[發明專利]一種用于模擬煤層開采的高壓充氣筏墊試驗裝置與方法

有效

• 申請號: 201410124259.7
• 申請日: 2014-03-29
• 公開（公告）號: CN103901167B
• 公開（公告）日: 2015-07-22
• 發明（設計）人: 姚愛軍;孟召平;胡愈;師修昌
• 申請（專利權）人: 北京工業大學;中國礦業大學（北京）
• 主分類號: G01N33/00
• 分類號: G01N33/00;G01N33/24
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

技術領域

本發明屬于采礦工程與地下工程中模型試驗技術領域，主要應用于采礦 工程、地下工程領域進行室內相似材料模型試驗研究中的煤巖體挖掘技術或 煤巖體的采空技術。

背景技術

在采礦工程、地下工程領域，經常開展相似材料物理模型試驗研究，分 析模擬地下煤層的開采(采空)過程，揭示覆巖和地表移動變形規律。目前， 建立的相似材料物理模型多以平面模型試驗臺為平臺，以便于平面(二維) 模型中煤層的直接切割采空。如高明中(文獻：急傾斜煤層開采巖移基本規 律的模型試驗，巖石力學與工程學報，2004，23(3)：441～445)針對急傾斜 煤層開采引起的巖體移動和地表沉陷的基本規律進行了試驗研究，其試驗在 規格(長×寬×高)為3.0m×0.3m×1.2m的平面模型試驗臺上進行。王堃等 (文獻：緩傾斜煤層開采相似材料模擬試驗研究，測繪與空間地理信息，2012， 35(12)：207-212)針對緩傾斜工作面上覆巖層下沉和水平移動進行了相似 材料模擬試驗的研究，其相似模擬試驗采用安徽理工大學旋轉式平面應變模 型試驗臺，其規格為:長×寬×高＝2m×0.2m×2m。郭輝等(文獻：開采沉陷 覆巖運動規律的相似材料模擬試驗，北京測繪，2013年，第5期，12-15)所 開展的試驗研究也采用的是平面模型試驗臺。等等，這些相似材料模型試驗 的煤層開采均采用了直接切割采空等方法。

若為三維模型，一般應先營造出擬采空的煤層部分，要求煤層具有一定 厚度和平面尺寸，且在建造模型過程中其形態應保持穩定，采空過程能夠精 確控制。如此較難的控制技術，致使在當前的地下煤層開采模型試驗研究中， 三維模型試驗技術的成功應用案例較少，如文虎等(文獻：三維采空區漏風 模擬相似材料模型系統設計，礦業安全與環保，2014,41(3)：31-34)研發 的三維模型系統中關于煤層的開采是通過在模型箱體底部設置的旋轉螺柱垂 直位移來控制條鋼平穩升降，以達到對開采單元和工作面過程的控制。涂敏 等(文獻：水采采場上覆巖層運動規律的三維相似模擬試驗研究，淮南工業 學院學報，1998,18(3)：24-28)開展的三維相似模擬試驗，采用了聚脂泡 沫材料加熱熔化的原理模擬煤層的開采過程等。雖然取得了少量成功應用， 但對于大型或復雜的煤層開采三維相似材料物理模擬試驗研究，還需要進一 步解決和優化如下關鍵技術：

(1)如何在三維模型中，采用性能可靠的材料或裝置構建擬采空的煤層， 并便于操作。

(2)對于三維模型中構建的煤層(采空區)，在采空前或上覆煤巖體模 型建造過程中如何保持其形態穩定。

(3)在三維試驗模型中，由于煤層隱藏在模型內部，如何實現煤層的分 段、分步采空。

發明內容

本發明采用高壓氣墊原理，研制了一種模擬地下煤層采空的三維模型試 驗裝置及其方法。

一種用于模擬煤層開采的高壓充氣筏墊試驗裝置，其特征在于包括四部 分：即充氣筏墊部分、測壓裝置、充氣裝置、抽真空裝置；充氣筏墊牛津布 面和牛津布拉帶通過粘結形成密閉筏墊即充氣筏墊部分，放置于試驗模型的 采空區部位，密閉筏墊兩側密貼模型煤柱2。設置多排密閉筏墊，筏墊間存在 筏墊間隙4。測壓裝置包括密閉氣管6、測壓表7、氣閥8、氣閥口9和密閉 氣管口10；密閉氣管6一端與充氣筏墊牛津布面3粘結在一起，并保持筏墊 的密閉性，另一端與測壓表7通過密閉氣管口10連接，測壓表7與氣閥8連 接。氣閥口9連接充氣裝置給密閉筏墊充氣，模擬能夠承壓的煤層。在模擬 采空時，將氣閥8打開放氣，并從密閉氣管口10卸掉，將密閉氣管口10連 接抽真空裝置。

應用所述裝置的方法，其特征在于：