CN115356201A - 一种大厚差煤层开采相似模拟试验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种大厚差煤层开采相似模拟试验装置，包括相似模拟实验台，液压加载装置，控制装置及测验分析装置；相似模拟实验台包括顶梁，槽钢，支撑柱和底座；液压加载装置包括轴向加载组件，侧向固定组件及动力源；动力源与控制装置电性连接；测验分析装置包括测试组件及分析组件；测试组件与分析组件电性连接；测试组件预埋于岩层内。本大厚差煤层开采相似模拟试验采用模型建立和数值模拟分析相结合的方法，从工程力学的角度，对大厚顶板差煤层围岩的变形和破坏特征以及地表沉陷规律进行系统研究，研究成果为山地采动损害和矿山环境地质灾害的防护具有重要的现实意义。

Description

一种大厚差煤层开采相似模拟试验装置及方法
技术领域
本发明涉及相似模拟试验技术领域，特别是涉及一种大厚差煤层开采相似模拟试验装置及方法。
背景技术
大厚差煤层即媒体硬、底板软、顶板软煤层厚度非常不均匀的煤层；相似模拟研究是现代矿业工程领域研究中的一个非常重要的手段。该方法是基于相似三定律，按一定的几何、物理关系，用模拟替代工程现场原型的一种重要科学研究手段。对于大厚差煤层，其上覆岩层结构特征和工作面顶板超前支承应力分布的复杂性都难于直接在现场实施观察作业。而通过相似模拟试验，可以直观观测顶板岩层的变形特征和上覆岩层冒落后的结构特征，借助试验仪器可得工作面顶板超前支承应力的变化规律及顶煤的破碎情况。
发明内容
本发明的目的是提供一种大厚差煤层开采相似模拟试验装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种大厚差煤层开采相似模拟试验装置，包括：相似模拟实验台，液压加载装置，控制装置及测验分析装置；
所述相似模拟实验台包括顶梁，槽钢，支撑柱和底座；
所述底座上铺设有模拟成型的岩层；所述岩层周侧固定设置有所述支撑柱，相邻所述支撑柱之间连接有侧位挡板；所述侧位挡板可拆卸设置在所述支撑柱上；所述岩层周侧及所述岩层顶部设置有所述液压加载装置；所述槽钢水平设置有若干块，所述槽钢将所述岩层分层包覆，用于填充及固定所述岩层；所述支撑柱顶部固定连接有所述顶梁；
所述液压加载装置包括轴向加载组件，侧向固定组件及动力源；所述动力源与所述控制装置电性连接；所述轴向加载组件设置于所述岩层上方；所述侧向固定组件安装在所述支撑柱上；所述轴向加载组件和侧向固定组件均与所述动力源传动连接；
所述测验分析装置包括测试组件及分析组件；所述测试组件与分析组件电性连接；所述测试组件预埋于所述岩层内。
所述轴向加载组件底部固定连接有方形钢板；所述轴向加载组件的姿控调节状态为竖向调节及水平调节。
所述岩层包括底板，上覆岩层和煤层；所述上覆岩层和煤层上方均设置有若干组测试组件。
所述侧位挡板设有四块，两相对设置的侧位挡板为刚性合金板，另两相对设置的侧位挡板为透明玻璃板。
所述槽钢两端分别上下布置两个螺纹孔，通过螺栓连接固定在所述支撑柱上。
一种大厚差煤层开采相似模拟试验方法，包括以下步骤：
S1根据大厚差煤层资料，选择合适的相似材料及配比设计模拟岩层；
S2将岩层内各模拟层材料依次分别放置在槽钢上并压实；在需检测的模拟层预埋有所述测试组件；最上方所述槽钢上压设有所述方形钢板；在各所述模拟层内预埋所述测试组件
S3各所述模拟层晾干到设计要求，拆除两所述透明玻璃板及一侧槽钢；并将所述分析组件的DIC检测散斑正对拆除所述槽钢的一侧；
S4铺设其余所述分析组件，并控制所述轴向加载组件移动到指定位置；
S5施加轴向压力，模拟井下动态扰动对围岩破裂及岩层变形的影响；
S6分析组件通过动态松弛法分析检测上覆岩层位移变化规律。
本发明公开了以下技术效果：本大厚差煤层开采相似模拟试验采用模型建立和数值模拟分析相结合的方法，从工程力学的角度，对大厚顶板差煤层围岩的变形和破坏特征以及地表沉陷规律进行系统研究，研究成果为山地采动损害和矿山环境地质灾害的防护具有重要的现实意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为整体结构示意图；
图2为M1煤层工作面推进40m时的应力分布图；
图3为M1煤层工作面推进80m时的应力分布图；
图4为M1煤层工作面推进120m时的应力分布图；
图5为M1煤层工作面推进160m时的应力分布图；
图6为M1煤层工作面推进600m时的应力分布图；
图7为工作面推进40m时垂直位移分布曲线；
图8为工作面推进80m时垂直位移分布曲线；
图9为工作面推进120m时垂直位移分布曲线；
图10为工作面推进160m时垂直位移分布曲线；
图11为M1煤层开采完毕时垂直位移分布曲线；
图12为岩层(第一测线)随回采工作面推进的沉降变化曲线；
图13为岩层(第六测线)随回采工作面推进的沉降变化曲线；
图14为地表随回采工作面推进的沉降变化曲线；
图15为N与k的关系曲线；
图16为N与l/M的关系曲线；
其中，11、顶梁；12、槽钢；13、支撑柱；14、底座；2、轴向加载组件；3、侧向固定组件；4、动力源。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供一种大厚差煤层开采相似模拟试验装置，包括：相似模拟实验台，液压加载装置，控制装置及测验分析装置；
相似模拟实验台包括顶梁11，槽钢12，支撑柱13和底座14；
底座上铺设有模拟成型的岩层；岩层周侧固定设置有支撑柱13，相邻支撑柱13之间连接有侧位挡板；侧位挡板可拆卸设置在支撑柱13上；岩层周侧及岩层顶部设置有液压加载装置；槽钢12水平设置有若干块，槽钢12将岩层分层包覆，用于填充及固定岩层；
液压加载装置包括轴向加载组件2，侧向固定组件3及动力源4；动力源4与控制装置电性连接；轴向加载组件2设置于岩层上方；侧向固定组件3安装在支撑柱13上；轴向加载组件2和侧向固定组件3均与动力源4传动连接；
测验分析装置包括测试组件及分析组件；测试组件与分析组件电性连接；测试组件预埋于岩层内。
在本发明的一个实施例中，轴向加载组件2通过水平滑移移动到顶梁11内，通过带动方形钢板下压增加了施力面积，避免模拟岩层受力集中影响实验结果。
进一步的，侧向固定组件3安装在两侧的支撑柱13上，实验时通过动力源驱动施加侧向力及轴向力，模拟两个方向的地应力和扰动力。
在本发明的一个实施例中，测试组件包括预埋在模拟层内的压力盒和拉力、压力传感器，其中压力盒与压力表相连，拉力、压力传感器与动态应变仪相连检测内部应力变化；在相似物理模拟材料表面布置DIC散斑；声发射探头，检测相似模拟岩层断裂位置；
相机，用于记录动态扰动下围岩破裂过程及岩层变形过程。
在本发明的一个实施例中，控制装置与相机电性连接。
进一步的，分析组件包括测试分析系统，用于根据DIC散斑分析位移变化规律；瞬变电磁仪用来模拟矿井勘探。
进一步的，测试分析系统通过动态松弛法进行数据分析，动态松弛法是把非线性静力学问题化为动力学问题求解的一种数值方法。该方法的实质是对临界阻尼振动方程进行逐步积分。为了保证求得准确解，一般都采用质量阻尼和刚度阻尼来吸收系统的动能，当阻尼系数取值稍小于某一临界值时，系统的振动将以尽可能快的速度消失，同时函数收敛于静态值。这种带有阻尼项的动态平衡方程，利用有限差分法按时步在计算机上迭代求解就是所谓的动态松弛法。由于被解方程是时间的线性函数，整个计算过程只需要直接代换，即利用前一迭代的函数值计算新的函数值，因此，对于非线性问题也能加以考虑，这是动态松弛法的最大优点。
轴向加载组件2底部固定连接有方形钢板；轴向加载组件2的姿控调节状态为竖向调节及水平调节。
岩层包括底板，上覆岩层和煤层；上覆岩层和煤层上方均设置有若干组测试组件。
侧位挡板设有四块，两相对设置的侧位挡板为刚性合金板，另两相对设置的侧位挡板为透明玻璃板。
槽钢12两端分别上下布置两个螺纹孔，通过螺栓连接固定在支撑柱13上。
一种大厚差煤层开采相似模拟试验方法，包括以下步骤：
S1根据大厚差煤层资料，选择合适的相似材料及配比设计模拟岩层；
S2将岩层内各模拟层材料依次分别放置在槽钢上并压实；在需检测的模拟层预埋有测试组件；最上方槽钢上压设有方形钢板；在各模拟层内预埋测试组件
S3各模拟层晾干到设计要求，拆除两透明玻璃板及一侧槽钢；并将分析组件的DIC检测散斑正对拆除槽钢的一侧；
S4铺设其余分析组件，并控制轴向加载组件移动到指定位置；
S5施加轴向压力，模拟井下动态扰动对围岩破裂及岩层变形的影响；
S6分析组件通过动态松弛法分析检测上覆岩层位移变化规律。
在本发明的一个实施例中，通过动态松弛法建立离散元模型；如下图表，从上到下共有四层煤，分别厚0.95m、1.10m、4.85m、3.72m，倾角为3.5°(本模型中按水平处理)。模型共模拟13个分层，煤层及上覆岩层均按实际厚度进行模拟。
Figure BDA0003801625500000071
Figure BDA0003801625500000081
表岩石物理力学参数
进一步的，上图表中*号表示工程类比数据。
进一步的，根据研究区的工程地质及开采条件，在开采过程中，为体现上覆岩层移动变形的演化过程，采用分步开挖，并在工作面每推进一段距离进行一次运算，即设计工作面每推进40m进行一次运算并保存。
模型从开切眼开始推进，在煤层顶板布置9条测线，与煤层距离分别为5m、15m、25m、35m、45m、55m、95m、205m、255m，从下往上依次为1-9号测线，分别监测上覆岩层的位移和应力。
进一步的，图2-图14是采场沿走向方向推进时覆岩破坏情况；
在开采过程中，上覆岩层破坏场的移动是非线性的，距煤层顶板越近，破坏场越大；在整个垮落过程中，上覆岩层随工作面的不断推进首先是从直接顶碎屑岩的失稳冒落开始，然后是顶灰岩的破断垮落，最后是地表沉降塌陷。垮落存在明显的分层现象，且最终形成不规则的“梯形”垮落带。
工作面开挖过程中，采场上覆岩层中的应力也是不断变化的，且呈现出明显的分区，采空区上方一定区域内为应力降低区，采空区两侧为应力集中区；顶板应力峰值一般出现在工作面前方20m左右，应力集中影响的范围约50m。岩层应力集中大小与岩层高度成反比，岩层离顶板越远，其应力集中越小。覆岩离层主要出现在卸压区，在应力集中区即工作面前方或煤柱外侧不产生离层。
上覆岩层垂直位移的累积量与距采空区距离成反比，岩层距采空区距离越远，其垂直位移的累积量越小，即下部岩层的位移累积量大于上部岩层。由于上覆岩层中关键层的屏蔽效应，使得位移传递到该层时向上传递的速度明显减缓，同时也使其与下部岩层产生较大的离层，在工作面推进到120m时，关键层出现破断，垂直位移突然增大。
随各煤层开采的进行，下部岩层的沉降曲线呈“倒梯形”，而上部覆岩沉降的曲线呈“漏斗形”；在M1、M2和M4煤层开采完毕时，上覆岩层的下沉值较小且大致相当，而在M3煤层开采完成后，其下沉值剧增，约为另外三层煤各下沉量的1.2～2.2倍。
在本发明的一个实施例中，地表的下沉具有非连续性移动的特性，随着各煤层开采的逐步完成，地表下沉量逐渐增大，在M2和M3煤层开采时，下沉速度较快，且在凹形地貌部位，地表下沉值减小；在凸形地貌部位，地表下沉值增大。
在本发明的一个实施例中，随煤层的采(放)出，直接顶岩层垮落后，采空区的充填程度与煤层采出厚度的关系为：k(∑h+M)＝KP[∑h+(1-η)M]
其中，k—采空区充填系数；
∑h—已垮落岩层厚度；
M—煤层采出厚度；
Kp—冒落矸石及碎煤的碎胀系数；
η—煤炭回收率。
进一步的，若令
Figure BDA0003801625500000101
则有
Figure BDA0003801625500000102
进一步的，影响采空区充填程度的主要因素是N、kP和η，若煤炭回收率按80％考虑，则N对充填系数k的影响关系如图15所示。
进一步的，由于顶板岩层的断裂和垮落是因弯曲沉降发展而来，因此当充填系数k大于0.8时，采场支架可免受老顶动压冲击的影响。这时若采场上方存在厚度较大的坚硬岩层则可形成老顶结构；若岩层的分层厚度较小则可形成“半拱”式临时结构。由图15可见，当充填系数k为0.8时，相应的N值为1.0～1.2，即当顶板垮落高度为(1.0～1.2)M时，上方则可能形成临时(或稳定)结构。由此可以认为(1.0～1.2)M以下的直接项岩层为不规则垮落带。
鉴于煤壁支撑影响角α的存在，支架工作阻力最终将无法改变老顶断裂岩块的回转角θ1，即老顶将以“给定变形”的方式作用于直接顶和顶煤，并由此部分传递给支架。其回转角θ1的大小仅与M、∑h、kp、η及老顶断裂岩块长度l有关，即
Figure BDA0003801625500000103
将
Figure BDA0003801625500000104
代入式(2-3)，得
Figure BDA0003801625500000105
取kp＝1.25，并按最不利的情况考虑，即η＝0.9，即：
Figure BDA0003801625500000111
若以l/M为横坐标，以N为纵坐标，取不同的θ1值则可得图16。由此可判定采场上覆岩层中形成老顶稳定结构的位置，即确定出直接顶垮落带高度。
研究表明在上位直接顶中存在“半拱”式结构，拱顶为支架或煤壁上方的顶煤或岩层，而后拱脚为已垮落的矸石。该结构与砌体梁结构相结合，共同构成综放开采覆岩结构的基本形式。由于上述两种结构的稳定性及其对采场的影响不同，我们称“砌体梁”结构为主结构，而“半拱”式结构为次结构。
由于煤层及开采条件的不同，上位直接顶中的“半拱”式结构具有不同的表现形式和载荷特征，相应地也具有不同的控制方法。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置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发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种大厚差煤层开采相似模拟试验装置，其特征在于，包括：相似模拟实验台，液压加载装置，控制装置及测验分析装置；
所述相似模拟实验台包括顶梁(11)，槽钢(12)，支撑柱(13)和底座(14)；
所述底座(14)上铺设有模拟成型的岩层；所述岩层周侧固定设置有所述支撑柱(13)，相邻所述支撑柱(13)之间连接有侧位挡板；所述侧位挡板可拆卸设置在所述支撑柱(13)上；所述岩层周侧及所述岩层顶部设置有所述液压加载装置；所述槽钢(12)水平设置有若干块，所述槽钢(12)将所述岩层分层包覆，用于填充及固定所述岩层；所述支撑柱(13)顶部固定连接有所述顶梁(11)；
所述液压加载装置包括轴向加载组件(2)，侧向固定组件(3)及动力源(4)；所述动力源(4)与所述控制装置电性连接；所述轴向加载组件(2)设置于所述岩层上方；所述侧向固定组件(3)安装在所述支撑柱(13)上；所述轴向加载组件(2)和侧向固定组件(3)均与所述动力源(4)传动连接；
所述测验分析装置包括测试组件及分析组件；所述测试组件与分析组件电性连接；所述测试组件预埋于所述岩层内。
2.根据权利要求1所述的一种大厚差煤层开采相似模拟试验装置，其特征在于：所述轴向加载组件(2)底部固定连接有方形钢板；所述轴向加载组件(2)的姿控调节状态为竖向调节及水平调节。
3.根据权利要求1所述的一种大厚差煤层开采相似模拟试验装置，其特征在于：所述岩层包括底板，上覆岩层和煤层；所述上覆岩层和煤层上方均设置有若干组测试组件。
4.根据权利要求1所述的一种大厚差煤层开采相似模拟试验装置，其特征在于：所述侧位挡板设有四块，两相对设置的侧位挡板为刚性合金板，另两相对设置的侧位挡板为透明玻璃板。
5.根据权利要求1所述的一种大厚差煤层开采相似模拟试验装置，其特征在于：所述槽钢(12)两端分别上下布置两个螺纹孔，通过螺栓连接固定在所述支撑柱(13)上。
6.一种大厚差煤层开采相似模拟试验方法，包括上述权利要求1-5任一项所述的大厚差煤层开采相似模拟试验装置，其特征在于，包括以下步骤：
S1根据大厚差煤层资料，选择合适的相似材料及配比设计模拟岩层；
S2将岩层内各模拟层材料依次分别放置在槽钢上并压实；在需检测的模拟层预埋有所述测试组件；最上方所述槽钢上压设有所述方形钢板；在各所述模拟层内预埋所述测试组件
S3各所述模拟层晾干到设计要求，拆除两所述透明玻璃板及一侧槽钢；并将所述分析组件的DIC检测散斑正对拆除所述槽钢的一侧；
S4铺设其余所述分析组件，并控制所述轴向加载组件移动到指定位置；
S5施加轴向压力，模拟井下动态扰动对围岩破裂及岩层变形的影响；
S6分析组件通过动态松弛法分析检测上覆岩层位移变化规律。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN115792184A (zh) * 2022-12-01 2023-03-14 山东科技大学 用于相似材料模拟实验的无线应力和位移测量系统及方法
CN115963012A (zh) * 2022-12-29 2023-04-14 湘潭大学 一种用于监测变面长采场覆岩变形规律模型的试验装置

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