[发明专利]综放/采长壁工作面采空区流场模拟试验装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种试验装置及方法，尤其适用于矿山安全中模拟仿真获取试验数据使用的综放/采长壁工作面采空区流场模拟试验装置及方法。

背景技术

在矿井开采过程中，随着工作面的推进，煤层采空，采场原有的力学平衡状态遭到破坏，失去支撑的上覆岩层发生位移变形，直至破坏垮落，在工作面后方形成大量由松散煤岩堆积体构成的采空区。

厚煤层综放工作面回采率一般在80%以下，采空区的遗煤比较多，成为自然发火的物质基础；放煤和顶板垮落范围较大，在矿压作用下，采场后方形成椭球状的冒落、破碎带，采空区在短时期内不会被压实，漏风通道畅通，浮煤极易发生氧化生成有毒有害气体，甚至造成采空区火灾隐患；同时，大量遗煤在采空区中逐渐释放瓦斯并随采空区内部的漏风运移，也易造成瓦斯事故。采空区自燃火灾和瓦斯的涌出严重威胁了采场工作人员的身体健康和矿井的安全回采必须加以研究，而认识采空区流场特性是开展此类研究的基础。

由于综放/采长壁工作面采空区内部的隐蔽性强、破坏性大，对采空区流场主要参数进行系统观测的可行性不大，模拟实验是研究瓦斯流动、自然发火等采空区流场相关问题的主要手段。目前，对采空区流场相关问题的模拟主要采用两种方法，一是通过借助于现代计算分析技术的采空区流场特性的数值模拟；二是通过铺设相似材料搭建物理模型进行物理模拟。数值模拟的客观性不强，结论易偏离实际，必须在物理模拟或现场实测数据修正的前提下才能克服上述缺点，这就显得采空区流场的物理模拟尤为重要。目前，已有的采空区流场物理模拟方法多是在封闭空间直接充填颗粒介质，例如如碎煤、碎石等实现对采空区的模拟，而这些充填物上并没有加载上覆压力，即使有些模型加载了上覆压力，加载力和实际的上覆地层的应力也不具相似性，也就是说矿压对采空区流场的影响没有被考虑，因而不能将矿压作用下的流场性质完全地体现在相似模型上，导致通过物理模拟得到的研究结论与实际情况还不能较好的吻合。

发明内容

发明目的：针对现有技术的不足之处，提供一种结构简单，使用方便，可以真实还原综放/采长壁工作面采空区塌陷以及燃烧和工作面气体流动流场的综放/采长壁工作面采空区流场模拟试验装置及方法。

技术手段：为实现上述技术目的，本发明的综放/采长壁工作面采空区流场模拟试验装置，包括充填有仿真煤层的试验箱体，所述仿真煤层由上覆岩层和遗留煤层构成，试验模型箱的仿真煤层下方处设有采空区流场试验系统，所述采空区流场试验系统包括设在试验箱体底部的液压升降装置，所述的液压升降装置包括直线排列的多个液压升降杆和与液压升降杆相互连接的液压装置启动器，液压升降装置上铺有与液压升降杆相配合的多块条带状滑块，所述条带状滑块两侧挖有凹槽，多个条带状滑块直线排列从而在条带状滑块两侧分别形成进风巷道和回风巷道，所述试验箱体上位于进风巷道和回风巷道处分别设有进风口和出风口，进风口上设有精密鼓风机，所述条带状滑块上表面上设有槽型硅管，并设有均匀排列的多个孔洞，所述孔洞内设有不跟随条带状滑块上下升降的热电偶、速度传感器和气体检测仪，所述热电偶、速度传感器和气体检测仪的输出端分别连接到数据采集器的输入端。

所述的试验箱体为钢化玻璃结构，液压升降杆为气动或油动液压杆；所述热电偶、速度传感器和气体检测仪下方设有固定在试验箱体内的支架，当液压升降杆升起时，热电偶、速度传感器和气体检测仪被收在条带状滑块的孔洞内，当液压升降杆降下时，则热电偶、速度传感器和气体检测仪不跟随带状滑块下降，在条带状滑块降下后从带状滑块的孔洞内探出。

一种综放/采长壁工作面采空区流场模拟试验方法，其步骤如下：

a. 利用液压控制装置控制试验箱体底部的多个液压升降杆连带条带状滑块升起，在试验箱体内由下往上依次铺设遗留煤层和上覆岩层，所述遗留煤层为干散的散体煤，所述上覆岩层石膏粉、碳酸钙粉和硼砂混合而成；

b. 启动液压控制装置控制直线排列的液压升降杆带动条状滑块依次降下，设置在条带状滑块上的上覆岩层与遗留煤层之间的离层空间在模拟的矿压作用下逐步增大，当达到上覆岩层的破坏极限时，即产生变形破坏，直至垮落，从而模拟还原采空区流场的场景，同时随着条带状滑块下降后，设在条带状滑块孔洞中的热电偶、速度传感器和气体检测仪从孔洞内探出；