CN116448979A - 一种适用于含断层构造沿空留巷三维物理开采试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于煤矿开采试验技术领域，具体涉及一种适用于含断层构造沿空留巷三维物理开采试验方法。试验方法包括以下步骤：步骤1，根据试验模型巷道参数和开挖参数确定试验系统的参数；所述试验系统包括模拟煤层装置，所述模拟煤层装置包括煤层，所述煤层均有多个规格一致的单元块组成，相邻两个单元块之间通过连接绳连接；导向梁组件，所述导向梁组件位于试验系统的巷道中，动力装置，所述动力装置与连接绳的端部连接，所述试验系统还包括岩层模型，步骤2，搭建试验系统；步骤3，进行煤层挖掘，其中单元块在抽出后进行粉碎。该试验方法通过从工作面一侧抽拉单元块的方式，有效模拟工程实际中煤体的运转方式，提高了试验结果的精准性。

Description

一种适用于含断层构造沿空留巷三维物理开采试验方法

技术领域

本发明属于煤矿开采试验技术领域，具体涉及一种适用于含断层构造沿空留巷三维物理开采试验方法。

背景技术

随着煤炭资源的不断开采，传统留煤柱开采方式所带来的资源浪费问题越来越严重，而沿空留巷这一开采方法有效解决了上述问题，通过切缝和补强支护等手段使得上一工作面的顺槽可以为下一个工作面继续使用，极大地节约了宝贵的煤炭资源。

在当前井下煤矿开采活动中，断层构造广泛存在，而这种地质构造往往会带来应力集中、围岩破碎以及岩爆等问题，在工作面临近断层开采时，由于煤层被开挖掉，极易引起断层滑动，从而带来严重的冲击地压事故，严重影响了井下正常的生产活动，因此需要对断层构造带煤层开挖时引起的岩层运动进行充分的研究。目前关于断层构造带工作面开采的研究主要集中在理论研究以及计算机程序模拟两个方面，由于目前理论水平的限制，上述两种研究方法所进行的假设和边界条件优化太多，难以很好的与工程实际契合。而常规的二维相似物理模型试验由于尺寸的限制无法充分模拟工程状况。

因此，采用三维物理模型试验机利用其尺寸大的优点可以尽可能的符合现场的开采条件，但是在目前的三维物理模型试验中对于单一连续水平煤层的开采可以采用抽条的方式进行模拟，但是对于含断层构造这种具有落差煤层的开采由于结构的限制无法使用，况且由于抽条在抽动过程中会扰动后方煤层的应力状态，这严重影响了试验的准确性。

因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于含断层构造沿空留巷三维开采试验方法，以至少解决目前现有技术中存在的上述问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种适用于含断层构造沿空留巷三维物理开采试验方法，所述试验方法包括以下步骤：

步骤1，根据试验模型巷道参数和开挖参数确定试验系统的参数；

所述试验系统包括模拟煤层装置，所述模拟煤层装置包括煤层，所述煤层包括上盘煤层、下盘煤层与过渡带煤层，所述过渡带煤层过渡连接在上盘煤层与下盘煤层之间，所述过渡带煤层处于模拟断层位置；

所述上盘煤层平行与下盘煤层，所述过渡带煤层与上盘煤层、下盘煤层处于不同的平面内；

所述煤层均有多个规格一致的单元块组成，相邻两个单元块之间通过连接绳连接；在煤层的延伸方向的一侧设置有与煤层延伸方向相同的巷道；

导向梁组件，所述导向梁组件位于试验系统的巷道中，所述导向梁组件包括导向梁，所述导向梁包括上盘导向梁、下盘导向梁与过渡带导向梁，所述过渡带导向梁过渡连接在上盘导向梁与下盘导向梁之间；

所述上盘导向梁、下盘导向梁与过渡带导向梁上均设置有引导部件，所述引导部件用于对连接在单元块之间的连接绳进行导向；

动力装置，所述动力装置与连接绳的端部连接，用于驱动连接绳与单元块移动，使连接绳从垂直煤层工作面走向进行抽拉单元块；

所述试验系统还包括岩层模型，所述岩层模型包括在煤层的上面与下面分别设置有煤层上部岩层与煤层下部岩层，煤层上部岩层与煤层下部岩层均包括相互独立设置的断层上盘模型与断层下盘模型，在断层上盘模型与断层下盘模型之间形成断层；

步骤2，搭建试验系统；

步骤3，进行煤层挖掘，其中单元块在抽出后，在巷道中用夹具对单元块进行粉碎；

所述夹具包括两个相对导向设置的压板，两个压板均与具有挠性的传动杆连接，以使夹具伸入到穿过断层的巷道中。

如上所述的适用于含断层构造沿空留巷三维物理开采试验方法，优选地，巷道参数包括巷道的尺寸以及在过断层区段的倾角；开挖参数是指试验中所要求的每一步开挖的尺寸；

巷道包括断层上盘巷道、断层下盘巷道与断层过渡带巷道；

所述上盘导向梁与上盘煤层处于同一平面内，且处于断层上盘巷道中；

所述下盘导向梁与下盘煤层处于同一平面内，且处于断层下盘巷道中；

所述过渡带导向梁与过渡带煤层处于同一平面内；且处于断层过渡带巷道中；

所述引导部件为滑轮组件，所述滑轮组件用于对连接绳进行导向。

如上所述的适用于含断层构造沿空留巷三维物理开采试验方法，优选地，所述试验系统还包括端头支架组件，所述端头支架组件包括两个端头支架；所述导向梁的在上盘导向梁与下盘导向梁的外围还设置有延长梁，导向梁两侧的延长梁分别固定在两个端头支架上；

所述煤层包括上层煤层与下层煤层，所述上层煤层堆叠在下层煤层上方，且上层煤层与下层煤层相互独立设置；上层煤层与下层煤层均是有规格一致的单元块通过连接绳连接组成；

所述导向梁对应上层煤层位置的上表面上设置有多个滑轮组件，导向梁上表面上设置的滑轮组件用于对上层煤层中的连接绳进行导向；

所述导向梁对应下层煤层位置的下表面上设置有多个滑轮组件，导向梁下表面上设置的滑轮组件用于对下层煤层中的连接绳进行导向；

所述滑轮组件包括滑轮与固定架，所述固定架固定在导向梁的上表面或者下表面上，所述滑轮转动设置在所述固定架上；

所述固定架为n字型，滑轮转动设置在n字型固定架的水平轴上；

所述动力装置为绞盘，所述连接绳固定在所述绞盘上，通过绞盘的转动以带动连接绳移动。

如上所述的适用于含断层构造沿空留巷三维物理开采试验方法，优选地，在所述步骤2中，在试验系统中岩层模型搭建到巷道位置之后，先安装端头支架组件，然后进行导向梁组件、动力装置以及模拟煤层装置的安装。

如上所述的适用于含断层构造沿空留巷三维物理开采试验方法，优选地，所述步骤2具体包括如下步骤：

步骤21，先搭建岩层模型的煤层下部岩层，在岩层模型前后各安装一个端头支架；

步骤22，安装导向梁组件；在岩层模型的巷道对应位置安装下盘导向梁、过渡带导向梁、上盘导向梁以及两端的延长梁并进行固定连接；

在下盘导向梁、过渡带导向梁以及上盘导向梁的上表面与下表面均安装多个滑轮组件，导向梁上表面的滑轮组件对应上层煤层安装，导向梁下表面的滑轮组件对应下层煤层安装；

步骤23，将导向梁两端的延长梁固定在岩层模型两侧的端头支架上；

步骤24，安装动力装置，在端头支架位于导向梁的下方安装下绞盘，上层煤层中的连接绳绕过延长梁连接到下绞盘上；

在端头支架位于导向梁的上方安装有上绞盘，下层煤层中的连接绳连接到上绞盘上；

步骤25，在煤层下部岩层上安装模拟煤层装置；按照单元块的尺寸参数做好单元块的模具，在单元块模具之间穿放置一条连接绳连接不同的单元块，随后进行单元块的浇筑，在单元块凝固好以后放入相应的位置；

步骤26，将模拟煤层装置中的连接绳与绞盘上的连接绳连接。

如上所述的适用于含断层构造沿空留巷三维物理开采试验方法，优选地，所述岩层模型的外围多个方向上均设置有加压仪器，加压仪器用于从多个方向对岩层模型施加压力，以模拟真实围压。

如上所述的适用于含断层构造沿空留巷三维物理开采试验方法，优选地，在步骤3中，在试验系统搭建完毕之后，转动动力装置中的绞盘，使连接绳拖动单元块滑动到巷道内，随后用夹具将单元块夹碎，并进行下一步开挖。

如上所述的适用于含断层构造沿空留巷三维物理开采试验方法，优选地，步骤3具体包括：

步骤31，从上层煤层的下盘巷道一端开挖第一个单元块，此时上层煤层中单元块连接的连接绳绕过延长梁连接在下绞盘，转动下绞盘，使连接绳拖动单元块滑动，在单元块滑动到巷道内，将夹具伸入到巷道中，利用夹具将单元块夹碎，同时清理巷道中的颗粒物，完成上层煤层一个单元块的挖掘；

步骤32，从开挖下层煤层的下盘巷道一端开挖单元块，此时下层煤层中单元块连接的连接绳连接在上绞盘，转动上绞盘，使连接绳拖动单元块滑动至巷道内，将夹具伸入到巷道中，利用夹具将单元块夹碎，同时清理巷道中的颗粒物，完成下层煤层一个单元块的挖掘；

步骤33，重复步骤31-步骤32，开挖剩余部分单元块，直至将一排的单元块开挖完成；

步骤34，重复步骤31-步骤33，将下盘煤层单元块开挖完毕；

步骤35，安装步骤31-33的顺序，对过渡带煤层进行开挖；

步骤36，安装步骤31-33的顺序，对上盘煤层进行开挖。

如上所述的适用于含断层构造沿空留巷三维物理开采试验方法，优选地，所述压板包括第一压板与第二压板，所述第一压板与第二压板均在一个对角线方向上设置有一对导杆，在另外一个对角线方向设置有一对导杆穿孔，以使第一压板与第二压板两个压板中，任一个压板上的导杆导向插入到另一个压板的导杆穿孔中；

同一个压板上的一对导杆端部均设置有连接件，一对导杆端部设置的连接件均连接至同一个传动杆上。如上所述的适用于含断层构造沿空留巷三维物理开采试验方法，优选地，所述第一压板与第二压板中的任一个的表面上设置有凸起，另一个对应凸起位置设置有凸起穿孔；

所述导杆穿过导杆穿孔的端部设置有挡止件，用于防止导杆从压板上脱出。

有益效果：

1、该试验方法可以真实还原井下沿空留巷过断层开采，并且能有效还原工程实际中岩层的垮落状态，有效解决了传统三维物理模型试验系统只能模拟不含断层工作面开采的问题。

2、该试验方法通过设立单元块有效模拟了工程实际中每一步的开挖进尺。

3、该试验方法通过从工作面一侧抽拉单元块的方式，有效模拟工程实际中煤体的运转方式，并且最大程度上减少了传统垂直于工作面抽条方式会影响超前应力状态的问题，提高了试验结果的精准性。

附图说明

构成本申请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。其中：

图1为本发明一个实施例的模拟煤层装置与导向梁组件安装结构示意图；

图2为本发明一个实施例的导向梁组件与端头支架组件安装结构示意图；

图3为本发明一个实施例的下盘煤层开采的过程示意图；

图4为本发明一个实施例的试验系统的三维示意图；

图5为本发明一个实施例的夹具以及第一压板示意图。

图中：1、端头支架组件，1-1、导向梁固定结构，1-2、短型支架构件，1-3、中型支架构件，1-4、长型支架构件，1-5、螺栓固定孔；

2、导向梁组件，2-1、下盘导向梁，2-2、过渡带导向梁，2-3、上盘导向梁，2-4、滑轮组件，2-5、转向件，2-6、延长梁，2-7、转向装置，2-8、固定架；

3、动力装置，3-1、绞盘，3-2、绞盘底座，3-3、第二连接绳；

4、模拟煤层装置，4-1、第一连接绳，4-2、单元块；

5-1、断层下盘巷道；5-2、断层过渡带巷道；5-3、断层上盘巷道；

5、煤层下部岩层；6、煤层上部岩层；7、非开挖煤层；8、断层下盘模型；9、断层上盘模型；10、断层；11、巷道；

13、夹具，13-1、第一压板，13-2、第二压板，13-3、导杆，13-4、挡止件，13-5、连接件，13-6、传动杆；13-7、凸起，13-8、凸起穿孔，13-9、导杆穿孔；

12、第一层单元块，14、第二层单元块，15、单元块开挖后部分。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”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要求本发明必须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。本发明中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，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的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

根据本发明的具体实施例，如图1-5所示，本发明提供一种适用于含断层构造沿空留巷三维物理开采试验方法，该试验方法使用如下试验系统进行实验，该试验系统包括：

模拟煤层装置4，模拟煤层装置包括煤层，煤层包括上盘煤层、下盘煤层与过渡带煤层，过渡带煤层过渡连接在上盘煤层与下盘煤层之间，过渡带煤层处于模拟断层位置。

上盘煤层平行与下盘煤层，过渡带煤层与上盘煤层、下盘煤层处于不同的平面内。

煤层均有多个规格一致的单元块4-2组成，相邻两个单元块之间通过连接绳连接；在煤层的延伸方向的一侧设置有与煤层延伸方向相同的巷道。

导向梁组件2，导向梁组件位于试验系统的巷道中，导向梁组件包括导向梁，导向梁包括上盘导向梁2-3、下盘导向梁2-1与过渡带导向梁2-2，过渡带导向梁过渡连接在上盘导向梁与下盘导向梁之间。

上盘导向梁、下盘导向梁与过渡带导向梁上均设置有引导部件，引导部件用于对连接在单元块之间的连接绳进行导向。

动力装置3，动力装置与连接绳的端部连接，用于驱动连接绳与单元块移动，使连接绳从垂直煤层工作面走向进行抽拉单元块。

在实际煤矿开采过程中，穿过断层10的煤层，会因断层10而出现部分起伏；该试验系统通过过渡带煤层来更好的模拟煤层穿越断层10时的起伏；同时本申请中的煤层使用多个单元块组成，从而能够真实且方便的模拟煤层；相比于现有技术中采用抽条的方式模拟煤层的开采，本申请煤层在开采时，仅需将单元块取出，不仅模拟开采过程更加方便真实，实现含断层构造工作面的连续开采，而且模拟开采过程不会对含断层整个系统造成较大的扰动影响。动力装置3，通过螺栓与端头支架相连接，通过钢丝绳3-3为模拟煤层装置4提供动力。

巷道11包括断层上盘巷道5-3、断层下盘巷道5-1与断层过渡带巷道5-2；上盘导向梁与上盘煤层处于同一平面内，且处于断层上盘巷道中；下盘导向梁与下盘煤层处于同一平面内，且处于断层下盘巷道中；过渡带导向梁与过渡带煤层处于同一平面内；且处于断层过渡带巷道中；引导部件为滑轮组件，滑轮组件用于对连接绳进行导向。

在本实施例中，导向梁组件2在模型搭建时放置在巷道11中，根据巷道的倾角调整过渡带导向梁，根据巷道的长度调整上盘导向梁和下盘导向梁的长度，在上盘导向梁与下盘导向梁的外围还设置有延长梁，两侧的延长梁固定在端头支架组件的导向梁固定结构中，从而实现两个端头支架对导向梁组件的支撑固定。导向梁组件2与岩层模型前后的端头支架相连接，为钢丝绳3-3提供导向和支撑的作用。

在本实例中，巷道水平长度1600mm，中间有坡度的巷道水平长度371mm，坡度16.5度(与水平面夹角)，所以下盘导向梁长686mm，过渡带导向梁水平长371mm，上盘导向梁长544mm，导向梁前后两端延长梁的长度为600mm(含转向组件)。

煤层包括上层煤层与下层煤层，上层煤层堆叠在下层煤层上方，且上层煤层与下层煤层相互独立设置；也即上层煤层与下层煤层之间没有相互的连接关系；上层煤层与下层煤层均是有规格一致的单元块通过连接绳连接组成。

在本实施例中，煤层中同一列的单元块连接在一根连接绳上，从而使得连接绳能够从垂直工作面走向进行抽拉单元块。在其他实施例中，或者煤层中同一排的单元块连接在一根连接绳上；相邻两排单元块在端部通过连接绳连接，或者相邻两排的单元块也可以相互独立设置，也即相邻两排单元块不存在相互连接关系。具体的，煤层采用两层单元块来进行模拟，单元块的大小为40mm×40mm×40mm，中间采用钢丝绳4-1连接。上下两层单元块之间为上下叠放的方式，之间没有任何连接构件，两层单元块之间必要时要放一些滑石粉以减小摩擦力。模拟煤层装置4由单元块4-2与钢丝绳4-1连接组成，用来模拟煤层；在本实施例中，单元块由石膏制作而成。

导向梁对应上层煤层位置的上表面上设置有多个滑轮组件，导向梁上表面上设置的滑轮组件用于对上层煤层中的连接绳进行导向；导向梁对应下层煤层位置的下表面上设置有多个滑轮组件，导向梁下表面上设置的滑轮组件用于对下层煤层中的连接绳进行导向。

在本实施例中，对应上层煤层与下层煤层设置独立的滑轮组件，从而便于上层煤层与下层煤层相互独立的进行挖掘。滑轮组件对称分布在导向梁上下表面上并分别与上层单元块和下层单元块对齐，以保证连接绳能与滑轮组件保持在同一高度以减小工作阻力。

滑轮组件2-4包括滑轮与固定架，固定架固定在导向梁的上表面或者下表面上，滑轮转动设置在固定架上。

在本实施例中，固定架为n字型，滑轮转动设置在n字型固定架的水平轴上；滑轮组件2-4包括设置在在导向梁上下两个面上的固定架2-8，滑轮的位置与模拟煤层装置4的中的第一钢丝绳4-1对齐，根据不同煤层厚度选择不同的滑轮和固定架2-8。如此设置，使得钢丝绳在滑轮下方进行移动，使得钢丝绳平行与导向梁，进而保证钢丝绳能够更加稳定的进行移动。

过渡带导向梁与上盘导向梁、下盘导向梁之间均设置有转向件2-5，转向件2-5的高度与滑轮中心的高度一致，转向件2-5用于供连接绳穿过，以对连接绳进行限位。

转向件2-5为U型结构，U型结构的转向件倒置安装在导向梁上。连接绳穿过倒置安装的U型转向件，使得转向件能够对连接绳进行限位，使得连接绳在导向梁发生弯折的地方，能够跟随导向梁同步弯折，从而保证滑轮组件能够对连接绳进行有效的导向。

试验系统还包括端头支架组件1，端头支架组件包括两个端头支架；导向梁的在上盘导向梁与下盘导向梁的外围还设置有延长梁2-6，导向梁两侧的延长梁2-6分别固定在两个端头支架上。

在本实施例中，上盘导向梁、下盘导向梁与过渡带导向梁以及延长梁之间采用焊接方式进行连接固定，延长梁上含有螺栓孔(φ8mm)，采用螺栓把导向梁固定在端头支架上。端头支架组件1安装于岩层模型前后两侧，与模型之间留有一定的空间，为导向梁组件2提供固定的作用。

端头支架组件1由三种支架构件，即短型支架构件1-2、中型支架构件1-3和长型支架构件1-4，按照不同的组合方式构成，他们之间用螺栓连接，可根据模型中煤层的位置来调整端头支架组件1的高度。端头支架组件中的三种支架构件以及导向梁固定装置在不同的位置都有相同尺寸的螺栓孔(φ8mm)，支架构件以及导向梁之间采用螺栓连接。在其他实施例中，支架构件以及导向梁之间也可以采用焊接连接。

在本实施例中，如图4所示，三维模型尺寸为1600mm×1600mm×1600mm，上盘煤层距离模型底部490mm，下盘煤层距离模型底部380mm。采用一根长型支架构件1-4和一根中型支架构1-3垂直连接作为端头支架的底部支撑结构，采用一根中型支架结构1-3和一根短型支架结构1-2与底部支撑结构相连接，采用一根导向梁固定构件1-1与上述构件相连接以起到固定导向梁的作用，以上各构件之间通过螺栓固定孔1-5采用螺栓进行连接，可以满足支撑高度的需要。

动力装置设置在端头支架上；动力装置为绞盘，连接绳固定在绞盘上，通过绞盘的转动以带动连接绳移动；在端头支架位于导向梁的下方设置有下绞盘，上层煤层中的连接绳绕过延长梁连接到下绞盘上；在端头支架位于导向梁的上方设置有上绞盘，下层煤层中的连接绳连接到上绞盘上。

在本实施例中，模拟煤层装置4中的连接绳为第一连接绳4-1，动力装置3中的连接绳为第二连接绳3-3，两种连接绳均可采用钢丝绳。

在本实施例中，绞盘3-1焊接在绞盘底座上3-2，并采用螺栓固定在端头支架1上，第二钢丝绳3-3连接绞盘3-1，经过转向装置2-7到达滑轮2-4，最后与模拟煤层装置4的钢丝绳4-1连接。

在延长梁上设置有转向装置2-7，上层煤层中的连接绳绕过转向装置2-7后连接在下搅拌上，在本实施例中，转向装置2-7为转动设置在延长梁上的滚轮。

上绞盘设置在端头支架组件1顶部，下绞盘设置在端头支架侧面，两个搅拌一个型号，只是作用不同。端头支架组件1侧面的动力装置3是配合导向梁组件2中顶部的滑轮组件2-4来使用的。

模拟煤层装置4中第一层(上)钢丝绳4-1与钢丝绳3-3相连接，然后钢丝绳3-3绕过导向梁组件2中顶部的滑轮组件2-4以及转向装置2-7与动力装置3连接，进而进行动力的传动。而端头支架组件1侧面的动力装置3是配和导向梁组件2中底部的滑轮组件2-4来使用的：模拟煤层装置4中第二层(下)第一钢丝绳4-1与第二钢丝绳3-3相连接，然后第二钢丝绳3-3绕过导向梁组件2中顶部的滑轮组件2-4以及转向装置2-7与动力装置3连接，进而进行动力的传动。

试验系统还包括岩层模型，岩层模型包括在煤层的上面与下面分别设置有煤层上部岩层6与煤层下部岩层5，煤层上部岩层6与煤层下部岩层5均包括相互独立设置的断层上盘模型9与断层下盘模型8，在断层上盘模型9与断层下盘模型8之间形成断层10。

在本实施例中，岩层模型上下左右均与加压仪器连接，在其他实施例中，岩层模型上下左右前后六个面均与加压仪器连接，在岩层模型具有巷道进出口的两个面，加压仪器避开巷道进出口设置；使得岩层模型能够模拟真实地压情况，该加压仪器可以为液压机，也可以为千斤顶等能够实现加压的装置；加压装置的一端固定，另一端设置加压板，通过加压板与岩层模型接触。

在本实施例中，如图4所示，巷道11的两侧分别为非开挖煤层7与模拟煤层装置4。

在使用时，在断层上盘模型9和断层下盘模型8搭建时端头支架组件1和转向梁组件2必须安装好，其中在断层上盘模型9和断层下盘模型8正对面各有一个端头支架组件1，导向梁组件2根据穿过巷道11内部并且两端固定在导向梁固定结构1-1上；钢丝绳3-3从绞盘3-1引出，穿过转向装置2-7，再穿过滑轮2-4，最后与钢丝绳4-1连接。转动绞盘3-1通过钢丝绳3-3带动石膏单元块4-2实现煤层开采。

使用上述试验系统的适用于含断层构造沿空留巷三维物理开采试验方法，具体包括以下步骤：

步骤1，根据试验模型巷道参数和开挖参数确定试验系统的参数。

巷道参数包括巷道的尺寸以及在过断层区段的倾角；开挖参数是指试验中所要求的每一步开挖的尺寸。

巷道截面尺寸为150mm×80mm，煤层厚度也为80mm，模型的上下左右与加载仪器的加压板接触进行加载。巷道11主要分为断层下盘巷道5-1、断层过渡带巷道5-2和断层上盘巷道5-3。在设计开挖装置时，下盘导向梁2-1的长度要与断层下盘巷道5-1的长度和倾角对应；过渡带导向梁2-2的长度要与断层过渡带巷道5-2的长度和倾角对应；上盘导向梁2-3的长度要与断层下盘巷道5-3的长度和倾角对应。

步骤2，搭建试验系统。在步骤2中，在试验系统中岩层模型搭建到巷道位置之后，先安装端头支架组件，然后进行导向梁组件、动力装置以及模拟煤层装置的安装。

步骤2具体包括如下步骤：

步骤21，先搭建岩层模型的煤层下部岩层，在岩层模型前后各安装一个端头支架；首先安装端头支架组件1的底座部分，底座采用一根长型支架构件1-4和一根中型支架构件1-3垂直组装而成，并采用螺栓连接。在底座上安装一根中型支架构件1-3，一根短型支架构件1-2以及一根导向梁固定结构1-1，一根中型支架构件1-3放在最底部并与底座部分连接，然后安装一根短型支架构件1-2，最后安装一根导向梁固定结构1-1放在最上方，以上各构件之间通过螺栓固定孔1-5采用螺栓进行连接。

步骤22，安装导向梁组件；在岩层模型的巷道对应位置安装下盘导向梁、过渡带导向梁、上盘导向梁以及两端的延长梁并进行固定连接；

在下盘导向梁、过渡带导向梁以及上盘导向梁的上表面与下表面均安装多个滑轮组件，导向梁上表面的滑轮组件对应上层煤层安装，导向梁下表面的滑轮组件对应下层煤层安装；在本实施例中，下盘导向梁2-1、过渡带导向梁2-2、上盘导向梁2-3以及两端的延长梁采用焊接的方式进行搭接固定；过渡带导向梁2-2与上盘导向梁2-1、下盘导向梁2-3之间均可设置转向件，转向件的高度与滑轮中心的高度一致，转向件用于供连接绳穿过，以对连接绳进行限位；在延长梁上的端头转动安装有转向装置2-7，其中转向装置2-7为滚轮。

步骤23，将导向梁两端的延长梁固定在岩层模型两侧的端头支架上；把导向梁组件2两侧的延长梁从导向梁固定结构1-1穿过并采用螺栓进行固定。

步骤24，安装动力装置，在端头支架位于导向梁的下方安装下绞盘，上层煤层中的连接绳绕过延长梁连接到下绞盘上；

在端头支架位于导向梁的上方安装有上绞盘，下层煤层中的连接绳连接到上绞盘上；在本实施例中，分别在导向梁固定构件1-1和端头支架组件1中的短型支架构件1-2上安装一个绞盘3-1，绞盘3-1焊接在绞盘底座3-2上，绞盘底座3-2与短型支架构件1-2采用螺栓进行连接。

步骤25，在煤层下部岩层上安装模拟煤层装置；按照单元块的尺寸参数做好单元块的模具，在单元块模具之间穿放置一条连接绳连接不同的单元块，随后进行单元块的浇筑，在单元块凝固好以后放入相应的位置；在本实施例中，单元块由石膏制作而成，石膏更加便于粉碎。

步骤26，将模拟煤层装置中的第一连接绳4-1与绞盘上的第二连接绳3-3连接。从而使得绞盘转动能够驱动第一连接绳4-1移动，使第一连接绳4-1拉动单元块位移。

岩层模型的外围多个方向上均设置有加压仪器，加压仪器用于从多个方向对岩层模型施加压力，以模拟真实围压。

步骤3，进行煤层挖掘，其中单元块在抽出后，在巷道中用夹具13对单元块进行粉碎；所述夹具包括两个相对导向设置的压板，两个压板均与具有挠性的传动杆连接，以使夹具伸入到穿过断层的巷道中。在步骤3中，在试验系统搭建完毕之后，转动动力装置中的绞盘，使连接绳拖动单元块滑动到巷道内，随后用夹具将单元块夹碎，并进行下一步开挖。

步骤3具体包括：

步骤31，如图3所述，从上层煤层的下盘巷道一端开挖第一个单元块，此时第一层单元块12连接的连接绳绕过延长梁连接在下绞盘，转动下绞盘，使连接绳拖动单元块滑动，在单元块滑动到巷道内，将夹具伸入到巷道中，利用夹具将单元块夹碎，同时清理巷道中的颗粒物，完成上层煤层一个单元块的挖掘，第一层单元块12开挖后形成单元块开挖后部分15；在本实施例中，可在巷道的一端吹风，使夹碎单元块颗粒物从巷道另一端吹出；也可以将吸尘器的吸尘段连接一个软管，软管尺寸小于巷道截面尺寸，将软管伸入到巷道内以将颗粒物吸出；

步骤32，从开挖下层煤层的下盘巷道一端开挖单元块，此时第二层单元块14连接的连接绳连接在上绞盘，转动上绞盘，使连接绳拖动单元块滑动至巷道内，将夹具伸入到巷道中，利用夹具将单元块夹碎，同时清理巷道中的颗粒物，完成下层煤层一个单元块的挖掘；第二层单元块14开挖后形成单元块开挖后部分15；

步骤33，重复步骤31-步骤32，开挖剩余部分单元块，直至将一排的单元块开挖完成；

步骤34，重复步骤31-步骤33，将下盘煤层单元块开挖完毕；

步骤35，安装步骤31-33的顺序，对过渡带煤层进行开挖；

步骤36，安装步骤31-33的顺序，对上盘煤层进行开挖。

压板包括第一压板13-1与第二压板13-2，第一压板13-1与第二压板13-2均在一个对角线方向上设置有一对导杆13-3，在另外一个对角线方向设置有一对导杆穿孔13-9，以使第一压板与第二压板两个压板中，任一个压板上的导杆导向插入到另一个压板的导杆穿孔中；同一个压板上的一对导杆端部均设置有连接件13-5，一对导杆端部设置的连接件均连接至同一个传动杆13-6上。

在本实施例中，连接件与传动杆均可使用挠性管，从而使得连接件与传动杆具有一定韧性且能够弯曲，从而更加便于夹具伸入到弯折的巷道中。在其他实施例中，连接件也可以使用具有韧性且可弯曲的钢丝绳制作而成。

第一压板与第二压板中的任一个的表面上设置有凸起13-7，另一个对应凸起位置设置有凸起穿孔13-8；导杆穿过导杆穿孔的端部设置有挡止件13-4，用于防止导杆从压板上脱出。

在本实施例中，凸起为圆锥形结构，设置凸起能够便于压碎石膏制作的单元块；凸起可以设置有多个，多个凸起均布在压板上，相应的在另外一个压板上对应设置多个凸起穿孔。挡止件为螺纹连接在导杆端部的螺母，在其他实施例中，挡止件也可以为焊接在导杆端部的挡板。

夹具13的长度可根据巷道的长度进行定制，将夹具13伸入到巷道5内之后，移动夹具13的位置使得石膏单元块4-2位于底部托盘13-1和活动压盘13-2之间，随后转动把手13-6带动内部传动杆13-5使得活动压盘13-2和底部托盘13-1之间的距离不断缩小进而压碎石膏单元块4-2。

综上所述，本发明提供的适用于含单纯构造沿空留巷三维物理开采试验方法的技术方案中，通过设立单元块有效模拟了工程实际中每一步的开挖进尺；真实还原井下沿空留巷过断层开采，并且能有效还原工程实际中岩层的垮落状态，有效解决了传统三维物理模型试验系统只能模拟不含断层工作面开采的问题。

可以理解的是，以上描述仅为示例性的，本申请实施例对此并不进行限定。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均在本发明待批权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适用于含断层构造沿空留巷三维物理开采试验方法，其特征在于，所述试验方法包括以下步骤：

步骤1，根据试验模型巷道参数和开挖参数确定试验系统的参数；

所述试验系统包括模拟煤层装置，所述模拟煤层装置包括煤层，所述煤层包括上盘煤层、下盘煤层与过渡带煤层，所述过渡带煤层过渡连接在上盘煤层与下盘煤层之间，所述过渡带煤层处于模拟断层位置；

所述上盘煤层平行与下盘煤层，所述过渡带煤层与上盘煤层、下盘煤层处于不同的平面内；

所述煤层均有多个规格一致的单元块组成，相邻两个单元块之间通过连接绳连接；在煤层的延伸方向的一侧设置有与煤层延伸方向相同的巷道；

导向梁组件，所述导向梁组件位于试验系统的巷道中，所述导向梁组件包括导向梁，所述导向梁包括上盘导向梁、下盘导向梁与过渡带导向梁，所述过渡带导向梁过渡连接在上盘导向梁与下盘导向梁之间；

所述上盘导向梁、下盘导向梁与过渡带导向梁上均设置有引导部件，所述引导部件用于对连接在单元块之间的连接绳进行导向；

动力装置，所述动力装置与连接绳的端部连接，用于驱动连接绳与单元块移动，使连接绳从垂直煤层工作面走向进行抽拉单元块；

所述试验系统还包括岩层模型，所述岩层模型包括在煤层的上面与下面分别设置有煤层上部岩层与煤层下部岩层，煤层上部岩层与煤层下部岩层均包括相互独立设置的断层上盘模型与断层下盘模型，在断层上盘模型与断层下盘模型之间形成断层；

步骤2，搭建试验系统；

步骤3，进行煤层挖掘，其中单元块在抽出后，在巷道中用夹具对单元块进行粉碎；

所述夹具包括两个相对导向设置的压板，两个压板均与具有挠性的传动杆连接，以使夹具伸入到穿过断层的巷道中。

2.根据权利要求1所述的适用于含断层构造沿空留巷三维物理开采试验方法，其特征在于，巷道参数包括巷道的尺寸以及在过断层区段的倾角；开挖参数是指试验中所要求的每一步开挖的尺寸；

巷道包括断层上盘巷道、断层下盘巷道与断层过渡带巷道；

所述上盘导向梁与上盘煤层处于同一平面内，且处于断层上盘巷道中；

所述下盘导向梁与下盘煤层处于同一平面内，且处于断层下盘巷道中；

所述过渡带导向梁与过渡带煤层处于同一平面内；且处于断层过渡带巷道中；

所述引导部件为滑轮组件，所述滑轮组件用于对连接绳进行导向。

3.根据权利要求1所述的适用于含断层构造沿空留巷三维物理开采试验方法，其特征在于，所述试验系统还包括端头支架组件，所述端头支架组件包括两个端头支架；所述导向梁的在上盘导向梁与下盘导向梁的外围还设置有延长梁，导向梁两侧的延长梁分别固定在两个端头支架上；

所述煤层包括上层煤层与下层煤层，所述上层煤层堆叠在下层煤层上方，且上层煤层与下层煤层相互独立设置；上层煤层与下层煤层均是有规格一致的单元块通过连接绳连接组成；

所述导向梁对应上层煤层位置的上表面上设置有多个滑轮组件，导向梁上表面上设置的滑轮组件用于对上层煤层中的连接绳进行导向；

所述导向梁对应下层煤层位置的下表面上设置有多个滑轮组件，导向梁下表面上设置的滑轮组件用于对下层煤层中的连接绳进行导向；

所述滑轮组件包括滑轮与固定架，所述固定架固定在导向梁的上表面或者下表面上，所述滑轮转动设置在所述固定架上；

所述固定架为n字型，滑轮转动设置在n字型固定架的水平轴上；

所述动力装置为绞盘，所述连接绳固定在所述绞盘上，通过绞盘的转动以带动连接绳移动。

4.根据权利要求3所述的适用于含断层构造沿空留巷三维物理开采试验方法，其特征在于，在所述步骤2中，在试验系统中岩层模型搭建到巷道位置之后，先安装端头支架组件，然后进行导向梁组件、动力装置以及模拟煤层装置的安装。

5.根据权利要求4所述的适用于含断层构造沿空留巷三维物理开采试验方法，其特征在于，所述步骤2具体包括如下步骤：

步骤21，先搭建岩层模型的煤层下部岩层，在岩层模型前后各安装一个端头支架；

步骤22，安装导向梁组件；在岩层模型的巷道对应位置安装下盘导向梁、过渡带导向梁、上盘导向梁以及两端的延长梁并进行固定连接；

在下盘导向梁、过渡带导向梁以及上盘导向梁的上表面与下表面均安装多个滑轮组件，导向梁上表面的滑轮组件对应上层煤层安装，导向梁下表面的滑轮组件对应下层煤层安装；

步骤23，将导向梁两端的延长梁固定在岩层模型两侧的端头支架上；

步骤24，安装动力装置，在端头支架位于导向梁的下方安装下绞盘，上层煤层中的连接绳绕过延长梁连接到下绞盘上；

在端头支架位于导向梁的上方安装有上绞盘，下层煤层中的连接绳连接到上绞盘上；

步骤25，在煤层下部岩层上安装模拟煤层装置；按照单元块的尺寸参数做好单元块的模具，在单元块模具之间穿放置一条连接绳连接不同的单元块，随后进行单元块的浇筑，在单元块凝固好以后放入相应的位置；

步骤26，将模拟煤层装置中的连接绳与绞盘上的连接绳连接。

6.根据权利要求5所述的适用于含断层构造沿空留巷三维物理开采试验方法，其特征在于，所述岩层模型的外围多个方向上均设置有加压仪器，加压仪器用于从多个方向对岩层模型施加压力，以模拟真实围压。

7.根据权利要求5所述的适用于含断层构造沿空留巷三维物理开采试验方法，其特征在于，在步骤3中，在试验系统搭建完毕之后，转动动力装置中的绞盘，使连接绳拖动单元块滑动到巷道内，随后用夹具将单元块夹碎，并进行下一步开挖。

8.根据权利要求7所述的适用于含断层构造沿空留巷三维物理开采试验方法，其特征在于，步骤3具体包括：

步骤31，从上层煤层的下盘巷道一端开挖第一个单元块，此时上层煤层中单元块连接的连接绳绕过延长梁连接在下绞盘，转动下绞盘，使连接绳拖动单元块滑动，在单元块滑动到巷道内，将夹具伸入到巷道中，利用夹具将单元块夹碎，同时清理巷道中的颗粒物，完成上层煤层一个单元块的挖掘；

步骤32，从开挖下层煤层的下盘巷道一端开挖单元块，此时下层煤层中单元块连接的连接绳连接在上绞盘，转动上绞盘，使连接绳拖动单元块滑动至巷道内，将夹具伸入到巷道中，利用夹具将单元块夹碎，同时清理巷道中的颗粒物，完成下层煤层一个单元块的挖掘；

步骤33，重复步骤31-步骤32，开挖剩余部分单元块，直至将一排的单元块开挖完成；

步骤34，重复步骤31-步骤33，将下盘煤层单元块开挖完毕；

步骤35，安装步骤31-33的顺序，对过渡带煤层进行开挖；

步骤36，安装步骤31-33的顺序，对上盘煤层进行开挖。

9.根据权利要求8所述的适用于含断层构造沿空留巷三维物理开采试验方法，其特征在于，所述压板包括第一压板与第二压板，所述第一压板与第二压板均在一个对角线方向上设置有一对导杆，在另外一个对角线方向设置有一对导杆穿孔，以使第一压板与第二压板两个压板中，任一个压板上的导杆导向插入到另一个压板的导杆穿孔中；

同一个压板上的一对导杆端部均设置有连接件，一对导杆端部设置的连接件均连接至同一个传动杆上。

10.根据权利要求9所述的适用于含断层构造沿空留巷三维物理开采试验方法，其特征在于，所述第一压板与第二压板中的任一个的表面上设置有凸起，另一个对应凸起位置设置有凸起穿孔；

所述导杆穿过导杆穿孔的端部设置有挡止件，用于防止导杆从压板上脱出。