[发明专利]一种煤层相似模拟实验装置及其使用方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种煤层相似模拟实验领域技术，特别是指一种实验室模拟煤层采动后上覆岩层变化形态的装置及其使用方法。

背景技术

矿井煤层开采后，上覆岩层随工作面的推进在采场垂直方向上形成垮落带、裂隙带、弯曲下沉带， “覆岩三带”的准确划分是“三下采煤”可行性研究和设计、覆岩离层充填技术研究和应用、突出矿井保护层选择和开采设计，以及上邻近层瓦斯抽放研究和实施的依据。同时，随着煤层工作面的推进，工作面前方的应力也在发生变化，掌握工作面前方应力分布对巷道支护具有重要意义。目前，研究采空区三带、工作面前方应力变化规律方面，技术手段很多，其中实验室相似模拟实验是一种重要手段。众多学者采用相似模拟实验取得了驱动重要研究成果（李树刚，2013，矿业安全与环保；刘秀英，2004，太原理工大学学报）。

传统的相似模拟实验装置，是在长方体试验框架内填入模拟煤层和岩层的相似材料，相似材料主要有河砂、碳酸钙、石膏按照配比构成，岩层用电动锤或铁镐夯实，从而制成模型；通过人工逐次开挖一段距离的煤层模拟材料，模拟出采矿的推进过程。传统实验装置在模拟工作面推进时，需要借助工具逐步开挖模拟煤层的材料，这种方式不仅费时费力，而且不能保证每次开挖的距离相同。中国专利（申请号200810128331.8）公布了一种相似模拟和物理模拟相结合的采场矿压机械模拟试验台，利用模拟橡胶板煤层底板、气囊模拟煤层、由若干橡胶块和硬质材料块连接成整体的层状结构模拟老顶；由于气囊的膨胀不均匀，会影响顶板压力测定的可靠性；由于煤层开采过后，顶板由于卸压而出现膨胀变形现象，层状结构体现不出这种现象；同时，相似模拟是基于“相似三定律”而建立的，由于橡胶的应力、容重固定，不能体现各个岩层的差异。文献（采场下伏煤岩体卸压作用原理及在被保护层卸压瓦斯抽采中的应用，王海锋，2008）利用石蜡易熔化的特性，采用石蜡加热熔化方案代替煤层开挖，这种方法可以避免传统方法开挖的弊端，但是实验中是石蜡融化时间长大69min，从而造成实验周期长；另外，石蜡容易变形，在夯实模型的过程中，很难保证石蜡的厚度达到模拟煤层的高度。

发明内容

有鉴于此，本发明针对现有技术存在之缺失，其主要目的是提供一种结构简单、精确模拟开挖步距的煤层相似模拟实验装置及其使用方法。

为实现上述目的，本发明采用如下之技术方案：

一种煤层相似模拟实验装置，包括有模型架、底板、煤层、上覆岩层、加压装置以及液压泵，该底板、煤层、上覆岩层以及加压装置从下往上依次叠设于模型架内；该煤层包括有开挖煤层与保护煤柱，该保护煤柱分布于开挖煤层的两侧，该开挖煤层与保护煤柱均由合金块构成，该液压泵设置于模型架外，该液压泵通过胶管与合金块连接。

作为一种优选方案，所述合金块的长度为20~30cm，宽度为5~10cm，厚度为2~10cm，开挖煤层的长度为150~200cm，保护煤柱的长度为20~40cm。

作为一种优选方案，所述合金块具有第一进液口、第二进液口、第一出液口以及第二出液口，该第一出液口设置于合金块的左侧上方，该第二出液口设置于合金块的底部，该第一进液口与第一出液口连通，该第二进液口与第二出液口连通，前述胶管连通第一进液口与第二进液口。

作为一种优选方案，所述第一出液口为整排间隔均匀地设置，该第一出液口距离合金块的左侧上边界为2~6mm，相邻两个第一出液口之间间距为4~6cm，每个第一出液口的直径为3~6mm，该第一进液口到每个第一出液口之间的距离均相同。

作为一种优选方案，所述第二出液口为两排间隔均匀地设置，该两排第二出液口关于合金块的中心线对称，相邻两个第二出液口之间间距4~6cm，每个第二出液口的直径为3~6mm，该第二进液口到每个第二出液口之间的距离均相同。

作为一种优选方案，所述液压泵的流量控制在20~200ml/min，压力控制在0.01~0.2MPa。

一种煤层相似模拟实验装置的使用方法，包括以下步骤：

（1）在开展煤层相似模拟实验前，需要将模型架清理干净；

（2）将挡板固定在模型架的前后两侧；

（3）根据材料的配比，利用电子称精确称取所需材料的质量，将材料放入搅拌机内搅拌均匀，配成底板的材料，将材料铺在模型架内，利用电动锤或者铁镐将材料夯实；

（4）在底板上均匀撒上一层厚度为2~4mm云母片；

（5）将模拟开挖煤层的合金块左侧以及底部表面涂一层厚度为2~6mm的环氧树脂胶；