CN111239366B - 无煤柱自成巷自动化开采模型试验装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了无煤柱自成巷自动化开采模型试验装置与方法，它解决了现有技术精确度不高、难以模拟无煤柱自成巷开采核心工艺的问题，能够模拟开采情况，实现一机多用。其技术方案为：包括组合式反力装置、柔性加载装置、自动开采成巷装置、监测装置及智能控制中心，智能控制中心对柔性加载装置、自动开采成巷装置进行控制且能够接收、处理由监测装置获得的数据；柔性加载装置包括加载油缸，加载油缸连接加载板，加载板端部设置调整层和传力层；自动开采成巷装置包括开采模拟装置和切缝模拟装置，开采模拟装置能够模拟巷道掘进和工作面开采；切缝模拟装置能够对模型体进行切割；监测装置用于对试验过程中的图像及数据进行采集和储存。

Description

无煤柱自成巷自动化开采模型试验装置与方法

技术领域

本发明涉及地质力学模型试验领域，尤其涉及无煤柱自成巷自动化开采模型试验装置与方法。

背景技术

长壁采煤法是目前普遍使用的采煤方法，其回采一个工作面需掘进两条巷道并留设一个区段煤柱，易形成应力集中区，围岩变形大，控制困难，不能满足深部煤炭安全开采要求，且煤柱在工作面回采后无法回收，造成煤炭资源浪费。基于此，无煤柱自成巷开采技术被提出，该技术通过采空区侧顶板超前预裂切缝，使采空区上覆岩层在自重及矿山压力作用下沿切缝面垮落形成沿空巷帮，从而为下一工作面服务，改变了传统长壁开采一面双巷模式。由于其切断了沿空巷道顶板与采空区上覆岩层间的应力传递路径，使巷道处于应力降低区，围岩更加稳定，同时，减少了巷道掘进量，节约了煤炭资源。

无煤柱自成巷开采技术是一项新的矿山开采方法，现阶段针对该技术的研究仍以现场工业性试验、数值模拟和理论分析为主，但是理论分析模型简化，数值模拟参数不精确，难以反映工程实际，现场试验无法监测围岩的全过程变化，且存在投入大、周期长等问题。地质力学模型试验能够真实反映地质构造和工程结构的空间关系，弥补上述研究方法的不足，真实模拟开采条件下的围岩变形破坏特征。开展地质力学模型试验，首先要设计相应的地质力学模型试验系统。发明人发现，目前已有的模型试验装置存在以下问题：

(1)已有地质力学模型试验装置大多为平面模型试验装置，没有真实准确的模拟围岩的应力状态，导致试验准确度降低、结果出现偏差。

(2)模型试验装置尺寸小。以有地质力学模型试验由于受到模型试验装置尺寸的影响，只能模拟工作面倾向长度的一小部分，与现场实际不符、结果出现较大偏差。

(3)针对无煤柱自成巷开采技术的核心工艺，如预裂切缝等，已有地质力学模型试验装置难以实现。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供无煤柱自成巷自动化开采模型试验装置与方法，能够模拟矿山工程领域中采用无煤柱自成巷技术或其他传统开采技术的开采情况，实现一机多用。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明的实施例提供了无煤柱自成巷自动化开采模型试验装置，包括组合式反力装置、柔性加载装置、自动开采成巷装置、监测装置及智能控制中心，所述智能控制中心通过无线方式对柔性加载装置、自动开采成巷装置进行控制且能够接收、处理并储存由监测装置获得的数据；

其中，柔性加载装置能够对组合式反力装置内部的模型体进行柔性加载，包括若干设置于框架的顶部和侧面的加载油缸；所述加载油缸连接加载板，且加载板端部依次设置调整层和传力层；

自动开采成巷装置包括开采模拟装置和切缝模拟装置，开采模拟装置能够模拟巷道的掘进和工作面开采；切缝模拟装置能够对模型体进行切割以形成切缝；监测装置，设于组合式反力装置外侧，用于对试验过程中的图像及数据进行采集和储存。

作为进一步的实现方式，所述开采模拟装置包括微型采掘机，切缝模拟装置包括无线切割机或激光切割仪，微型采掘机、无线切割机或激光切割仪能够通过无线方式与智能控制中心通讯。

作为进一步的实现方式，所述监测装置包括无线监测元件和数字照相装置，其中，数字照相装置设置于组合式反力装置外侧，无线监测元件用于监测模型体状态。

作为进一步的实现方式，所述无线监测元件包括按设定要求布设的无线应变测点、无线微型压力盒、无线位移测点和无线声发射测点。

作为进一步的实现方式，所述调整层和传力层为纳米橡胶层，且调整层设置为蜂窝状。

作为进一步的实现方式，所述加载油缸通过高压油管与位于组合式反力装置外部的液压泵站相连，所述液压泵站与智能控制中心相连以实现对模型体的加载和卸压。

作为进一步的实现方式，所述组合式反力装置包括模块化反力墙和框架，模块化反力墙安装于框架内，通过多个框架形成内部为空腔的立体结构。

作为进一步的实现方式，所述框架包括顶梁、侧梁和底梁，且顶梁与底梁之间、侧梁之间连接加劲肋；相邻框架的顶梁、侧梁和底梁分别连接在一起；所述框架内侧涂抹有低摩阻材料。

作为进一步的实现方式，所述框架侧面开设开挖洞口和透视窗口，透视窗口位于开挖洞口上方。

第二方面，本发明的实施例还提供了无煤柱自成巷自动化开采模型试验方法，包括：

分层摊铺模型体相似材料并碾压夯实，直至填筑完成；在填筑模型体相似材料过程中，埋设无线监测元件，并架设数字照相装置；观察无线监测元件是否工作正常；

待模型体晾干后封顶，采用柔性加载装置对模型体的上表面、侧表面进行加载；在荷载达到设计地应力值后稳压设定时间，将切缝模拟装置放置在待模拟切缝部位，通过切缝模拟装置对模型体进行切割从而形成切缝；

将微型采掘机放置在开挖洞口，进行切割回采；待微型采掘机开采掘进完成后，将采集到的试验数据进行提取和处理。

上述本发明的实施例的有益效果如下：

(1)本发明实施例的模型试验装置由框架、模块化反力墙形成容纳模型体的结构，可根据具体试验的尺寸要求，进行组合式反力装置的拼装，可真实模拟完整工作面长度；通过柔性加载装置进行加载，避免出现加载压头与边界切向变形的不同步的现象；

(2)本发明实施例可实现多模式的自动开采，避免了由于在试验过程中开挖进尺增大后，上覆岩层随煤层开采垮落，传统人工开采方式无法继续进行试验开采的问题；通过切缝模拟装置能够实现多模式的对无煤柱自成巷开采技术中核心工艺—预裂切缝的模拟。

(3)本发明实施例设置智能控制中心，能够对柔性加载装置、自动开采成巷装置的运行进行同步精准控制，同时可接收、处理并储存由无线监测元件获得的各项试验数据，从而实现一机多用。

附图说明

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

图1为本发明实施例一的整体结构示意图；

图2为本发明实施例一的组合式反力装置内部结构图；

图3(a)为本发明实施例一的自动开采成巷装置示意图；

图3(b)-3(c)为本发明实施例一的自动采掘机示意图；

图4(a)-图4(b)为本发明实施例一的切缝模拟装置示意图；

图4(c)为本发明实施例二的切缝模拟装置示意图；

图5(a)为本发明实施例一的无线应变测点示意图；

图5(b)为本发明实施例一的无线微型压力盒示意图；

图5(c)为本发明实施例一的无线位移测点示意图；

图5(d)为本发明实施例一的无线声发射测点示意图；

其中，1.底座，2.模块化反力墙，3.框架，4.导向框，5.加劲肋，6.顶梁，7.侧梁，8.底梁，9.角钢，10.高强螺栓，11.低摩阻材料，12.无线应变花，13.开挖洞口，14.透视窗口，15.加载油缸，16.加载板，17.高压油管，18.液压泵站，19.智能控制中心，20.调整层，21.传力层，22.自动采掘机，23.微型照相机，24.刀片，25.无线切割机，26.驱动装置，27.切割装置，28.激光切割仪，29.无线应变测点，30.无线微型压力盒，31.无线位移测点，32.无线声发射测点，33.数字照相装置。

图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用。

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；

为了方便叙述，本申请中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

术语解释部分:本申请中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在精确度不高、难以模拟无煤柱自成巷开采技术的核心工艺的不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出了无煤柱自成巷自动化开采模型试验装置与方法。

实施例一：

下面结合附图1-图5对本发明进行详细说明，具体的，结构如下：

本实施例提供了无煤柱自成巷自动化开采模型试验装置,包括组合式反力装置、柔性加载装置、自动开采成巷装置和监测装置，组合式反力装置设置于底座1上方，作为模型试验容纳模型体的反力装置；柔性加载装置用于对试验模型进行独立、自动梯度加载与稳压；自动开采成巷装置可对巷道、切缝及工作面开采进行模拟；监测装置设置于组合式反力装置外侧，可对试验全过程中的图像及数据进行采集和储存。

组合式反力装置设置包括模块化反力墙2、框架3，如图1所示，在本实施例中，框架3与底座1形成内部为空腔的长方体结构，框架3构成长方体结构的五个面。其中，框架3包括顶梁6、侧梁7、底梁8、加劲肋5，顶梁6、底梁8和两个侧梁7形成矩形框结构；矩形框结构内通过若干加劲肋5形成网格结构。

相邻框架3通过角钢9及高强螺栓10将顶梁6、侧梁7和底梁8连接在一起。框架3内侧均涂抹有低摩阻材料11，以减小组合式模块化反力装置与模型体表面的摩擦，降低组合式模块化反力装置对模型体产生的边界效应。在本实施例中，低摩阻材料11为聚四氟乙烯。可以理解的，在其他实施例中，低摩阻材料11也可以为其他材料。

模块化反力墙2安装于框架3内，包括若干反力墙模块，反力墙模块固定于框架3的网格结构中。模块化反力墙2均匀布置透气孔12，有利于模型体相似材料的干燥。

组合式反力装置设置侧面开设开挖洞口13和透视窗口14，透视窗口14安装高强有机玻璃，方便模型试验进行开挖支护、数字照相、观察围岩变形破裂规律等。在本实施例中，组合式反力装置一侧的框架3设置开挖洞口13和透视窗口14，如图3(a)所示，透视窗口14位于开挖洞口13上方。

柔性加载装置包括若干加载油缸15、加载板16、液压泵站18，组合式反力装置的顶部和两侧均设置多个加载油缸15。具体的，框架13的网格结构中安装加载油缸15，加载油缸15通过高强螺栓10与框架13固定连接。所述加载油缸15端部与加载板16相连，通过加载板16对模型体进行加载。位于顶部的加载油缸15沿竖直方向安装，位于侧面的加载油缸15沿水平方向安装。为了避免垂直方向加载油缸15与水平方向加载油缸15在运动方程中发生碰撞，在框架13的顶角位置安装导向框14。在本实施例中，所述导向框14为矩形框结构。

如图2所示，加载板16前端设有调整层20和传力层21，在本实施例中，所述调整层20和传力层21为纳米橡胶层，且调整层20设置为蜂窝状。调整层20位于加载板16和传力层21之间，传力层21与模型体表面接触，从而达到柔性加载的目的，避免出现加载压头与边界切向变形的不同步的现象。

加载油缸15连接高压油管17的一端，高压油管17的另一端与液压泵站18相连。液压泵站18共有多路油路，在本实施例中，液压泵站18共有5路油路，左右两侧加载油缸15每排各由一路油路控制，上部加载油缸15由一路油路控制，可实现不同水平应力的均匀梯度加载。

液压泵站18一侧设置智能控制中心19，智能控制中心19包括计算机，通过控制智能控制中心19对各油路的加压值进行控制，实现试验模型上下、左右的独立、自动梯度加载与稳压。智能控制中心19可进行程序的设定，通过位于其内部的无线信号收发装置可对柔性加载装置、自动开采成巷装置的运行进行同步精准控制，同时可接收、处理并储存由无线监测元件获得的各项试验数据，从而实现一机多用。

自动开采成巷装置设于框架3与底座1构成的空腔内，包括开采模拟装置和切缝模拟装置，开采模拟装置包括微型采掘机22，如图3(a)所示，微型采掘机22置于开挖洞口13处。

具体的，如图3(b)-3(c)所示，微型采掘机22包括动力系统、车架、无线传感器、采掘系统和微型照相机23组成，微型照相机23安装于车架顶部，车架两端安装有可绕地面垂直方向360度转动的刀片24，刀片24可根据巷道尺寸和工作面采高进行更换；通过刀片24的旋转可模拟巷道的快速掘进和工作面开采。微型照相机23可对巷道掘进或工作面开采过程进行实时拍照；无线传感器可与智能控制中心19进行实时信息传递。智能控制中心19可进行编程，通过内部的无线传感器将实时指令传输给微型采掘机22，从而实现对微型采掘机22的实时、精准操控。

如图4(a)所示，切缝模拟装置包括无线切割机25，所述无线切割机25位于反力装置前方，正对需要模拟切缝部位，如图4(b)所示，无线切割机25包括驱动装置26、切割装置27，通过智能控制中心19设定切缝切割程序，并将指令传输到位于无线切割机25内部的无线信号接收装置，使驱动装置26带动切割装置27向前移动，对模型体进行切割从而形成切缝。

监测装置可对试验全过程中的图像及数据进行采集和储存，包括无线监测元件和数字照相装置33，可实现对试验过程中围岩应力、位移、表面变形、内部裂隙等各项数据的实时监控、处理及存储。数字照相装置33包括内部设置有无线信号发射器的超高像素相机，通过微型无线信号发射器将拍摄到的围岩表面变形图像传输给智能控制中心19。

所述无线监测元件包括无线应变测点29、无线微型压力盒30、无线位移测点31、无线声发射测点32。如图5(a)所示，无线应变测点29包括由模型体相似材料做成的应变砖和贴在应变砖表面的无线应变花12，无线应变花12内部设有微型无线信号发射器，通过微型无线信号发射器将测得的应变数据传输给智能控制中心19。

如图5(b)所示，无线微型压力盒30内部设置有高精度微型压力传感器和微型无线信号发射器，通过微型无线信号发射器将测得的压力数据传输给智能控制中心19。

如图5(c)所示，无线位移测点31内部设置有高敏感度的微型位移传感器和微型无线信号发射器，通过微型无线信号发射器将测得的位移数据传输给智能控制中心19。如图5(d)所示，无线声发射测点32内部设置高精度声敏传感器和微型无线信号发射器，通过微型无线信号发射器将测得的声发射数据传输给智能控制中心19。

实施例二：

本实施例提供了无煤柱自成巷自动化开采模型试验装置,包括组合式反力装置、柔性加载装置、自动开采成巷装置和监测装置，自动开采成巷装置包括开采模拟装置和切缝模拟装置，如图4(c)所示，切缝模拟装置包括高精度的激光切割仪28，激光切割仪28位于组合式模块化反力装置前方，正对模型体需要进行切缝的部位，通过智能控制中心19设定切缝预裂程序，并将指令传输到位于激光切割仪28内部的无线信号接收器，使激光切割仪28按照设定程序对模型体进行切割，被切割部位的模型体相似材料瞬间气化形成切缝。

其他结构与实施例一相同，此处不再赘述。

实施例三：

本实施例提供了无煤柱自成巷自动化开采模型试验方法，包括以下步骤：

步骤(1)自下而上分层摊铺模型体相似材料并碾压夯实，直至填筑完成；同时，在填筑模型体相似材料的过程中，根据试验方案，在模型体相似材料中，埋设无线应变测点29、无线微型压力盒30、无线位移测点31，在组合式反力装置外壁上采用热熔胶粘贴无线声发射测点32，同时架设无线数字照相装置33。

步骤(2)通过智能控制中心19查看并调试各无线监测元件，观察无线监测元件是否工作正常。

步骤(3)待模型体晾干后封顶，采用柔性加载装置对模型体的上表面以及左右两个侧表面进行加载，水平应力按照阶梯加载的方式进行加压，竖向应力施加均布荷载。在荷载达到设计地应力值后稳压一段时间。同时，通过智能控制中心19查看各观测无线监测元件的数据是否正常。

步骤(4)将无线切割机25或激光切割仪28放置在正对需要模拟切缝部位，通过智能控制中心19设定切缝切割程序，并将指令传输到位于无线切割机25或激光切割仪28内部的无线信号接收器，使无线切割机25或激光切割仪28调整切割角度和切割深度，无线切割机25或激光切割仪28对模型体进行切割从而形成切缝。

步骤(5)将微型采掘机22放置在开挖洞口13中，通过智能控制中心将指令传输到位于微型采掘机22内部的无线信号接收器，使微型采掘机22旋转刀片24按照设定程序行进，进行切割回采。并通过智能控制中心19实时监控采集到的数据情况。

步骤(6)待微型采掘机22开采掘进完成后，将智能控制中心19采集到的试验过程中的围岩应力、位移、表面变形和内部裂隙灯数据和图像资料进行提取和处理。得到完整的采场应力和围岩变形破坏情况，揭示完整的岩层运动及全过程围岩演化规律。

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 (10)

1.无煤柱自成巷自动化开采模型试验装置，其特征在于，包括组合式反力装置、柔性加载装置、自动开采成巷装置、监测装置及智能控制中心，所述智能控制中心通过无线方式对柔性加载装置、自动开采成巷装置进行控制且能够接收、处理并储存由监测装置获得的数据；

其中，柔性加载装置能够对组合式反力装置内部的模型体进行柔性加载，包括若干设置于框架的顶部和侧面的加载油缸；所述加载油缸连接加载板，且加载板端部依次设置调整层和传力层；

自动开采成巷装置包括开采模拟装置和切缝模拟装置，开采模拟装置能够模拟巷道的掘进和工作面开采；切缝模拟装置能够对模型体进行切割以形成切缝；监测装置，设于组合式反力装置外侧，用于对试验过程中的图像及数据进行采集和储存。

2.根据权利要求1所述的无煤柱自成巷自动化开采模型试验装置，其特征在于，所述开采模拟装置包括微型采掘机，切缝模拟装置包括无线切割机或激光切割仪，微型采掘机、无线切割机或激光切割仪能够通过无线方式与智能控制中心通讯。

3.根据权利要求2所述的无煤柱自成巷自动化开采模型试验装置，其特征在于，所述监测装置包括无线监测元件和数字照相装置，其中，数字照相装置设置于组合式反力装置外侧，无线监测元件用于监测模型体状态。

4.根据权利要求3所述的无煤柱自成巷自动化开采模型试验装置，其特征在于，所述无线监测元件包括按设定要求布设的无线应变测点、无线微型压力盒、无线位移测点和无线声发射测点。

5.根据权利要求1所述的无煤柱自成巷自动化开采模型试验装置，其特征在于，所述调整层和传力层为纳米橡胶层，且调整层设置为蜂窝状。

6.根据权利要求1所述的无煤柱自成巷自动化开采模型试验装置，其特征在于，所述加载油缸通过高压油管与位于组合式反力装置外部的液压泵站相连，所述液压泵站与智能控制中心相连以实现对模型体的加载和卸压。

7.根据权利要求1所述的无煤柱自成巷自动化开采模型试验装置，其特征在于，所述组合式反力装置包括模块化反力墙和框架，模块化反力墙安装于框架内，通过多个框架形成内部为空腔的立体结构。

8.根据权利要求7所述的无煤柱自成巷自动化开采模型试验装置，其特征在于，所述框架包括顶梁、侧梁和底梁，且顶梁与底梁之间、侧梁之间连接加劲肋；相邻框架的顶梁、侧梁和底梁分别连接在一起；所述框架内侧涂抹有低摩阻材料。

9.根据权利要求7所述的无煤柱自成巷自动化开采模型试验装置，其特征在于，所述框架侧面开设开挖洞口和透视窗口，透视窗口位于开挖洞口上方。

10.无煤柱自成巷自动化开采模型试验方法，其特征在于，采用如权利要求3或4所述的试验装置，包括：

分层摊铺模型体相似材料并碾压夯实，直至填筑完成；在填筑模型体相似材料过程中，埋设无线监测元件，并架设数字照相装置；观察无线监测元件是否工作正常；

待模型体晾干后封顶，采用柔性加载装置对模型体的上表面、侧表面进行加载；在荷载达到设计地应力值后稳压设定时间，将切缝模拟装置放置在待模拟切缝部位，通过切缝模拟装置对模型体进行切割从而形成切缝；

将微型采掘机放置在开挖洞口，进行切割回采；待微型采掘机开采掘进完成后，将采集到的试验数据进行提取和处理。

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