一種急傾斜煤層矸石充填試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種急傾斜煤層矸石充填試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法，箱體為傾斜布置，下托板與水平線之間的夾角為45°-70°，下托板上方布置有頂板與底板，頂板與底板之間形成布置空間，該布置空間內(nèi)布置有仿真煤層塊，仿真煤層塊開挖后在形成的采空區(qū)內(nèi)填充有仿真矸石，該布置空間的上端設(shè)置有填充口，下端設(shè)置有開挖口；頂板與上蓋板之間的箱體內(nèi)填充有仿真巖層顆粒，仿真巖層顆粒的上表面布置有仿真巖層塊。利用高速相機(jī)對(duì)試驗(yàn)過程進(jìn)行拍照，有利于試驗(yàn)現(xiàn)象的描述，通過調(diào)整四根伸縮支架之間的高度，可以實(shí)現(xiàn)不同的煤層角度，通過調(diào)整左、右兩側(cè)調(diào)整板的高度，可以實(shí)現(xiàn)不同的煤層厚度，通過選擇不同的頂板材料和底板材料，可以實(shí)現(xiàn)不同的頂?shù)装孱愋汀?br> 【專利說明】一種急傾斜煤層矸石充填試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種急傾斜煤層矸石充填試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法。

【背景技術(shù)】
[0002]我國急傾斜煤層年產(chǎn)量占全國煤炭總量的8% -10%，而且比例逐年遞增。由于急傾斜煤層賦存角度大、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、頂?shù)装逡谆瑒?dòng)垮落，在生產(chǎn)中存在較多的安全隱患，而且開采工藝復(fù)雜，制約了急傾斜煤層的安全高效開采。
[0003]針對(duì)急傾斜煤層賦存條件，利用矸石在自重作用下移動(dòng)對(duì)急傾斜煤層的采空區(qū)進(jìn)行充填，不僅可以有效地減緩煤層頂?shù)装暹\(yùn)動(dòng)，減小頂?shù)装宓淖冃危ＷC工作面的安全開采，而且可以減少地面排矸量，減小環(huán)境污染，對(duì)于實(shí)現(xiàn)煤礦安全高效綠色開采具有重要的意義。
[0004]明確采空區(qū)中矸石的運(yùn)移規(guī)律及充填效果的影響因素，對(duì)于提高采空區(qū)矸石充填率，有效地控制煤層頂?shù)装暹\(yùn)動(dòng)具有重要的意義。但由于煤層賦存條件復(fù)雜，并且采空區(qū)中充滿矸石，內(nèi)部無法安裝監(jiān)測(cè)儀器，矸石在采空區(qū)內(nèi)的運(yùn)移過程具有不可見、不可接觸性，為理論研究和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)帶來了很大的困難。因此，通過相似材料模擬試驗(yàn)來再現(xiàn)開采充填過程，成為研究其內(nèi)在規(guī)律的一種重要手段。由于急傾斜煤層傾斜角度較大，模型堆砌困難，材料容易倒塌，試驗(yàn)結(jié)果的可靠性也得不到保證，而且改變?cè)囼?yàn)方案需要重新建立模型進(jìn)行試驗(yàn)，耗時(shí)費(fèi)力、工作量大。因此，現(xiàn)有技術(shù)有待于更進(jìn)一步的改進(jìn)和發(fā)展。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種急傾斜煤層矸石充填試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法，以對(duì)急傾斜煤層開采采空區(qū)矸石運(yùn)移規(guī)律及充填效果影響因素進(jìn)行分析研究。
[0006]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明方案包括:
[0007]—種急傾斜煤層矸石充填試驗(yàn)裝置，其包括箱體，其中，箱體包括左調(diào)整板、右調(diào)整板、前擋板、后擋板、下托板與上蓋板，箱體為傾斜布置，下托板與水平線之間的夾角為45° -70° ,下托板上方布置有頂板與底板,頂板與底板之間形成布置空間,該布置空間內(nèi)布置有仿真煤層塊，仿真煤層塊開挖后在形成的采空區(qū)內(nèi)填充有仿真矸石，該布置空間的上端設(shè)置有填充口，下端設(shè)置有開挖口 ；頂板與上蓋板之間的箱體內(nèi)填充有仿真巖層顆粒，仿真巖層顆粒的上表面布置有仿真巖層塊。
[0008]所述的急傾斜煤層矸石充填試驗(yàn)裝置，其中，上述頂板面向上蓋板一側(cè)的表面上均勻布置有多個(gè)位移傳感器；開挖前位于填充口處之仿真煤層塊的上端布置有一壓力傳感器；箱體的正面布置有高速相機(jī)，位移傳感器、壓力傳感器、高速相機(jī)均與一數(shù)據(jù)采集器通信連接。
[0009]所述的急傾斜煤層矸石充填試驗(yàn)裝置，其中，上述開挖口內(nèi)設(shè)置有卡銷，頂板與左調(diào)整板、右調(diào)整板均通過連接角板相連接。
[0010]所述的急傾斜煤層矸石充填試驗(yàn)裝置，其中，上述箱體配置有支撐機(jī)構(gòu)，該支撐機(jī)構(gòu)包括四根伸縮支架，用于調(diào)整箱體的傾斜度，其中兩根伸縮支架鉸接在左調(diào)整板上，剩余的兩根伸縮支架鉸接在下托板上。
[0011]一種使用所述急傾斜煤層矸石充填試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)方法，其包括以下步驟:
[0012]A、下托板與水平線之間的夾角在45° -70°之間，上述頂板面向上蓋板一側(cè)的表面上均勻布置有多個(gè)位移傳感器，在布置空間內(nèi)放置多個(gè)仿真煤層塊，仿真煤層塊連接成串，位于填充口處之仿真煤層塊的上端頭黏貼有壓力傳感器，在開挖口處放置一個(gè)卡銷，用于防止仿真煤層塊自由滑落；在頂板與上蓋板之間的箱體內(nèi)填充有仿真巖層顆粒，仿真巖層顆粒的上表面與填充口位置齊平，在仿真巖層顆粒的上表面布置有仿真巖層塊，仿真巖層顆粒和仿真巖層塊構(gòu)成了煤層的上覆巖層；
[0013]B、在開挖口處移除一定長度的仿真煤層塊模擬煤層開挖，同步的在填充口處充填仿真矸石模擬采空區(qū)矸石充填；高速相機(jī)對(duì)仿真矸石的運(yùn)移過程進(jìn)行拍照，通過對(duì)應(yīng)傳感器記錄頂板的變形和仿真矸石對(duì)仿真煤層塊的作用力；重復(fù)步驟B，直至仿真煤層塊開挖完畢、米空區(qū)充填完畢。
[0014]本發(fā)明提供的一種急傾斜煤層矸石充填試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法，充填模型架的前擋板為有機(jī)玻璃，可對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行直觀的觀察，并利用高速相機(jī)對(duì)試驗(yàn)過程進(jìn)行拍照，有利于試驗(yàn)現(xiàn)象的描述，通過調(diào)整四根伸縮支架之間的高度，可以實(shí)現(xiàn)不同的煤層角度，通過調(diào)整左、右兩側(cè)調(diào)整板的高度，可以實(shí)現(xiàn)不同的煤層厚度，通過選擇不同的頂板材料和底板材料，可以實(shí)現(xiàn)不同的頂?shù)装孱愋?。還可以在急傾斜煤層矸石充填試驗(yàn)裝置布置對(duì)應(yīng)的傳感器，并配置計(jì)算機(jī)等數(shù)據(jù)采集、分析系統(tǒng)，進(jìn)而對(duì)急傾斜煤層開采采空區(qū)矸石運(yùn)移規(guī)律及充填效果影響因素進(jìn)行分析研究，并且可以通過調(diào)整急傾斜煤層矸石充填試驗(yàn)裝置來調(diào)整試驗(yàn)過程中的各個(gè)因素，降低了試驗(yàn)成本。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明中急傾斜煤層矸石充填試驗(yàn)裝置的主體機(jī)構(gòu)示意圖；
[0016]圖2是本發(fā)明中箱體的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]其中，
[0018]1-左調(diào)整板；2_右調(diào)整板；3_如擋板；4_后擋板；5_下托板；6_上蓋板；7-頂板；8-仿真煤層塊；9_仿真矸石；10-填充口 ； 11-開挖口 ； 12-仿真巖層顆粒；13-仿真巖層塊；14-位移傳感器；15-壓力傳感器；16-高速相機(jī)；17-數(shù)據(jù)采集器；18_卡銷；19-連接角板；20-伸縮支架；21_調(diào)節(jié)螺孔組；22_底板。

【具體實(shí)施方式】
[0019]本發(fā)明提供了一種急傾斜煤層矸石充填試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法，為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及效果更加清楚、明確，以下對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0020]本發(fā)明提供了一種急傾斜煤層矸石充填試驗(yàn)裝置，如圖1與圖2所示的，其包括箱體，其中，箱體包括左調(diào)整板1、右調(diào)整板2、前擋板3、后擋板4、下托板5與上蓋板6,箱體為傾斜布置，下托板5與水平線之間的夾角為45° -70°，下托板5上方布置有頂板7與底板22，頂板7與底板22之間形成布置空間，該布置空間內(nèi)布置有仿真煤層塊8，仿真煤層塊8開挖后在形成的采空區(qū)內(nèi)填充有仿真矸石9，該布置空間的上端設(shè)置有填充口 10，下端設(shè)置有開挖口 11 ;頂板7與上蓋板6之間的箱體內(nèi)填充有仿真巖層顆粒12，仿真巖層顆粒12的上表面布置有仿真巖層塊13。
[0021]在本發(fā)明的另一較佳實(shí)施例中，上述頂板7面向上蓋板6 —側(cè)的表面上均勻布置有多個(gè)位移傳感器14 ;開挖前位于填充口處之仿真煤層塊8的上端布置有一壓力傳感器15 ;箱體的正面布置有高速相機(jī)16，位移傳感器14、壓力傳感器15、高速相機(jī)16均與一數(shù)據(jù)采集器17通信連接，數(shù)據(jù)采集器17可以是筆記本電腦、臺(tái)式電腦等設(shè)備。
[0022]更進(jìn)一步的，上述開挖口 11內(nèi)設(shè)置有卡銷18，防止仿真煤層塊8自由滑落出開挖口 11，使試驗(yàn)出現(xiàn)誤差，頂板7與左調(diào)整板1、右調(diào)整板2均通過連接角板19相連接。
[0023]并且上述箱體配置有支撐機(jī)構(gòu)，該支撐機(jī)構(gòu)包括四根伸縮支架20，用于調(diào)整箱體的傾斜度，進(jìn)而調(diào)整布置空間內(nèi)仿真煤層塊8的傾斜角度，通過調(diào)整左、右兩側(cè)調(diào)整板的高度，可以實(shí)現(xiàn)不同的煤層厚度，通過選擇不同的頂板材料和底板材料，可以實(shí)現(xiàn)不同的頂?shù)装孱愋?，從而可以?duì)急傾斜煤層開采采空區(qū)矸石運(yùn)移規(guī)律及充填效果影響因素進(jìn)行分析更詳盡的研究。其中兩根伸縮支架20鉸接在左調(diào)整板I上，剩余的兩根伸縮支架20鉸接在下托板5上，伸縮支架20可以采用液壓支架等技術(shù)手段。
[0024]本發(fā)明還提供了一種使用所述急傾斜煤層矸石充填試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)方法，其包括以下步驟:
[0025]下托板5與水平線之間的夾角在45° -70°之間，上述頂板7面向上蓋板6—側(cè)的表面上均勻布置有多個(gè)位移傳感器14，在布置空間內(nèi)放置多個(gè)仿真煤層塊8，仿真煤層塊8連接成串，位于填充口處之仿真煤層塊8的上端頭黏貼有壓力傳感器15，在開挖口 11處放置一個(gè)卡銷18，用于防止仿真煤層塊8自由滑落出開挖口 11 ;在頂板7與上蓋板6之間的箱體內(nèi)填充有仿真巖層顆粒12，仿真巖層顆粒12的上表面與填充口 10位置齊平，在仿真巖層顆粒12的上表面布置有仿真巖層塊13，仿真巖層顆粒12和仿真巖層塊13構(gòu)成了煤層的上覆巖層；
[0026]在開挖口 11處移除一定長度的仿真煤層塊8模擬煤層開挖，同步的在填充口 10處充填仿真矸石9模擬采空區(qū)矸石充填；高速相機(jī)16對(duì)仿真矸石9的運(yùn)移過程進(jìn)行拍照，通過對(duì)應(yīng)傳感器記錄頂板7的變形和仿真矸石9對(duì)仿真煤層塊8的作用力；重復(fù)此步驟，直至仿真煤層塊8開挖完畢、采空區(qū)充填完畢。顯然的，為了獲取不同的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以對(duì)箱體的傾斜角度、煤層厚度以及頂?shù)装孱愋偷葏?shù)進(jìn)行調(diào)整，重新進(jìn)行試驗(yàn)，進(jìn)而降低試驗(yàn)成本。
[0027]為了更進(jìn)一步的描述本發(fā)明，以下列舉更為詳盡的實(shí)施例進(jìn)行說明。
[0028]箱體尺寸為ImXl.05mX 6cm ;后擋板4和前擋板3的高度為1.05m，后擋板4和前擋板3的左右兩側(cè)布有調(diào)節(jié)螺孔組21，每組調(diào)節(jié)螺孔組21由3個(gè)相距Icm的螺孔組成；前擋板3為有機(jī)玻璃擋板；左調(diào)整板I和右調(diào)整板2高度為Im ;下托板5通過鉸接與伸縮支架20相連接；下托板5上部為底板22，底板22的上表面具有一定的粗糙度；頂板7通過連接角板19與左調(diào)整板1、右調(diào)整板2相連接，頂板7具有一定的柔性；頂板7下表面具有一定的粗糙度；頂板7將箱體空間分隔為上下兩部分，頂板7上部為仿真巖層顆粒12，仿真巖層顆粒12上部為仿真巖層塊13，每個(gè)仿真煤層塊8的長度為10cm。并且伸縮支架20的最大伸長高度為lm，最小縮短高度為0.2m ;其信息采集的設(shè)備主要包括黏貼在頂板7表面上的位移傳感器14、黏貼在仿真煤層塊8上端頭部位的壓力傳感器15、高速相機(jī)16以及數(shù)據(jù)采集器17。
[0029]利用所述急傾斜煤層矸石充填試驗(yàn)裝置進(jìn)行充填試驗(yàn)的方法，包括以下步驟:
[0030]第一步:根據(jù)試驗(yàn)方案選擇相應(yīng)的調(diào)節(jié)螺孔組21中的螺孔，利用螺絲將左調(diào)整板
1、右調(diào)整板2、前擋板3與后擋板4相連接；在頂板7的表面上每隔1cm黏貼一個(gè)位移傳感器14 ;將頂板7通過連接角板19與左調(diào)整板1、右調(diào)整板2的一端頭連接；將底板22與下托板5相連接；將下托板5與前擋板3、后擋板4相連接；將兩根伸縮支架20與右調(diào)整板2鉸接連接，將兩根伸縮支架20與下托板5鉸接連接。
[0031]第二步:調(diào)整四根伸縮支架20的高度，使布置空間傾斜60° ;位于填充口處之仿真煤層塊8的上端頭黏貼壓力傳感器15，將上述仿真煤層塊8設(shè)置在布置空間內(nèi)，黏貼有壓力傳感器15的一端向仿真矸石9方向布置；仿真煤層塊8利用細(xì)線連接成串，在開挖口11處放置一個(gè)卡銷18，防止仿仿真煤層塊8自由滑落；在頂板7上部由下自上填充仿真巖層顆粒12，在仿真巖層顆粒12上部放置仿真巖層塊13。
[0032]第三步:將位移傳感器14、壓力傳感器15、高速相機(jī)16與一數(shù)據(jù)采集器17相連，在箱體的對(duì)應(yīng)側(cè)架設(shè)高速相機(jī)16，以鏡頭采集范圍要覆蓋整個(gè)布置空間，比如將高速相機(jī)16設(shè)置在箱體的正面，通過前擋板3進(jìn)行拍攝。
[0033]第四步:在開挖口 11處移除一塊仿真煤層塊8模擬煤層開挖，然后在填充口 10處充填仿真矸石9模擬采空區(qū)矸石充填；利用高速相機(jī)16對(duì)仿真矸石9的運(yùn)移過程進(jìn)行拍照，并記錄頂板7的變形和仿真煤層塊8受到的仿真矸石9的作用力；重復(fù)此步驟，直至仿真煤層塊8開挖完畢、采空區(qū)充填完畢。
[0034]第五步:根據(jù)試驗(yàn)方案，調(diào)整仿真煤層塊8的厚度與角度、頂板7、底板22的材料等重新進(jìn)行試驗(yàn)，分析對(duì)比不同因素下的充填效果。
[0035]當(dāng)然，以上說明僅僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，本發(fā)明并不限于列舉上述實(shí)施例，應(yīng)當(dāng)說明的是，任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本說明書的教導(dǎo)下，所做出的所有等同替代、明顯變形形式，均落在本說明書的實(shí)質(zhì)范圍之內(nèi)，理應(yīng)受到本發(fā)明的保護(hù)。
【權(quán)利要求】
1.一種急傾斜煤層矸石充填試驗(yàn)裝置，其包括箱體，其特征在于，箱體包括左調(diào)整板、右調(diào)整板、前擋板、后擋板、下托板與上蓋板，箱體為傾斜布置，下托板與水平線之間的夾角為45° -70° ,下托板上方布置有頂板與底板,頂板與底板之間形成布置空間，該布置空間內(nèi)布置有仿真煤層塊，仿真煤層塊開挖后在形成的采空區(qū)內(nèi)填充有仿真矸石，該布置空間的上端設(shè)置有填充口，下端設(shè)置有開挖口 ；頂板與上蓋板之間的箱體內(nèi)填充有仿真巖層顆粒，仿真巖層顆粒的上表面布置有仿真巖層塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的急傾斜煤層矸石充填試驗(yàn)裝置，其特征在于，上述頂板面向上蓋板一側(cè)的表面上均勻布置有多個(gè)位移傳感器；開挖前位于填充口處之仿真煤層塊的上端布置有一壓力傳感器；箱體的正面布置有高速相機(jī)，位移傳感器、壓力傳感器、高速相機(jī)均與一數(shù)據(jù)采集器通信連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的急傾斜煤層矸石充填試驗(yàn)裝置，其特征在于，上述開挖口內(nèi)設(shè)置有卡銷，頂板與左調(diào)整板、右調(diào)整板均通過連接角板相連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的急傾斜煤層矸石充填試驗(yàn)裝置，其特征在于，上述箱體配置有支撐機(jī)構(gòu)，該支撐機(jī)構(gòu)包括四根伸縮支架，用于調(diào)整箱體的傾斜度，其中兩根伸縮支架鉸接在左調(diào)整板上，剩余的兩根伸縮支架鉸接在下托板上。
5.一種使用如權(quán)利要求1所述急傾斜煤層矸石充填試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)方法，其包括以下步驟: A、下托板與水平線之間的夾角在45°-70°之間，上述頂板面向上蓋板一側(cè)的表面上均勻布置有多個(gè)位移傳感器，在布置空間內(nèi)放置多個(gè)仿真煤層塊，仿真煤層塊連接成串，位于填充口處之仿真煤層塊的上端頭黏貼有壓力傳感器，在開挖口處放置一個(gè)卡銷，用于防止仿真煤層塊體自由滑落；在頂板與上蓋板之間的箱體內(nèi)填充有仿真巖層顆粒，仿真巖層顆粒的上表面與填充口位置齊平，在仿真巖層顆粒的上表面布置有仿真巖層塊，仿真巖層顆粒和仿真巖層塊構(gòu)成了煤層的上覆巖層； B、在開挖口處移除一定長度的仿真煤層塊模擬煤層開挖，同步的在填充口處充填仿真矸石模擬采空區(qū)矸石充填；高速相機(jī)對(duì)仿真矸石的運(yùn)移過程進(jìn)行拍照，通過對(duì)應(yīng)傳感器記錄頂板的變形和仿真矸石對(duì)仿真煤層塊的作用力；重復(fù)步驟B，直至仿真煤層塊開挖完畢、采空區(qū)充填完畢。
【文檔編號(hào)】G01N33/00GK104237462SQ201410440813
【公開日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2014年9月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月1日
【發(fā)明者】趙同彬, 尹延春, 譚云亮, 馬成甫, 于鳳海 申請(qǐng)人:山東科技大學(xué)