CN104849426A - 采场密闭空间煤层回采三维物理相似模拟实验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了采场密闭空间煤层回采三维物理相似模拟实验装置及方法，该装置由顶板、模型边界、及底板制成，模型边界内设置采场，在采场位置依次铺装20个内置胶结易溶充填体胶囊，并在采场四周铺装煤层，水源通过进水管与内置胶结易溶充填体胶囊连接，内置胶结易溶充填体胶囊通过出水管与蓄水池连接，该方法通过在三维相似模型中预埋装填胶结易溶充填体胶囊装置模拟采场煤层，通过向胶囊注水融化胶结易溶充填体，并将其排出模型，实现密闭空间采场煤层回采模拟。通过该方法能够实现地下工程密闭空间回采的三维相似模拟，更为精确模拟密闭空间回采情况，更好的反映长壁采场围岩变形破坏三维特征。

Description

采场密闭空间煤层回采三维物理相似模拟实验装置及方法
技术领域
本发明涉及一种采场密闭空间煤层回采相似模拟实验，具体为采场密闭空间煤层回采三维物理相似模拟实验装置及方法。
背景技术
相似模拟实验是真实的物理实体，在基本满足相似原理的条件下，能更真实的反映岩体和工程结构空间关系，更准确的模拟开挖施工过程的影响，在国内外岩土与采矿工程界得到广泛应用，成为采矿、地质、岩土等工程问题的必要研究手段。目前，国内科研院所进行了一些地下工程三维相似模拟实验，对煤矿开采工作面回采过程中采场覆岩破坏特征等进行了研究，但以上三维模拟实验中，煤层回采从模型某一边界开始，受边界条件影响大，不能实现密闭采场空间开采，难以对采场围岩破坏特征进行真实的相似研究，特别是大倾角煤层长壁采场受煤层倾角影响，位于模型内部，必须解决三维相似模拟实验密闭空间回采问题。因此，亟需研究一种地下工程三维物理相似模拟实验中实现密闭空间回采装置，实现对煤矿开采长壁采场(特别是大倾角长壁采场)围岩三维破坏特征的研究，以确保煤矿安全高效生产。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提供了采场密闭空间煤层回采三维物理相似模拟实验装置及方法，能够实现地下工程密闭空间回采的三维相似模拟，更为精确模拟密闭空间回采情况，更好的反映长壁采场围岩变形破坏三维特征，较好地实现与工程实际情况相似模拟，以为地下三维密闭空间煤层回采存在的特性提供更为可靠地参考依据。
为实现上述目的本发明采用以下技术方案：
采场密闭空间煤层回采三维物理相似模拟实验装置，包括进水管、出水管、底板、采场、内置胶结易溶充填体胶囊、煤层、模型边界、顶板、水源、阀门、蓄水池及水泵；该装置由顶板、模型边界及底板密闭成圆柱体结构，所述模型边界内设置采场，在采场位置沿工作面推进方向依次铺装1#至20#共20个内置胶结易溶充填体胶囊，并在采场四周铺装煤层，所述水源通过进水管与内置胶结易溶充填体胶囊连接，且所述水源设有阀门，内置胶结易溶充填体胶囊通过出水管与蓄水池连接，且蓄水池内设有水泵。
作为本发明进一步的方案，内置胶结易溶充填体胶囊由囊体、上封盖、下封盖、胶结易溶充填体、进水口、出水口按照一定相似比例组成，所述进水口位于上封盖；所述出水口位于下封盖。
作为本发明进一步的方案，内置胶结易溶充填体胶囊采用橡胶材料制成。
作为本发明进一步的方案，胶结易溶充填体采用白糖、石盐、水按照一定比例混合，采用模具制成充填体散体模型，并在200℃条件下烘干，冷却制成。
采用上述实验装置的采场密闭空间煤层回采三维物理相似模拟实验方法，按照以下步骤：从采场边界的1#内置胶结易溶充填体胶囊开始，将水源的阀门打开，清水从进水管经上封盖的进水口，进入内置胶结易溶充填体胶囊，胶结易溶充填体遇水溶化形成糖盐混合溶液，溶化液体在自重及水压作用下从下封盖的出水口进过出水管，排入蓄水池，并通过水泵排出，当胶囊排出液体由糖盐溶液转变为纯净水时，说明胶囊中胶结易容块体完全溶化并排出，关闭阀门停止注水，实现工作面下行割煤；按照上述过程依次顺序对相邻的2#至20#内置胶结易溶充填体胶囊注水，实现工作面沿走向推进，完成采场煤层回采。
在实验前对内置胶结易溶充填体胶囊进行气密性检测。
在注水过程中，控制注水速度及进排水量，防治注水过程中胶囊水压过大破裂。
本发明具有以下优点：
(1)内置胶结易溶充填体胶囊设计合理、所需材料简单便于实现。
(2)能够较好实现工作面回采工艺、时间相似，能真实的反映长壁采场围岩变形破坏三维特征。
综上所述，本发明设计合理、所需材料简单、实施方便易于实现，使用效果好，较好实现与工程实际情况相似，真实反映采场围岩变形三维特征。
附图说明
附图1为本发明实验装置示意图。
附图2为内置胶结易溶充填体胶囊结构示意图。
附图标记说明：1-囊体；2-上封盖；3-下封盖；4-胶结易溶充填体；5-进水口；6-出水口；7-进水管；8-出水管；9-底板；10-采场；11-内置胶结易溶充填体胶囊；12-煤层；13-模型边界；14-顶板；15-水源；16-阀门；17-蓄水池；18-水泵；H-采高；L-工作面长度；L1-工作面日推进度。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步阐述。
如图1所示，采场密闭空间煤层回采三维物理相似模拟实验装置，包括进水管7、出水管8、底板9、采场10、内置胶结易溶充填体胶囊11、煤层12、模型边界13、顶板14、水源15、阀门16、蓄水池17及水泵18；该装置由顶板14、模型边界13及底板9密闭成圆柱体结构，所述模型边界13内设置采场10，在采场10位置沿工作面推进方向依次铺装1#至20#共20个内置胶结易溶充填体胶囊11，并在采场10四周铺装煤层12，所述水源15通过进水管7与内置胶结易溶充填体胶囊11连接，且所述水源15设有阀门16，内置胶结易溶充填体胶囊11通过出水管8与蓄水池17连接，且蓄水池17内设有水泵18。
如图2所示，内置胶结易溶充填体胶囊11由囊体1、上封盖2、下封盖3、胶结易溶充填体4、进水口5、出水口6按照一定相似比例组成，所述进水口5位于上封盖2；所述出水口6位于下封盖3。
内置胶结易溶充填体胶囊制作：选择一个大倾角长壁工作面作为模拟实验原型，该工作面长度120m，采高8m，日推进4.8m，工作面沿走向推进距离100m，煤层倾角35°，三维物理模拟实验装置尺寸模型设计满足几何相似常数100。结合图1，确定胶囊高度H为80mm，胶囊宽度L1为48mm，胶囊长度L为1200mm。分别采用橡胶材料制作囊体1、上封盖2(留进水口5)、下封盖3(留出水口6)各20个。采用白糖、石盐、水按照一定比例混合，采用模具(尺寸：40mm×75mm×200mm)制成充填体散体模型，并在200℃条件下烘干，冷却制成胶结易溶充填体4。用橡胶将下封盖3与囊体1密封好后，装填制作好的胶结易溶充填体4，将上封盖2与囊体1密封好，并在进水口5、出水口6接上进水管7、出水管8，并对内置胶结易溶充填体胶囊11进行气密性检测。
三维物理相似模拟实验装置制作：结合图2，采用相似材料铺装模型底板9，在采场10位置沿工作面推进方向依次铺装20个制作好的内置胶结易溶充填体胶囊11，并在采场四周铺装煤层12，要求胶囊进水管7、出水管8伸出模型边界13，然后铺装模型顶板14。
如图2所示，采用上述制作的实验装置的采场密闭空间煤层回采三维物理相似模拟实验方法，按照以下步骤：从采场边界的1#内置胶结易溶充填体胶,11开始，将水源15的阀门16打开，清水从进水管7经上封盖2的进水口5，进入内置胶结易溶充填体胶囊11，胶结易溶充填体遇水溶化形成糖盐混合溶液，溶化液体在自重及水压作用下从下封盖3的出水口6进过出水管8，排入蓄水池17，并通过水泵18排出，当胶囊排出液体由糖盐溶液转变为纯净水时，说明胶囊中胶结易容块体完全溶化并排出，关闭阀门16停止注水，实现工作面下行割煤；按照上述过程依次顺序对相邻的2#至20#内置胶结易溶充填体胶囊11注水，实现工作面沿走向推进，完成采场煤层回采。在注水过程中，控制注水速度及进排水量，防治注水过程中胶囊水压过大破裂。
通过上述实验装置及实验步骤，成功的实现了三维物理相似模拟实验中密闭采场空间的回采难题，实现了对工程实际环境的相似，为揭示实际采场围岩三维破坏特征，并指导现场长壁工作面安全高效开采提供了保障。
以上所述，仅是本发明的较佳实例，并非对本发明作任何限制，凡是根据发明技术实质对以上实例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属本发明技术方案的保护范围内。

Claims (7)

1.采场密闭空间煤层回采三维物理相似模拟实验装置，其特征在于，包括进水管、出水管、底板、采场、内置胶结易溶充填体胶囊、煤层、模型边界、顶板、水源、阀门、蓄水池及水泵；该装置由顶板、模型边界及底板密闭成圆柱体结构，所述模型边界内设置采场，在采场位置沿工作面推进方向依次铺装1#至20#共20个内置胶结易溶充填体胶囊，并在采场四周铺装煤层，所述水源通过进水管与内置胶结易溶充填体胶囊连接，且所述水源设有阀门，内置胶结易溶充填体胶囊通过出水管与蓄水池连接，且蓄水池内设有水泵。
2.如权利要求1所述的采场密闭空间煤层回采三维物理相似模拟实验装置，其特征在于，内置胶结易溶充填体胶囊由囊体、上封盖、下封盖、胶结易溶充填体、进水口、出水口按照一定相似比例组成，所述进水口位于上封盖；所述出水口位于下封盖。
3.如权利要求1所述的采场密闭空间煤层回采三维物理相似模拟实验装置，其特征在于，内置胶结易溶充填体胶囊采用橡胶材料制成。
4.如权利要求2所述的采场密闭空间煤层回采三维物理相似模拟实验装置，其特征在于，胶结易溶充填体采用白糖、石盐、水按照一定比例混合，采用模具制成充填体散体模型，并在200℃条件下烘干，冷却制成。
5.采场密闭空间煤层回采三维物理相似模拟实验方法，其特征在于，采用如权利要求1所述采场密闭空间煤层回采三维物理相似模拟实验装置，按照以下步骤：从采场边界的1#内置胶结易溶充填体胶囊开始，将水源的阀门打开，清水从进水管经上封盖的进水口，进入内置胶结易溶充填体胶囊，胶结易溶充填体遇水溶化形成糖盐混合溶液，溶化液体在自重及水压作用下从下封盖的出水口进过出水管，排入蓄水池，并通过水泵排出，当胶囊排出液体由糖盐溶液转变为纯净水时，说明胶囊中胶结易容块体完全溶化并排出，关闭阀门停止注水，实现工作面下行割煤；按照上述过程依次顺序对相邻的2#至20#内置胶结易溶充填体胶囊注水，实现工作面沿走向推进，完成采场煤层回采。
6.如权利要求5所述的采场密闭空间煤层回采三维物理相似模拟实验方法，其特征在于，在注水过程中，控制注水速度及进排水量，防治注水过程中胶囊水压过大破裂。
7.如权利要求5所述的采场密闭空间煤层回采三维物理相似模拟实验方法，其特征在于，在实验前对内置胶结易溶充填体胶囊进行气密性检测。
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