CN112240924B - 一种多场可视化的采动相似模型实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多场可视化的采动相似模型实验装置，它涉及力学、传热学、实验和采矿领域，它是以工字形中空结构箱体为框架的封闭式结构。箱体顶部通口连接加压装置，内置实验体，箱体的底部通口外接收集装置。箱体侧壁竖直钻有通水渠且水平钻有与通水渠相通的通水螺丝孔，通水渠连接水流控制装置。通水渠内置注液装置以模拟煤气化。箱体内置液压枕以模拟采动层。箱体角度控制装置夹持箱体，改变箱体倾角。模拟材料采用原位一致材料并进行颗粒配比。本发明适用性较强，通过调节螺栓、液压枕、矩形气囊、注液种类和流速以及箱体倾角，可分析得到不同开采形式、地质条件的原位岩土体的岩层位移场、应力场和裂隙场等多场可视化的演化规律。
Description
技术领域
本发明涉及到一种多场可视化的采动相似模型实验装置，尤其是一种适合不同开采形式下不向地质条件的原位岩土体多场可视化实验的装置，属于力学、传热学、实验和采矿领域。
背景技术
在矿山开采过程中，受开采扰动影响，矿区内的突水和瓦斯等事故频繁发生，而传统的岩石渗流理论已经不适用于采动破碎岩体渗流特性。随着高采深、高采厚和恶劣的采区环境等引发的“三高一扰动”，采动岩体渗流理论逐渐成型。
在运用现有采动岩体渗流理论来分析采矿过程中，常常通过现场原位实验和室内试验来确定相关参数指标，再进行相似模拟实验。但往往由于矿区的规模太大，现场原位试验不够经济，室内试验无法准确描述地层之间、地层与地下水层之间的耦合作用以及水力和温力边界效应问题，尤其是不具备在实验中同步观测多场演化规律的能力，使得研究与现场实际常常出现一定偏差的情况。
发明内容
本发明的目的是为克服现场原位试验不够经济、相似材料不精确，地质岩性、室内试验边界太模糊以及水力和温力边界无法定量调整的不足，以达到对不同采矿环境采矿中上覆岩层出现情况的及时预见和提高采矿的安全性、经济性、科学性。
为了实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种多场可视化的采动相似模型实验装置，其特征在于：包括箱体、密封装置、注液装置、箱体角度控制装置、加压装置、收集装置、采动装置和水流控制装置；箱体密封，箱体内部包括从上而下依次排列的加载装置和实验体，实验体由相似材料制成。
所述箱体为工字形中空结构，采用钢质材料制成。
所述箱体左壁中向下钻有通水渠，箱体右壁向上钻有通水渠，箱体左右两壁内侧水平钻有对称的均布的通水螺丝孔，该侧通水螺丝孔与该侧通水渠相通，且均与所述水流控制装置相关联，该水流控制装置包括左壁通水渠外侧活动连接的水泵和加装在通水螺丝孔上的螺栓；箱体顶部和底部设有均匀对称的通口，顶部通口连通所述加压装置，该加压装置包括顶部通口外侧活动连接的气泵和紧贴顶部通口的矩形气囊，矩形气囊下方紧贴实验体；底部通口上接铺设好的实验体，下接所述收集装置，该收集装置包括液体收集器和与其相连的流量计；
所述箱体密封需用到所述密封装置，包括箱体前侧板、箱体后侧板、螺柱和螺母。将该箱体前侧板、箱体后侧板依次对称铺设，再通过同样位置水平钻有的螺丝孔将该箱体前侧板、箱体后侧板与所述箱体一一对应后加装螺柱和螺母进行密封。用所述箱体角度控制装置固定和调整密封箱体，该箱体角度控制装置包括夹持器，可调节弹簧，底座和加固板。所述夹持器固定密封的箱体，可调节弹簧上连夹持器，下接底座。所述加固板紧贴实验装置外表面。
所述采动装置，是由均匀排布在模拟采动层位置的同规格的液压枕和有沟槽的箱体后侧板组成。在进行模拟采动时，所述箱体后侧板置换为相同规格的所述有沟槽的箱体后侧板，沟槽与模拟采动层处于水平方向的同样位置，通过细管依次将液压枕中的液压油抽出，达到模拟采动的效果。
所述注液装置是进行煤地下气化相似模拟时需要加装的设备，包括不规则弯管、导管和微倾式分流导液管。该不规则弯管从模拟煤层所在位置的通水螺丝孔拧进，上接箱体左侧通水渠中的导管，侧接模拟煤层中的预埋的微倾式分流导液管。
优选地，上述技术方案中，在注入液体中添加荧光剂，可进行实验体流场和裂隙场的可视化相似模拟。
优选地，上述技术方案中，通过对通水螺丝孔加装封闭螺栓可进行不含水的相似模拟实验。该实验中，拆掉箱体前侧板或箱体后侧板，在实验体表面喷涂哑光漆进行数字散斑观测，可进行实验体的裂隙场、应力场以及应变场的可视化相似模拟；
优选地，上述技术方案中，通过加装所述注液装置以及更换注入液体种类可进行煤地下气化的相似模拟实验。该实验中，拆掉箱体前侧板和箱体后侧板，在实验体的前侧通过喷涂哑光漆进行数字散斑观测，在实验体的后侧通过红外摄像机进行温度检测，可实现煤地下气化的相似模拟实验的应力场、应变场以及温度场的可视化。
优选地，上述技术方案中，不规则弯管、导管和微倾式分流导液管均采用耐高温防腐蚀材料。准备多个同样规格的导管。
优选地，上述技术方案中，箱体前侧板和箱体后侧板均采用钢化玻璃制成。
优选地，上述技术方案中，加装在通水螺丝孔处的螺栓均采用平头螺栓。
优选地，上述技术方案中，箱体、箱体前侧板和箱体后侧板的接合处均涂抹防水胶或防水腻子。
优选地，上述技术方案中，实验体采用的相似材料均采用原位一致材料，并进行相关颗粒配比。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、该多场可视化的采动相似模型实验装置的箱体板采用钢化玻璃制成，有利于不同实验需要下的观测多场可视化；
2、该多场可视化的采动相似模型实验装置的加载均匀可控，矩形气囊实现了施力和传力的均匀性，气泵可根据不同应力相似比情况通过调节矩形气囊压力大小，使模拟地层应力边界按需分布；
3、该多场可视化的采动相似模型实验装置的模拟采动易于操作，根据不同开采形式，可对不同位置的液压枕抽油，以模拟实际的采动；
4、该多场可视化的采动相似模型实验装置，根据实际地下河成分、分布和流速，通过配置溶液、调节通水渠和两侧通水螺丝孔的连通情况以及水泵的速率，以模拟地下河流动；
5、该多场可视化的采动相似模型实验装置，通过对通水螺丝孔加装封闭螺栓，以模拟不含水的采动；
6、该多场可视化的采动相似模型实验装置，通过加装注液装置以及更换注入的液体种类，将采动模拟改为燃烧采动模拟，以模拟实际煤层地下气化；
7、该多场可视化的采动相似模型实验装置，通过加装和调节箱体角控制装置，以防止液体侧流造成的实验误差；
8、该多场可视化的采动相似模型实验装置中，实验体采用的模拟材料为了尽可能还原地质问题，应采用原位一致材料，并进行相关颗粒配比，以更好地反映原位问题。
总之，该多场可视化的采动相似模型实验装置安全、方便、经济、易操作、适用性强，可有效模拟不同开采形式下不同地质条件的原位岩土体多场可视化实验。
附图说明
为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细的描述。
图1是本发明的箱体三维构造示意图；
图2是本发明的箱体密封的三维装配示意图；
图3是本发明的注液装置的局部构造放大示意图；
图4是本发明的箱体角度控制装置的三维构造示意图；
图5是本发明的剖面图；
图6是本发明的采动装置三维构造示意图；
图中，1-箱体前侧板；2-箱体后侧板；3-箱体；4-矩形气囊；5-空气泵；6-水泵；7-螺柱；8-螺母；9-螺栓；10-流量计；11-液体收集器；12-顶部通口；13-底部通口；14-螺丝孔；15-通水螺丝孔；16-通水渠；17-注液装置；18-不规则弯管；19-导管；20-微倾式分流导液管；21-箱体角度控制装置；22-夹持器；23-可调节弹簧；24-底座；25-加固板；26-液压枕；27-有沟槽的箱体后侧板；28-沟槽；29-细管。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明作进一步详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1、图2、图3、图4和图5所示：一种多场可视化的采动相似模型实验装置，其特征在于，包括箱体3、密封装置、注液装置、箱体角度控制装置、加压装置、收集装置、采动装置和水流控制装置；工字形中空结构的箱体密封，箱体内填充有实验体。
如图1所示，所述箱体3的左壁中向下钻有通水渠16，右壁向上钻有通水渠16，左右两壁内侧钻有对称的均布的通水螺丝孔15，该侧通水渠16与该侧通水螺丝孔15相通。所述箱体3的设有均匀对称的顶部通口12和底部通口13。所述箱体3水平钻有均匀排布的螺丝孔14。
如图2所示，所述密封装置包括箱体前侧板1、箱体后侧板2、螺柱7、螺母8。所述箱体前侧板1和箱体后侧板2在箱体3的同样位置水平钻有均匀排布的螺丝孔14。通过加装所述螺柱7、螺母8进行箱体的密封。
所述注液装置17包括不规则弯管18、导管19和微倾式分流导液管20。如图3所示，所述不规则弯管18上接导管19，侧接微倾式分流导液管20。分流导液管采用微倾式，以防止液体的回流。结合图所示的本发明的剖面图，具体实施方式采用以下技术方案：将氧化剂注入导管19，经由不规则弯管18流入微斜式分流导液管20，均匀的充满模拟煤层。而后更换相同规格的导管19，沿同样路径同样方法注入还原剂，还原剂和氧化剂充分反应，以达到模拟实际煤地下气化的效果。其中，不规则弯管18的细端顶部应低于粗端的高度，以拧进通水螺丝孔15与伸入通水渠16中的导管19连接。
所述箱体角度控制装置21包括夹持器22，可调节弹簧23，底座24，加固板25。如图5所示，所述箱体角度控制装置21由可调节弹簧23将夹持器22与底座24相连。通过可调节弹簧23的升降来控制夹持箱体角度的目的，以防止液体侧流。通过加固板25加固实验装置，阻止其横向位移。
所述加压装置包括矩形气囊4和空气泵5。采用所述矩形气囊4以对下方实验体均匀施力、传力。如图5所示，所述矩形气囊4和空气泵5活动连接，矩形气囊4下方紧贴实验体。通过所述空气泵6矩形气囊4内的气压以调节施加力的大小。
所述收集装置包括流量计10和液体收集器11。如图5所示，该流量计10与液体收集器11相连，该液体收集器11上接底部通口13。
所述采动装置包括液压枕26和有沟槽的箱体后侧板27。如图6，同规格的所述液压枕26均匀排布在模拟采动层位置，所述箱体后侧板2置换为相同规格的所述有沟槽的箱体后侧板27，沟槽28与模拟采动层处于水平方向的同样位置，通过细管29依次将液压枕26中的液压油抽出，达到模拟采动的效果。
所述水流控制装置包括水泵6、螺栓9。如图5所示，通水渠16外侧活动连接所述水泵6。通过调节该水泵6，以模拟液体流动。箱体3左右两壁内侧钻有对称的均布的通水螺丝孔15，该侧通水螺丝孔15与该侧通水渠16相通，通过调整所述螺栓9改变液体注入和流出位置，以调节模拟的流动液体的位置。
实验过程：
1.流固耦合实验过程：组装箱体后侧板，并进行插板间密封。安装水流控制装置，在箱体内铺设相应岩石一致模拟材料制成的实验体，安装收集装置，安装气囊加压装置，安装箱体角度控制装置，安装密封装置。先由箱体角度控制装置调控角度，再由水流控制装置控制注水，随后由加压装置控制施力过程，最后由收集装置收集实验体渗出的液体。
2.煤地下气化实验过程：如需进行煤地下气化模拟实验，须在安装水流控制装置时加装注液装置，更改注入液体类型，先后注入氧化剂和还原剂。将装置直立，去掉前后插板，在前端喷涂哑光漆，并设置数字散斑装置，在后端布置红外测量装置。进行煤层点火，进行实验。
3.采动模拟实验过程：如需进行采动影响下的岩层模拟实验，须在整体装置安装完成后，在实验过程中使用采动装置，去掉前侧插板，喷涂哑光漆，布置数字散斑装置，布置完成后进行开挖模拟。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
总之，本发明，具有安全、方便、经济、易操作、适用性强，可按实际工程需要，通过调节实验装置，有效模拟不同开采形式下不同地质条件的原位岩土体多场可视化实验，有助于对现场情况进行分析、预测和设计。此外，在此基础上还可以进一步改装研发THMC多场耦合相似模拟实验装置。
以上所述，仅为较佳的具体实施方式。本发明的保护范围不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种多场可视化的采动相似模型实验装置，其特征在于，包括：
箱体、密封装置、注液装置、箱体角度控制装置、加压装置、收集装置、采动装置和水流控制装置；箱体密封，箱体内部包括从上而下依次排列的加载装置和实验体，实验体由原位一致相似材料制成；
所述箱体为工字形中空结构，采用钢质材料制成；
所述箱体左壁中向下钻有通水渠，箱体右壁向上钻有通水渠，箱体左右两壁内侧水平钻有对称的均布的通水螺丝孔，该侧通水螺丝孔与该侧通水渠相通，且均与所述水流控制装置相关联，该水流控制装置包括左壁通水渠外侧活动连接的水泵和加装在通水螺丝孔上的螺栓；箱体顶部和底部设有均匀对称的通口，顶部通口连通所述加压装置，该加压装置包括顶部通口外侧活动连接的气泵和紧贴顶部通口的矩形气囊，矩形气囊下方紧贴实验体；底部通口上接铺设好的实验体，下接所述收集装置，该收集装置包括液体收集器和与其相连的流量计；
所述箱体密封需用到所述密封装置，包括箱体前侧板、箱体后侧板、螺柱、螺母；将该箱体前侧板、箱体后侧板依次对称铺设，再通过同样位置水平钻有的螺丝孔将该箱体前侧板、箱体后侧板与所述箱体一一对应后加装螺柱和螺母进行密封；用所述箱体角度控制装置固定和调整密封箱体，该箱体角度控制装置包括夹持器，可调节弹簧，底座和加固板；夹持器固定密封的箱体，可调节弹簧上连夹持器，下接底座；所述加固板紧贴实验装置外表面；
所述采动装置，是由均匀排布在模拟采动层位置的同规格的液压枕和有沟槽的箱体后侧板组成；在进行模拟采动时，所述箱体后侧板置换为相同规格的有沟槽的箱体后侧板，沟槽与模拟采动层处于水平方向的同样位置，通过细管依次将液压枕中的液压油抽出，达到采动模拟效果；
所述注液装置是进行煤地下气化相似模拟时需要加装的设备，包括不规则弯管、导管和微倾式分流导液管；该不规则弯管从模拟煤层所在位置的通水螺丝孔拧进，上接箱体左侧通水渠中的导管，侧接模拟煤层中预埋的微倾式分流导液管。
2.根据权利要求1所述的多场可视化的采动相似模型实验装置，其特征在于，在注入液体中添加荧光剂，可实现实验体流场和裂隙场可视化的相似模拟。
3.根据权利要求2所述的多场可视化的采动相似模型实验装置，其特征在于，通过对通水螺丝孔加装封闭螺栓可进行不含水的相似模拟实验；拆掉箱体前侧板或箱体后侧板，在实验体表面喷涂哑光漆进行数字散斑观测，可进行实验体的裂隙场、应力场以及应变场的可视化相似模拟。
4.根据权利要求3所述的多场可视化的采动相似模型实验装置，其特征在于，通过加装所述注液装置以及更换注入液体种类可进行煤地下气化的相似模拟实验；拆掉箱体前侧板和箱体后侧板，在实验体的前侧通过喷涂哑光漆进行数字散斑观测，在实验体的后侧通过红外摄像机进行温度检测，可实现煤地下气化的相似模拟实验的应力场、应变场以及温度场的可视化。
5.根据权利要求4所述的多场可视化的采动相似模型实验装置，其特征在于，不规则弯管、导管和微倾式分流导液管均采用耐高温防腐蚀材料。
6.根据权利要求5所述的多场可视化的采动相似模型实验装置，其特征在于，箱体前侧板和箱体后侧板均采用树脂玻璃制成。
7.根据权利要求6所述的多场可视化的采动相似模型实验装置，其特征在于，加装在通水螺丝孔处的螺栓均采用平头螺栓。
8.根据权利要求7所述的多场可视化的采动相似模型实验装置，其特征在于，箱体、箱体前侧板和箱体后侧板的接合处均涂抹防水胶或防水腻子。
9.根据权利要求8所述的多场可视化的采动相似模型实验装置，其特征在于，实验体采用的相似材料均采用原位一致材料，并进行相关颗粒配比。
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