一種可模擬不同傾角含水煤層充填注漿試驗(yàn)裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種充填注漿模擬試驗(yàn)的裝置及方法，尤其是一種適用于采礦工程中傾斜含水煤層充填注漿試驗(yàn)裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]我國作為以煤炭為主要能源的國家，經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，需要煤炭產(chǎn)量的快速增長。但很多礦區(qū)面臨資源日益枯竭、環(huán)境破壞和“三下”壓煤量大難采等問題。利用井下采空區(qū)處置煤矸石的矸石充填采煤技術(shù)，既可以回收“三下”壓煤、減少煤礦固體廢棄物地面排放、解放礦井提升能力、又可以減輕深井開采和沉陷災(zāi)害，是實(shí)現(xiàn)煤礦綠色開采的關(guān)鍵技術(shù)途徑之一。
[0003]研究采場支承壓力的發(fā)展變化與上覆巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律，一直是煤礦開采過程中重點(diǎn)關(guān)注的問題，也是一個(gè)難點(diǎn)問題。由于現(xiàn)場研究“三下”充填開采上覆巖層的運(yùn)動(dòng)規(guī)律具有不可見性，相關(guān)的“三下”充填開采沉陷預(yù)計(jì)也大多是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的經(jīng)驗(yàn)方法，因此，進(jìn)行“三下”充填開采覆巖移動(dòng)特征的相似材料實(shí)驗(yàn)研究非常有必要。相似模擬試驗(yàn)裝置主要有兩類，一類是平面模型架，一類是立體模型架。由于平面模型架其厚度有限，不能再現(xiàn)地下工程結(jié)構(gòu)或巖層所處的工程環(huán)境，而立體模型試驗(yàn)裝置可以通過加載裝置對(duì)模型施加三個(gè)方向的載荷來模擬巷道、硐室或隧道等地下結(jié)構(gòu)的圍巖應(yīng)力場，使模擬過程和模擬結(jié)果更接近于實(shí)際?，F(xiàn)有的立體模型試驗(yàn)裝置一般只能模擬工作面開采，模擬煤層開采與采空區(qū)充填同步進(jìn)行的綜采充填過程，無法對(duì)傾斜含水煤層在開挖充填同時(shí)進(jìn)行注漿的施工過程中地下結(jié)構(gòu)的圍巖應(yīng)力場進(jìn)行模擬，現(xiàn)有技術(shù)中的模擬試驗(yàn)功能仍比較單一，模擬效果有限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是克服已有技術(shù)中的不足之處，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、最大限度符合工程實(shí)際、能夠模擬任意傾角的含水煤層在充填開采同時(shí)進(jìn)行注漿的試驗(yàn)裝置及方法。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案為:本發(fā)明的可模擬不同傾角含水煤層充填注漿試驗(yàn)裝置，包括方形試驗(yàn)臺(tái)框架、充填注漿模擬裝置、上部以及周邊液壓加載系統(tǒng)、應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及試驗(yàn)臺(tái)傾角調(diào)節(jié)裝置;所述方形試驗(yàn)臺(tái)框架包括支架、以及將整個(gè)試驗(yàn)裝置封閉的上部擋板和底部擋板以及四周擋板，以及固定在底部擋板上的支腳，其中支腳與承載板焊接固定;所述充填注漿模擬裝置包括模擬巖層、模擬煤層、長方體模擬充填材料模塊、注漿管道、注水管道、模擬支架，所述模擬煤層由若干長方體煤塊組成，其中注漿管道與注漿栗相連，注水管道與注水栗相連，長方體模擬充填材料模塊的尺寸與長方體煤塊的尺寸相等。所述上部以及周邊液壓加載系統(tǒng)包括上部和四周的液壓油缸以及油管道和油栗，所述上部和四周的液壓油缸分別對(duì)上部、四周擋板進(jìn)行加載;所述應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括預(yù)先置于模擬巖層和模擬充填材料模塊內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變片以及與之相連的數(shù)據(jù)處理器;試驗(yàn)臺(tái)傾角調(diào)節(jié)裝置包括與承載板的一側(cè)相連的軸座和與承載板另一側(cè)相連的液壓頂升裝置和將整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)鎖定的鎖定裝置;軸座和液壓頂升裝置固定在基座上。
[0006]其中，注漿管道由若干支管組成，其中每個(gè)支管垂直插入模擬巖層一定深度后，其位置對(duì)應(yīng)于每個(gè)煤塊中間的位置。
[0007]其中，所述支管的管壁以及所述注水管道的管壁開設(shè)由若干小孔。
[0008]所述注水管道有若干個(gè)，每個(gè)管道分別插入每個(gè)煤塊內(nèi)部，并用密封膠在插入口固定。
[0009]所述應(yīng)力應(yīng)變片置于模擬巖層和模擬充填材料模塊的不同層位，具體位置依據(jù)試驗(yàn)要求和參數(shù)而定。
[0010]本發(fā)明還提供一種可模擬不同傾角含水煤層充填注漿試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)方法，其特征在于包括以下步驟:
[0011]a、根據(jù)實(shí)際工程參數(shù)計(jì)算試驗(yàn)所需的各項(xiàng)參數(shù)，包括模擬巖層的材料、厚度、模擬煤塊的尺寸、注漿材料、注漿速度、注漿時(shí)間、注水速度、應(yīng)力應(yīng)變片的設(shè)置位置、加載油缸的加載荷載等參數(shù)；
[0012]b、組裝所述方形試驗(yàn)臺(tái)框架，將上部擋板和底部擋板以及四周擋板固定后，在內(nèi)部從下往上鋪設(shè)一定厚度的底板模擬巖層、由若干塊煤塊構(gòu)成的模擬煤層、頂板模擬巖層，在模擬巖層的不同位置埋設(shè)應(yīng)力應(yīng)變片，并將數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)處理器相連；
[0013]C、在上部擋板和四周擋板上用液壓油缸進(jìn)行加載，方向垂直于巖體；
[0014]d、根據(jù)需要的煤層傾角參數(shù)，開啟液壓頂升裝置，使得方形試驗(yàn)臺(tái)中的煤層達(dá)到需要的傾角，并將整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)鎖定；
[0015]e、開啟水栗，通過連接在每塊煤塊上的注水管道進(jìn)行注水，注水流量及注水時(shí)間依據(jù)試驗(yàn)參數(shù)而定；
[0016]f、準(zhǔn)備模擬開采過程，將最右邊兩塊煤塊抽取出，其中一塊采空區(qū)填充入模擬支架，另一塊采空區(qū)填入預(yù)先埋設(shè)好應(yīng)力應(yīng)變片的充填材料模塊，打開注漿栗，通過充填材料模塊以及模擬支架上方的兩路注漿管道對(duì)模擬巖層進(jìn)行注漿，達(dá)到一定注漿時(shí)間后，關(guān)閉注漿栗，此時(shí)通過數(shù)據(jù)處理器采集所有應(yīng)力應(yīng)變片的各項(xiàng)數(shù)據(jù)；
[0017]g、等應(yīng)力應(yīng)變的數(shù)值穩(wěn)定后，繼續(xù)模擬開采相鄰左邊的煤塊，并在該采空區(qū)內(nèi)移入所述模擬支架，并在原模擬支架位置填入另一充填材料模塊，并打開注漿栗通過模擬支架上方的注漿管道進(jìn)行注漿，達(dá)到一定注漿時(shí)間后，關(guān)閉注漿栗，再通過數(shù)據(jù)處理器采集所有應(yīng)力應(yīng)變片的各項(xiàng)數(shù)據(jù)；
[0018]h、如此往復(fù)，完成整個(gè)煤層的模擬開采和充填的應(yīng)力應(yīng)片變化數(shù)值的采集工作，并用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理，從而得到不同傾角含水煤層充填注漿過程中應(yīng)力應(yīng)變變化的規(guī)律。
[0019]本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，通過加載系統(tǒng)和充填開采模擬系統(tǒng)，能模擬不同傾角煤層在一定含水量條件下綜采工作面開采、采空區(qū)充填、頂板圍巖注漿等具體過程;通過信息處理裝置能實(shí)時(shí)監(jiān)測充填過程中采空區(qū)充填體及采煤工作面上覆巖層內(nèi)的壓力、位移的三維變化情況，并利用計(jì)算機(jī)形象模擬，從而真實(shí)的反應(yīng)充填開采的現(xiàn)場情況，能夠真實(shí)的再現(xiàn)充填開采采動(dòng)巖層的壓力、位移和破壞情況，其結(jié)構(gòu)簡單，緊湊合理，穩(wěn)定可靠，其開采充填環(huán)境無限接近于實(shí)際開采充填條件。
【附圖說明】
[0020]圖1是本發(fā)明可模擬不同傾角含水煤層充填注漿試驗(yàn)裝置的主視圖；
[0021]圖2是圖1的右視圖；
[0022]圖3是圖1中顯不內(nèi)部巖層的主視圖；
[0023]圖4是圖3中煤塊開挖并充填的示意圖；
[0024]圖5是圖4中注漿管道布置的示意圖；
[0025]圖6、7分別是煤塊和充填材料模塊的示意圖。
[0026]圖中:1-左擋板，2-上擋板，3-右擋板，4-模擬煤層，5-支腳，6_承載板，7_軸座，8_基座，9-液壓頂升裝置，I O-前擋板，11-后擋板，12-模擬巖層，13-模擬支架，14-模擬充填材料模塊，15-注漿管道，16-模擬煤塊，18-注水管道。
【具體實(shí)施方式】
[0027]本發(fā)明的一種可模擬不同傾角含水煤層充填注漿試驗(yàn)裝置，包括方形試驗(yàn)臺(tái)框架、充填注漿模擬裝置、上部以及周邊液壓加載系統(tǒng)、應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及試驗(yàn)臺(tái)傾角調(diào)節(jié)裝置;所述方形試驗(yàn)臺(tái)框架包括支架、以及將整個(gè)試驗(yàn)裝置封閉的上部擋板2和底部擋板以及四周擋板I，3，10，11，以及固定在底部擋板上的支腳5，其中支腳5與承載板6焊接固定;所述充填注漿模擬裝置包括模擬巖層12、模擬煤層、長方體模擬充填材料模塊14、注漿管道15、注水管道18、模擬支架13，所述模擬煤層由若干長方體煤塊16組成，其中注漿管道15與注漿栗相連，注水管道18與注水栗相連，長方體模擬充填材料模塊14的尺寸與長方體煤塊16的尺寸相等。
[0028]所述上部以及周邊液壓加載系統(tǒng)包括上部和四周的液壓油缸以及油管道和油栗，所述上部和四周的液壓油缸分別對(duì)上部、四周擋板進(jìn)行加載；
[0029]所述應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括預(yù)先置于模擬巖層和模擬充填材料模塊內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變片以及與之相連的數(shù)據(jù)處理器；
[0030]試驗(yàn)臺(tái)傾角調(diào)節(jié)裝置包括與承載板6的一側(cè)相連的軸座7和與承載板另一側(cè)相連的液壓頂升裝置9和將整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)鎖定的鎖定裝置;軸座7和液壓頂升裝置9固定在基座8上。
[0031]所述注漿管道15由若干支管組成，其中每個(gè)支管垂直插入模擬巖層一定深度