[发明专利]适用于煤层回采及充填模拟的试验系统和方法

说明书

本发明公开了一种适用于煤层回采及充填模拟的试验系统和方法，它解决了现有煤层开采模型试验中无法准确便捷的模拟煤层回采、充填及充填物密实沉降过程的问题，实现了回采及充填模拟过程方向、方式及速度可控的效果，其方案如下：包括反力框架、基座及回采装置，反力框架用于形成模型制作空间及提供加载反力，包括反力梁、支撑底梁、开挖横条及液压油缸；反力框架整体布置于基座上方，基座设置有下挖槽；回采装置包括支撑板、螺杆及支架，回采装置设置于基座下挖槽内，通过以不同顺序及不同速度旋转相应螺杆，带动其上方的支撑板下降或者上升，进而模拟反力框架内模型底部煤层以不同方向、方式及速度进行回采、充填以及充填物密实沉降的过程。

技术领域

本发明涉及模型试验煤矿开采技术领域，尤其涉及一种适用于煤层回采及充填模拟的试验系统和方法。

背景技术

煤矿回采过程中，随着工作面的推进，采空区原有力学平衡状态遭到破坏，失去支撑的上覆岩层发生变形位移，直至破坏垮落。为了准确认识顶板岩层变形破坏过程，保证煤矿安全开采，因此，对回采过程中物理力学参数以及变形破坏机理的认识至关重要。但是目前工作面及采空区现场试验存在诸多限制与安全隐患，无法开展准确的现场监测试验。物理模拟试验作为研究煤层回采过程顶板变形破坏的主要手段之一，具有方便、快捷、可重复的优势。为了更准确获取物理模拟试验数据，必须尽可能提高模拟试验与现场的相似性。此类物理模拟试验的技术难点在于如何在顶板岩层存在条件下准确模拟煤层回采及充填的过程，并尽可能考虑煤层厚度、回采方向、回采速度以及充填物沉降压实等因素，使其产生与实际工况相近的地质力学现象。

为此，目前已研发多种用于煤层回采及充填模拟的试验系统，例如：

中国专利ZL201110121561.3发明了一种充填开采三维模拟试验装置及方法，该装置可模拟综采工作面开采、采空区充填、充填物料压实等具体过程。但该试验系统必须采用人工的方式进行模拟回采，回采速度不易控制，且回采进刀深度不均匀，采用外力推压充填物料的方式与现场实际情况差距较大，无法准确模拟工作面回采和充填过程，且试验装置不能模拟不同位置工作面的回采。

中国专利ZL201621195155.6发明了“一种深部煤层条带开采、充填模拟试验系统”，该试验系统的模拟煤层由若干个受载气囊排布而成，每个受载气囊通过各自的通气管与充填系统连接，通过控制气囊中气体量的抽放来模拟不同采高的煤层开采，通过抽放不同间隔的位置的受载气囊来模拟不同采宽和留宽的煤层开采。然而实际操作工程中面临气囊漏气、模型制作过程中气囊刚度小，受压变形大导致上覆岩层压实不均匀等影响试验的情况。

中国专利ZL201510689917.1发明了一种可模拟倾斜岩层的全自动相似模拟试验装置及方法，该试验装置的自动开挖装置由开挖锯条、开挖装置支撑架、开挖锯条导轨组成，开挖锯条导轨可沿开挖装置支撑架滑动，满足不同倾角煤层的开挖，系统可控制开挖速度。但是，该方法无法适应不同厚度的煤层回采，不能实现充填模拟，实际操作中面临渣土清运困难、无法选择回采方式的问题

综上，现有煤层回采及充填模拟试验系统各有特点，但其主要局限性如下：

(1)通用性差，无法开展不同工作面方向及回采方向的煤层回采模拟试验。

(2)可靠性差，面临顶板垮落阻碍回采过程、回采产生的渣土清运困难以及误将渣土与采空区垮落顶板一同清运的问题，影响实验准确性。

(3)功能单一，无法模拟煤层回采、充填及充填物密实沉降的全过程，随着绿色开采理念的逐渐普及，充填开采越来越普遍，充填及充填物密实沉降过程对采场稳定性的影响不容忽视。

(4)操作复杂，需要在模型中设置多种构件，对模型的整体性及试验结果产生较大影响。

发明内容