CN109637334A - 一种立体相似模拟实验模型及其模拟实施方法 - Google Patents

一种立体相似模拟实验模型及其模拟实施方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种立体相似模拟实验模型及其模拟实施方法,包括模拟煤层的三维模型，三维模型内部设有连通外部的空腔用于模拟煤层采空区，所述连通外部的空腔内填充有若干充填件，所述充填件包括封闭的包装层和包装层内的填充物，所述填充物为流动的液体或可融化的固体，所述包装层上设有通孔，所述通孔处设有排放管，所述排放管贯穿所述三维模型。使用充填件代替煤层模拟材料，解决了完全处于模型内部的情况下的模拟煤层开挖问题，即可实现全方位模拟。

Description

一种立体相似模拟实验模型及其模拟实施方法
技术领域
本发明涉及煤层开采模拟技术领域，尤其涉及一种立体相似模拟实验模型及其模拟实施方法。
背景技术
煤矿开采后会破坏岩体内部原有的力学平衡，导致上覆岩层和地表发生移动和变形，随着开采的推进将扩散到地表，导致地表发生沉陷，破坏现有土地资源并给周边建筑物带来直接或间接危害。且采场周围应力会重新分布、覆岩发生移动等，导致出现工作面煤壁片帮、巷道变形、支架破坏、冲击地压、煤与瓦斯突出等问题，针对煤矿开采过程中及开采后导致的地面沉陷、采场周围应力分布规律特征(即应力集中的位置及应力大小，影响的范围等)、覆岩移动情况(即顶板的初次来压、周期来压等)问题，为准确观测开采过程中的岩层及地表移动随开采时间与空间的变化、采场周围应力分布规律特征、覆岩移动规律，分析煤炭开采对地表沉陷的影响，相似材料模拟试验成为研究这一复杂问题的重要科学手段。基于相似材料模拟试验理论，将复杂的地质岩层通过模型上的相似再现，来研究真实对象中发生的现象和过程的规律性，可以得出相关的技术指标和参数，为实际工程的生产实践和应用提供科学依据，对建筑物下开采导致的地表沉陷的岩层运动理论研究有一定的指导意义、也可研究采场周围应力分布规律特征、也可研究覆岩移动规律等，从而达到解决实际问题的目的。
立体模拟最大的难点就在于没办法模拟全场开挖，已有的模拟实施方法进行的开挖只能模拟采场的一部分。现有技术存在以下问题：用木条或有机玻璃模拟开挖煤层时，无法完全消除模拟开采时对上覆岩层扰动较大的现象，在拉动木条或有机玻璃来模拟开采过程中对未开采区域顶底板造成破坏，导致模拟效果与实际值有出入，可以预见这会导致周期来压步距变小；无法监测停采线前方煤体内应力分布大小及范围，这是因为无法模拟全场开挖导致的必然结果；如模拟停采线前方煤体内应力分布大小及范围，就无法模拟出采场边界煤柱内应力分布大小及范围；需单独增加一个机械装置，人工无法将木条直接抽出，因为木条(模拟煤层的充填体材料)和覆岩(其他木条周围的相似模拟材料：沙子、石灰、石膏等)结合比较紧密，需要很大的力才可以抽出，且抽出木条的时候，很容易破坏模型。总之，以往模拟的难点就在于三维立体相似模拟时，无法把要模拟的采场内的煤层模拟材料开挖出来，所以只能模拟半个采场，且无法监测工作面前方煤体内的应力分布情况。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种立体相似模拟实验模型及其模拟实施方法,可以解决以往无法模拟的全场模拟问题,通过制作不同形状的模拟件能够模拟各种情况下的煤层开采，实现全方位模拟。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提出的一种立体相似模拟实验模型，包括模拟煤层的三维模型，三维模型内部设有连通外部的空腔用于模拟煤层采空区，所述连通外部的空腔内填充有若干充填件，所述充填件包括封闭的包装层和包装层内的填充物，所述填充物为流动的液体或可融化的固体，所述包装层上设有通孔，所述通孔处设有排放管，所述排放管贯穿所述三维模型。
优选地，所述液体为水，所述固体为冰或石蜡；当所述固体为石蜡时，所述包装层内还设有可通电的电热丝。
优选地，所述排放管为硬管，所述排放管长度尺寸大于其所在三维模型面的壁厚尺寸。
一种立体相似模拟实验模型的模拟实施方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、制作若干充填件，固定所述三维模型的四周及底部，再将充填件依次放入所述连通外部的空腔内；
S2、铺设三维模型顶部，使充填件紧密填充所述连通外部的空腔，构成所述模拟实验模型；
S3、模拟回采时，每隔一段时间依次将一个充填件内的填充物通过所述排放管排出，并封闭排放管。
优选地，经步骤S3后，每排净一个充填件后，隔一段时间向该充填件内按预设的充填率注入填充物，以模拟分段充填。
优选地，三维模型上设有进气孔，所述空腔通过进气孔与外部连通。
本发明使用充填件代替木条等煤层模拟材料，不需要将其抽出来模拟煤层开采情况，因此可以避免抽木条导致的对上覆岩层、底板扰动较大的现象，解决了完全处于模型内部的情况下的模拟煤层开挖问题，即可实现全方位对整个采场进行模拟；可以模拟充填、不充填、充填率高、充填率低、分段充填等各种情况；模拟煤层的充填件可以完全放到模型内部，可以真实模拟煤层开采情况，充填件可以制作为任何形状，可以模拟各种煤层赋存条件下的煤层开采。本发明模拟开采时，把充填件抽成真空，采空区内只存在充填件两层厚度的残留物，比起人工开挖情况，模拟更精确，避免因为人工模拟开挖时的误差，无法完全把模拟的煤体开采出来造成的不严谨，本发明可以把这种误差控制在充填件两层厚度范围内，操作简单，成本低廉，不需要额外装置即可完成实验。还可以实现模拟任何工作面回采情况，只需要制作不同形状的充填件即可，然后铺设到模型相应位置，结合透明土材料进行模拟研究，可以更加直观的观测到采场周围覆岩移动、裂隙发育的情况。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明局部结构示意图。
具体实施方式
下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例1
如附图1和附图2所示，一种立体相似模拟实验模型，包括模拟煤层的三维模型1，三维模型内部设有连通外部的空腔用于模拟煤层采空区，所述连通外部的空腔内填充有若干充填件2，所述充填件包括封闭的包装层和包装层内的填充物，所述填充物为流动的液体或可融化的固体，所述包装层上设有通孔，所述通孔处设有排放管3，所述排放管贯穿所述三维模型，所述排放管为硬管，所述排放管长度尺寸大于其所在三维模型面的壁厚尺寸。进气孔4的目的是防止模拟的采场过于封闭，在抽出充填件2内充填物的同时导致采空区变成真空状态，对模拟结果产生不利影响。
进一步，所述液体为水，所述固体为冰或石蜡；当所述固体为石蜡时，所述包装层内还设有可通电的电热丝。
一种立体相似模拟实验模型的模拟实施方法，包括以下步骤：
S1、制作若干充填件，固定所述三维模型的四周及底部，再将充填件依次放入所述连通外部的空腔内；
S2、铺设三维模型顶部，使充填件紧密填充所述连通外部的空腔，构成所述模拟实验模型；
S3、模拟回采时，每隔一段时间依次将一个充填件内的填充物通过所述排放管排出，并封闭排放管；
S4、每排净一个充填件后，隔一段时间向该充填件内按预设的充填率注入填充物，以模拟充填开采。
实施例2
一种立体相似模拟实验模型的模拟实施方法，包括以下步骤：按工作面为宽200米的矩形工作面、煤厚为4m、埋深500m计，以1:200的比例进行模拟，模拟的每次开挖步距为10m，模拟回采260m,建立长为1.5m，宽为1.2m，高1.5m的模拟模型，未铺设的覆岩用配重代替，充填件尺寸为长1m，宽0.05m，厚0.02m的长方体，制作26个充填件，并按照回采顺序进行编号1,2,3，…，充填件的排水管长度可伸出到模型外部，排水管靠近充填件一角，目的是排水时可以方便快速排干。充填件依次放入三维模型中模拟的开挖煤层处，放置完毕后，注意将充填件四周岩层模拟材料砸实，使充填件四周岩层模拟材料表面和充填件表面在一个平面上，然后铺设上覆岩层模拟材料，铺设过程中避免用力砸，以免砸烂充填件，当上覆材料铺设厚度超过5cm时(具体可根据情况调整)，可轻轻地砸实，此时由于充填件在模型内部，6面(上下左右前后)基本上均匀受力，即以后无论再铺设多少层，加多少配重，均不会破坏充填件(近似等压三轴受力状态)。模拟回采时，按照编号顺序1,2,3，…，依次放出模型内部的充填件内的水，当水流不出来时，可用注射器通过排水管向外吸，吸水完毕后，继续封闭排水管，防止充填件内部有气体导致立体模型顶板垮落时影响覆岩运动。此时由模型进气孔有空气进入采空区，与现场实际一致。模型进气孔的目的是防止模拟的采场过于封闭，在抽出充填件水的同时导致采空区变成真空状态，对模拟结果产生不利影响。
按照相似理论，每隔一段时间抽干一袋充填件内的水，即可模拟采场回采。
按照相似理论，抽干一袋充填件内的水后，隔一段时间再向袋内注水800ml，充填率80％，即可模拟采空区充填情况，也可每隔几个充填件进行间隔注水，可模拟分段充填的情况。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种立体相似模拟实验模型，其特征在于，包括模拟煤层的三维模型(1)，三维模型(1)内部设有连通外部的空腔用于模拟煤层采空区，所述连通外部的空腔内填充有若干充填件(2)，充填件(2)包括封闭的包装层和包装层内的填充物，所述填充物为流动的液体或可融化的固体，所述包装层上设有通孔，所述通孔处设有排放管(3)，排放管(3)贯穿三维模型(1)。
2.根据权利要求1所述的立体相似模拟实验模型，其特征在于，所述液体为水，所述固体为冰或石蜡；当所述固体为石蜡时，所述包装层内还设有可通电的电热丝。
3.根据权利要求1所述的立体相似模拟实验模型，其特征在于，排放管(3)为硬管，排放管(3)长度尺寸大于其所在三维模型(1)面的壁厚尺寸。
4.一种根据权利1所述的立体相似模拟实验模型的模拟实施方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、制作若干充填件(2)，固定三维模型(1)的四周及底部，再将充填件(2)依次放入所述连通外部的空腔内；
S2、铺设三维模型(1)顶部，使充填件(2)紧密填充所述连通外部的空腔，构成所述模拟实验模型；
S3、模拟回采时，每隔一段时间依次将一个充填件(2)内的填充物通过排放管(3)排出，并封闭排放管(3)。
5.根据权利4所述的立体相似模拟实验模型的模拟实施方法，其特征在于，经步骤S3后，每排净一个充填件(2)后，隔一段时间向该充填件(2)内按预设的充填率注入填充物，以模拟充填开采。
6.根据权利5所述的立体相似模拟实验模型的模拟实施方法，其特征在于，三维模型(1)上设有进气孔(4)，所述空腔通过进气孔(4)与外部连通。
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