小型三維采空區(qū)氣體運(yùn)移規(guī)律物理相似模擬實(shí)驗(yàn)臺的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及利用相似材料開展礦山開采覆巖移動變形及采空區(qū)氣體運(yùn)移規(guī)律的三維物理模擬實(shí)驗(yàn)，具體是一種在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行三維條件下礦山壓力及采空區(qū)氣體運(yùn)移的小型三維采空區(qū)氣體運(yùn)移規(guī)律物理相似模擬實(shí)驗(yàn)臺，包括實(shí)驗(yàn)臺箱體、雙搖桿開采系統(tǒng)、可控通風(fēng)系統(tǒng)、氣體注入系統(tǒng)、抽采系統(tǒng)、測試系統(tǒng)。本發(fā)明適用于開展三維條件下采動裂隙演化規(guī)律及采空區(qū)氣體運(yùn)移規(guī)律的物理相似模擬實(shí)驗(yàn)。可以滿足進(jìn)一步研究采動卸壓瓦斯運(yùn)移規(guī)律，完善煤與瓦斯安全共釆理論體系。
【專利說明】小型三維采空區(qū)氣體運(yùn)移規(guī)律物理相似模擬實(shí)驗(yàn)臺
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明專利涉及利用相似材料開展礦山開采覆巖移動變形及采空區(qū)氣體運(yùn)移規(guī)律的三維物理模擬實(shí)驗(yàn)，具體是一種在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行三維條件下礦山壓力及采空區(qū)氣體運(yùn)移的相似模擬實(shí)驗(yàn)臺。適用于各大煤炭院校、礦山開采行業(yè)科研院所需要的模擬實(shí)驗(yàn)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著煤炭開采機(jī)械化程度的不斷提高，生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，開采深度的不斷增力口，使得開展采動過程中覆巖移動變形及瓦斯抽采與利用的研究就顯得尤為重要，目前對采動覆巖移動規(guī)律及瓦斯運(yùn)移規(guī)律的研究方法主要有:理論分析、現(xiàn)場觀測、數(shù)值模擬及物理相似模擬。礦業(yè)工程所研究的天然巖體而言，其中存在的力學(xué)問題集眾多影響因素、極其復(fù)雜的物理過程、受人為擾動相當(dāng)嚴(yán)重與一身，從而使得在現(xiàn)有理論的基礎(chǔ)上，無法準(zhǔn)確獲得描述巖體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的本構(gòu)方程，因此無法對問題進(jìn)行較為精確的理論分析。開展現(xiàn)場實(shí)測是最為直接和準(zhǔn)確的方式，但開展此方法存在固有周期較長、耗費(fèi)人力物力較多、現(xiàn)場條件限制嚴(yán)重等條件的制約，并且直接測試巖體內(nèi)部性狀變化，又十分困難，因此對非測量地區(qū)也缺乏廣泛適應(yīng)性。數(shù)值模擬方法受理論、數(shù)值計(jì)算以及計(jì)算機(jī)軟硬件發(fā)展等因素的限制，構(gòu)建復(fù)雜地下工程模型時(shí)不得不對其進(jìn)行大量簡化，從而使其計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場存在較大差異。目前，物理相似模擬被公認(rèn)為是一種研究采動覆巖移動規(guī)律行之有效的方法，不但可以直觀的觀測出采動過程中覆巖移動變化規(guī)律，而且可以實(shí)現(xiàn)重復(fù)觀測多種不同賦存條件的煤層開采及不同開采方式下煤層覆巖運(yùn)移規(guī)律的要求。就目前而言，大多數(shù)的物理相似模擬仍然集中于二維、單相或固液方面的物理相似模擬，利用三維物理相似模擬臺研究采動卸壓后采空區(qū)中瓦斯運(yùn)移規(guī)律的報(bào)道還很少，而瓦斯的防治及利用對于煤礦安全高效開采及清潔能源的彌補(bǔ)尤為重要，因此研發(fā)三維采空區(qū)氣體運(yùn)移物理相似模擬實(shí)驗(yàn)臺，對于實(shí)驗(yàn)室中再現(xiàn)煤礦生產(chǎn)實(shí)際，進(jìn)一步研究采動卸壓瓦斯運(yùn)移規(guī)律，完善煤與瓦斯安全共釆理論體系顯得非常重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了進(jìn)一步開展三維條件下采動裂隙演化與采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律的研究，本發(fā)明提供了一種小型三維采空區(qū)氣體運(yùn)移規(guī)律物理相似模擬實(shí)驗(yàn)臺。
[0004]本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:一種小型三維采空區(qū)氣體運(yùn)移規(guī)律物理相似模擬實(shí)驗(yàn)臺，包括實(shí)驗(yàn)臺箱體(4)、雙搖桿開采系統(tǒng)、可控通風(fēng)系統(tǒng)、氣體注入系統(tǒng)、抽采系統(tǒng)和測試系統(tǒng)，箱體(4)內(nèi)設(shè)有相似模型，雙搖桿開采系統(tǒng)包括搖臂(23)、連桿(24)、螺栓
(25)、條鋼(10)，兩個(gè)搖臂(23)通過連桿(24)連接，搖臂(23)另一端插入螺栓(25)中，螺栓(25)旋入箱體(4)底板中，螺栓(25)上設(shè)有條鋼(10);可控通風(fēng)系統(tǒng)包括U型通風(fēng)管
(9)、調(diào)速蠕動泵(7)、壓差儀(22)、氣體質(zhì)量流量計(jì)(16)，相似模型內(nèi)設(shè)有U型通風(fēng)管(9)，調(diào)速蠕動泵(7)、氣體質(zhì)量流量計(jì)(16)和壓差儀(22)與U型通風(fēng)管(9)連接；氣體注入系統(tǒng)包括高壓鋼瓶(I)、減壓閥(19)、平衡罐(18)、氣體質(zhì)量流量計(jì)(16)、分流控制閥組(15)、管路(11)及底部充氣通道(12)，箱體(4)底部設(shè)有充氣通道(12)，高壓鋼瓶(I)、減壓閥
(19)、平衡罐(18)、氣體質(zhì)量流量計(jì)(16)、分流控制閥組(15)通過充氣管路(11)與箱體底部的充氣通道(12)依次連接；抽采系統(tǒng)包括調(diào)速蠕動泵(7)和抽采細(xì)管(8)，相似模型中設(shè)有抽采細(xì)管(8)，調(diào)速蠕動泵(7)與抽采細(xì)管(8)連接；測試系統(tǒng)包括便攜式氦氣/氖氣分析儀(21)、采氣細(xì)管(20)、應(yīng)力傳感器(13)、數(shù)據(jù)采集箱(3)、聲發(fā)射傳感器(5)、聲發(fā)射測試儀(6)、電腦(2)，相似模型中設(shè)有采氣細(xì)管(20)和應(yīng)力傳感器(13)，采氣細(xì)管(20)與氦氣/氖氣分析儀(21)連接，相似模型表面設(shè)有聲發(fā)射傳感器(5),聲發(fā)射傳感器(5)與聲發(fā)射儀(6)連接，聲發(fā)射儀(6)與電腦(2)連接，應(yīng)力傳感器(13)與數(shù)據(jù)采集箱(3)連接，數(shù)據(jù)采集箱⑶連接電腦(2)。
[0005]本發(fā)明適用于開展三維條件下采動裂隙演化規(guī)律及采空區(qū)氣體運(yùn)移規(guī)律的物理相似模擬實(shí)驗(yàn)。可以滿足進(jìn)一步研究采動卸壓瓦斯運(yùn)移規(guī)律，完善煤與瓦斯安全共釆理論體系。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0006]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)主示意圖
[0007]圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)側(cè)面示意圖
[0008]圖3為本發(fā)明的雙搖桿采煤裝置示意圖
[0009]圖4為本發(fā)明的應(yīng)力傳感器布置圖。
[0010]圖5為本發(fā)明實(shí)施例的聲發(fā)射傳感器的布置位置示意圖。
[0011]圖6為本發(fā)明實(shí)施例的測氣點(diǎn)布置平面圖。
[0012]圖7為本發(fā)明實(shí)施例的工作面推進(jìn)36m初次來壓能量變化示意圖。
[0013]圖8為本發(fā)明實(shí)施例的工作面推進(jìn)36m初次來壓覆巖應(yīng)力變化示意圖。
[0014]圖9為本發(fā)明實(shí)施例的采空區(qū)氣體分布規(guī)律示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015]本發(fā)明涉及的小型三維物理相似模擬實(shí)驗(yàn)臺是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:小型三維采空區(qū)氣體運(yùn)移規(guī)律物理相似模擬實(shí)驗(yàn)臺由實(shí)驗(yàn)臺箱體、雙搖桿開采系統(tǒng)、可控通風(fēng)系統(tǒng)、氣體注入系統(tǒng)、抽采系統(tǒng)、測試系統(tǒng)組成。其中實(shí)驗(yàn)箱體4是由五個(gè)側(cè)面組成的立方體，底面固定其余四立面可拆卸用以制作模型，為了方便拆卸及制作模型，箱體兩側(cè)面采用兩塊低碳鋼鋼板拼接，并用螺栓緊固而成，另外兩個(gè)側(cè)面則采用整塊鋼板及20mm厚透明有機(jī)玻璃板，能夠清楚看到實(shí)驗(yàn)臺內(nèi)部情況。實(shí)驗(yàn)臺箱體內(nèi)部有效空間長X寬X高為1200mmX700mmX800mm，為能夠保證氣體不泄露，四周利用密封膠墊密封箱體；雙搖桿開采系統(tǒng)包括搖臂22、連桿23、螺栓24、條鋼10，兩個(gè)搖臂22通過連桿23連接，搖臂22另一端插入螺栓24中，螺栓24旋入箱體底板中，螺栓24上設(shè)有條鋼10 ;可控通風(fēng)系統(tǒng)包括U型通風(fēng)管9、WG600S調(diào)速蠕動泵7、壓差儀21、MF5700(0-25L/min)氣體質(zhì)量流量計(jì)16，相似模型內(nèi)設(shè)有U型通風(fēng)管9，調(diào)速蠕動泵7、氣體質(zhì)量流量計(jì)16和壓差儀22與U型通風(fēng)管9連接；氣體注入系統(tǒng)包括高壓鋼瓶1、減壓閥19、平衡罐18、氣體壓力表17、MF5700氣體質(zhì)量流量計(jì)(0-10L/min) 16、分流控制閥組15、管路11及底部充氣通道12，箱體4底部設(shè)有充氣通道12，高壓鋼瓶1、減壓閥19、平衡罐18、氣體質(zhì)量流量計(jì)16、分流控制閥組15通過充氣管路11與箱體底部的充氣通道12依次連接，平衡罐18上設(shè)有氣體壓力表17 ;抽采系統(tǒng)包括WT600S調(diào)速蠕動泵7和抽采細(xì)管8組成，相似模型中設(shè)有抽采細(xì)管8，調(diào)速蠕動泵7與抽采細(xì)管20連接；測試系統(tǒng)包括M0T400-HE/NE便攜式氦氣/氖氣分析儀21、采氣細(xì)管20、應(yīng)力傳感器13、DH3816D數(shù)據(jù)采集箱3、聲發(fā)射傳感器5、聲發(fā)射測試儀6、電腦2，相似模型中設(shè)有采氣細(xì)管20和應(yīng)力傳感器13，采氣細(xì)管20與氦氣/氖氣分析儀21連接，相似模型表面設(shè)有聲發(fā)射傳感器5，聲發(fā)射傳感器5與聲發(fā)射儀6連接，聲發(fā)射儀6與電腦2連接，應(yīng)力傳感器13與數(shù)據(jù)采集箱3連接，數(shù)據(jù)采集箱3連接電腦2。
[0016]實(shí)驗(yàn)開始前，將條鋼10模擬的煤層升至預(yù)定高度，將實(shí)驗(yàn)需要的相似模型裝入箱體4內(nèi)，同時(shí)將可控通風(fēng)系統(tǒng)中的U型通風(fēng)管路9，抽采系統(tǒng)中的抽采細(xì)管8及測試系統(tǒng)中的抽采采氣細(xì)管20和應(yīng)力傳感器13預(yù)先埋入模型，待模型完全晾干達(dá)到開展實(shí)驗(yàn)的要求后，首先將測試系統(tǒng)中的聲發(fā)射傳感器5按實(shí)驗(yàn)預(yù)定的位置布置在模型表面，并將其與聲發(fā)射儀6相連。然后用充氣管路11將減壓閥19、高壓鋼瓶1、平衡罐18、氣體壓力表17、MF5700氣體質(zhì)量流量計(jì)(0-10L/min) 16、分流控制閥組15與箱體底部的充氣通道12相連接。第三，將測試系統(tǒng)中的應(yīng)力傳感器13與DH3816D數(shù)據(jù)采集箱3相連。最后，將WG600S調(diào)速蠕動泵7、壓差儀22、MF5700 (0-25L/min)氣體質(zhì)量流量計(jì)16與U型通風(fēng)管路9相連，便可開始實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中，隨著利用雙搖桿開采系統(tǒng)14將條鋼(煤層)10降至箱體底板，利用M0T400-HE/NE便攜式氦氣/氖氣分析儀21對預(yù)先布置的抽采采氣細(xì)管20中的氣體成分進(jìn)行測試，利用DH3816D數(shù)據(jù)采集箱3及聲發(fā)射儀6對箱體內(nèi)部模型垮落進(jìn)行監(jiān)測，以此對煤層開采過程中覆巖移動規(guī)律及卸壓瓦斯運(yùn)移規(guī)律開展研究。
[0017]目前，已利用該試驗(yàn)臺對山西某煤礦一綜采工作面進(jìn)行采動過程中覆巖移動變形及采空區(qū)氣體運(yùn)移規(guī)律開展實(shí)驗(yàn)。模擬煤層基本情況為:煤層厚1.8?8.0m，平均厚度3.0m，傾角6°?16°。工作面走向成900m，面長160m，開采深度200?400m。采用綜采一次采全高的開煤方法，采高為2.7m，推進(jìn)速度是3?5m/d。直接頂是泥巖，局部含有砂質(zhì)；老頂為中砂巖；直接底為鋁質(zhì)泥巖。實(shí)驗(yàn)過程中將應(yīng)力傳感器布置于模型內(nèi)部，以便于觀測煤層開采過程中覆巖應(yīng)力變化，將傳感器分為兩組，呈平面為十字交叉型分別沿模型長和寬方向布置，布置方式為如圖4所示。為了進(jìn)一步觀測采動過程中覆巖移動規(guī)律及其過程中的能量變化，將聲發(fā)射傳感器布置于模型中，為了能夠清楚的檢測彈性波的來源和能量大小，將八個(gè)聲發(fā)射傳感器分為兩組，四個(gè)埋入模型上表面，其余四個(gè)傳感器貼在實(shí)驗(yàn)臺箱體上，布置方式如圖5所示，依此編號為a?h。采空區(qū)氣體運(yùn)移規(guī)律測點(diǎn)沿著工作面走向方向條鋼上布置8排，每一排沿著工作面傾向方向有7個(gè)測點(diǎn)，共計(jì)56個(gè)測氣點(diǎn)，布置方式如圖6所示。
[0018]實(shí)驗(yàn)對采動過程中覆巖中應(yīng)力變化規(guī)律、能量變化及采空區(qū)中氣體運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行觀測，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7?圖9所示。
[0019]從圖7中可以看出，工作面向前推進(jìn)36m時(shí)，即第四個(gè)條鋼下降時(shí)，隨著條鋼下降產(chǎn)生的彈性波后，又有一次較大的振鈴計(jì)數(shù)，釋放的能量為模型此前自然垮落之最大(由于開采條鋼間隙間涂油黃油，前四次讓其在重力作用下自然下降較難，前四次的下降都伴隨人為震動，此后條鋼下降基本上沒有震動)。結(jié)合應(yīng)力顯示規(guī)律，當(dāng)工作面向前推進(jìn)36m時(shí)，布置在切眼后方9m處煤壁中的3號傳感器應(yīng)力值突然增大，其余煤壁中的I號、2號傳感器數(shù)值都有上升。布置在采空區(qū)的4號傳感器應(yīng)力值也突然由拉應(yīng)力負(fù)值在增加。根據(jù)以上判定，工作面推進(jìn)36m時(shí)，為初次來壓。
[0020]從圖8中可以看出，切眼開挖以后，首先影響到3號傳感器，其前方4號傳感器也有應(yīng)力集中現(xiàn)象，工作面前方應(yīng)力峰值范圍為0-22.5m。隨著工作面向前推進(jìn)18m，4號傳感器相對應(yīng)力值也越來越大。當(dāng)工作面推進(jìn)27m時(shí)，4號傳感器卸壓。
[0021]從圖9中可以看出，沿著采空區(qū)深度方向，瓦斯?jié)舛冉?jīng)歷了先增高，然后在深部采空區(qū)趨于穩(wěn)定的變化過程。在采空區(qū)深度方向上，采空區(qū)靠近工作面區(qū)域，受進(jìn)風(fēng)巷漏風(fēng)流的影響，采空區(qū)起始段的瓦斯?jié)舛容^低且上升趨勢較緩；遠(yuǎn)離工作面的采空區(qū)中部區(qū)域，雖然進(jìn)風(fēng)側(cè)瓦斯?jié)舛容^低，但由于瓦斯不易被漏風(fēng)流帶出，導(dǎo)致瓦斯?jié)舛壬仙^快；在采空區(qū)深部，瓦斯?jié)舛壤^續(xù)增大，并趨于穩(wěn)定。
【權(quán)利要求】
1.一種小型三維采空區(qū)氣體運(yùn)移規(guī)律物理相似模擬實(shí)驗(yàn)臺，包括實(shí)驗(yàn)臺箱體(4)、雙搖桿開采系統(tǒng)、可控通風(fēng)系統(tǒng)、氣體注入系統(tǒng)、抽采系統(tǒng)和測試系統(tǒng)，其特征在于:箱體(4)內(nèi)設(shè)有相似模型，雙搖桿開采系統(tǒng)包括搖臂(23)、連桿(24)、螺栓(25)、條鋼(10)，兩個(gè)搖臂(23)通過連桿(24)連接，搖臂(23)另一端插入螺栓(25)中，螺栓(25)旋入箱體(4)底板中，螺栓(25)上設(shè)有條鋼(10);可控通風(fēng)系統(tǒng)包括U型通風(fēng)管(9)、調(diào)速蠕動泵(7)、壓差儀(22)、氣體質(zhì)量流量計(jì)(16)，相似模型內(nèi)設(shè)有U型通風(fēng)管(9)，調(diào)速蠕動泵(7)、氣體質(zhì)量流量計(jì)(16)和壓差儀(22)與U型通風(fēng)管(9)連接；氣體注入系統(tǒng)包括高壓鋼瓶(I)、減壓閥(19)、平衡罐(18)、氣體質(zhì)量流量計(jì)(16)、分流控制閥組(15)、管路(11)及底部充氣通道(12)，箱體(4)底部設(shè)有充氣通道(12)，高壓鋼瓶(I)、減壓閥(19)、平衡罐(18)、氣體質(zhì)量流量計(jì)(16)、分流控制閥組(15)通過充氣管路(11)與箱體底部的充氣通道(12)依次連接；抽采系統(tǒng)包括調(diào)速蠕動泵(7)和抽采細(xì)管(8)，相似模型中設(shè)有抽采細(xì)管(8)，調(diào)速蠕動泵(7)與抽采細(xì)管(8)連接；測試系統(tǒng)包括便攜式氦氣/氖氣分析儀(21)、采氣細(xì)管(20)、 應(yīng)力傳感器(13)、數(shù)據(jù)采集箱(3)、聲發(fā)射傳感器(5)、聲發(fā)射測試儀(6)、電腦(2)，相似模型中設(shè)有采氣細(xì)管(20)和應(yīng)力傳感器(13)，采氣細(xì)管(20)與氦氣/氖氣分析儀(21)連接，相似模型表面設(shè)有聲發(fā)射傳感器(5)，聲發(fā)射傳感器(5)與聲發(fā)射儀(6)連接，聲發(fā)射儀(6)與電腦(2)連接，應(yīng)力傳感器(13)與數(shù)據(jù)采集箱(3)連接，數(shù)據(jù)采集箱(3)連接電腦⑵。
【文檔編號】G09B25/02GK103956105SQ201410166468
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月23日
【發(fā)明者】李樹剛, 林海飛, 魏宗勇, 肖鵬, 趙鵬翔, 李莉, 潘紅宇, 成連華, 丁洋, 李志梁 申請人:西安科技大學(xué)