CN104597225A - 煤层开采三维物理模拟实验装置及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤层开采三维物理模拟实验装置及实验方法，涉及借助于测定材料的化学或物理性质来测试或分析材料技术领域。所述实验装置包括若干个电熔蜡装置、电源以及若干个开关，所述一个电熔蜡装置和一个开关串联后形成一条电熔蜡控制支路，若干条电熔蜡控制支路并联在电源的两端。通过使用所述实验装置完成煤层开采三维物理模拟实验，具有操作简单、造价低廉、***可靠性强的特点，穿过模型的电线对实验产生的影响也比较轻微，从而实验结果更准确。

Description

煤层开采三维物理模拟实验装置及实验方法

技术领域

本发明涉及借助于测定材料的化学或物理性质来测试或分析材料技术领域，尤其涉及一种煤层开采三维物理模拟实验装置及实验方法。

背景技术

物理模拟实验是研究采煤活动中煤岩层移动和矿压显现规律的常用方法，可分为二维（平面）物理模拟实验和三维物理模拟实验两类。其中三维物理模拟实验得到的是三维空间的实验结果，因而更加全面和可信。

在三维物理模拟实验中，模拟煤层的开挖是整个实验的难点之一。有的解决方法是在三维物理实验台下设置地下操作空间，实验台的底板由多块可拆装的活动板构成。在堆筑模型时，最下一层即为预开采额模拟煤层。开挖时，操作人员进入地下操作空间，卸下预开挖位置的活动板开挖，开挖完成后再装上活动板。此种开挖的缺点是操作不便利而且较为复杂，没有考虑底板岩层对整个开采活动的影响，模拟结果不够准确和全面。

也有的解决方法是在堆筑和养护完成的模型上先开一个小洞，然后在小洞里伸入器械对模型内部进行开挖。这种方式难以做到开挖的准确，或者即使做到开挖的准确也会因装置的过于复杂和造价太高而难以实施。

还有的采用液压装置进行开挖的模拟，堆筑模型时，在模拟煤层处用已充入相当液体并保持压力的多个液压装置占据开挖煤层的空间。模拟开挖时，依照开采顺序将液压装置内的液体放出，液压装置整体高度降低，完成开挖模拟。受物理模拟实验台尺寸和工程量的限制，模型是不能做得太大的。因此煤层的厚度一般较小。在模拟实验中，液压装置的尺寸受到很大的限制。液压装置的尺寸小，则加工难度比较大，各部件的连接精度要求较高。三维物理模拟实验的堆筑、养护、开挖、观测等过程持续时间较长，液压装置内部在液体放出前的较长时间里要保持相当高的压力，增加了渗漏的风险，可靠性降低。另外，液压管路为中空结构，既要保证材料的强度，又要保证管路有相当的壁厚。这样，相对较粗的液压管路从模型中穿过，对模型造成了较大影响。

可见，已有的在三维物理模拟实验中实现煤层开采的装置和方法存在着一些不足。寻求可靠性强、操作简单且造价低廉的煤层开采装置和方法具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种煤层开采三维物理模拟实验装置及实验方法，通过使用所述实验装置完成煤层开采三维物理模拟实验，具有操作简单、造价低廉、***可靠性强，实验结果更准确的特点。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种煤层开采三维物理模拟实验装置，其特征在于：所述实验装置包括若干个电熔蜡装置、电源以及若干个开关，所述一个电熔蜡装置和一个开关串联后形成一条电熔蜡控制支路，若干条电熔蜡控制支路并联在电源的两端。

进一步的技术方案在于：所述电熔蜡装置包括底座、顶盖以及电熔蜡组件，所述电熔蜡组件包括纸筒、位于纸筒内的固化蜡以及位于固化蜡内的电阻丝，所述电熔蜡组件的一端与底座固定连接，所述顶盖盖合于电熔蜡组件的另一端，所述电阻丝的两端分别连接有一条电线。

进一步的技术方案在于：所述底座和顶盖为盆状结构，所述底座和顶盖的侧壁上设有电线孔，与所述电阻丝连接的电线通过所述电线孔向电熔蜡装置的外侧引出。

进一步的技术方案在于：所述电阻丝为螺旋状电阻丝。

进一步的技术方案在于：所述顶盖和底座采用不导电耐高温材料制成。

本发明还公开了一种煤层开采三维物理模拟实验方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：（1）将两根电线分别与电阻丝的两端连接，制作一个纸筒，纸筒高度根据模拟煤层的开采厚度确定，用纸筒围住电阻丝，并使上述两根电线穿过所述纸筒，将蜡质材料融化灌入纸筒内，凝固后与电阻丝结合成一个柱体，然后将该柱体放置于底座内并固定，将顶盖盖合在该柱体上；

（2）将上述两根电线分别穿过底座和顶盖上设置的电线孔；

（3）在三维物理模拟实验台上堆筑底板模拟岩层，堆筑时在设定位置埋设压力和位移传感器并将传感器信号线引出模型以外；

（4）根据模拟要求，在预定的煤层开挖位置安装多个制作好的电熔蜡装置，将连接电熔蜡装置的电线延伸至模型以外；

（5）在预定不开挖的煤层位置继续堆筑模拟煤层，进而在模拟煤层和电熔蜡装置的上面继续堆筑顶板模拟岩层，堆筑时在设定位置埋设压力和位移传感器；

（6）将上述所有的传感器信号线连接到压力和位移信号测量装置上；

（7）在连接电熔蜡装置的电线上设置开关，在开关处于断开状态下将电线连接在电源上；

（8）模型堆筑完成后养护一段之间后，根据模拟煤层的开挖顺序，依次将连接于电熔蜡装置电线上的开关闭合，电阻丝通电后发热，熔化蜡质材料，顶盖下降的高度即为煤层开采的厚度；

（9）在开挖过程中以及开挖后的设定时间段内，通过测量装置测记煤岩层内部压力和位移变化情况。

进一步的技术方案在于：在电熔蜡装置安装完成后，在电熔蜡装置安装范围的上面铺设一层薄纱布，防止模拟材料在实验过程中进入电熔蜡装置内部。

进一步的技术方案在于：所述电熔蜡装置的底座下和顶盖上也可埋设压力传感器，并将传感器信号线引出模型以外。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：通过使用所述实验装置完成煤层开采三维物理模拟实验，具有操作简单、造价低廉、***可靠性强的特点，穿过模型的电线对实验产生的影响也比较轻微，从而实验结果更准确。

附图说明

图1是本发明所述实验装置的原理框图；

图2是图1中电熔蜡装置的结构示意图；

其中：1、电熔蜡装置 2、电源 3、电线 4、开关 5、底座 6、电阻丝 7、顶盖 8、电线孔 9、纸筒。

具体实施方式

下面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。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1所示，本发明公开了一种煤层开采三维物理模拟实验装置，所述实验装置包括若干个电熔蜡装置1、电源2以及若干个开关4。所述一个电熔蜡装置1和一个开关4串联后形成一条电熔蜡控制支路，若干条电熔蜡控制支路并联在电源2的两端。

如图2所示，所述电熔蜡装置包括底座5、顶盖7以及电熔蜡组件，所述电熔蜡组件包括纸筒9、位于纸筒内的固化蜡以及位于固化蜡内的电阻丝6。所述电熔蜡组件的一端与底座5固定连接，所述顶盖7盖合于电熔蜡组件的另一端，所述电阻丝6的两端分别连接有一条电线3。进一步的，所述底座5和顶盖7为盆状结构，所述底座5和顶盖7的侧壁上设有电线孔8，与所述电阻丝6连接的电线3通过所述电线孔8向电熔蜡装置1的外侧引出。

本发明还公开了一种煤层开采三维物理模拟实验方法，所述方法包括如下步骤：

（1）将两根电线3分别与电阻丝6的两端连接，制作一个纸筒9，纸筒9高度根据模拟煤层的开采厚度确定，用纸筒9围住电阻丝6，并使上述两根电线3穿过所述纸筒9，将蜡质材料融化灌入纸筒9内，凝固后与电阻丝6结合成一个柱体，然后将该柱体放置于底座5内并固定，将顶盖7盖合在该柱体上；

（2）将上述两根电线3分别穿过底座5和顶盖7上设置的电线孔8；

（3）在三维物理模拟实验台上堆筑底板模拟岩层，堆筑时在设定位置埋设压力和位移传感器并将传感器信号线引出模型以外；

（4）根据模拟问题的要求，在预定的煤层开挖位置安装多个制作好的电熔蜡装置1，将连接电熔蜡装置1的电线3延伸至模型以外；

（5）在电熔蜡装置1安装范围的上面铺设一层薄纱布，防止模拟材料在实验过程中进入装置内部；

（6）在预定不开挖的煤层位置继续堆筑模拟煤层，进而在模拟煤层和电熔蜡装置1上面的薄纱布上继续堆筑顶板模拟岩层。堆筑时在设定位置埋设压力和位移传感器，电熔蜡装置1的底座5下和顶盖7上也可埋设压力传感器，并将传感器信号线要引出模型以外；

（7）将传感器信号线连接到压力和位移信号测量装置上；

（8）在连接电熔蜡装置1的电线3上设置开关4，在开关4处于断开状态下将电线3连接在电源2上；

（9）模型堆筑完成后养护一段之间后，根据模拟煤层的开挖顺序，依次将连接电熔蜡装置1的电线3上的开关4闭合。电阻丝6通电后发热，熔化蜡质材料，顶盖7下降的高度即为煤层开采的厚度；

（10）在开挖过程中以及开挖后的设定时间段内，测记煤岩层内部压力和位移变化情况。

电线3应比较柔软并可抵抗一定的拉伸变形，铺设电线3时也应预设弯曲位置，以消除模拟岩层运动对电线3的拉伸作用。所述的电阻丝6可采用螺旋形状，有少许的弹性以适应不同的纸筒9高度。纸筒9高度根据模拟煤层的开采厚度确定：顶盖7的顶板厚度加上底座5的底板厚度加上纸筒9高度，就是制作好的电熔蜡装置1的高度。实际操作时纸筒9高度可以稍高一些，以便于修剪调整。所述的顶盖7和底座5用不导电耐高温材料制成。如顶盖7和底座5用导电材料制成，需采取措施不使顶盖7和底座5直接接触，各个电熔蜡装置1也需避免直接接触。

通过使用所述实验装置完成煤层开采三维物理模拟实验，具有操作简单、造价低廉、***可靠性强的特点，穿过模型的电线对实验产生的影响也比较轻微，从而实验结果更准确。

Claims (8)

1.一种煤层开采三维物理模拟实验装置，其特征在于：所述实验装置包括若干个电熔蜡装置（1）、电源（2）以及若干个开关（4），所述一个电熔蜡装置（1）和一个开关（4）串联后形成一条电熔蜡控制支路，若干条电熔蜡控制支路并联在电源（2）的两端。

2.根据权利要求1所述的煤层开采三维物理模拟实验装置，其特征在于：所述电熔蜡装置包括底座（5）、顶盖（7）以及电熔蜡组件，所述电熔蜡组件包括纸筒（9）、位于纸筒内的固化蜡以及位于固化蜡内的电阻丝（6），所述电熔蜡组件的一端与底座（5）固定连接，所述顶盖（7）盖合于电熔蜡组件的另一端，所述电阻丝（6）的两端分别连接有一条电线（3）。

3.根据权利要求2所述的煤层开采三维物理模拟实验装置，其特征在于：所述底座（5）和顶盖（7）为盆状结构，所述底座（5）和顶盖（7）的侧壁上设有电线孔（8），与所述电阻丝（6）连接的电线（3）通过所述电线孔（8）向电熔蜡装置（1）的外侧引出。

4.根据权利要求2所述的煤层开采三维物理模拟实验装置，其特征在于：所述电阻丝（6）为螺旋状电阻丝。

5.根据权利要求1所述的煤层开采三维物理模拟实验装置，其特征在于：所述顶盖（7）和底座（5）采用不导电耐高温材料制成。

6.一种煤层开采三维物理模拟实验方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

（1）将两根电线（3）分别与电阻丝（6）的两端连接，制作一个纸筒（9），纸筒（9）高度根据模拟煤层的开采厚度确定，用纸筒（9）围住电阻丝（6），并使上述两根电线（3）穿过所述纸筒（9），将蜡质材料融化灌入纸筒（9）内，凝固后与电阻丝（6）结合成一个柱体，然后将该柱体放置于底座（5）内并固定，将顶盖（7）盖合在该柱体上；

（2）将上述两根电线（3）分别穿过底座（5）和顶盖（7）上设置的电线孔（8）；

（3）在三维物理模拟实验台上堆筑底板模拟岩层，堆筑时在设定位置埋设压力和位移传感器并将传感器信号线引出模型以外；

（4）根据模拟要求，在预定的煤层开挖位置安装多个制作好的电熔蜡装置（1），将连接电熔蜡装置（1）的电线（3）延伸至模型以外；

（5）在预定不开挖的煤层位置继续堆筑模拟煤层，进而在模拟煤层和电熔蜡装置（1）的上面继续堆筑顶板模拟岩层，堆筑时在设定位置埋设压力和位移传感器；

（6）将上述所有的传感器信号线连接到压力和位移信号测量装置上；

（7）在连接电熔蜡装置（1）的电线（3）上设置开关（4），在开关（4）处于断开状态下将电线连接在电源（2）上；

（8）模型堆筑完成后养护一段之间后，根据模拟煤层的开挖顺序，依次将连接于电熔蜡装置（1）电线上的开关（4）闭合，电阻丝（6）通电后发热，熔化蜡质材料，顶盖（7）下降的高度即为煤层开采的厚度；

（9）在开挖过程中以及开挖后的设定时间段内，通过测量装置测记煤岩层内部压力和位移变化情况。

7.根据权利要求6所述的煤层开采三维物理模拟实验方法，其特征在于：在电熔蜡装置（1）安装完成后，在电熔蜡装置（1）安装范围的上面铺设一层薄纱布，防止模拟材料在实验过程中进入电熔蜡装置内部。

8.根据权利要求6所述的煤层开采三维物理模拟实验方法，其特征在于：所述电熔蜡装置的底座（5）下和顶盖（7）上也可埋设压力传感器，并将传感器信号线引出模型以外。