CN214408337U - 一种采空区注浆减沉模拟实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种采空区注浆减沉模拟实验装置，该装置包括：模拟地层箱、位置信息获取模块、模拟控制模块；所述模拟地层箱内从下到上依次铺设有模拟煤层、模拟垮落带岩层、模拟裂隙带岩层、模拟弯曲下沉带岩层、模拟地表土层；所述位置信息获取模块包括无线位置传感器和位置信息收集器；模拟控制模块用于接收处理所述位置信息收集器收集的信息，并实时显示地表下沉，并模拟开采覆岩运动形态，记录、保存试验数据。本实用新型提供的装置可以模拟煤层及上覆岩层，并实现采空区注浆后上覆岩层的相应运动过程。本实用新型提供的方法利用不同特性材料模拟不同性质岩层，可以对采空区注浆后地表下沉的特征和规律进行有效掌握和分析。

Description

一种采空区注浆减沉模拟实验装置

技术领域

本实用新型涉及采矿工程中采空区覆岩运动、地表沉陷相关技术领域，尤其涉及一种采空区注浆减沉模拟实验装置。

背景技术

井工开采过程中，随着地下煤炭采出，地下形成大量空间，称为“采空区”。以目前煤矿普遍采用的长壁工作面采煤工艺为例，工作面内采煤机截割煤壁，并沿煤层走向不断向前推进，液压支架随之前移。液压支架后方空间煤炭已被采下运出，剩余空间形成了采空区，采空区顶板失去支撑后，自下而上，岩层发生垮落、断裂、离层，地表沉陷，进而引发一系列环境问题。采空区注浆是一种可行的控制地表沉陷的方法，它将事先制备的浆液通过注浆泵、注浆管道注入采空区及上覆岩层裂隙中，浆液经过固化，胶结岩层裂隙和垮落矸石，一方面减少采空区空间，另一方面矸石与浆液胶结后形成结实体对上覆岩层起到支撑作用，从而控制上覆岩层运动，有效遏制地表沉陷。采空区注浆技术日益完善成熟，但采空区注浆减沉效果有时不尽人意，减沉效果监测困难，周期长，影响因素多，也缺乏减沉效果直观展示，目前没有专门的试验设备对其进行模拟研究。

经过检索，发现公开号CN106149677B，公开日2018-03-23的专利文献公开了高压富水采空区注浆加固方法。发现公开号CN109209483A，公开日 2019-01-15的专利文献公开了一种采空区注浆方法和注浆装置。公开号 CN109899089A，公开日2019-06-18的专利文献公开了基于羽状水平分支定向钻探工艺的采空区注浆方法。公开号CN110173301A，公开日2019-08-27的专利文献公开了基于集束式多分支井定向钻探的综采采空区注浆方法。公开号 CN210977589U，公开日2020-07-10的专利文献公开了采空区注浆系统，等，数十种关于采空区注浆技术的设备和方法，这些实用新型大都局限于改进采空区注浆某一工艺环节，均未能展现出采空区注浆原理、过程以及地表减沉效果的全貌，各种装置和方法都是基于现场设计，难以在实验室内开展，也罕有地面减沉效果监测相关装置。

经过检索，发现公开号CN108362859A，公开日2018-08-03的专利文献公开了一种用于模拟老采空区注浆效果的实验系统，该装置通过测量破碎岩石间的孔隙总体积，对比实验注浆量获得注浆率，可测量注浆结实体的力学特性。该装置可以较为精确测得注浆结实体的力学参数，实现采空区注浆效果监测预计，但该装置尺寸较小，设备复杂，也不能模拟注浆后采空区影响范围内地表下沉特征。

经过检索，发现公开号CN111366403A，公开日2020-07-03的专利文献公开了一种煤矿采空区注浆充填治理效果检测装置及检测方法，该装置通过自主研发的钻孔装置对注浆充填后煤矿采空区、注浆后的裂隙带和垮落带的地层进行钻孔取样，并实现上述部位沉降量检测，可取得原位标准贯入试验的力学指标、采空区和非采空区沉降杆的沉降量，根据上述操作获得注浆后采空区各项指标，综合评判采空区注浆减沉效果。该装置适用于现场，测试周期长，系统复杂，着重于检测采空区注浆效果，对地表下沉的特征和规律缺乏研究。

综上所述，现有技术提供的方法，都无法对采空区注浆后所对应的覆岩运动及地表下沉的特征和规律进行理论研究，也就无法对地表沉陷进行针对性的有效预防。

实用新型内容

本实用新型的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种采空区注浆减沉模拟实验装置。

一种采空区注浆减沉模拟实验装置，包括：模拟地层箱、位置信息获取模块、模拟控制模块；

在所述模拟地层箱内从下到上依次铺设有模拟煤层、模拟垮落带岩层、模拟裂隙带岩层、模拟弯曲下沉带岩层、模拟地表土层；

在所述模拟煤层的中部设有模拟采空区；在所述模拟采空区的上方设置有模拟垮落岩层的充填框架，该充填框架镶嵌于模拟垮落带岩层内部；

所述充填框架内填充有能够落入所述模拟采空区的颗粒球，用来模拟当采空区顶板失去支撑后，采空区上部岩层自下而上发生垮落、断裂、离层后的状态；

所述位置信息获取模块包括：设置在所述模拟垮落带岩层、模拟弯曲下沉带岩层上的用于获取自身位置信息的无线位置传感器以及接收所述无线位置传感器信息的位移信息采集器，所述位移信息采集器安装在所述模拟地层箱的四个拐角上；

模拟控制模块用于接收处理所述位移信息采集器收集的信息，并实时显示地表下沉，并模拟开采覆岩运动形态，记录、保存试验数据。

进一步地，如上所述的采空区注浆减沉模拟实验装置，所述充填框架为中空的梁板结构，左右两侧为立板，每个立板内壁设置三条挡板槽；在该充填框架内部设置有能够沿着所述挡板槽滑动的挡板，每层挡板与所述模拟煤层平行设置。

进一步地，如上所述的采空区注浆减沉模拟实验装置，所述模拟地层箱包括：前后两块透明防护板、支撑立柱、底座、顶梁；

所述前后两块透明防护板分别通过螺栓固定在支撑立柱上；支撑立柱通过螺栓固定底座上；

所述顶梁通过螺栓固定在支撑立柱的上方；

在所述透明防护板上设置有挡板抽出口，所述挡板能够沿着与所述透明防护板垂直的方向在挡板抽出口内进行抽拉。

进一步地，如上所述的采空区注浆减沉模拟实验装置，所述模拟煤层、模拟垮落带岩层和模拟弯曲下沉带岩层均由若干层橡胶板排列挨在一起构成的；所述模拟裂隙带岩层由若干层木块通过钢丝绳连接为一体。

进一步地，如上所述的采空区注浆减沉模拟实验装置，在所述橡胶板中铺设有充填管道，所述充填管道的一端与所述充填框架内部连通，另一端连接加充填颗粒球装置。

进一步地，如上所述的采空区注浆减沉模拟实验装置，所述底座内铺设有进气管和出气管；

在所述模拟采空区的正下方设置有一底板，在该底板上设置有进气孔和出气孔，所述进气孔和出气孔分别通过橡胶管与进气管和出气管分别连通；

在所述进气管的外部连接有空气加压器；

通过所述进气管和出气管导入引出高压气体来搅拌充填框架内的颗粒球，使不同直径的颗粒球充分混合。

进一步地，如上所述的采空区注浆减沉模拟实验装置，在所述顶梁上设置有滑槽，在所述滑槽内安设多个距离传感器，所述距离传感器可在滑槽内滑动和摆动，以监测不同位置模拟地表点的位移。

进一步地，如上所述的采空区注浆减沉模拟实验装置，所述模拟地表土层由沙袋构成。

有益效果：

本实用新型提供的装置，具有以下优势：

(1)可以模拟煤层及上覆岩层，并实现煤层开挖后形成采空区及采空区上覆岩层的相应运动过程；可直观展示采空区注浆工艺，模拟采空区注浆减沉原理及减沉效果。

(2)可以模拟充填浆液，以及注浆减沉工艺过程；

(3)可以模拟地表，以及地表沉陷各项参数的获取。

附图说明

图1为本实用新型采空区注浆模拟实验装置示意图；

图2为本实用新型透明防护板示意图；

图3为本实用新型底板示意图；

图4为本实用新型充填框架正视示意图；

图5为本实用新型充填框架侧视示意图；

图6为本实用新型控制台示意图；

图7为本实用新型控制台电脑显示屏示意图；

图中，1、透明防护板，2、支撑立柱，3、螺栓，4、钢丝绳，5、橡胶板， 6、挡板，7、底座，8、出气管，9、挡板槽，10、出气孔，11、底板，12、颗粒球，13、充填框架，14、进气孔，15、进气管，16、空气加压器，17、充填颗粒球，18、充填管道，19、加充填颗粒球装置，20、木块，21、沙袋， 22、距离传感器，23、滑槽，24、顶梁，25、无线位置传感器，26、位移信息采集器，27、挡板抽出口，28、圆孔。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

图1为本实用新型采空区注浆模拟实验装置示意图，如图1所示，本实用新型提供的采空区注浆减沉模拟实验装置，包括：模拟地层箱、位置信息获取模块、模拟控制模块；

在所述模拟地层箱内从下到上依次铺设有模拟煤层、模拟垮落带岩层、模拟裂隙带岩层、模拟弯曲下沉带岩层、模拟地表土层；

在所述模拟煤层的中部设有模拟采空区；在所述模拟采空区的上方设置有充填框架13，该充填框架13镶嵌于模拟垮落带岩层内部；

所述充填框架13内填充有能够落入所述模拟采空区的颗粒球，用来模拟当采空区顶板失去支撑后，采空区上部岩层自下而上发生垮落、断裂、离层后的状态；

所述位置信息获取模块包括：设置在所述模拟垮落带岩层、模拟弯曲下沉带岩层上的用于获取自身位置信息的无线位置传感器25以及接收所述无线位置传感器25信息的位移信息采集器26，所述位移信息采集器26安装在所述模拟地层箱的四个拐角上；

模拟控制模块用于接收处理所述位移信息采集器26收集的信息，并实时显示地表下沉，并模拟开采覆岩运动形态，记录、保存试验数据。

优选地，所述充填框架13为中空的梁板结构，左右两侧为立板，每个立板内壁设置三条挡板槽9；在该充填框架13内部设置有能够沿着所述挡板槽9滑动的挡板6，每层挡板6与所述模拟煤层平行设置。

优选地，所述模拟地层箱包括：支撑立柱2、底座7、顶梁24以及前后两块透明防护板1；

所述前后两块透明防护板1分别通过螺栓3固定在支撑立柱2上；支撑立柱2通过螺栓3固定底座7上；

所述顶梁24通过螺栓3固定在支撑立柱2的上方；

在所述透明防护板1上设置有挡板抽出口27，所述挡板6能够沿着与所述透明防护板1垂直的方向在挡板抽出口27内进行抽拉。

优选地，所述模拟煤层、模拟垮落带岩层和模拟弯曲下沉带岩层均由若干层橡胶板5排列挨在一起构成的；所述模拟裂隙带岩层由若干层木块20通过钢丝绳4连接为一体。

其中，如图1所示，所述模拟煤层为图1中黑色区域的一层，该层由橡胶板5构成。紧挨着所述模拟煤层的为模拟垮落带岩层，该拟垮落带岩层由3层橡胶板5构成；紧挨着所述模拟垮落带岩层的为模拟裂隙带岩层，该模拟裂隙带岩层由三层木块20通过钢丝绳4连接为一体；紧挨着所述模拟裂隙带岩层的为模拟弯曲下沉带岩层，该模拟弯曲下沉带岩层同样由3层橡胶板5构成。

本实用新型采用橡胶板来模板所述模拟煤层、垮落带岩层和弯曲下沉带岩层，充分发挥材料特性，将原本大尺度、成分复杂的岩层简化为小尺寸、材料易得、易于塑形的橡胶板，却保留岩层的特性和运动特点。“煤层”处于一种弹性状态。“垮落带岩层”在采空区上方垮落成矸石，而煤层上方垮落带岩层还处于完整状态，为一种弹性状态。“弯曲下沉带”岩层的运动特点就是弯曲下沉，橡胶板的高弹性和大挠度正好可以满足上述要求。

此外，利用中部贯穿钢丝绳的木块层可较好的模拟“裂隙带岩层”的运动特点，即岩层内产生裂隙但仍能传递水平力(传递岩梁)。充分发挥材料组合特性。多个木块串联便于木块中间产生裂隙，中部贯穿钢丝绳使产生裂隙的木块不至滑落分离而保持接触咬合状态。

优选地，在所述模拟垮落带岩层的橡胶板5中铺设有充填管道18，所述充填管道18的一端与所述充填框架13内部连通，其另一端连接有加充填颗粒球装置19。该管道18在充填框架13的左右两侧分别作了铺设。

优选地，所述底座7内铺设有进气管15和出气管8；

在所述模拟采空区的正下方设置有一底板11，在该底板11上设置有进气孔 14和出气孔10，所述进气孔14和出气孔10分别通过橡胶管与所述进气管15 和出气管8分别连通；在所述进气管15的外部连接有空气加压器16；通过所述进气管15和出气管8导入引出高压气体来搅拌充填框架13内的颗粒球，使不同直径的颗粒球充分混合。

优选地，在所述顶梁24上设置有滑槽23，在所述滑槽23内安设有多个距离传感器22，所述距离传感器22可在滑槽23内滑动和摆动，以监测不同位置模拟地表点的位移。

具体地，本实用新型提供的采空区注浆减沉模拟实验装置包括：透明防护板1、支撑立柱2、螺栓3、钢丝绳4、橡胶板5、挡板6、底座7、出气管8、挡板槽9、出气孔10、底板11、颗粒球12、充填框架13、进气孔14、进气管 15、空气加压器16、充填颗粒球17、充填管道18、加充填颗粒球装置19、木块20、沙袋21、距离传感器22、滑槽23、顶梁24、无限位移传感器25、位移信息采集器26。

所述透明防护板1通过螺栓3固定在支撑立柱2上；支撑立柱2通过螺栓3 固定在底座7上；在底座7中铺设进气管15和出气管8；所述进气管15和出气管8的作用是导入引出高压气体，搅拌颗粒球，使不同直径的颗粒球充分混合。在底板11上凿出进气孔14和出气孔10；进气孔14和出气孔10通过橡胶管分别与进气管15和出气管8相连；进气孔14和出气孔10的直径要小于充填颗粒球17和颗粒球12的直径。进气管15与外部空气加压器16相连；模拟裂隙带岩层通过三层木块20由钢丝绳4连接成一个整体。所述模拟裂隙带岩层的作用是在木块20所在层位底部岩层垮落后，木块产生断裂、弯曲、下沉。用来模拟弯曲下沉带岩层的断裂弯曲下沉特征。钢丝绳4串起木块用来模拟弯曲下沉带岩层发生断裂却保持整体完整，依然能够传递水平力的特点。

三层橡胶板排列挨在一起，在每层橡胶板5中铺设充填管道18，每个充填管道18通过圆孔28与充填框架连通。

所述充填框架13选用密度小，轻质塑料或木条拼接而成。其原因是：密度小的轻质塑料或木条重量小，便于固定，不易坠落，对周围岩层影响小。充填框架的作用是盛放模拟垮落岩层的颗粒球，固定充填管，但在真实地下不存在此结构，故应降低充填框架对周围岩体的影响。

在充填框架13内部设置挡板槽9，挡板6可以在挡板槽9内滑动。

顶梁24通过螺栓3固定在支撑立柱2上，在支撑立柱2上安设滑槽23，滑槽23内安设多个距离传感器22，距离传感器22可在滑槽内滑动和摆动，以监测不同位置模拟地表点的位移。

所述无线位置传感器25固定于均匀分布在岩层中，通过支撑立柱2上下端的4个位移信息采集器26随时收集各点的位移信息。

其中，所述无线位置传感器25和位移信息采集器26是配套使用的，无线位置传感器25用以获取自身位置信息并以无线电波形式发射出去，位移信息采集器26收集无线位置传感器25发射的信息并通过数据线传至计算机。另一方面位移信息采集器26还起到测量基准的作用。四个位移信息采集器作用相同，多个位移信息采集器的目的是降低测量误差。

所述透明防护板1结构如图2所示，两侧打孔，以便固定于支撑立柱2。支撑立柱2的中下部位开三条挡板抽出口27，该挡板抽出口27用于抽出挡板6，以模拟煤层开采后顶板垮落。

在所述模拟采空区的正下方设置有一底板11，其如图3所示，底板11密布通孔，分为两类，一类作进气孔14，另一类作出气孔10，进气孔14与出气孔 10分别通过橡胶管与进气管15和出气管8相连。

充填框架结构如图4、5所示，该结构为中空的梁板结构，两侧为立板，立板内壁设置三条挡板槽9，立板上有三个圆孔28。由于充填管路穿过立板，因此在连接两立板内侧对应的四个角分别通过横杆连接该两对立的立板，从而对立板起支撑固定作用。

控制台结构如图6所示，控制台上电脑屏幕如图7所示，通过收集整合距离传感器22、位移信息采集器26的信号，在屏幕上实时显示地表下沉，并模拟开采覆岩运动形态，记录、保存试验数据。通过电脑及系列控制电路实现自动加注颗粒球和空气加压。

下面对本实用新型基于颗粒球的采空区注浆减沉模拟实验装置的使用方法做详细说明，主要步骤包括：

步骤1：选取直径为r的颗粒球代表充填材料，已知采空区充填的充填率是 m，V代表充填框架正下方采空区的体积，根据公式

算出充填颗粒球个数n；

步骤3：选取不同直径的颗粒球代表垮落岩层(图1中为了图示方便选取了同一直径的颗粒球)并将颗粒球填满充填框架，这部分颗粒球的直径要远大于r；按照一定的顺序将材料铺设到实验装置上如图1所示；

此处选取不同直径的颗粒球代表垮落岩层的垮落矸石，不同直径用于模拟垮落后不同块度的石块。

所述一定的顺序为：从下向上层层铺设，并使不同直径的颗粒球混合在一起；这些颗粒球具体铺设到充填框架内部隔板上。这部分颗粒球是上述代表垮落岩层的不同直径的颗粒球。

步骤4：从下向上依次抽出充填框架的挡板，颗粒球落入采空区，模拟煤层采出后，顶板岩层垮落、断裂、弯曲；

步骤5：通过充填管道向采空区及上覆岩层注入充填颗粒球(这部分颗粒球为直径r代表充填材料的同种颗粒球)，每一个充填管道注入的颗粒球的个数是

(因为6条充填管道，在填充框架的左右两侧各3条)，注入的同时通过空气加压器加压，使不同直径的颗粒球能充分的混合；其充分混合的目的在于：模拟实际情况下充填浆液完全注入垮落岩石裂隙中。

步骤6：通过橡胶板和沙袋的注入充填材料前和注入充填材料后的弯曲状态直接观测覆岩及地表特征。

步骤7：依靠获得的地表下沉和采动覆岩位移数据综合评价采空区注浆减沉的效果。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种采空区注浆减沉模拟实验装置，其特征在于，包括：模拟地层箱、位置信息获取模块、模拟控制模块；

在所述模拟地层箱内从下到上依次铺设有模拟煤层、模拟垮落带岩层、模拟裂隙带岩层、模拟弯曲下沉带岩层、模拟地表土层；

在所述模拟煤层的中部设有模拟采空区；在所述模拟采空区的上方设置有充填框架(13)，该充填框架(13)镶嵌于模拟垮落带岩层内部；

所述充填框架(13)内填充有能够落入所述模拟采空区的颗粒球，用来模拟当采空区顶板失去支撑后，采空区上部岩层自下而上发生垮落、断裂、离层后的状态；

所述位置信息获取模块包括：设置在所述模拟垮落带岩层、模拟弯曲下沉带岩层上的用于获取自身位置信息的无线位置传感器(25)以及接收所述无线位置传感器(25)信息的位移信息采集器(26)，所述位移信息采集器(26)安装在所述模拟地层箱的四个拐角上；

模拟控制模块用于接收处理所述位移信息采集器(26)收集的信息，并实时显示地表下沉，并模拟开采覆岩运动形态，记录、保存试验数据；

所述模拟煤层、模拟垮落带岩层和模拟弯曲下沉带岩层均由若干层橡胶板(5)排列挨在一起构成的；

所述模拟裂隙带岩层由若干层木块(20)通过钢丝绳(4)连接为一体。

2.根据权利要求1所述的采空区注浆减沉模拟实验装置，其特征在于，所述充填框架(13)为中空的梁板结构，左右两侧为立板，每个立板内壁设置三条挡板槽(9)；在该充填框架(13)内部设置有能够沿着所述挡板槽(9)滑动的挡板(6)，每层挡板(6)与所述模拟煤层平行设置。

3.根据权利要求2所述的采空区注浆减沉模拟实验装置，其特征在于，所述模拟地层箱包括：支撑立柱(2)、底座(7)、顶梁(24)以及前后两块透明防护板(1)；

所述前后两块透明防护板(1)分别通过螺栓(3)固定在支撑立柱(2)上；支撑立柱(2)通过螺栓(3)固定底座(7)上；

所述顶梁(24)通过螺栓(3)固定在支撑立柱(2)的上方；

在所述透明防护板(1)上设置有挡板抽出口(27)，所述挡板(6)能够沿着与所述透明防护板(1)垂直的方向在挡板抽出口(27)内进行抽拉。

4.根据权利要求1所述的采空区注浆减沉模拟实验装置，其特征在于，在所述模拟垮落带岩层的橡胶板(5)中铺设有充填管道(18)，所述充填管道(18)的一端与所述充填框架(13)内部连通，其另一端连接有加充填颗粒球装置(19)。

5.根据权利要求3所述的采空区注浆减沉模拟实验装置，其特征在于，所述底座(7)内铺设有进气管(15)和出气管(8)；

在所述模拟采空区的正下方设置有一底板(11)，在该底板(11)上设置有进气孔(14)和出气孔(10)，所述进气孔(14)和出气孔(10)分别通过橡胶管与所述进气管(15)和出气管(8)分别连通；

在所述进气管(15)的外部连接有空气加压器(16)；

通过所述进气管(15)和出气管(8)导入引出高压气体来搅拌充填框架(13)内的颗粒球，使不同直径的颗粒球充分混合。

6.根据权利要求3所述的采空区注浆减沉模拟实验装置，其特征在于，在所述顶梁(24)上设置有滑槽(23)，在所述滑槽(23)内安设有多个距离传感器(22)，所述距离传感器(22)可在滑槽(23)内滑动和摆动，以监测不同位置模拟地表点的位移。

7.根据权利要求1所述的采空区注浆减沉模拟实验装置，其特征在于，所述模拟地表土层由沙袋(21)构成。

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