专利名称：充填开采平面应变模拟试验装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种相似材料模拟试验的装置及方法，尤其是一种适用于采矿工程中研究“三下”充填开采岩层移动特征的充填开采平面应变模拟试验装置及方法。。
背景技术：
我国煤炭资源分布甚广，不但广大平原地区、丘陵、山区的地下蕴藏着丰富的煤炭资源，而且一些城市和村镇建(构)筑物下、铁路下、水体下(简称“三下”)也滞压着大量的煤炭资源。据不完全统计，截止2005年底，我国国有重点煤矿“三下”压煤的可采储量 137. 9亿吨，其中建筑物压煤可采量达到87. 6亿吨，而村庄压煤占建筑物压煤的60%。大量的资源呆滞，不仅影响了煤炭企业对资源的开发利用，而且增加了开发难度，开采布局不合理，缩短了矿井服务年限，严重制约了煤炭资源的可持续发展，甚至影响了某些煤炭企业的生存。因此，合理的解决“三下”采煤问题，对缓解能源紧张，提高矿井的服务年限以及发展地方经济都具有重大意义。近些年来，随着煤炭绿色开采观念的提出，固体废弃物充填开采成为解决“三下”压煤问题的有效方法。但固体废弃物充填开采方法，上覆岩层按照何种规律移动并没有现成的理论可以遵循。由于开采地质条件的复杂多样，受采高、采深及煤层倾角的影响，现场监测覆岩移动困难众多。传统的相似模拟试验装置无法准确的模拟综采工作面边开采边充填的实际情况，无法对充填体的充填密实情况和充填支架的推压力进行合理计算评估，尤其是遇到大倾角倾斜或急倾斜煤层，模拟更加困难，试验结果的可靠性也就得不到保证。因此，迫切需要研发能够适应倾斜或急倾斜开采的综采充填模拟试验装置及方法。
发明内容
技术问题本发明的目的是提供一种结构简单、操作方便、仿真模拟可靠性强、数据准确、效果好的充填开采平面应变模拟试验装置及方法。技术问题本发明的充填开采平面应变模拟试验装置，包括充填有仿真煤岩层的试验模型架，试验模型架的仿真煤层处设有仿真充填开采模拟系统，试验模型架的顶部连接有等效加载系统，仿真充填开采模拟系统上连接有信息采集系统；
所述的试验模型架主要由立架、防倒脚架、护板构成，其中立架包括底槽座、与底槽座成角度开合的下托板，下托板的开合一端端头铰接有设在调角丝杠上的定位块，调角丝杠的底部设有可在底槽座滑动的滑块，下托板的上方经支撑柱铰接有上托板；立架的调角丝杠一侧设有防倒脚架，立架的前后依次设有多个固定在立架上的横排护板；
所述的仿真充填开采模拟系统包括支撑架、设在支撑架上的模拟综采充填支架，模拟综采充填支架的后部设有机玻璃挡板，支撑架上设有使有机玻璃挡板移动的上、下滑槽；模拟综采充填支架包括推压板、与推压板相连的推压双向油缸，推压双向油缸的前部设有固定块，推压双向油缸经油管连接有油泵；
所述的等效加载系统包括设在立架顶部的条状水袋，条状水袋的两侧设有与水泵相连的进、出水管，进水管上设有压力表和水阀；
所述的信息采集系统主要由埋设在仿真煤岩层和仿真采空区充填物料内的压力传感器、设在仿真煤岩层表面的多个位移传感器、与压力传感器和位移传感器相连的采集器构成。所述的底槽座与下托板之间开合的角度为0 60°。本发明的充填开采平面应变模拟试验方法，包括如下步骤
a.安装试验模型架，在试验模型架内由下往上依次铺设仿真煤岩层，并在铺设的仿真煤岩层中埋设外接采集器的压力传感器和位移传感器；
b.在试验模型架的顶部安装条状水袋，开启等效加载系统对仿真煤岩层施加载荷，待铺设的仿真煤岩层稳定后，拆除立架上预开采煤层外的横排护板，并在仿真煤岩层的预开采煤层外安装仿真充填开采模拟系统；
c.通过仿真充填开采模拟系统，依次模拟采煤工作面的开采及采空区的充填过程，并在仿真采空区充填物料内埋设外接采集器的压力传感器；
d.滑动有机玻璃挡板挡住仿真采空区充填物料，启动油泵带动推压双向油缸推压仿真采空区充填物料直至密实，通过信息采集系统实时监测充填过程中仿真采空区充填物料及仿真煤岩层内的压力、位移变化情况；
e.重复步骤c和d，完成模拟采煤工作面开采及不同压力下的采空区充填过程。有益效果本发明利用安装在支撑架上的模拟综采充填支架等设备对综采充填开采进行相似模拟，通过移动设在调角丝扛上的定位块改变模拟岩层与水平地面之间的夹角，用来模拟倾斜或急倾斜煤层综采充填过程中上覆岩层运动情况。信息采集系统能实时监测充填过程中充填体及上覆岩层内的压力、位移变化情况，有机玻璃板可有效的防止充填材料的散落，从而更加真实的反应了充填开采的现场情况。充填开采平面应变模拟试验装置及方法不仅能够兼顾充填与开采，将两者在模拟试验平台上模拟再现，最大限度的满足模拟试验的要求，而且克服了现有的试验装置无法对充填开采准确合理模拟的弊端，能够真实的再现充填开采岩层的压力、位移和破坏情况，其装置结构简单，紧凑合理，方法稳定可靠，实用价值高。
图1是本发明的充填开采平面应变模拟试验装置结构示意图。图中1 一仿真煤岩层；2—有机玻璃挡板；3—上滑槽；4一下滑槽；5—推压板； 6—推压双向油缸；7—固定块；8—支撑架；9一调角丝杠；10—定位块；11 一滑块；12—防倒脚架；13—模拟综采充填支架；14一油管；15—油泵；16—条状水袋；17—进水管；18— 出水管；19一压力表；20—水阀；21—水泵；22—立架；23—上托板；24—下托板；25—支撑柱；26—护板；27—底槽座；28—仿真采空区充填物料；29—压力传感器；30—位移传感器； 31—采集器。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述
图1所示，本发明的充填开采平面应变模拟试验装置，主要由充填有仿真煤岩层1的试验模型架、仿真充填开采模拟系统、等效加载系统和信息采集系统构成；仿真充填开采模拟系统设在试验模型架的仿真煤层处，等效加载系统设在试验模型架的顶部，仿真充填开采模拟系统与信息采集系统相连接；所述的试验模型架主要由立架22、防倒脚架12、护板沈构成，其中立架22包括底槽座27、与底槽座27成角度开合的下托板M，底槽座27与下托板M之间开合的角度为0 60° ；下托板M的开合一端端头铰接有设在调角丝杠9上的定位块10，调角丝杠9的底部设有可在底槽座27滑动的滑块11，下托板M的上方经支撑柱25铰接有上托板23 ；立架22的调角丝杠9 一侧设有防倒脚架12，可实现对倾斜煤层或急倾斜煤层综采充填过程的模拟；立架22的前后依次设有多个固定在立架22上的横排护板26，利用调角丝杠9、定位块10和滑块11将立架22与地面形成实际煤层倾斜角度，通过调节防倒脚架12维持模型架稳定性；所述的仿真充填开采模拟系统包括支撑架8、设在支撑架8上的模拟综采充填支架13，模拟综采充填支架13的后部设有机玻璃挡板2，支撑架8 上设有使有机玻璃挡板2移动的上、下滑槽3、4 ；模拟综采充填支架13包括推压板5、与推压板5相连的推压双向油缸6，推压双向油缸6的前部设有固定块7，推压双向油缸6经油管14连接有油泵15 ；所述的等效加载系统包括设在立架22顶部的条状水袋16，条状水袋 16的两侧设有与水泵21相连的进、出水管17、18，进水管17上设有压力表19和水阀20 ； 所述的信息采集系统主要由埋设在仿真煤岩层1和仿真采空区充填物料观内的压力传感器四、设在仿真煤岩层1表面的多个位移传感器30、与压力传感器四和位移传感器30相连的采集器31构成。 本发明的充填开采平面应变模拟试验方法根据充填开采平面应变模拟试验，首先安装试验模型架，按照相似理论在试验模型架内由下往上依次铺设仿真煤岩层1，伴随铺设过程，在立架22上安装横排护板26，并在铺设的仿真煤岩层1中埋设外接采集器31的压力传感器四和位移传感器30 ；待模型铺设完毕后，在试验模型架的顶部安装条状水袋16， 条状水袋16的两侧设有与水泵21相连的进、出水管17、18，进水管17上设有压力表19和水阀20，开启等效加载系统对仿真煤岩层1施加试验要求载荷，模拟煤层上覆岩层的自重； 待铺设的仿真煤岩层1稳定后，拆除立架22上预开采煤层外的横排护板沈，并在仿真煤岩层1的预开采煤层外安装仿真充填开采模拟系统；依据煤层实际开采情况，在模拟预开采煤层距离立架边界20cm左右距离处开切眼，并在开切眼煤层位置安装仿真充填开采模拟系统，安装模拟综采充填支架13时注意，先将支撑架8沿模拟煤层高度固定在立架22上， 然后再支撑架8上安装使有机玻璃挡板2移动的上、下滑槽3、4，在模拟综采充填支架13中推压双向油缸6 —端与推压板5焊接，另一端焊接在固定块7上，用螺栓将固定块7固定在支撑架8上，同时，推压双向油缸6经油管14连接有油泵15，方便推压。为防止仿真采空区充填物料观在模拟综采充填支架13的推压板5推压过程中从立架22前后散落，还需在上、 下滑槽3、4中安设有机玻璃挡板2，使其能伴随开采充填沿槽滑动。当模拟综采充填支架13 沿工作面推进方向模拟“采煤” 1 2刀后，将仿真采空区充填材料观送入采空区，通过仿真充填开采模拟系统，依次模拟采煤工作面的开采及采空区的充填过程，并在仿真采空区充填物料观内埋设外接采集器的压力传感器29，能够实时地分析综采充填过程中充填体及上覆岩层内的压力、位移变化情况；滑动有机玻璃挡板2挡住仿真采空区充填物料观，启动油泵15带动推压双向油缸6推压仿真采空区充填物料观直至密实，完成一个综采充填循环过程。通过信息采集系统实时监测充填过程中仿真采空区充填物料观及仿真煤岩层1内的压力、位移变化情况；接着模拟综采充填支架13沿工作面推进方向模拟“采煤” 1 2刀，重复进入下一个综采充填循环，完成模拟采煤工作面开采及不同压力下的采空区充填过程。
权利要求
1.一种充填开采平面应变模拟试验装置，其特征在于它包括充填有仿真煤岩层(1) 的试验模型架，试验模型架的仿真煤层处设有仿真充填开采模拟系统，试验模型架的顶部连接有等效加载系统，仿真充填开采模拟系统上连接有信息采集系统；所述的试验模型架主要由立架(22)、防倒脚架(12)、护板(26)构成，其中立架(22)包括底槽座(27)、与底槽座(27)成角度开合的下托板(24)，下托板(24)的开合一端端头铰接有设在调角丝杠(9)上的定位块(10)，调角丝杠(9)的底部设有可在底槽座(27)滑动的滑块(11)，下托板(24)的上方经支撑柱(25)铰接有上托板(23);立架(22)的调角丝杠(9) 一侧设有防倒脚架(12)，立架(22)的前后依次设有多个固定在立架(22)上的横排护板(26);所述的仿真充填开采模拟系统包括支撑架(8)、设在支撑架(8)上的模拟综采充填支架(13 )，模拟综采充填支架(13)的后部设有机玻璃挡板(2 )，支撑架(8 )上设有使有机玻璃挡板(2)移动的上、下滑槽(3、4);模拟综采充填支架(13)包括推压板(5)、与推压板(5)相连的推压双向油缸(6)，推压双向油缸(6)的前部设有固定块(7)，推压双向油缸(6)经油管 (14)连接有油泵(15);所述的等效加载系统包括设在立架(22)顶部的条状水袋(16)，条状水袋(16)的两侧设有与水泵(21)相连的进、出水管(17、18 )，进水管(17 )上设有压力表(19 )和水阀(20 )；所述的信息采集系统主要由埋设在仿真煤岩层(1)和仿真采空区充填物料(28)内的压力传感器(29)、设在仿真煤岩层(1)表面的多个位移传感器(30)、与压力传感器(29)和位移传感器(30 )相连的采集器(31)构成。
2.根据权利要求1所述的充填开采平面应变模拟试验装置，其特征在于所述的底槽座(27)与下托板(24)开合之间的角度为0 60°。
3.—种如权利要求1所述装置的充填开采平面应变模拟试验方法，其特征在于包括如下步骤a.安装试验模型架，在试验模型架内由下往上依次铺设仿真煤岩层(1)，并在铺设的仿真煤岩层(1)中埋设外接采集器(31)的压力传感器(29)和位移传感器(30)；b.在试验模型架的顶部安装条状水袋(16)，开启等效加载系统对仿真煤岩层(1)施加载荷，待铺设的仿真煤岩层(1)稳定后，拆除立架(22)上预开采煤层外的横排护板(26)，并在仿真煤岩层(1)的预开采煤层外安装仿真充填开采模拟系统；c.通过仿真充填开采模拟系统，依次模拟采煤工作面的开采及采空区的充填过程，并在仿真采空区充填物料(28)内埋设外接采集器的压力传感器(29)；d.滑动有机玻璃挡板(2)挡住仿真采空区充填物料(28)，启动油泵(15)带动推压双向油缸(6)推压仿真采空区充填物料(28)直至密实，通过信息采集系统实时监测充填过程中仿真采空区充填物料(28)及仿真煤岩层(1)内的压力、位移变化情况；e.重复步骤c和d，完成模拟采煤工作面开采及不同压力下的采空区充填过程。
全文摘要
一种充填开采平面应变模拟试验装置及方法，装置包括充填有仿真煤岩层的试验模型架，试验模型架的仿真煤层处设有仿真充填开采模拟系统，试验模型架的顶部连接有等效加载系统，仿真充填开采模拟系统上连接有信息采集系统；利用安装在支撑架上的模拟综采充填支架等设备对综采充填开采进行相似模拟，通过移动设在调角丝扛上的定位块改变模拟岩层与水平地面之间的夹角，用来模拟倾斜或急倾斜煤层综采充填过程中上覆岩层运动情况；通过信息采集系统能实时监测充填过程中充填体及上覆岩层内的压力、位移变化情况，从而真实的反应充填开采的现场情况。充填开采平面应变模拟试验装置结构简单，紧凑合理，试验方法稳定可靠，实用价值高。
文档编号G09B25/02GK102402892SQ20111012156
公开日2012年4月4日 申请日期2011年5月12日 优先权日2011年5月12日
发明者兰天, 史向军, 孙凯, 张帆, 朱发浩, 潘银光, 耿敏敏, 肖亚宁, 范金泉, 赵国贞, 马占国, 黄志敏, 龚鹏 申请人:中国矿业大学