一種煤與瓦斯共采三維物理模擬綜合實驗系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種煤與瓦斯共采三維物理模擬綜合實驗系統，屬于煤與瓦斯安全共采技術領域，該系統包括：箱體，液壓開采單元，液壓加載單元，通風巷道單元，氣體注入控制單元和測試單元；箱體的第一面和與所述第一面相對的第三面上均設置測氣孔，箱體的第二面上設置有進風孔和回風孔，箱體的第四面上設置有出線孔；液壓開采單元包括的液壓缸并聯支撐條鋼，兩個液壓缸與箱體底部連接支撐一個條鋼；液壓加載單元包括的加載機架設置在箱體導軌上，導軌設置在箱體兩側；通風巷道單元包括巷道和通風機；氣體注入控制單元內的高壓鋼瓶通過配氣管與多通配氣柜連通，配氣管和分管路連通；測試單元包括氣體測試單元，應力測試單元和微震測試單元。
【專利說明】
一種煤與瓦斯共采三維物理模擬綜合實驗系統
技術領域
[0001]本發明屬于煤礦開采設備技術領域，更具體的涉及一種煤與瓦斯共采三維物理模擬綜合實驗系統。
【背景技術】
[0002]我國是世界第一產煤大國，煤炭產量占世界的48.3%，同時煤炭又是我國的主要能源，分別占一次能源生產和消費總量的76%和69%。煤炭的大規模開采，使得煤層開采深度不斷加深，煤層中瓦斯壓力急劇增大，導致工作面瓦斯涌出量急劇上升，嚴重的瓦斯動力現象頻頻出現，甚至發生瓦斯燃燒、爆炸及煤與瓦斯突出之類的惡性事故，嚴重威脅著礦井安全生產，造成了重大的人員傷亡、經濟損失和不良的社會影響。且煤層中絕大部分瓦斯還是直接排空，造成嚴重的大氣污染。與其災害性相對，瓦斯本身又是一種經濟的可燃氣體，是高熱、潔凈、方便的能源。因此，改變以往將瓦斯僅作為災害性氣體的傳統觀念，將其作為資源性氣體，同時設計、施工、形成采煤和瓦斯抽采兩個相對獨立而又相互依賴的一體化系統(即“煤與瓦斯共采”系統)，在開采煤炭時，將瓦斯安全高效地抽采出來。從而實現礦井安全生產、環境保護和新能源供應等多重效應，獲得顯著的經濟和社會效益。
[0003]實現“煤與瓦斯共采”主要是掌握煤層開采過程中上覆巖層裂隙時空演化與卸壓瓦斯運移聚集規律，從而尋找出煤層及采場內瓦斯富集區，并將抽采巷道或鉆孔終孔布置于合理位置。目前在覆巖裂隙演化與卸壓瓦斯運移聚集規律的研究方法及手段主要有現場實測、數值模擬及物理相似材料模擬等。現場實測研究所需周期較長，耗費大量人力、物力，受現場條件限制嚴重，局限性較大;而數值模擬還難以準確處理采動后巖體應力分布、大變形移動破壞、冒落后的物性變化以及裂隙中卸壓瓦斯滲流、擴散等演化過程，缺乏進行準確計算所必須的真實原巖應力場、瓦斯滲流場、真實巖體物理力學參數等基礎數據，其結果也往往無法達到真正的“仿真”。國內外在相似材料物理模擬實驗方面已取得較多成果，然而仍缺乏同步研究采場覆巖移動、裂隙演化及卸壓瓦斯運移等規律的物理相似材料模擬實驗系統，因此，現有三維物理模擬實驗平臺有很大的局限性。
[0004]綜上所述，現有煤層開采過程中上確定覆巖層裂隙時空演化與卸壓瓦斯運移聚集規律是急需解決的冋題。
【發明內容】
[0005]本發明實施例提供一種煤與瓦斯共采三維物理模擬綜合實驗系統，用以確定覆巖層裂隙時空演化與卸壓瓦斯運移聚集規律。
[0006]本發明實施例提供一種煤與瓦斯共采三維物理模擬綜合實驗系統，包括:
[0007]箱體，液壓開采單元，液壓加載單元，通風巷道單元，氣體注入控制單元和測試單元；
[0008]所述箱體的第一面和與所述第一面相對的第三面上均設置測氣孔，所述箱體的第二面上設置有進風孔和回風孔、瓦斯抽采孔，所述箱體的第四面上設置有傳感器出線孔；
[0009]所述液壓開采單元包括液壓缸和條鋼，兩個所述液壓缸并聯支撐所述條鋼，且兩個所述液壓缸與所述箱體底部連接；
[0010]所述液壓加載單元包括加載機架，所述加載機架設置在所述箱體兩側的導軌上，所述導軌分別固定在所述箱體的兩側；
[0011 ] 所述通風巷道單元包括巷道和通風機，所述巷道設置在所述箱體內，所述通風機與設置在所述箱體第二面上的進風孔連接；
[0012]所述氣體注入控制單元包括高壓鋼瓶，多通配氣柜和配氣管和分管路;所述高壓鋼瓶通過所述配氣管與所述多通配氣柜連通，所述配氣管與分管路聯通;所述分管路穿過所述箱體底部，與所述條鋼連通；
[0013]所述測試單元包括至少3類傳感器，所述氣體測試傳感器、應力測試傳感器和微震監測探頭埋設在所述箱體內，數據線分別通過箱體的所述出線孔連接到數據采集和分析單
J L ο
[0014]優選地，所述測氣孔成排分布在所述第一面和所述第三面上，且每排包括多個所述測氣孔；
[0015]位于所述第一面和所述第三面上的第一排測氣孔的高度與下降后的所述條鋼具有相等的高度，其中，所述第一面和所述第三面上的所述第一排測氣孔與所述箱體底部相鄰。
[0016]優選地，所述瓦斯抽采孔設置在回風孔上方，相鄰所述瓦斯抽采孔之間的距離為I60mmο
[00?7] 優選地，所述條鋼的寬度包括40mm，50mm和60mm，且所述條鋼的高度為120mm ；
[0018]所述條鋼升起或降下的高度由與所述條鋼連接的位移傳感器測定，升起或降下的高度通過電腦設定。
[0019]優選地，所述液壓加載單元還包括柔性介質；
[0020]所述加載機架上設置6個伺服液壓缸，所述伺服液壓缸下部安裝高強壓頭，通過設置在箱體上的所述柔性介質，將所述壓頭對所述箱體的剛性力轉變為柔性力。
[0021]優選地，所述條鋼上表面均勻設置微孔，多個所述分管路分別所述微孔與所述條鋼連通。
[0022]優選地，與所述氣體測試單元電連接的傳感器包括瓦斯濃度傳感器和氣體壓力傳感器;所述瓦斯濃度傳感器和所述氣體壓力傳感器通過數據線傳送采集到的信號。
[0023]優選地，與所述應力測試單元電連接的傳感器為土應力傳感器，多個所述土應力傳感器分別設置在條鋼上。
[0024]優選地，與所述微震測試單元電連接的傳感器為微震監測探頭，所述微震監測探頭預先設置在待采集煤層或者巖層內。
[0025]本發明實施例中，提供一種煤與瓦斯共采三維物理模擬綜合實驗系統，包括箱體，液壓開采單元，液壓加載單元，通風巷道單元，氣體注入控制單元和測試單元;所述箱體的第一面和與所述第一面相對的第三面上均設置測氣孔，所述箱體的第二面上設置有進風孔和回風孔、瓦斯抽采孔，所述箱體的第四面上設置有傳感器出線孔;所述液壓加載單元包括加載機架，所述加載機架設置在所述箱體兩側的導軌上，所述導軌分別固定在所述箱體的兩側;所述通風巷道單元包括巷道和通風機，所述巷道設置在所述箱體內，所述通風機與設置在所述箱體第二面上的進風孔連接;所述氣體注入控制單元包括高壓鋼瓶，多通配氣柜和配氣管和分管路;所述高壓鋼瓶通過所述配氣管與所述多通配氣柜連通，所述配氣管與分管路聯通;所述分管路穿過所述箱體底部，與所述條鋼連通;所述測試單元包括至少3個傳感器，且多個所述傳感器埋設在所述箱體內，分別通過箱體的所述傳感器出線孔與設置在所述箱體中的氣體測試單元，應力測試單元和微震測試單元電連接。本發明實施例提供的一種煤與瓦斯共采三維物理模擬綜合實驗系統，將液壓開采單元、液壓加載單元、通風巷道單元、氣體注入控制單元和測試單元相結合，進行采煤物理相似模擬實驗時，綜合考慮開采時采空區內瓦斯氣體濃度，開采煤層應力變化以及上覆巖層裂隙發育等情況，實現對煤礦礦壓力分布規律、覆巖裂隙演化規律、瓦斯運移和富集以及瓦斯抽采進行全面研究。
【附圖說明】
[0026]為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0027]圖1A?圖1B為本發明實施例提供的一種煤與瓦斯共采三維物理模擬綜合實驗系統結構示意圖；
[0028]圖2A為本發明實施例提供的箱體第一面結構示意圖；
[0029]圖2B為本發明實施例提供的箱體第三面結構示意圖；
[0030]圖2C為本發明實施例提供的箱體第二面結構示意圖；
[0031 ]圖2D為本發明實施例提供的箱體第四面結構示意圖。
【具體實施方式】
[0032]下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0033]圖1A和圖1B示例性的示出了本發明實施例提供的一種煤與瓦斯共采三維物理模擬綜合實驗系統結構示意圖，該裝置可以應用于煤礦中。
[0034]如圖1A和圖1B所示，本發明實施例提供的一種煤與瓦斯共采三維物理模擬綜合實驗系統主要包括:箱體10，液壓開采單元，液壓加載單元，通風巷道單元，氣體注入控制單元和測試單元。
[0035]需要說明的是，本發明實施例提供的一種煤與瓦斯共采三維物理模擬綜合實驗系統為實驗模型平臺。其中，箱體10對應現實中的煤礦，氣體注入控制單元對應現實中煤礦內的煤層開采后工作面涌現的瓦斯氣體。
[0036]圖2A為本發明實施例提供的箱體第一面結構示意圖，圖2B為本發明實施例提供的箱體第三面結構示意圖，圖2C為本發明實施例提供的第二面結構示意圖，圖2D為本發明實施例提供的第四面結構示意圖。
[0037]如圖2A和圖2B所示，箱體10的第一面和第三面上均設置測氣孔101，在實際應用中，可以通過測氣孔101方便的測試煤層開采后冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶中瓦斯氣體濃度，也可以測試沿著工作面深度方向上各個位置瓦斯氣體濃度。具體地，箱體10的第一面和第三面設置的測氣孔101是預先設置的，其中，每個面上分別設置多排測氣孔101，且每排中包括多個測氣孔101。在本發明實施例中，對預設在第一面和第三面上的測氣孔101的數量不做具體的限定。
[0038]如圖2C所示，箱體10的第二面上設置進風孔102和回風孔103，其中，設置在第二面上的進風孔102和回風孔103的位置和高度可以根據實際需要進行調整，從而滿足各種通風需求;在實際應用中，回風孔103正上方設置有多排瓦斯抽采孔105，每排中相鄰的兩個瓦斯抽采孔105之間的間距為160mm，瓦斯抽采孔105用于模擬高抽巷抽采瓦斯，確定準確的高抽采巷層位。
[0039]如圖2D所示，箱體10的第四面上設置多個傳感器出線孔104，且多個傳感器出線孔104在第四面上呈多列分布，每列包括多個區域，每個區域內同時包括有多個傳感器出線孔104。其中，每個區域內包括的多個傳感器出線孔104按中線對稱分布。
[0040]在實際應用中，箱體10由多塊高強度加筋焊接鋼板組成，且為了確保箱體10和現實中的煤礦具有相同的高壓密封特點，每個焊接區域都用黑色橡膠密封墊密封。
[0041 ] 舉例來說，在實驗階段，實驗平臺箱體模型的尺寸為3000mm X 2500mm X 1800mm，即長3000mm，寬2500mm，高1800mm。箱體正面、背面由4塊高強度加筋焊接鋼板組成，左右側面由2塊高強度加筋焊接鋼板組成，為保證箱體高壓密封，接觸面都使用黑色橡膠密封墊。箱體正面和背面預留測氣孔，共6排，每排11孔。第一排孔高度與條鋼降下后平齊，即與煤層底板平齊。第一排、第二排、第三排孔間距140mm，后面每排間距200mm。通過測氣孔可以方便的測試煤層開采后冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶中瓦斯氣體濃度，也可以測試沿著工作面深度方向上各個位置瓦斯氣體濃度。箱體的右側面布置進風孔、回風孔，位置和高度可調節，滿足各種通風需求;在回風孔正上方布置有6排瓦斯抽采孔，間距160mm，主要用于模擬高抽巷抽采瓦斯，確定合理的高抽巷層位。左側面布置傳感器出線孔2列，按中線對稱布置，間距1400mm，共計60個傳感器出線孔。出線孔接口為螺紋聯接方式，裝上6芯航空接頭，傳感器插入航空接頭內部一側，數據采集與控制系統插入航空接頭外部一側，確保整個箱體為密閉空間。
[0042]進一步地，箱體10還包括地下基座部分10-1，其中，為了確保基座部分10-1填裝待開采煤礦實驗模型時以及在液壓加載系統產生的加載力作用下不會產生變形，基座由高強度鋼板焊接而成，且在基座內安放電磁換向閥組系統和位移傳感器接線控制箱。
[0043]具體地，本發明實施例提供的液壓開采單元包括液壓缸201和條鋼202，在實際應用中，采煤機從開切眼開始割煤并向前推進，而在本發明實施例所提供的一種煤與瓦斯共采三維物理模擬綜合實驗系統中，煤開采過程是用液壓缸201帶動條鋼202的下降來模擬采煤過程。
[0044]本發明實施例中，模擬煤層開采的條鋼202長1600mm，按照相似比1:100，煤層工作面長160m。通過特殊的加長設計，還可模擬180m、200m的工作面開采。其中，加長設計可以在每個條鋼兩邊增加條鋼加長塊203。每個條鋼的寬度有三種規格，40mm、50mm、60mm，高為120mm,即最大可模擬厚度12m煤層。條鋼按照寬40mm、50mm、60mm; 40mm、50mm、60mm循環布置。工作面推進距離可以模擬到200m。
[0045]具體地，每個條鋼202下部用2個并聯的液壓缸201支撐，液壓缸201采用法蘭式與箱體10底部連接，內桿穿過箱體10鋼板支撐條鋼。兩個液壓缸201并聯剛性聯接，通過三位四通電磁換向閥改變油缸的的升/降/停，能夠保證兩個油缸升降同步。條鋼202的高度由位移傳感器204測量數據，時時傳輸給數據采集終端。
[0046]在實際應用中，實驗開始之前，液壓缸201將所有的條鋼202升起，升起高度根據待采煤層上覆巖層層位、厚度按照相似準則填鋪新型物理相似材料，此時為煤層未受采動影響的原始煤巖狀態。通過控制系統軟件降下第一個條鋼代表開切眼形成，然后根據時間相似比，依次降下條鋼模擬工作面向前推進的過程。采用兩個液壓缸201支撐條鋼，帶動條鋼202下降的方式來模擬煤礦開采，既可以滿足時間效應，也能夠保證密封開采，實現了對真實煤層開采過程的模擬。
[0047]具體地，本發明實施例提供的述液壓加載單元包括加載機架301和柔性介質302，模擬實際情況下最大加載力為300噸的礦山壓力。其中，加載機架301設置在箱體10兩側的導軌上，當在箱體10內當裝填待開采煤礦材料時，加載機架301通過電動裝置沿著加載導軌305移動到實驗臺箱體10外側；當進行模擬實驗開采煤礦時，加載機架301到實驗臺箱體10上部，通過伺服液壓缸303對實驗模型上部施加載荷。需要說明的是，加載導軌305分別固定在箱體10的兩側。
[0048]進一步地，加載機架301上安裝6個伺服液壓缸303，單個最大加載力為50噸。每個伺服液壓缸303的下部安裝高強加載壓頭304，在箱體10上部鋪設自行研制的柔性介質，伺服液壓缸303下部安裝的高強加載壓頭304對箱體10施加的剛性力，通過設置在箱體10上部的柔性介質302轉變為柔性力。通過上述設置，即可以滿足柔性加載的需要，也通過加載機架301巧妙的解決了裝填不方便的困難。需要說明的是，在該實驗系統中，整套液壓加載系統由液體壓力傳感器、PLC系統、電磁閥組成閉環回路，對整個油路進行程序控制，精確的控制加載力，以達到對礦山壓力的真實模擬。
[0049]具體地，本發明實施例所提供的一種煤與瓦斯共采三維物理模擬綜合實驗系統中的氣體注入控制單元包括高壓鋼瓶，多通配氣柜，配氣管和分管路501。在實際應用中，隨著采煤的進行，原始狀態下的平衡態受到擾動，瓦斯氣體從煤體或者巖體中散逸出來，在采空區和上隅角聚集。為了模擬瓦斯的產生規律和運移規律，本發明實施例中，箱體10底部充入瓦斯氣體，在采空區上方各個層位以及采空區深部方向上布點進行瓦斯濃度、瓦斯流量、瓦斯壓力的監測。
[0050]本發明實施例中，氣體注入控制單元主要模擬采空區中瓦斯的涌出源，氣體由高壓鋼瓶通過配氣管到多通配氣柜(緩沖罐、氣體壓力表、流量控制閥、MF5700氣體質量流量計(0-10L/min)、分流控制閥組)，然后經過40路分管路501分別進入條鋼202，為了模擬瓦斯的散逸，條鋼202上表面均勾的布置著微孔，分管路501通過條鋼202上表面布置的微孔一條鋼202連通。氣源的氣體進入配氣柜會先流經緩沖罐，達到氣體緩沖和穩定壓力的作用，然后將充氣壓力和總流量時時輸入電腦。緩沖罐的氣體通過分流閥組分別進入對應的多個條鋼202上，每路氣體流量可通過微調閥門調節，數據由MF5700氣體質量流量計顯示。
[0051]在實際應用中，氣體注入控制單元不僅能精確控制氣體的總注入量，也能利用微調閥通過條鋼上的微孔控制采空區中某一段瓦斯涌出，實現對采空區瓦斯涌出的真實模擬。
[0052]具體地，本發明實施例所提供的一種煤與瓦斯共采三維物理模擬綜合實驗系統中的通風巷道單元包括巷道和通風機。巷道設置在箱體10內，通風機與設置在箱體10第二面的進風孔102連接。在實際應用中，礦井通風是將新鮮空氣輸入礦井下，以增加礦井中氧氣的濃度并排除礦井中有害的氣體。本發明實施例所提供的一種煤與瓦斯共采三維物理模擬綜合實驗系統中可以模擬U型、U+L型、Y型等多種通風方式。
[0053]具體地，U型通風方式是煤礦采煤工作面最常見的通風方式，類似于模擬開采原理，沿著工作面開采的方向上(工作面的兩個端頭)裝上兩組液壓缸201，液壓缸201頂上條鋼202。在模型裝入前，將液壓缸201升起一定的高度，待模型晾干以后，降下兩組條鋼，模擬進風巷道和回風巷道。
[0054]“U+L”型通風工作面排瓦斯巷布置在回風巷外側，通過聯絡巷與采空區連通，工作面漏風向工作面后方排瓦斯巷聯絡巷移動并排出流經區域內的瓦斯。
[0055]在U型通風的基礎上，采用有機玻璃和低碳鋼板自制巷道模型，模型斷面內部尺寸為50mmX40mm(寬X高)；自制電動風門，電路埋于模型中，控制開關放在實驗箱體外面。設計專用排瓦斯巷距離回風巷道30m，聯絡巷間距在30-35m之間。這套裝置實現兩種通風方式的轉變:1關閉電動風門，實現U型通風;2打開電動風門，實現U+L型通風。
[0056]“Y”型通風系統主要是沿空留巷和自成巷道，形成該通風系統。
[0057]本發明實施例中，通風巷道單元既可以模擬煤礦U型、U+L型、Y型等多種通風方式，也可以在同一個模型中實現不同通風方式的轉變，從而可已研究不同通風方式下采空區氣體流場分布。
[0058]在裝填實驗模型時鋪設管路，利用蠕動栗、瓦斯濃度檢測儀、負壓檢測儀等設備，模擬上隅角插管或埋管抽采、高位巷抽采、高位鉆孔抽采、地面垂直鉆孔抽采，研究瓦斯抽米規律。
[0059]具體地，本發明實施例所提供的一種煤與瓦斯共采三維物理模擬綜合實驗系統中測試單元包括至少3類傳感器，且上述傳感器埋設在箱體10內，設置在箱體10內的傳感器分別通過設置在箱體10第四面上的傳感器出線孔104與設置在箱體10外的氣體測試單元，應力測試單元和微震測試單元電連接。
[0060]在本發明實施例所提供的一種煤與瓦斯共采三維物理模擬綜合實驗系統中，主要通過氣體測試單元中的瓦斯濃度傳感器和氣體壓力傳感器來研究瓦斯在采空區域中的運動規律。進一步地，在采空區深度方向上、豎直方向上以及在工作面方向上的三維空間內按實驗要求布置瓦斯濃度傳感器，通過設置的瓦斯濃度傳感器測試出采空區內瓦斯濃度的分布規律。同時也在三維空間中布置氣體壓力傳感器，以監測米空區中氣體壓力的分布規律。瓦斯濃度傳感器與氣體壓力傳感器都是通過數據線傳送信號到數據采集箱，然后通過電腦對數據進行存儲和分析。
[0061]進一步地，地下巖體在采動以前，由于自重的作用在其內部引起的應力，通常稱為原巖應力，因為開采前的巖體處于靜止狀態，所以原巖體是處于應力平衡狀態，當開掘巷道或進行回采工作時，破壞了原來的應力平衡狀態，引起巖體內部應力的重新分布，重新分布的應力超過煤巖的極限強度時，使巷道和回采工作面周圍的煤，巖發生破壞，這種情況將持續到煤、巖內部重新達到新的應力平衡為止。此時，巷道和回采工作面周圍的煤、巖體內形成一個與原巖應力場顯然不同的新的應力場，這種由于在地下進行采掘活動而在井巷，硐室及回采工作面周圍煤，巖體中和支護物上所引起的力，就叫礦山壓力。
[0062]本發明實施例中，為了更好的檢測礦壓的變化情況，應力測試單元為土應力傳感器，多個圖應力傳感器分別設置在條鋼202上。具體地，由于CYG712力敏元件可以利用硅壓阻效應，通過微機械加工工藝制作而成，將CYG712力敏元件封裝在不銹鋼外殼與膜片內，并通過灌充硅油實現壓力傳導。當敏感元件感受到壓力作用時，將會輸出一個與壓力成正比變化的電壓信號。該產品具有優異的靜態特性以及較好的動態指標，在動態測量環境中得到廣泛應用。
[0063]在實際應用中，土應力傳感器可以選擇CYG712型土應力傳感器，30多個CYG712型土應力傳感器分別分布在多個條鋼202，以便對模擬礦壓的實時觀測。
[0064]在實際應用中，通過微震發生產生的頻率和能量大小可以判斷煤層開采上覆巖層的冒落、裂隙產生，以及裂隙產生在閉合的過程，也可通過其他方法判斷出上覆巖層的位移量。
[0065]本發明實施例提供的一種煤與瓦斯共采三維物理模擬綜合實驗系統中，可以測出采空區及上覆巖層中不同位置的氣體壓力和瓦斯濃度，通過研究瓦斯在采動裂隙帶中的分布及運移規律，確定瓦斯運移規律;可以真實的模擬瓦斯抽采，包括上隅角插管或埋管抽采、高位巷抽采、高位鉆孔抽采、地面垂直鉆孔抽采，研究瓦斯抽采規律;還可以在煤層底板上布置應力傳感器，并將部分應力傳感器埋于覆巖層中，從而能夠測出巖層底板以及上覆巖層的應力變化規律。
[0066]在測出巖層底板以及上覆巖層的應力變化規律時，由于煤層未開采之前，原巖應力處于平衡狀態，隨著回采工作面的向前推進，上覆巖層受到擾動，破壞覆巖原有的應力平衡。當工作面推進到距切眼一定距離時，上覆巖層呈現出從產生裂隙到發生離層到最后垮落的動態變化。為了研究這種變化，本發明實施例中采用兩種方式進行觀測:第一種方式，從模型的上部鉆孔預先植入微型觀測儀器，對覆巖的變化規律進行一個較為全面的觀測；第二種方式，在待開采煤礦模型中預先埋設微震監測探頭，根據各個微震監測探頭搜集到的能量信號，來分析垮落、破斷裂隙、以及采空區重新被壓實過程產生的位置和能量。
[0067]綜上所述，本發明實施例提供的一種煤與瓦斯共采三維物理模擬綜合實驗系統，可以測出采空區及上覆巖層中不同位置的氣體壓力和瓦斯濃度，從而可以確定瓦斯在采動裂隙帶中的分布及運移規律;通過真實的模擬瓦斯抽采，包括上隅角插管或埋管抽采、高位巷抽采、高位鉆孔抽采、地面垂直鉆孔抽采，確定了瓦斯的抽采規律；由于待開采煤層底板上布置應力傳感器，并將部分應力傳感器埋于覆巖層中，從而能夠測出巖層底板以及上覆巖層的應力變化規律;通過微震監測探頭，根據各個探頭搜集到的能量信號，來分析垮落、破斷裂隙、以及采空區重新被壓實過程產生的位置和能量。通過以上研究，得到相應的災害發生規律，為提出確切的治理方案提供可靠的理論基礎。
[0068]為了清楚介紹本發明實施例所提供的一種煤與瓦斯共采三維物理模擬綜合實驗系統，以一個完整的模擬煤與瓦斯共采實驗為例，說明本發明實施例所提供的一種煤與瓦斯共采三維物理相似模擬實驗系統。
[0069]在模擬實驗之前，需要先制備待開采煤礦原料，由于本發明實施例提供的一種煤與瓦斯共采三維物理模擬綜合實驗系統是一體系統，即需要將待開采煤礦原料直接制備在實驗平臺箱體內，即在制備待開采煤礦原料前，還需要進行一系列的操作，具體地:
[0070]該模擬煤與瓦斯共采實驗結構包括實驗平臺基座10-1和實驗平臺箱體10。
[0071]步驟101，將加載機架301，加載壓頭304，電動葫蘆，加載伺服液壓缸303，隨著加載滑軌305移動到實驗平臺箱體10側，方便實驗模型裝填；
[0072]步驟102，通過操作臺控制液壓缸201將所有的條鋼202撐起，撐起高度根據某一特定礦井的煤層厚度而定，由位移傳感器204測定；
[0073]步驟103，在開采條鋼202上表面鋪設土應力傳感器，測試煤層底板的應力變化。其中，土應力傳感器的鋪設方法包括:沿著煤層走向方向鋪設和沿著煤層傾向方向鋪設，以及在煤壁中鋪設。
[0074]步驟104，通過相似理論計算，得到針對某一特定礦井的煤巖特性，得到相似材料的配比。按照計算好的模型，制作各層所需相似材料的量，分別稱出其重量，加水將各種配料裝入攪拌裝置內，攪拌均勻，將攪拌均勻的材料倒入實驗平臺箱體10中。
[0075]步驟105，針對某一特定礦井的巖層柱狀圖，按照配比，繼續配出第二層相似材料，攪拌后裝入實驗平臺箱體702中，以此類推，完成實驗模型制作。需要說明的是，完成后的模型尺寸為3mX2.5mX 1.Sm。在模型鋪設的過程中，按照實驗方案中所觀測的數據，將測試系統中的應力傳感器、氣體濃度傳感器、氣體壓力傳感器以及微震監測探頭埋入模型適當的層位，實現立體監測。通過實驗平臺箱體10的測氣孔101，將內徑2mm的聚四氟乙烯管埋入相應的位置，測試氣體濃度變化。通過實驗平臺箱體10上的瓦斯抽采孔105，將內徑20mm的聚四氟乙烯管埋入模型，模擬瓦斯抽采高抽巷。
[0076]步驟106，本發明實施例一所提供的一種煤與瓦斯共采三維物理模擬綜合實驗系統中，當實驗平臺箱體702內待開采煤礦模型裝填好以后，將實驗平臺箱體10的上、下、左、右、前和后的高強度加筋鋼板(共計6塊)拆除，待模型晾干，約6個月。
[0077]需要說明的是，待開采煤礦模型晾干后，將實驗平臺箱體10上、下、左、右、前和后的高強度加筋鋼板(共計6塊)安裝，接縫處全部使用橡膠墊，保證整個箱體密封。
[0078]步驟107，實驗開始時，將可控風量、風壓的通風機與實驗平臺箱體10上進風口102通過軟管連接。并降下通風液壓缸，以及降下第一組開采液壓缸201形成切眼，自然形成進回風巷道。按照某礦井的實際風量，計算出模型風量，對實驗模型進行通風。
[0079]步驟108，開始模擬加載，將加載機架301，加載壓頭304，電動葫蘆，加載伺服液壓缸303，隨著加載滑軌305移動到實驗平臺箱體10上部，用高強度螺栓成排固定在實驗平臺基座10-1上。將自研柔性加載材料302放在模型上部。啟動控制平臺，通過電腦控制電磁閥，使6個伺服液壓缸對模型施加載荷，整套液壓加載系統由液體壓力傳感器、PLC系統、電磁閥組成閉環回路，對整個油路進行程序控制，精確的控制加載力，以達到對礦山壓力的真實模擬。
[0080]需要說明的是，實驗開始時通過分管路501對模型進行氣體注入，模擬瓦斯涌出規律。
[0081 ]步驟109，啟動數據采集系統。瓦斯氣體參數采集，包括瓦斯氣體濃度、壓力的測試;應力參數采集，包括底板應力分布的測試以及上覆巖層在采動影響下應力的變化規律；微震監測數據采集，通過微震發生產生的頻率和能量大小判斷煤層開采上覆巖層的冒落、裂隙產生，以及裂隙產生在閉合的過程，也可通過其他方法判斷出上覆巖層的位移量。
[0082]步驟110，通過控制平臺，降下第二組開采液壓缸201，模擬工作面向前推進。然后依次降下第三組、第四組...的開采液壓缸，模擬工作面向前推進過程。
[0083]步驟111，實驗結束后，整理分析數據，得到瓦斯運移規律的模擬、瓦斯抽采規律的模擬、礦山壓力分布規律的模擬、覆巖運動規律的研究等，對煤礦的安全生產提供指導。
[0084]顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和范圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬于本發明權利要求及其等同技術的范圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。
【主權項】
1.一種煤與瓦斯共采三維物理模擬綜合實驗系統，其特征在于，包括: 箱體，液壓開采單元，液壓加載單元，通風巷道單元，氣體注入控制單元和測試單元； 所述箱體的第一面和與所述第一面相對的第三面上均設置測氣孔，所述箱體的第二面上設置有進風孔，回風孔和瓦斯抽采孔，所述箱體的第四面上設置有傳感器出線孔； 所述液壓開采單元包括液壓缸和條鋼，兩個所述液壓缸并聯支撐所述條鋼，且兩個所述液壓缸與所述箱體底部連接； 所述液壓加載單元包括加載機架，所述加載機架設置在所述箱體兩側的導軌上，所述導軌分別固定在所述箱體的兩側； 所述通風巷道單元包括巷道和通風機，所述巷道設置在所述箱體內，所述通風機與設置在所述箱體第二面上的進風孔連接； 所述氣體注入控制單元包括高壓鋼瓶、多通配氣柜、配氣管和分管路;所述高壓鋼瓶通過所述配氣管與所述多通配氣柜連通，所述配氣管與分管路聯通;所述分管路穿過所述箱體底部，與所述條鋼連通； 所述測試單元包括至少3類傳感器，所述氣體測試傳感器、應力測試傳感器和微震監測探頭埋設在所述箱體內，數據線分別通過箱體的所述出線孔連接到數據采集和分析單元。2.如權利要求1所述的系統，其特征在于，所述測氣孔成排分布在所述第一面和所述第三面上，且每排包括多個所述測氣孔； 位于所述第一面和所述第三面上的第一排測氣孔的高度與下降后的所述條鋼具有相等的高度，其中，所述第一面和所述第三面上的所述第一排測氣孔與所述箱體底部相鄰。3.如權利要求1所述的系統，其特征在于，所述瓦斯抽采孔設置在所述回風孔上方，相鄰所述瓦斯抽采孔之間的距離為160mm。4.如權利要求1所述的系統，其特征在于，所述條鋼的寬度包括40mm，50mm或60mm，且所述條鋼的高度為120mm; 所述條鋼升起或降下的高度由與所述條鋼連接的位移傳感器測定，升起或降下的高度通過電腦設定。5.如權利要求1所述的系統，其特征在于，所述液壓加載單元還包括柔性介質； 所述加載機架上設置6個伺服液壓缸，所述伺服液壓缸下部安裝高強壓頭，通過設置在箱體上的所述柔性介質，將所述壓頭對所述箱體中實驗模型的剛性力轉變為柔性力。6.如權利要求1所述的系統，其特征在于，所述條鋼上表面均勻設置微孔，多個所述分管路分別通過所述微孔與所述條鋼連通。7.如權利要求1所述的系統，其特征在于，與所述氣體測試單元電連接的傳感器包括瓦斯濃度傳感器和氣體壓力傳感器;所述瓦斯濃度傳感器和所述氣體壓力傳感器通過數據線傳送采集到的信號。8.如權利要求1所述的系統，其特征在于，與所述應力測試單元電連接的傳感器為土應力傳感器，多個所述土應力傳感器分別設置在條鋼上。9.如權利要求1所述的系統，其特征在于，與所述微震測試單元電連接的傳感器為微震監測探頭，所述微震監測探頭預先設置在待采集煤層或者巖層內。
【文檔編號】G01N33/22GK106053755SQ201610309522
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月8日
【發明人】李樹剛, 林海飛, 魏宗勇, 肖鵬, 潘紅宇, 趙鵬翔, 劉超, 成連華, 丁洋, 楊守國, 李莉, 許滿貴
【申請人】西安科技大學