CN115453083A - 可模拟煤层保水开采与岩层运动的阵列式试验系统及方法 - Google Patents
可模拟煤层保水开采与岩层运动的阵列式试验系统及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及煤矿开采模型试验技术领域，特别涉及可模拟煤层保水开采与岩层运动的阵列式试验系统及方法，包括反力框架、基座和回采装置，所述回采装置与所述基座之间设有密封结构，所述回采装置包括：回采辅助台，安装在所述基座下部；若干回采模拟单元，阵列布置在所述回采辅助台上，所述回采模拟单元包括导向机构、支撑板和螺杆，所述螺杆与所述支撑板转动连接；其中，所述螺杆配置有驱动且与所述回采辅助台螺纹配合，所述导向机构与所述回采辅助台滑动连接，所述驱动安装在所述导向机构，在所述驱动的作用下，所述螺杆、所述驱动及所述导向机构同步升降；本发明能够试下定量模拟、给定变形模拟以及保水开采模拟。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿开采模型试验技术领域，特别涉及可模拟煤层保水开采与岩层运动的阵列式试验系统及方法。
背景技术
煤矿回采过程中，原有岩层结构的力学平衡被打破，为了保证煤矿开采安全，需要对回采过程中物理力学参数以及变形破坏机理进行研究。由于工作面及采空区现场试验存在诸多限制与安全隐患，开展现场监测试验存在诸多困难。物理模拟试验具有方便、快捷、可重复的优势，使其成为研究煤层回采过程顶板变形破坏的主要手段之一，为了更准确获取物理模拟试验数据，必须尽可能提高模拟试验与现场的相似性。
申请号为CN201910828630.0的一件中国发明专利公开了一种适用于煤层回采及充填模拟的试验系统和方法，该试验系统包括用于形成模型制作空间及提供加载反力的反力框架、回采装置、以及用于支撑反力框架及布置回采装置的基座，其中回采装置包括支撑板、螺杆及支架，回采装置设置于基座下挖槽内，通过以不同顺序及不同速度旋转相应螺杆，带动其上方的支撑板下降或者上升，进而模拟反力框架内模型底部煤层以不同方向、方式及速度进行回采、充填以及充填物密实沉降的过程。
但是该试验系统需要通过人工转动螺杆实现回采，自动化程度低，无法精确控制回采速度，试验中回采板较多，人工操作无法同步下落，导致无法定量化模拟各种试验工况以及无法实现不同采空区形态上覆岩层给定变形模拟。即使螺杆后期配置电机，由于电机需要固定安装，并且螺杆在旋转过程中会产生轴向的运动，需要采用螺杆电机才能满足上述要求，在此工况下电机在承受扭力的同时还要承受轴向的压力，会对电机的正常运转产生不良影响。另外，该试验系统不能模拟煤层的保水开采。
发明内容
本发明的目的是提供可模拟煤层保水开采与岩层运动的阵列式试验系统及方法，以解决现有试验系统无法定量模拟、给定变形模拟以及无法保水开采模拟的问题。为了实现上述目的，本发明通过如下的技术方案来解决：
第一方面，本发明提供了可模拟煤层保水开采与岩层运动的阵列式试验系统，包括反力框架、基座和回采装置，所述回采装置与所述基座之间设有密封结构，所述回采装置包括：
回采辅助台，安装在所述基座下部；
若干回采模拟单元，阵列布置在所述回采辅助台上，所述回采模拟单元包括导向机构、支撑板和螺杆，所述螺杆与所述支撑板转动连接；
其中，所述螺杆配置有驱动且与所述回采辅助台螺纹配合，所述导向机构与所述回采辅助台滑动连接，所述驱动安装在所述导向机构，在所述驱动的作用下，所述螺杆、所述驱动及所述导向机构同步升降。
作为进一步的技术方案，所述回采辅助台与所述基座之间具有容置空间。
作为进一步的技术方案，所述导向机构包括与所述回采辅助台滑动连接导向杆，所述导向杆上端位于所述容置空间内，所述导向杆下端安装所述驱动。
作为进一步的技术方案，所述导向机构还包括上限位板和下限位板，分别安装在所述导向的上下两端，所述驱动安装在所述下限位板。
作为进一步的技术方案，所述螺杆通过配置滚珠丝母与所述回采辅助台螺纹配合。
作为进一步的技术方案，所述支撑板设有与其支撑面垂直的套筒，所述螺杆通过所述套筒与所述支撑板转动连接。
作为进一步的技术方案，所述套筒与所述基座滑动连接，所述密封结构设置在所述套筒与所述基座之间。
作为进一步的技术方案，所述回采装置的全部所述支撑板上铺设具有延展性的薄膜。
作为进一步的技术方案，所述反力框架在相互垂直的三个面上布置加载油缸。
第二方面，本发明提供了根据第一方面所述的可模拟煤层保水开采与岩层运动的阵列式试验系统的试验方法，包括如下内容：
根据研究煤层厚度设定每个驱动的参数，驱动将支撑板升至预定高度，铺设材料完成试验模型制作，加载油缸加压实现地应力模拟；
煤层回采模拟时，编制回采控制方案，设定回采速度，支撑板按照设定时间及速度依次下落，模拟不同工况下的煤层回采；
上覆岩层给定变形模拟时，编制给定变形控制方案，设定不同支撑板下降速度与下降高度，支撑板按照设定参数同步下降，实现不同形态的岩层变形模拟。
上述本发明的有益效果如下：
(1)本发明通过设置驱动，每个回采模拟单元均可独立动作，可以控制回采速度和回采的高度，能够准确模拟煤层回采全过程，定量化模拟各种试验工况，实现不同工作面方向、不同回采方向及不同回采速度的煤层回采模拟；可适用于不同厚度煤层的模拟试验，实现厚煤层分层回采过程模拟；可以模拟不同采空区形态，实现不同采空区形态上覆岩层给定变形模拟。
(2)本发明通过设置回采辅助台，使螺杆与其螺纹配合，在工作过程中，支撑板所受力均由螺杆传递给回采辅助台，驱动工作过程中，螺杆、驱动及导向机构同步升降，使得驱动仅承受扭转反力，不承受轴向力，避免了工作过程中轴向力对驱动造成的影响。
(3)本发明通过设置密封结构，可以模拟煤层保水开采，支撑板上铺设具有延展性的薄膜，不仅可以配合密封结构提高水密封性能，并且通过薄膜可以防止模型碎渣通过支撑板之间的间隙进入回采装置内部。
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限定。还应当理解，这些附图是为了简化和清楚而示出的，并且不一定按比例绘制。现在将通过使用附图以附加的特征和细节来描述和解释本发明，其中：
图1示出了本发明实施例中试验系统整体结构示意图；
图2示出了本发明实施例中回采装置结构示意图；
图3为图2中A处局部放大图，示出了实施例中回采模拟单元结构示意图；
图4示出了本发明实施例中密封结构示意图；
图5示出了本发明实施例中模拟煤层回采示意图；
图6示出了本发明实施例中上覆岩层给定变形模拟示意图；
图7示出了煤层开挖前上覆岩层变化规律示意图；
图8示出了煤层开挖后上覆岩层变化规律示意图。
图中：1、反力框架；1-1、反力顶梁；1-2、反力前梁；1-3、反力后梁；1-4、反力侧梁；1-5、加载油缸；2、回采装置；2-1、支撑板；2-2、套筒；2-3、螺杆；2-4、上限位板；2-5、导向杆；2-6、滚珠丝母；2-7、下限位板、2-8、伺服电机；2-9、回采辅助台；3、薄膜；4、密封盘；5、基座。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明典型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1
如图1至图6所示，本实施例提供了可模拟煤层保水开采与岩层运动的阵列式试验系统，包括反力框架1、基座5和回采装置2，回采装置2与基座5之间设有密封结构，回采装置2包括：
回采辅助台2-9，安装在基座5下部；
若干回采模拟单元，阵列布置在回采辅助台2-9上，回采模拟单元包括导向机构、支撑板2-1和螺杆2-3，螺杆2-3与支撑板2-1转动连接；
其中，螺杆2-3配置有驱动且与回采辅助台2-9螺纹配合，导向机构与回采辅助台2-9滑动连接，驱动安装在导向机构，在驱动的作用下，螺杆2-3、驱动及导向机构同步升降。
本实施例中，驱动为伺服电机2-8，在其他一些实施例中，也可以选择其他类型的驱动，能够控制速度且具有较高精度即可。
通过设置驱动，每个回采模拟单元均可独立动作，可以控制回采速度和回采的高度，能够准确模拟煤层回采全过程，定量化模拟各种试验工况，实现不同工作面方向、不同回采方向及不同回采速度的煤层回采模拟；可适用于不同厚度煤层的模拟试验，实现厚煤层分层回采过程模拟；可以模拟不同采空区形态，实现不同采空区形态上覆岩层给定变形模拟。
通过设置回采辅助台2-9，使螺杆2-3与其螺纹配合，在工作过程中，支撑板2-1所受力均由螺杆2-3传递给回采辅助台2-9，驱动工作过程中，螺杆2-3、驱动及导向机构同步升降，使得驱动仅承受扭转反力，不承受轴向力，避免了工作过程中轴向力对驱动造成的影响。
如图1所示，反力框架1用于形成模型制作空间及提供加载反力，其包括反力顶梁1-1、反力前梁1-2、反力后梁1-3、以及两个反力侧梁1-4，梁与粱之间通过螺栓连接，反力框架1在相互垂直的三个面上布置加载油缸1-5，可实现模型三轴加载。反力前梁1-2为镂空设计，内部安装可视化玻璃，可以观察模型变化。
基座5设置在反力框架1底部，用于支撑反力框架1及布置回采装置2，其上表面设计有凹槽，凹槽面积与回采最大面积相同，深度与回采装置2的支撑板2-1厚度相同，支撑板2-1收回时可以与基座5顶部平齐。
如图2所示，回采辅助台2-9为槽型结构，其槽口朝上倒扣在基座5上，使得回采辅助台2-9与基座5之间具有容置空间，容置空间的设置是为了导向结构具有升降的空间。
回采模拟单元包括导向机构、支撑板2-1和螺杆2-3，螺杆2-3与支撑板2-1转动连接，螺杆2-3配置有伺服电机2-8且与回采辅助台2-9螺纹配合，导向机构与回采辅助台2-9滑动连接，驱动安装在导向机构，在驱动的作用下，螺杆2-3、驱动及导向机构同步升降。
具体的，如图3所示，导向结构包括与回采辅助台2-9滑动连接的导向杆2-5，上限位板2-4以及下限位板2-7，上限位板2-4、下限位板2-7分别安装在导向杆的上下两端，伺服电机2-8安装在下限位板2-7。本实施例中，导向杆2-5对称设置了四个，当然数量是可以调节的，能够起到导向的作用即可。导向杆2-5不仅起到导向的作用，同时还能支撑上限位板2-4和下限位板2-7。
导向杆2-5上端位于容置空间内，即上限位板2-4安装在容置空间内，导向杆2-5下端安装驱动，即下限位板2-7安装伺服电机2-8。
在本实施例中，伺服电机2-8安装在下限位板2-7上，螺杆2-3依次穿过下限位板2-7、上限位板2-4但不接触，即螺杆2-3的直径小于下限位板2-7、上限位板2-4上的开孔直径。
螺杆2-3通过配置滚珠丝母2-6与回采辅助台2-9螺纹配合，滚珠丝母2-6与螺杆2-3配合能够减小螺纹配合之间的摩擦。
支撑板2-1设有与其支撑面垂直的套筒2-2，螺杆2-3通过套筒2-2与支撑板2-1转动连接，在螺杆2-3转动时不带动支撑板2-1旋转。套筒2-2与基座5滑动连接，密封结构设置在套筒2-2与基座5之间。如图4所示，本实施例的密封结构为密封盘4，套筒2-2与其为滑动密封结构。由于设置了密封结构，本实施例的试验系统可以模拟煤层保水开采。
可以理解的是，为了避免支撑板2-1跟随螺杆2-3运动，可以通过设置导向件等手段来实现，但在本实施例中，回采装置2的全部支撑板2-1上铺设具有延展性的薄膜3，薄膜3通过与支撑板2-1粘附，使得其即使不采用其他手段也可以实现支撑板2-1不跟随螺杆2-3运动，由于薄膜3具有延展性，使其可跟随支撑板2-1局部变形。
薄膜3为一整体，覆盖所有支撑板2-1，由于薄膜具有延展性，不仅可以配合密封结构提高水密封性能，并且通过薄膜3可以防止模型碎渣通过支撑板2-1之间的间隙进入回采装置内部，影响回采装置的正常工作。
本实施例的薄膜3采用PDMS有机硅薄膜，其具有良好的弹性、柔性以及延展性，同时能够防水。
试验系统还包括控制系统，用于控制各回采模拟单元的动作。
实施例2
本实施例提供了根据实施例1的可模拟煤层保水开采与岩层运动的阵列式试验系统的试验方法，包括如下内容：
根据研究煤层厚度设定每个驱动的参数，伺服电机2-8将支撑板2-1升至预定高度，铺设材料完成试验模型制作，加载油缸1-5加压实现地应力模拟；
煤层回采模拟时，通过控制系统编制回采控制方案，设定回采速度，支撑板2-1按照设定时间及速度依次下落，模拟不同工况下的煤层回采，如图5所示；
上覆岩层给定变形模拟时，通过控制系统编制给定变形控制方案，设定不同支撑板2-1下降速度与下降高度，支撑板2-1按照设定参数同步下降，实现不同形态的岩层变形模拟，如图6所示，其模拟的工况如图7和图8所示，其中图7示出了煤层开挖前上覆岩层变化规律示意图，图8示出了煤层开挖后上覆岩层变化规律示意图。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.可模拟煤层保水开采与岩层运动的阵列式试验系统，包括反力框架、基座和回采装置，其特征在于，所述回采装置与所述基座之间设有密封结构，所述回采装置包括：
回采辅助台，安装在所述基座下部；
若干回采模拟单元，阵列布置在所述回采辅助台上，所述回采模拟单元包括导向机构、支撑板和螺杆，所述螺杆与所述支撑板转动连接；
其中，所述螺杆配置有驱动且与所述回采辅助台螺纹配合，所述导向机构与所述回采辅助台滑动连接，所述驱动安装在所述导向机构，在所述驱动的作用下，所述螺杆、所述驱动及所述导向机构同步升降。
2.如权利要求1所述的可模拟煤层保水开采与岩层运动的阵列式试验系统，其特征在于，所述回采辅助台与所述基座之间具有容置空间。
3.如权利要求2所述的可模拟煤层保水开采与岩层运动的阵列式试验系统，其特征在于，所述导向机构包括与所述回采辅助台滑动连接导向杆，所述导向杆上端位于所述容置空间内，所述导向杆下端安装所述驱动。
4.如权利要求3所述的可模拟煤层保水开采与岩层运动的阵列式试验系统，其特征在于，所述导向机构还包括上限位板和下限位板，分别安装在所述导向的上下两端，所述驱动安装在所述下限位板。
5.如权利要求1所述的可模拟煤层保水开采与岩层运动的阵列式试验系统，其特征在于，所述螺杆通过配置滚珠丝母与所述回采辅助台螺纹配合。
6.如权利要求1所述的可模拟煤层保水开采与岩层运动的阵列式试验系统，其特征在于，所述支撑板设有与其支撑面垂直的套筒，所述螺杆通过所述套筒与所述支撑板转动连接。
7.如权利要求6所述的可模拟煤层保水开采与岩层运动的阵列式试验系统，其特征在于，所述套筒与所述基座滑动连接，所述密封结构设置在所述套筒与所述基座之间。
8.如权利要求1或7所述的可模拟煤层保水开采与岩层运动的阵列式试验系统，其特征在于，所述回采装置的全部所述支撑板上铺设具有延展性的薄膜。
9.如权利要求1所述的可模拟煤层保水开采与岩层运动的阵列式试验系统，其特征在于，所述反力框架在相互垂直的三个面上布置加载油缸。
10.根据权利要求1-9任一项所述的可模拟煤层保水开采与岩层运动的阵列式试验系统的试验方法，其特征在于，包括如下内容：
根据研究煤层厚度设定每个驱动的参数，驱动将支撑板升至预定高度，铺设材料完成试验模型制作，加载油缸加压实现地应力模拟；
煤层回采模拟时，编制回采控制方案，设定回采速度，支撑板按照设定时间及速度依次下落，模拟不同工况下的煤层回采；
上覆岩层给定变形模拟时，编制给定变形控制方案，设定不同支撑板下降速度与下降高度，支撑板按照设定参数同步下降，实现不同形态的岩层变形模拟。
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