[发明专利]煤矿固体充填开采三维模拟实验平台

说明书

技术领域

本发明涉及一种煤矿固体充填开采三维模拟实验平台，该平台可以在煤矿固体充填开采中研究充填开采效果。

背景技术

固体充填开采是将煤矸石、炉渣、城市固体废料等破碎成一定块度，混上粉煤灰等胶结材料，运至井下工作面，借助一定机械设备充入采空区，从而实现最大限度的回收煤炭资源，并最终控制地表下沉的采煤方法。充填开采因其能够置换出大量“三下”压煤、减小地表下沉、同时能够处理矸石或其他固体废料，越来越被关注并逐渐成为煤矿绿色开采技术。目前关于充填开采的研究主要是集中于研究充填材料的性质和充填所用的设备。其中对充填材料性质的研究，主要在实验室通过测试材料的力学特性获得最优材料配比，对于充填设备也是在生产过程中逐渐改进和完善。然而，目前缺少一种有效的、快速的研究充填材料在充填工作面里的压实和变形过程，并研究充填效果的实验设备和实验方法。

发明内容

本发明提供了一种煤矿固体充填开采三维模拟实验平台，该平台能够模拟充填开采充填材料的受力、变形过程，进而研究充填材料性质和充填工艺对充填效果的影响。

本发明采取了如下技术方案：本发明中的实验平台包括内部铺设有模拟煤层的箱体、设置在箱体顶部用于对模拟煤层加压的顶板载荷加载装置、设置在箱体内用于开采模拟煤层的煤体开采装置和对开采区的填充材料进行夯实的充填体夯实机构、以及信号采集系统和数据处理系统；所述箱体内模拟煤层的不同层位均铺设有应变片传感器，信号采集系统采集各传感器信号并将其传送给数据处理系统进行处理。

所述顶板加载装置包括安装在箱体顶部的导轨、安装在导轨上的液压缸、布置在液压缸和模拟煤层上端面之间的加载垫板、设置在液压缸和加载垫板之间的压力传感器、以及设置在加载导轨和加载垫板之间的位移传感器。

所述煤体开采装置包括割煤刀具前后行走导轨、安装在割煤刀具前后行走导轨上的割煤刀具左右行走导轨、以及安装在割煤刀具左右行走导轨上的割煤刀具。

所述充填体夯实机构包括夯实机构前后行走导轨、安装在夯实机构前后行走导轨上的夯实机构左右行走导轨、安装在夯实机构左右行走导轨上的液压缸、安装在液压缸活塞端的夯实推板、布置在液压缸活塞和夯实推板之间的传感器。

所述箱体侧面开有注浆孔，在煤层开采后，向采空区充进充填材料过程中同时埋设与注浆孔相连通的注浆管路。箱体的四个侧面均由透明材料制成。

本发明将固体充填料充入三维箱体内，随着工作面推进充填材料不断充入采空区，并通过布置在工作面的带有压力传感器的液压夯实机构对充填材料夯实。在试验台的两侧设有注浆孔和注浆管路，能够将水泥浆等材料注入充填体内。通过顶板载荷加载装置模拟地应力，对顶板相似材料进行加载。通过数据采集和处理系统，即可测出不同顶板载荷、不同夯实力情况下，充填体力学性质变化、压实率、强度以及顶板的下沉量等参数。

相对于现有技术而言，本发明能够在实验室模拟固体充填开采，在模拟煤层开采的同时将充填材料充进采空区，并通过充填体夯实机构模拟井下充填材料压实过程；通过顶板载荷加载装置模拟地应力和重力，随着煤层的开挖和充填材料充入采空区，相似材料模拟的上覆岩层会在重力作用下发生变形和移动。该实验平台能够测试出不同充填材料配比、不同充填工艺、不同煤层赋存条件下充填料的变形特征和上覆岩层移动规律，在实验室里实现了进行固体充填开采效果的相似模拟实验，是一种可靠、经济、简单的实验手段。

附图说明

图1为本发明中的煤矿固体充填开采三维模拟实验平台结构示意图；

图2为本发明中的煤矿固体充填开采三维模拟实验平台正视图；

图3为本发明中的煤矿固体充填开采三维模拟实验平台侧视图；

图4为本发明中的煤层开采装置和充填材料夯实机构俯视图；

图5为割煤刀具俯视图；

图6为割煤刀具正视图；