水箱，观察在慢回弹模拟下垫层所形成的曲率并记录。
步骤三：继续打开增压水箱开关，往采空区模拟缸体通入水，记录通入水量，观察形成曲率大小，重复上述过程直至采空区模拟缸体水充满。
步骤四：读取高像素摄像机里面所记录的数据，并将其整理成图像观察其中规律。
本发明的有益效果：
与现有技术相比，本发明着眼于采空区在逐年积水的过程中，积水量在缓慢增加使得积水与残留煤的相互混合从而对下覆岩层产生力学作用。并且，设计使用模拟手段来还原采空区突水之前煤水混合物的作用对于突水的影响，分析不断增加的积水与残留煤混合后的煤水混合物的状态，在不同状态下对采空区下覆岩层的力学作用。
附图说明
图1为本发明模拟采空区积水与残留煤混合物对下覆煤岩层的作用结构示意图；
图2为采空区模拟缸体的俯视图；
图中，1-煤颗粒样品；2-高强度隔水薄膜；3-慢回弹模拟下垫层；4-进水管道；5-采空区模拟缸体；6-增压水箱；7-水速调节阀门；8-流量计；9-振动器；10-恒温保温盖；11-模拟加水装置。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
实施例1：
本实施例提供一种模拟老空区煤水混合物对下覆煤岩层作用的装置，如图1所示，包括模拟加水装置11、煤颗粒样品1，采空区模拟缸体5，增压水箱6，水速调节阀门7，振动器9，慢回弹模拟下垫层3，高强度隔水薄膜2。
采空区模拟缸体5一端与进水装置连接，进水装置另一端设置扰动装置，采空区模拟缸体的上方设有恒温保温盖10，在采空区模拟缸体5的外侧设有数据采集装置；
所述煤颗粒样品1为镜质组反射率R o，max范围在4-5，粒径尺寸分为0.25-0.5mm，0.5-1mm,1-3mm,3-6mm；所述采空区模拟缸体5为400mm*500mm*800mm厚度10mm无盖透明有机聚酯纤维拼接固定封闭长方体，在其侧面距离底部高50mm中心位置留有直径35mm的开孔用以让振动器9穿过底部提供扰动，在其底部铺设400mm*500mm*200mm的慢回弹模拟下垫层3材质为慢回弹海绵，在其上面使用隔水胶带将400mm*500mm*1mm的高强度隔水薄膜2粘贴固定，用以隔离采空区模拟积水与残留煤，取煤颗粒样品1均匀铺设在高强度隔水薄膜2上，在采空区模拟缸体5四个侧面中间位置都留有从下到上的刻度用以观察高强度隔水薄膜2在受到不断增加积水的煤水混合物重力作用下的形变曲率。
进一步的，直径10mm的所述进水管道4的一端与流量计8、水速调节阀门7、容积为0.5m3钢制增压水箱6依次连接，进水管另一端与闭合环形模拟加水装置11留有的开孔通过502胶水粘住，使两者连接，模拟加水装置为直径10mm环形闭合软管，总长度为1800mm，其一端留有10mm开孔，黏贴在所述采空区模拟缸体5上部内壁处，其朝向内部一侧留有直径1mm、间距20mm的圆形小孔。
所述扰动装置为型号ZN35*4M型的振动器，其振动头直径为35mm，振动头长度为370mm，软轴直径为10mm，软管外径为30mm，振动频率为200Hz，振幅为0.8mm，电动机功率为1.1Kw，总重为25kg。
进一步地，所述恒温保温盖为1000mm*1000mm*1000mm厚度10mm透明带有加热丝的无底立方体结构，并且其上带有温度计用以控制内部温度。在进行试验时使用恒温保温盖10盖在采空区模拟缸体5上，调节加热丝功率观察温度保持其内部温度恒定。
进一步地，所述数据采集装置包括四个高像素摄像机，其正对所述采空区模拟缸体四个侧面，用以记录刻度变化。使用高像素摄像机用以观察在通入水后，随着振动器9的扰动，通入水量的增加，所形成不同状态煤水混合物慢回弹模拟下垫层3形成的凹形曲线的变化，同时记录不同水量时的曲率。
本实施例还提供了一种模拟老空区煤水混合物对下覆煤岩层作用的方法，具体步骤如下：
步骤一：先将振动器通过预留孔洞放入采空区模拟缸体，然后将慢回弹模拟下垫层缓慢塞入，等5min过后，消除因为慢回弹模拟下垫层在塞入过程引起的形变，将高强度隔水薄膜轻轻放置在慢回弹模拟下垫层上，使用隔水胶带高强度隔水薄膜四边粘贴在采空区模拟缸体内壁上，并且保证粘贴的密封性。将煤颗粒样品均匀的铺设在高强度隔水薄膜上。
步骤二：检查装置是否密封，将振动器连入电源，同时打开增压水箱开关，使用水速调节阀门调节流入采空区模拟缸体的水流大小，防止因为水速过大冲散铺设的煤颗粒样品，同时确定初次水量，等达到所需水量后关掉增压水箱，观察在慢回弹模拟下垫层所形成的曲率并记录。
步骤三：继续打开增压水箱开关，往采空区模拟缸体通入水，记录通入水量，观察形成曲率大小，重复上述过程直至采空区模拟缸体水充满。
步骤四：读取高像素摄像机里面所记录的数据，并将其整理成图像观察其中规律。
Claims (9)
1.一种模拟老空区煤泥水对下覆煤岩层力学作用的装置，其特征在于：包括采空区模拟缸体、进水装置、扰动装置、数据采集装置和恒温保温盖体；采空区模拟缸体一端与进水装置连接，进水装置另一端设置扰动装置，采空区模拟缸体的上方设有恒温保温盖，在采空区模拟缸体的外侧设有数据采集装置；煤颗粒样品位于采空区模拟缸体内；
所述采空区模拟缸体为长方体结构，在其侧面留有直径35mm的开孔，并且在其四个侧面的中心位置均设有从底部到顶部的刻度，从0开始直到最顶端；在其底部设有慢回弹模拟下垫层，在慢回弹模拟下垫层的上面使用隔水胶带将高强度隔水薄膜粘贴固定，用以隔离采空区模拟积水与残留煤；
所述进水装置包括进水管道，进水管道的一端与流量计、水速调节阀门、钢制增压水箱连接，进水管另一端与闭合环形模拟加水装置留有的开孔通过502胶水粘住，使两者连接，模拟加水装置为直径10mm环形闭合软管，总长度为1800mm，其一端留有10mm开孔，黏贴在所述采空区模拟缸体上部内壁处，其朝向内部一侧留有直径1mm、间距20mm的圆形小孔；
所述扰动装置为振动器；
所述数据采集装置包括四个高像素摄像机，其正对所述采空区模拟缸体四个侧面，用以记录刻度变化。
2.根据权利要求1所述的模拟老空区煤泥水对下覆煤岩层力学作用的装置，其特征在于：
所述采空区模拟缸体的尺寸为400mm*500mm*800mm，由厚度10mm的无盖透明有机聚酯纤维材料拼接固定封闭长方体，在其侧面距离底部高50mm中心位置留有直径35mm的开孔。
3.根据权利要求1所述的模拟老空区煤泥水对下覆煤岩层力学作用的装置，其特征在于：
所述采空区模拟缸体的底部铺设400mm*500mm*200mm的慢回弹模拟下垫层，材质为慢回弹海绵，高强度隔水薄膜的尺寸为400mm*500mm*1mm。
4.根据权利要求1所述的模拟老空区煤泥水对下覆煤岩层力学作用的装置，其特征在于：
所述进水管道的直径为10mm。
5.根据权利要求1所述的模拟老空区煤泥水对下覆煤岩层力学作用的装置，其特征在于：
所述振动器的型号为ZN35*4M型，其振动头直径为35mm，振动头长度为370mm，软轴直径为10mm，软管外径为30mm，振动频率为200Hz，振幅为0.8mm，电动机功率为1.1Kw，总重为25kg。
6.根据权利要求1所述的模拟老空区煤泥水对下覆煤岩层力学作用的装置，其特征在于：
所述恒温保温盖为1000mm*1000mm*1000mm厚度10mm透明带有加热丝的无底立方体结构，并且其上带有温度计用以控制内部温度。
7.根据权利要求1所述的模拟老空区煤泥水对下覆煤岩层力学作用的装置，其特征在于：
钢制增压水箱的容积为0.5m3。
8.一种模拟老空区煤泥水对下覆煤岩层力学作用的方法，采用权利要求1~7任一项所述的模拟老空区煤泥水对下覆煤岩层力学作用的装置，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：先将振动器通过预留孔洞放入采空区模拟缸体，然后将慢回弹模拟下垫层缓慢塞入，等5min过后，消除因为慢回弹模拟下垫层在塞入过程引起的形变，将高强度隔水薄膜轻轻放置在慢回弹模拟下垫层上，使用隔水胶带高强度隔水薄膜四边粘贴在采空区模拟缸体内壁上，并且保证粘贴的密封性，将煤颗粒样品均匀地铺设在高强度隔水薄膜上；
步骤二：检查装置是否密封，将振动器连入电源，同时打开增压水箱开关，使用水速调节阀门调节流入采空区模拟缸体的水流大小，防止因为水速过大冲散铺设的煤颗粒样品，同时确定初次水量，等达到所需水量后关掉增压水箱，观察在慢回弹模拟下垫层所形成的曲率并记录；
步骤三：继续打开增压水箱开关，往采空区模拟缸体通入水，记录通入水量，观察形成曲率大小，重复上述过程直至采空区模拟缸体水充满；
步骤四：读取高像素摄像机里面所记录的数据，并将其整理成图像观察其中规律。
9.根据权利要求8所述的模拟老空区煤泥水对下覆煤岩层力学作用的方法，其特征在于：所述煤颗粒样品为镜质组反射率R o，max范围在4-5，粒径尺寸分为0.25-0.5mm、0.5-1mm、1-3mm或3-6mm。
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