一种煤层顶底板全向受力状态二维模拟方法与流程

本发明属于煤层开采模拟，更具体地说，是涉及一种煤层顶底板全向受力状态二维模拟方法。

背景技术：

1、煤层的带压开采是指煤层承受着底板含水层向上的水压，具有突水危险情况下的开采。进行带压开采情况下的二维物理模拟研究，对于裂缝形成扩展、顶底板变形破坏、突水机理研究等具有重要意义，具有现象精准直观、高度还原岩体实际等优点，是一种重要研究手段。

2、目前对煤层的模拟技术中，对于带压开采的二维物理模拟研究较少或还未成熟，或对带压开采的模拟研究还不充分，尤其是对围岩的加压，围岩底面水压的模拟方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种煤层顶底板全向受力状态二维模拟方法，旨在解决现有技术中对带压开采的二维物理模拟方法的研究不充分的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种煤层顶底板全向受力状态二维模拟方法，包括：

3、煤层底面水压模拟方法，煤层底面含水层对上覆岩体向上的力分为两种，一种是含水层内水体向上的水压、另一种是含水层岩体本身抵抗挤压的作用力；煤层底面水压模拟方法用于模拟含水层向上的孔隙水压力及含水层岩体本身抵抗挤压的作用力；

4、围岩附加应力和围岩本身抵抗挤压的作用力的模拟方法，适于模拟煤层在全向受力状态下煤层顶面和侧面围岩的附加应力和围岩本身抵抗挤压的作用力；

5、煤层回采模拟方法，适于模拟煤层在全向受力状态下煤层的开采过程；

6、实验开始条件的判定方法，适于对煤层底面水压、围岩附加应力和围岩本身抵抗挤压的作用力、煤层回采模拟在进行实验开始前的条件的判定，当满足条件时进行实验。

7、在一种可能的实现方式中，所述煤层底面水压模拟方法包括以下步骤：

8、制作模型，使用相似材料制作实验用的模型，模型包括模拟煤层和模拟煤层周边的岩层；

9、在制作模型过程中，在模型内部放入压力传感器和位移传感器，并使压力传感器和位移传感器连接监测设备；

10、设置底面加压模块，用于模拟含水层施加于上覆岩体的力，底面加压模块位于模型底部；

11、使用加压水设备，向所述底面加压模块内部通入加压水，并使加压水透过所述底面加压模块并流入模型内部，合理控制加压水的压力，以模拟含水层向上的孔隙水压力。

12、在一种可能的实现方式中，所述底面加压模块包括：

13、多根钢柱，均呈竖直状间隔均布设置，多根所述钢柱共同围成长方体结构，在长方体结构的四周和下端用钢板焊接形成上端开口的腔室结构；

14、第一层钢板，设于多根所述钢柱上端，与所述腔室结构围成封闭状腔室，所述第一层钢板上设置有多个第一孔，所述第一孔用于水流通过，所述第一层钢板用于刚性支撑模型；

15、第二层钢板，设于所述第一层钢板上端，设置有多个第二孔，所述第二孔孔径小于所述第一孔孔径，适于模拟实际含水层的孔隙环境，承压水通过所述第二孔作用于所述模型底面，以模拟含水层与上覆岩体接触面的状态；

16、进水阀门，一端连通长方体结构的后侧钢板、另一端连通加压水设备，打开所述进水阀门用于向长方体结构内输入水；

17、出水阀门，一端连通长方体结构的后侧钢板，打开所述出水阀门用于排出长方体结构内的水；

18、玻璃钢管，连通长方体结构的后侧钢板，呈竖直向上设置，外表面设置刻度线；通过所述玻璃钢管读取水位值，换算模型底面的水压值，计算得到底面加压模块对于模型底面的实际水压p，

19、p＝ρ×g×h

20、式中，ρ为实验用水的密度，h为玻璃钢管水位与模型底面的高度差；当水压达到设定水压时，即满足底面水压模拟要求。

21、在一种可能的实现方式中，所述第一孔孔径为3cm，第一层钢板厚度为2cm，所述钢柱直径为3cm，第二层钢板的厚度为1cm，第二孔孔径为1mm。

22、在一种可能的实现方式中，所述围岩附加应力和含水层岩体本身抵抗挤压的作用力的模拟方法包括以下步骤：

23、制作好的模型呈长方体型，包括前后左右上下六个侧面；

24、将模型的前后侧面均用玻璃钢封闭，将模型的左右上侧面用加压模块抵接模型，所述加压模块用于朝向模型的左右上侧面并推顶挤压模型，使模型处于全向受力状态下；

25、通过使用多个所述加压模块对模型挤压推顶，以模拟在全向受力状态下模拟煤层的受到的压力和产生的位移。

26、在一种可能的实现方式中，所述加压模块包括：

27、气囊，内部充填有气体且充气量能调节；

28、挡板，置于所述气囊与所述模型之间，所述挡板上靠近所述气囊的一侧设置有应力盒，所述应力盒用于监测所述气囊对所述挡板的推顶力；

29、加压阀，设置在所述挡板靠近所述模型的一侧，用于限位所述挡板向靠近所述模型一侧移动，所述加压阀适于模拟周围岩体的附加应力，确保边界压力达到设定值，压力达到设定值后打开所述加压阀；

30、停止阀，设置在所述气囊远离所述模型的一侧，用于限位所述气囊向远离所述模型一侧移动，所述停止阀适于模拟周围岩体本身的有效应力；

31、通过向所述气囊内部充填气体，所述气囊增大或缩小，当压力达到设定值时，通过拆卸所述加压阀以使压力作用于所述模型上；当模型应力增大，所述气囊被进一步压缩时，模型壁到达停止阀的位置时停止，所述气囊不能被进一步压缩，用于模拟周围岩体本身抵抗挤压的作用力。

32、在一种可能的实现方式中，所述煤层回采模拟方法包括以下步骤：

33、在煤层预开采位置埋设煤层开采模具，使煤层开采模具宽度与模型宽度等宽，长度与模拟煤层单次开采长度等长，使模拟煤层的开采循环与实际煤层开采循环一致；

34、制作煤层开采模具，其包括模具本体和设于所述模具本体内部的相似材料，所述模具本体包括前活动挡板、后活动挡板、左挡板、右挡板和底板相互组合围成的盆状结构，相似材料位于盆状结构内部；所述前活动挡板和所述后活动挡板可拆卸连接于所述底板的前后两侧，所述左挡板和所述右挡板分别设置在所述底板的左右两侧；

35、根据实际煤层的抗压强度，结合应力相似比，配置模型的煤层相似材料；

36、将配置好的相似材料放入所述模具本体内，放入过程中要放入压力传感器，制作形成多个煤层开采模具，多个煤层开采模具首尾相接形成模拟煤层；

37、将煤层开采模具放置在模型预开采位置，煤层开采模具放置好后，将所述前活动挡板和所述后活动挡板去掉，保持模型整体性；

38、使用四个玻璃钢条，代替所述前活动挡板和所述后活动挡板，所述模具本体的前后侧各设置两个所述玻璃钢条，两个所述玻璃钢条能平移且能相互靠近或远离；

39、通过同时平移煤层相似材料前后侧的相对的一个所述玻璃钢条，使位于同一侧的两个所述玻璃钢条之间形成缝隙，使缝隙长度与模拟煤层单采距离相同，也与一个煤层开采模具长度相同；

40、取出露出的一个煤层开采模具，平移另一个所述玻璃钢条，使两个所述玻璃钢条之间的缝隙消失，形成对接状态，所述模具本体内部被取出的露出煤层的区域定义为采空区；

41、继续移动第一次移动的所述玻璃钢条，并使两个所述玻璃钢条之间形成缝隙；

42、取出露出的一个煤层开采模具，平移另一个所述玻璃钢条，对接两个所述玻璃钢条，则采空区长度为第一次形成的采空区长度的两倍；

43、循环以上步骤，通过所述压力传感器采集到的压力数据，记录煤层从原始应力到支撑应力增大的全过程，模拟全向受力状态下煤层的开采过程。

44、在一种可能的实现方式中，所述后活动挡板上开设有通线孔，相似材料内部设置的压力传感器的信号输出端通过信号线经所述通线孔引出至所述模具本体外部；所述玻璃钢条内侧面进行加滑处理。

45、在一种可能的实现方式中，所述实验开始条件的判定方法包括：

46、制作与实验中使用的相似材料的特性相同的多个试块，使每个所述试块的特性代表相似材料中沿高度方向不同位置的特性；其中相似材料制成后形成模型；

47、将多个所述试块放置在与相似材料相同的环境中进行晾干；

48、取出多个所述试块，对多个所述试块进行含水率测试，并得出多个所述试块的含水率的平均值；

49、对多个所述试块进行抗压强度测试，并在测试设备上设置抗压强度设定值；

50、当含水率平均值低至3％、抗压强度达到设定值时，判定所述试块满足实验条件，则与所述试块物理力学性质相同的相似材料也能达到实验条件，以便进行实验。

51、在一种可能的实现方式中，实验用的相似材料达到实验条件后，拆除制作相似材料的模具，露出相似材料，用不渗透涂料将相似材料或模型表面涂抹均匀，以保持模型含水率和抗压强度稳定。

52、本发明提供的一种煤层顶底板全向受力状态二维模拟方法的有益效果在于：与现有技术相比，本发明一种煤层顶底板全向受力状态二维模拟方法，通过使用煤层底面水压模拟方法模拟含水层向上的孔隙水压力及含水层岩体本身抵抗挤压的作用力，通过使用围岩附加应力和围岩本身抵抗挤压的作用力的模拟方法模拟煤层在全向受力状态下煤层顶面和侧面围岩的附加应力和围岩本身抵抗挤压的作用力，通过使用煤层回采模拟方法模拟煤层在全向受力状态下煤层的开采过程，通过使用实验开始条件的判定方法适于对煤层底面水压、围岩附加应力和围岩本身抵抗挤压的作用力、煤层回采模拟在进行实验开始前的条件的判定，满足条件则进行实验，能实现对实际情况下的煤层围岩在全向受力状态下进行研究，具有能够模拟实际的煤层顶底板处于全向受力状态下的应力和位移变化，推测实际情况下的煤层围岩的变化的技术效果。