CN113029794B - 急倾斜煤层采空区矸石自溜充填三维相似模拟装置及方法 - Google Patents

急倾斜煤层采空区矸石自溜充填三维相似模拟装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种急倾斜煤层采空区矸石自溜充填三维相似模拟装置及方法，适用于对急倾斜煤层研究使用。其包括模型架，模型架为箱状框体结构，模型架的底部设有底板，模型架的左侧、后方、顶部以及底板皆为钢板，顶部的钢板设有顶梁，模型架底部设有急倾斜旋转装置，一侧设有旋转支点另一侧设有两支液压千斤顶，模型架内设有相似模型，相似模型顶部与模型架顶部钢板之间设有用以垂直指向相似模型施加压力的上覆岩层加载装置；模型架外侧设有圆柱漏斗形的矸石存储仓，矸石存储仓底部设有矸石运输装置，矸石运输装置通过模拟上部巷道与模拟采空区连通。其结构简单，使用方便，易于操作，模拟效果好。

Description

急倾斜煤层采空区矸石自溜充填三维相似模拟装置及方法
技术领域
本发明涉及一种模拟装置及方法，尤其适用于对急倾斜煤层研究使用的一种急倾斜煤层采空区矸石自溜充填三维相似模拟装置及方法。
背景技术
急倾斜煤层是指煤层倾角大于45°的煤层，各大采煤省份和矿区都有赋存，长期以来受工作面人员难以行走、采煤装备稳定性低、易于波及地表、开采效率低等因素影响，严重制约该采煤技术的发展，是一个世界性的难题。近年来随着浅部赋存条件较好煤层的储量的高强度开采，急倾斜煤层的合理开发利用逐渐引起重视。长期以来，相关专家学者已经进行了一定的理论和数值模拟研究。但由于现场实测实践研究存在一定的费时、费力、安全条件差和试验成功率低等原因，需要设计一套急倾斜煤层采空区矸石自溜充填三维相似模拟装置，用于研究急倾斜煤层覆岩受力-破断-运移规律，与已有的理论研究、数值模拟研究结论之间进行相关验证或修正，实现急倾斜煤层和环境之间协调开采的目的。
现有的相似模拟装置不可旋转，铺设大角度的相似材料过程中存在下滑严重、难以铺设问题，同时沿倾斜方向铺设湿的相似材料，在材料风干过程中存在变形严重影响实验精度；此外已有研究表明相同厚度的急倾斜煤层与水平或近水平煤层开采相比，其覆岩运移破坏范围广、易于波及地表，造成生态环境破坏。在环境问题日益重视的形势下，研究急倾斜煤层采空区充填开采是一种行之有效的方法。
发明内容
为了克服上述技术问题，提供一种简单易行、效果较好、安全可靠、提供一种急倾斜采空区矸石自溜充填三维相似模拟装置及方法，可用于研究不同工作面、埋深、长度、不同粒径矸石、不同采高等条件下采空区不同位置的充填压实效果和地表的下沉特征。
为实现上述目的，本发明的急倾斜煤层采空区矸石充填三维相似模拟装置，它包括模型架，模型架为箱状框体结构，模型架的底部设有底板，模型架的左侧、后方、顶部以及底板皆为钢板，顶部的钢板设有顶梁，右侧为便于观察使用的透明亚克力板，前方设有多块可拆卸式侧护板，多块可拆卸式侧护板与模型架通过顶梁和底部钢板连接固定；
模型架底部设有急倾斜旋转装置，所述急倾斜旋转装置包括底座，底座一侧设有旋转支点另一侧设有两支液压千斤顶，其中底座的旋转支点与模型架底板前端活动连接，两支液压千斤顶的顶部通过耳板与模型架的底板后端相连接，通过两支液压千斤顶通过伸缩不同长度使模型架通过旋转支点旋转产生不同的倾斜角度；
模型架内设有相似模型，相似模型包括设置在底部的急倾斜煤层，急倾斜煤层上方设有与模型架等宽的上覆岩层，上覆岩层顶部与模型架顶部钢板之间设有用以垂直指向相似模型施加压力的上覆岩层加载装置；上覆岩层下方在急倾斜煤层的前端设有模拟下部巷道，上覆岩层下方在急倾斜煤层的后端设有模拟上部巷道，上覆岩层下方在急倾斜煤层的右侧设有一排液压千斤顶向急倾斜煤层左侧施加压力，上覆岩层下方位于液压千斤顶与模型架右侧透明亚克力板之间设有模拟采空区；
模型架外侧设有圆柱漏斗形的矸石存储仓，矸石存储仓底部设有矸石运输装置，矸石运输装置通过模拟上部巷道与模拟采空区连通。
进一步，所述的模拟采空区通过自溜充填布置矸石，形成采空区充填矸石，采空区充填矸石量需使采空区在矸石自溜充填的条件下充满。
进一步，所述旋转支点上设有角度标尺，方便观察模型架的旋转的角度。
进一步，所述上覆岩层加载装置设置在模型架顶部钢板与上覆岩层间，上覆岩层加载装置为面积与上覆岩层匹配的加载水袋，加载水袋通过管路与可移动式水压泵连接，通过可移动式水压泵对加载水袋提供压力，实现对模拟地层顶部施加均布载荷。
进一步，模型架的设计尺寸长×宽×高为2200mm×1500mm×1800mm。
进一步，两支液压千斤顶的液压千斤顶最大伸长尺寸2000mm，可实现模型架通过旋转支点旋转，旋转角度在0～60°之间任意调整，以模拟最大倾角为60°的急倾斜煤层。
进一步，矸石存储仓尺寸为1000mm×500mm，其下侧通过矸石运输装置和上部巷道旁采空区上部相连，其使用的矸石运输装置的宽度为50mm。
一种使用所述急倾斜煤层采空区矸石充填三维相似模拟装置的模拟方法，其步骤如下：
a根据需要的相似比、采空区破断矸石的块度比将充填矸石破碎成相同级配的粒径，储存于矸石存储仓中。
b根据采集到待模拟的实际急倾斜工作面的地质柱状图，结合模型架的尺寸，设计合理的相似比，在液压千斤顶完全收缩从而使模型架平放的情况下根据相似比铺设相应的相似模型，相似模型包括急倾斜煤层及上覆岩层，并在上覆岩层上设置上覆岩层加载装置对相似模型进行加载，用以等效模型顶界至地表的覆岩自重；
c待相似模型风干之后，根据待模拟的实际急倾斜工作面的实际倾角调整液压千斤顶的长度将模型架旋转至相应的角度，从模型架右侧透明亚克力板一侧沿急倾斜煤层向左开挖出一定空间，然后将液压支架紧挨急倾斜煤层的煤壁置于该空间内，液压支架的上部支撑空间内的上覆岩层，掩护开采空间，用于模拟实际情况下液压支架对开采空间的支撑掩护，结合实际急倾斜煤层工作面实际开采参数，对相似模型进行周期性的“开挖-充填-移架”，操作步骤如下：
当模型开挖一个步距之后，此时的采空区为液压支架与煤壁之间相距的一个步距空间，对液压支架后的采空区进行充填，在尽量自溜充填满的模拟原则下使通过矸石运输装置运输至采空区的矸石在自重的作用下，在采空区内向下滑落，不断充填采空区，待采空区充填满之后，按顺序将液压支架向急倾斜煤层方向移动完成移架，此时液压支架向煤壁方向移动，并重新紧挨急倾斜煤层的煤壁。
有益效果：随着煤炭的高强度开采，急倾斜煤层开采的技术问题迅速引起了人们的重视，由于目前并没有类似的研究急倾斜煤层采空区矸石自溜充填的三维相似模拟检测装置。本装置除了可以进行急倾斜煤层采空区矸石自溜充填三维相似模拟研究外，还能够在不进行矸石充填的情况下，研究急倾斜煤层开采时上覆岩层的破坏与位移规律，同时根据需要可以精确调整倾角度，使用范围广，且模拟矸石自由滑落的过程准确，具有很高的研究价值。
附图说明
图1是本发明急倾斜煤层采空区矸石充填三维相似模拟装置的立体结构示意图。
图2是本发明急倾斜煤层采空区矸石充填三维相似模拟装置的平面结构示意图。
图中：1-模型架，2-急倾斜煤层，3-液压支架，4-上覆岩层，5-上部巷道，6-下部巷道，7-旋转支点，8-液压千斤顶，9-采空区充填矸石，10-矸石存储仓，11-上覆岩层加载装置，12-矸石运输装置，13-采空区，14-角度标尺，15-底座，16-侧护板，17-顶梁，18-底板。
具体实施方式
下面将结合附图对发明的实施例做进一步说明：
如图1和图2所示，本发明的急倾斜煤层采空区矸石充填三维相似模拟装置，包括模型架1，模型架1的设计尺寸长×宽×高为2200mm×1500mm×1800mm，模型架1为箱状框体结构，模型架1的底部设有底板18，模型架1的左侧、后方、顶部以及底板18皆为钢板，顶部的钢板设有顶梁17，右侧为便于观察使用的透明亚克力板，前方设有多块可拆卸式侧护板16，多块可拆卸式侧护板16与模型架1通过顶梁17和底部钢板18连接固定；
模型架1底部设有急倾斜旋转装置，所述急倾斜旋转装置包括底座15，底座15一侧设有旋转支点7另一侧设有两支液压千斤顶8，两支液压千斤顶8的液压千斤顶最大伸长尺寸2000mm，可实现模型架1通过旋转支点7旋转，旋转角度在0～60°之间任意调整，以模拟最大倾角为60°的急倾斜煤层，其中底座15的旋转支点7与模型架1底板18前端活动连接，两支液压千斤顶8的顶部通过耳板与模型架1的底板18后端相连接，通过两支液压千斤顶8通过伸缩不同长度使模型架1通过旋转支点7旋转产生不同的倾斜角度；旋转支点7上设有角度标尺14，方便观察模型架1的旋转的角度。
模型架1内设有相似模型，相似模型包括设置在底部的急倾斜煤层2，急倾斜煤层2上方设有与模型架1等宽的上覆岩层4，上覆岩层4顶部与模型架1顶部钢板之间设有用以垂直指向相似模型施加压力的上覆岩层加载装置11，上覆岩层加载装置11设置在模型架1顶部钢板与上覆岩层4间，上覆岩层加载装置11为面积与上覆岩层4匹配的加载水袋，加载水袋通过管路与可移动式水压泵连接，通过可移动式水压泵对加载水袋提供压力，实现对模拟地层顶部施加均布载荷；上覆岩层4下方在急倾斜煤层2的前端设有模拟下部巷道6，上覆岩层4下方在急倾斜煤层2的后端设有模拟上部巷道5，上覆岩层4下方在急倾斜煤层2的右侧设有一排液压千斤顶8向急倾斜煤层2左侧施加压力，上覆岩层4下方位于液压千斤顶8与模型架1右侧透明亚克力板之间设有模拟采空区13；所述的模拟采空区13通过自溜充填布置矸石，形成采空区充填矸石9，采空区充填矸石量需使采空区13在矸石自溜充填的条件下充满，
模型架1外侧设有圆柱漏斗形的矸石存储仓10，矸石存储仓10底部设有矸石运输装置12，矸石运输装置12通过模拟上部巷道5与模拟采空区13连通，矸石存储仓10尺寸为1000mm×500mm，其下侧通过矸石运输装置12和上部巷道5旁采空区13上部相连，其使用的矸石运输装置12的宽度为50mm。
一种使用急倾斜煤层采空区矸石充填三维相似模拟装置的模拟方法，其步骤如下：
a根据需要的相似比、采空区破断矸石的块度比将充填矸石破碎成相同级配的粒径，储存于矸石存储仓10中。
b根据采集到待模拟的实际急倾斜工作面的地质柱状图，结合模型架1的尺寸，设计合理的相似比，在液压千斤顶8完全收缩从而使模型架1平放的情况下根据相似比铺设相应的相似模型，相似模型包括急倾斜煤层2及上覆岩层4，并在上覆岩层4上设置上覆岩层加载装置11对相似模型进行加载，用以等效模型顶界至地表的覆岩自重；
c待相似模型风干之后，根据待模拟的实际急倾斜工作面的实际倾角调整液压千斤顶8的长度将模型架1旋转至相应的角度，从模型架1右侧透明亚克力板一侧沿急倾斜煤层2向左开挖出一定空间，然后将液压支架3紧挨急倾斜煤层2的煤壁置于该空间内，液压支架3的上部支撑空间内的上覆岩层4，掩护开采空间，用于模拟实际情况下液压支架3对开采空间的支撑掩护，结合实际急倾斜煤层工作面实际开采参数，对相似模型进行周期性的“开挖-充填-移架”，操作步骤如下：
当模型开挖一个步距之后，此时的采空区13为液压支架3与煤壁之间相距的一个步距空间，对液压支架3后的采空区13进行充填，在尽量自溜充填满的模拟原则下使通过矸石运输装置12运输至采空区13的矸石在自重的作用下，在采空区13内向下滑落，不断充填采空区13，待采空区13充填满之后，按顺序将液压支架3向急倾斜煤层2方向移动完成移架，此时液压支架3向煤壁方向移动，并重新紧挨急倾斜煤层的煤壁。
实施例一、
1)实验前，根据实验的相似比、采空区破断矸石的块度比将充填矸石破碎成一定级配的粒径，储存于矸石存储仓中；
2)根据实际急倾斜工作面的地质柱状图，结合实验相似比，在模型架平放条件下铺设相应的相似模拟实验模型，并采用上覆相应的等效加压装置等效模拟模型顶界至地表的覆岩自重；
3)待相似模型风干之后，根据急倾斜煤层的实际倾角将模型旋转至相应的角度，结合实际急倾斜煤层工作面实际开采参数，模拟急倾斜煤层的充填开采的过程。利用实验开挖步骤开挖相应的层位的煤层，根据每次开挖的步距，在液压支架向急倾斜煤层移动之前利用矸石充填装置，在尽量自溜充满的指导思想下充填采空区，待采空区充填满之后，将液压支架向急倾斜煤层移动；
4)随着工作面的不断前移，实测采空区自溜充填矸石的不同位置、区域的压实状态、压实率、变形等特征，完成相应的实验。

Claims (7)

1.一种急倾斜煤层采空区矸石充填三维相似模拟装置，其特征在于：它包括模型架（1），模型架（1）为箱状框体结构，模型架（1）的底部设有底板（18），模型架（1）的左侧、后方、顶部以及底板（18）皆为钢板，顶部的钢板设有顶梁（17），右侧为便于观察使用的透明亚克力板，前方设有多块可拆卸式侧护板（16），多块可拆卸式侧护板（16）与模型架（1）通过顶梁（17）和底板（18）连接固定；
模型架（1）底部设有急倾斜旋转装置，所述急倾斜旋转装置包括底座（15），底座（15）一侧设有旋转支点（7）另一侧设有两支液压千斤顶（8），其中底座（15）的旋转支点（7）与模型架（1）底板（18）前端活动连接，两支液压千斤顶（8）的顶部通过耳板与模型架（1）的底板（18）后端相连接，通过两支液压千斤顶（8）通过伸缩不同长度使模型架（1）通过旋转支点（7）旋转产生不同的倾斜角度；
模型架（1）内设有相似模型，相似模型包括设置在底部的急倾斜煤层（2），急倾斜煤层（2）上方设有与模型架（1）等宽的上覆岩层（4），上覆岩层（4）顶部与模型架（1）顶部钢板之间设有用以垂直指向相似模型施加压力的上覆岩层加载装置（11），上覆岩层加载装置（11）为面积与上覆岩层（4）匹配的加载水袋，加载水袋通过管路与可移动式水压泵连接，通过可移动式水压泵对加载水袋提供压力，实现对模拟地层顶部施加均布载荷；上覆岩层（4）下方在急倾斜煤层（2）的前端设有模拟下部巷道（6），上覆岩层（4）下方在急倾斜煤层（2）的后端设有模拟上部巷道（5），上覆岩层（4）下方在急倾斜煤层（2）的右侧设有一排液压千斤顶（8）向急倾斜煤层（2）右侧施加压力，上覆岩层（4）下方位于液压千斤顶（8）与模型架（1）右侧透明亚克力板之间设有模拟采空区（13）；
模型架（1）外侧设有圆柱漏斗形的矸石存储仓（10），矸石存储仓（10）底部设有矸石运输装置（12），矸石运输装置（12）通过模拟上部巷道（5）与模拟采空区（13）连通。
2.根据权利要求1所述的急倾斜煤层采空区矸石充填三维相似模拟装置，其特征在于：所述的模拟采空区（13）通过自溜充填布置矸石，形成采空区充填矸石（9），采空区充填矸石量需使采空区（13）在矸石自溜充填的条件下充满。
3.根据权利要求1所述的急倾斜煤层采空区矸石充填三维相似模拟装置，其特征在于：所述旋转支点（7）上设有角度标尺（14），方便观察模型架（1）的旋转的角度。
4.根据权利要求1所述的急倾斜煤层采空区矸石充填三维相似模拟装置，其特征在于：模型架（1）的设计尺寸长×宽×高为2200mm×1500mm×1800mm。
5.根据权利要求1所述的急倾斜煤层采空区矸石充填三维相似模拟装置，其特征在于：两支液压千斤顶（8）的液压千斤顶最大伸长尺寸2000mm，可实现模型架（1）通过旋转支点（7）旋转，旋转角度在0-60°之间任意调整，以模拟最大倾角为60°的急倾斜煤层。
6.根据权利要求1所述的急倾斜煤层采空区矸石充填三维相似模拟装置，其特征在于：矸石存储仓（10）尺寸为1000mm×500mm，其下侧通过矸石运输装置（12）和上部巷道（5）旁采空区（13）上部相连，其使用的矸石运输装置（12）的宽度为50mm。
7.一种使用上述任意一条权利要求所述急倾斜煤层采空区矸石充填三维相似模拟装置的模拟方法，其特征在于步骤如下：
a根据需要的相似比、采空区破断矸石的块度比将充填矸石破碎成相同级配的粒径，储存于矸石存储仓（10）中；
b根据采集到待模拟的实际急倾斜工作面的地质柱状图，结合模型架（1）的尺寸，设计合理的相似比，在液压千斤顶（8）完全收缩从而使模型架（1）平放的情况下根据相似比铺设相应的相似模型，相似模型包括急倾斜煤层（2）及上覆岩层（4），并在上覆岩层（4）上设置上覆岩层加载装置（11）对相似模型进行加载，用以等效模型顶界至地表的覆岩自重；
c待相似模型风干之后，根据待模拟的实际急倾斜工作面的实际倾角调整液压千斤顶（8）的长度将模型架（1）旋转至相应的角度，从模型架（1）右侧透明亚克力板一侧沿急倾斜煤层（2）向左开挖出一定空间，然后将液压支架（3）紧挨急倾斜煤层（2）的煤壁置于该空间内，液压支架（3）的上部支撑空间内的上覆岩层（4），掩护开采空间，用于模拟实际情况下液压支架（3）对开采空间的支撑掩护，结合实际急倾斜煤层工作面实际开采参数，对相似模型进行周期性的“开挖-充填-移架”，操作步骤如下：
当模型开挖一个步距之后，此时的采空区（13）为液压支架（3）与煤壁之间相距的一个步距空间，对液压支架（3）后的采空区（13）进行充填，在尽量自溜充填满的模拟原则下使通过矸石运输装置（12）运输至采空区（13）的矸石在自重的作用下，在采空区（13）内向下滑落，不断充填采空区（13），待采空区（13）充填满之后，按顺序将液压支架（3）向急倾斜煤层（2）方向移动完成移架，此时液压支架（3）向煤壁方向移动，并重新紧挨急倾斜煤层的煤壁。
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