[发明专利]一种用于模拟煤层开采的高压充气筏垫试验装置与方法

说明书

技术领域

本发明属于采矿工程与地下工程中模型试验技术领域，主要应用于采矿 工程、地下工程领域进行室内相似材料模型试验研究中的煤岩体挖掘技术或 煤岩体的采空技术。

背景技术

在采矿工程、地下工程领域，经常开展相似材料物理模型试验研究，分 析模拟地下煤层的开采(采空)过程，揭示覆岩和地表移动变形规律。目前， 建立的相似材料物理模型多以平面模型试验台为平台，以便于平面(二维) 模型中煤层的直接切割采空。如高明中(文献：急倾斜煤层开采岩移基本规 律的模型试验，岩石力学与工程学报，2004，23(3)：441～445)针对急倾斜 煤层开采引起的岩体移动和地表沉陷的基本规律进行了试验研究，其试验在 规格(长×宽×高)为3.0m×0.3m×1.2m的平面模型试验台上进行。王堃等 (文献：缓倾斜煤层开采相似材料模拟试验研究，测绘与空间地理信息，2012， 35(12)：207-212)针对缓倾斜工作面上覆岩层下沉和水平移动进行了相似 材料模拟试验的研究，其相似模拟试验采用安徽理工大学旋转式平面应变模 型试验台，其规格为:长×宽×高＝2m×0.2m×2m。郭辉等(文献：开采沉陷 覆岩运动规律的相似材料模拟试验，北京测绘，2013年，第5期，12-15)所 开展的试验研究也采用的是平面模型试验台。等等，这些相似材料模型试验 的煤层开采均采用了直接切割采空等方法。

若为三维模型，一般应先营造出拟采空的煤层部分，要求煤层具有一定 厚度和平面尺寸，且在建造模型过程中其形态应保持稳定，采空过程能够精 确控制。如此较难的控制技术，致使在当前的地下煤层开采模型试验研究中， 三维模型试验技术的成功应用案例较少，如文虎等(文献：三维采空区漏风 模拟相似材料模型系统设计，矿业安全与环保，2014,41(3)：31-34)研发 的三维模型系统中关于煤层的开采是通过在模型箱体底部设置的旋转螺柱垂 直位移来控制条钢平稳升降，以达到对开采单元和工作面过程的控制。涂敏 等(文献：水采采场上覆岩层运动规律的三维相似模拟试验研究，淮南工业 学院学报，1998,18(3)：24-28)开展的三维相似模拟试验，采用了聚脂泡 沫材料加热熔化的原理模拟煤层的开采过程等。虽然取得了少量成功应用， 但对于大型或复杂的煤层开采三维相似材料物理模拟试验研究，还需要进一 步解决和优化如下关键技术：

(1)如何在三维模型中，采用性能可靠的材料或装置构建拟采空的煤层， 并便于操作。

(2)对于三维模型中构建的煤层(采空区)，在采空前或上覆煤岩体模 型建造过程中如何保持其形态稳定。

(3)在三维试验模型中，由于煤层隐藏在模型内部，如何实现煤层的分 段、分步采空。

发明内容

本发明采用高压气垫原理，研制了一种模拟地下煤层采空的三维模型试 验装置及其方法。

一种用于模拟煤层开采的高压充气筏垫试验装置，其特征在于包括四部 分：即充气筏垫部分、测压装置、充气装置、抽真空装置；充气筏垫牛津布 面和牛津布拉带通过粘结形成密闭筏垫即充气筏垫部分，放置于试验模型的 采空区部位，密闭筏垫两侧密贴模型煤柱2。设置多排密闭筏垫，筏垫间存在 筏垫间隙4。测压装置包括密闭气管6、测压表7、气阀8、气阀口9和密闭 气管口10；密闭气管6一端与充气筏垫牛津布面3粘结在一起，并保持筏垫 的密闭性，另一端与测压表7通过密闭气管口10连接，测压表7与气阀8连 接。气阀口9连接充气装置给密闭筏垫充气，模拟能够承压的煤层。在模拟 采空时，将气阀8打开放气，并从密闭气管口10卸掉，将密闭气管口10连 接抽真空装置。

应用所述装置的方法，其特征在于：