CN103901167B - 一种用于模拟煤层开采的高压充气筏垫试验装置与方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于模拟煤层开采的高压充气筏垫试验装置与方法属于采矿工程中模型试验技术领域。装置包括充气筏垫部分、测压装置、充气装置、抽真空装置；充气筏垫牛津布面和牛津布拉带通过粘结形成密闭筏垫即充气筏垫部分，放置于试验模型的采空区部位，密闭筏垫两侧密贴模型煤柱（2）；密闭气管（6）一端与充气筏垫牛津布面（3）粘结在一起，另一端与测压表（7）通过密闭气管口（10）连接，测压表（7）与气阀（8）连接；气阀口（9）连接充气装置给密闭筏垫充气，模拟能够承压的煤层；在模拟采空时，将密闭气管口（10）连接抽真空装置。本发明解决了模拟采空区可靠性以及模型形态稳定问题：实现了模拟采空区的分段、分步，与实际采煤过程一致。
Description
技术领域
本发明属于采矿工程与地下工程中模型试验技术领域，主要应用于采矿工程、地下工程领域进行室内相似材料模型试验研究中的煤岩体挖掘技术或煤岩体的采空技术。
背景技术
在采矿工程、地下工程领域，经常开展相似材料物理模型试验研究，分析模拟地下煤层的开采(采空)过程，揭示覆岩和地表移动变形规律。目前，建立的相似材料物理模型多以平面模型试验台为平台，以便于平面(二维)模型中煤层的直接切割采空。如高明中(文献：急倾斜煤层开采岩移基本规律的模型试验，岩石力学与工程学报，2004，23(3)：441～445)针对急倾斜煤层开采引起的岩体移动和地表沉陷的基本规律进行了试验研究，其试验在规格(长×宽×高)为3.0m×0.3m×1.2m的平面模型试验台上进行。王堃等(文献：缓倾斜煤层开采相似材料模拟试验研究，测绘与空间地理信息，2012，35(12)：207-212)针对缓倾斜工作面上覆岩层下沉和水平移动进行了相似材料模拟试验的研究，其相似模拟试验采用安徽理工大学旋转式平面应变模型试验台，其规格为:长×宽×高＝2m×0.2m×2m。郭辉等(文献：开采沉陷覆岩运动规律的相似材料模拟试验，北京测绘，2013年，第5期，12-15)所开展的试验研究也采用的是平面模型试验台。等等，这些相似材料模型试验的煤层开采均采用了直接切割采空等方法。
若为三维模型，一般应先营造出拟采空的煤层部分，要求煤层具有一定厚度和平面尺寸，且在建造模型过程中其形态应保持稳定，采空过程能够精确控制。如此较难的控制技术，致使在当前的地下煤层开采模型试验研究中，三维模型试验技术的成功应用案例较少，如文虎等(文献：三维采空区漏风模拟相似材料模型***设计，矿业安全与环保，2014,41(3)：31-34)研发的三维模型***中关于煤层的开采是通过在模型箱体底部设置的旋转螺柱垂直位移来控制条钢平稳升降，以达到对开采单元和工作面过程的控制。涂敏等(文献：水采采场上覆岩层运动规律的三维相似模拟试验研究，淮南工业学院学报，1998,18(3)：24-28)开展的三维相似模拟试验，采用了聚脂泡沫材料加热熔化的原理模拟煤层的开采过程等。虽然取得了少量成功应用，但对于大型或复杂的煤层开采三维相似材料物理模拟试验研究，还需要进一步解决和优化如下关键技术：
(1)如何在三维模型中，采用性能可靠的材料或装置构建拟采空的煤层，并便于操作。
(2)对于三维模型中构建的煤层(采空区)，在采空前或上覆煤岩体模型建造过程中如何保持其形态稳定。
(3)在三维试验模型中，由于煤层隐藏在模型内部，如何实现煤层的分段、分步采空。
发明内容
本发明采用高压气垫原理，研制了一种模拟地下煤层采空的三维模型试验装置及其方法。
一种用于模拟煤层开采的高压充气筏垫试验装置，其特征在于包括四部分：即充气筏垫部分、测压装置、充气装置、抽真空装置；充气筏垫牛津布面和牛津布拉带通过粘结形成密闭筏垫即充气筏垫部分，放置于试验模型的采空区部位，密闭筏垫两侧密贴模型煤柱2。设置多排密闭筏垫，筏垫间存在筏垫间隙4。测压装置包括密闭气管6、测压表7、气阀8、气阀口9和密闭气管口10；密闭气管6一端与充气筏垫牛津布面3粘结在一起，并保持筏垫的密闭性，另一端与测压表7通过密闭气管口10连接，测压表7与气阀8连接。气阀口9连接充气装置给密闭筏垫充气，模拟能够承压的煤层。在模拟采空时，将气阀8打开放气，并从密闭气管口10卸掉，将密闭气管口10连接抽真空装置。
应用所述装置的方法，其特征在于：
在地下煤层采空三维模型试验时，将充气筏垫牛津布面和牛津布拉带通过粘结形成密闭筏垫即充气筏垫部分放置于模型煤柱2之间模拟即将采空区，使用充气装置给筏垫充入气体，通过测压装置测定其压力值，高压充气后筏垫呈一定厚度的平板状，该厚度根据模拟需要定做，在20～100mm之间，充气筏垫平面大小根据模型试验要求定做，采空区可由若干充气筏垫拼成，两两密贴。密闭气管6一端与充气筏垫牛津布面3粘结在一起，并保持筏垫的密闭性，另一端与测压表7通过密闭气管口10连接，测压表7与气阀8连接。气阀口9与气泵出气口11连接，通过充气装置给密闭筏垫充气，模拟能够承压的煤层。在模拟采空时，将气阀8打开放气，并从密闭气管口10卸掉，将密闭气管口10连接抽真空装置。
本发明采用高压气垫原理，研制了一种模拟地下煤层采空的三维模型试验装置及其方法，主要解决了以下技术问题：
(1)模拟采空区装置的可靠性问题：模拟采空区的充气筏垫采用防水牛津布制作，强度高、气密性好，并配备精确的测压装置、充气装置和抽真空装置，模拟采空效果良好。
(2)采空区模型形态稳定问题：采用高压充气阀垫模拟煤层，依据试验的相似系数，可以精确确定模拟煤层的厚度和长宽。牛筋布拉带可使气垫的平整度保持在±0.2mm范围内，采空试验装置充气后可形成具有一定厚度和形状的平板状，气压可调控，确保模拟煤层采空区形态在试验模型制作过程中保持恒定状态。
(3)采空区分段、分步采空试验问题：因为实际煤层的开采是采用分段、分步开挖，因此高压充气筏垫可制作成若干块状，充气阀垫可紧密地拼接在模型采空区内，之间的筏垫间隙4可保证埋藏在充气阀垫以下若干层的拉线位移传感器的拉线能顺利通过。通过采用依次将紧挨的气垫抽成真空的方式实现了模拟采空区的分段、分步采空试验过程，与实际采煤过程的顺序和步骤完全吻合。
因此，采用本试验装置与方法模拟采空区的分段、分步开采过程，可大大提高试验的工作效率，确保试验的准确性和可靠性。
附图说明
图1试验装置俯视图
图2图1中A-A剖面图。
其中 1.采空区；2.模型煤柱；3.高压充气筏垫牛津布面；4.筏垫间隙；5.牛津布拉带；6.密闭气管；7.测压表；8.气阀；9.气阀口；10.密闭气管口。
具体实施方式
试验装置的俯视图如图1所示，其中1.采空区；2.模型煤柱；3.高压充气筏垫牛津布面；4.筏垫间隙；5.牛津布拉带；6.密闭气管；7.测压表；8.气阀；9.气阀口；10.密闭气管口；11.气泵出气口；12.高压气泵；13.真空泵；14.真空泵抽气口。
本发明是一套模拟地下煤层采空的三维模型试验装置及其方法，整体技术包括四部分，即充气筏垫部分、测压装置、充气装置、抽真空装置。见图1。其中充气筏垫部分和测压装置是本发明的关键技术。在地下煤层采空三维模型试验时，将充气筏垫放置于模型煤柱2之间模拟即将采空区，使用充气装置给筏垫充入气体，通过测压装置测定其压力值(气压可达0.1MPa)，高压充气后筏垫呈一定厚度(根据模拟需要定做，在20～100mm之间)的平板状，充气筏垫平面大小根据模型试验要求定做，采空区可由若干充气筏垫拼成，两两密贴。煤层采空过程即充气筏垫的放气过程，并使用抽真空装置将充气筏垫抽成真空，形成厚度小于1mm的薄片，以达到采空的目的。
高压充气筏垫牛津布面3和牛津布拉带5通过粘结形成密闭筏垫，放置于试验模型的采空区1部位，两侧密贴模型煤柱2。根据模型试验尺寸的需要设置多排密闭筏垫，筏垫间存在筏垫间隙4。密闭气管6一端与筏垫牛津布面3粘结在一起，并保持筏垫的密闭性，另一端与测压表7通过密闭气管口10连接，测压表7与气阀8连接。气阀口9与气泵出气口11连接，可通过高压气泵12给密闭筏垫充气，形成能够承压的煤层。在模拟采空时，将气阀8打开放气，并从密闭气管口10卸掉，将密闭气管口10通过真空泵抽气口14连接于真空泵13，对高压充气筏垫抽真空，模拟煤层采空。
Claims (2)
1.一种用于模拟煤层开采的高压充气筏垫试验装置，其特征在于包括四部分：即充气筏垫部分、测压装置、充气装置、抽真空装置；充气筏垫牛津布面和牛津布拉带通过粘结形成密闭筏垫即充气筏垫部分，放置于试验模型的采空区部位，密闭筏垫两侧密贴模型煤柱（2）；设置多排密闭筏垫，筏垫间存在筏垫间隙（4）；测压装置包括密闭气管（6）、测压表（7）、气阀（8）、气阀口（9）和密闭气管口（10）；密闭气管（6）一端与充气筏垫牛津布面（3）粘结在一起，并保持筏垫的密闭性，另一端与测压表（7）通过密闭气管口（10）连接，测压表（7）与气阀（8）连接；气阀口（9）连接充气装置给密闭筏垫充气，模拟能够承压的煤层；在模拟采空时，将气阀（8）打开放气，并从密闭气管口（10）卸掉，将密闭气管口（10）连接抽真空装置。
2.应用权利要求1所述装置的方法，其特征在于：
在地下煤层采空三维模型试验时，将充气筏垫牛津布面和牛津布拉带通过粘结形成密闭筏垫即充气筏垫部分放置于模型煤柱（2）之间模拟即将采空区，使用充气装置给筏垫充入气体，通过测压装置测定其压力值，高压充气后筏垫呈平板状，采空区由若干充气筏垫拼成，两两密贴；密闭气管（6）一端与充气筏垫牛津布面（3）粘结在一起，并保持筏垫的密闭性，另一端与测压表（7）通过密闭气管口（10）连接，测压表（7）与气阀（8）连接；气阀口（9）与气泵出气口（11）连接，通过充气装置给密闭筏垫充气，模拟能够承压的煤层；在模拟采空时，将气阀（8）打开放气，并从密闭气管口（10）卸掉，将密闭气管口（10）连接抽真空装置。
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