[發明專利]油囊式固體充填采煤三維物理相似模擬實驗裝置及方法

有效

• 申請號: 201610257972.8
• 申請日: 2016-04-22
• 公開（公告）號: CN105952452B
• 公開（公告）日: 2017-12-26
• 發明（設計）人: 黃艷利;齊文躍;李俊孟;張吉雄;宋天奇;孔國強;王軍
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: E21C41/18
• 分類號: E21C41/18;E21F15/00
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙)32249
• 代理人: 周中民

技術領域

本發明涉及三維物理相似模擬實驗領域，具體的說，是一種多層油囊式充填采煤三維物理模擬實驗裝置及方法，該裝置適用于在研究充填開采“三下”壓煤時不同充實率條件下巖層移動特征以及充填體應力-應變關系。

背景技術

近年來，煤炭的高強度開采加速了礦井資源的枯竭，煤炭產量供需失衡，市場日益萎縮，針對我國煤炭資源開采現狀及存在的問題，提出了煤炭資源“科學產能”。作為綠色開采的主要途徑之一，充填采煤已經廣泛應用到各個礦區，不僅解放了我國“三下”(建筑物下、鐵路下、水體下)壓煤資源，延長了礦井壽命，同時還解決了煤矸石排放、堆積問題和土地資源問題，抑制了礦井開采沉陷問題，在一定程度上實現了煤礦安全、高效、綠色、可持續開采。

三維物理相似模擬實驗能再現地下工程結構或巖層所處的工程環境，使模擬過程和模擬結果更接近于實際，對研究充填采煤巖層移動特征具有重要意義。傳統的三維立體模型實驗裝置，在模擬煤層開采和采空區充填的過程中，通過人工逐次開挖一段距離的煤層模擬材料，模擬煤層的開采過程，通過人工充入一定量的矸石或相似材料模擬采空區充填的過程，這種方式不僅費時費力，而且不能保證每次開挖、充填的步距相同，不能精確完成不同充實率條件下的模擬情況，實驗精確度差、時間長，步驟繁雜，耗費大量人力資源，功能單一，模擬效果有限。

發明內容

發明目的：本發明的目的是針對上述充填采煤三維物理模擬技術中存在的不足，提供一種結構簡單、精確模擬開挖步距、充填步距、采空區充填率的油囊式固體充填采煤三維物理模擬實驗裝置及方法。

為了實現上述目的，本發明采用了如下的技術方案：一種油囊式固體充填采煤三維物理相似模擬實驗裝置，包括三維模型架、油囊式充填體模擬系統、油囊實時監測系統、巖層模擬體和液壓泵，三維模型架四周設有側護板，側護板內側設有側護板加載油盒，三維模型架設有頂部蓋板，頂部蓋板內側設有頂部蓋板加載油盒，側護板加載油盒和頂部蓋板加載油盒均通過油管與液壓泵相連，在由三維模型架、側護板和頂部蓋板構成的密封空間內由上至下依次設有巖層模擬體和油囊式充填體模擬系統，油囊式充填體模擬系統由多個并排布置的油囊式充填體組成，油囊式充填體由多個單層油囊由上而下疊加而成，每個單層油囊端部均設有兩個進、出液口，進、出液口通過分流箱與液壓泵相連；油囊實時監測系統包括油囊內外壓實時監測系統和油囊式充填體頂部位移實時監測系統，油囊內外壓實時監測系統包括設置在油囊式充填體頂部的模擬巖層壓力傳感器和設置在油囊式充填體內的油泵壓力傳感器，油囊式充填體頂部位移實時監測系統包括設置在油囊式充填體頂部的位移傳感器。

優選的，所述進、出液口設有油囊自控液壓閥，所述分流箱設有分流油路自控液壓閥。

優選的，所述油囊式充填體的總厚度為2～10cm、寬度為5～10cm、長度為100～200cm，所述單層油囊的厚度為1～2cm。

根據上所述實驗裝置的油囊式固體充填采煤三維物理相似模擬實驗方法，包括以下步驟：

a、根據相似模擬條件及公式確定油囊式充填體長度、寬度及總厚度，試驗測定煤層開采過程中實際充填材料在實際壓實條件下的應力-應變曲線；

b、首先在三維模型架上安裝側護板及側護板加載油盒，將油囊式充填體、巖層模擬體按照實驗設計的順序依次鋪設在三維模型架內，對油囊式充填體進液加壓，最后在三維模型架的頂部安裝頂部蓋板和頂部蓋板加載油盒，對巖層模擬體、油囊式充填體施加等效的計算載荷；

c、利用油囊式充填體抽液卸壓來模擬煤層開采過程，開挖煤層的長度即為油囊式充填體長度，采高即為油囊式充填體總厚度，開挖步距為油囊式充填體寬度，利用油囊式充填體進液加壓來模擬采空區充填；

d、根據油囊式充填體內外壓、油囊式充填體頂部位移實時監測數據，結合實際充填材料應力-應變關系曲線對油囊式充填體變形量進行自動實時調整，進而模擬填充材料的壓實過程。

優選的，在模擬采空區充填過程中，利用油囊式充填體的單層油囊充液層數變化模擬充填開采的不同充實率。

優選的，在模擬填充材料的壓實過程中，通過用油囊式充填體單層油囊的充液層數變化來調整油囊式充填體的變形量。

有益效果：

(1)本發明通過多層油囊式充填體模擬系統，能模擬實際條件下綜采工作面開采、不同充實率條件下采空區充填、以及充填物料壓實等具體過程，能精確模擬開挖步距、充填步距，采空區充填率高；