[实用新型]沙漠地区煤层顶板垮落与输气管道协同变形物理模拟装置

说明书

技术领域

本发明涉及沙漠地区煤气共采区煤层顶板垮落与输气管道协同变形物理模拟装置及方法，涉及相似模拟实验设备技术领域。

背景技术

我国的西北地区有着丰富的矿产资源储量，煤、天然气大量赋存，采煤工作面、输气管道往往呈现交叉布置，随着工作面的推进，采空区垮落，采煤工工作面上覆岩层的塌陷，由于沙体属于散体且沙粒经过风化剥蚀形成近似球体形状，相互间的摩擦较小，就会造成沙体流至塌陷区或裂隙中，导致上覆河沙同步移动，河沙的移动将产生对输气管道的压力，造成输气管道的变形甚至折断，使得管道漏气甚至断气，进而造成大量的资源和财产损失，同时也会对采煤工作面的推进产生较大影响。当前对于这种现象的研究，集中于现象的描述，没能构建合理的物理模拟装置并精确分析管道的变形。

本发明根据相似理论，构建了由沙、顶板塌陷和管道变形及相关控制监测系统的协同变形物理模拟架，通过控制局部千斤顶下降实现对底板垮落的模拟，并通过应变片、测量线、反光片及相关监测系统实现对工作面垮落而引起的管道变形、应变、河沙移动的测量，从而得出管道变形过程中各段位移发展过程及管道变形量。

发明内容

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：沙漠地区煤层顶板垮落与输气管道协同变形物理模拟装置，其特征在于，其包括无承载板相似模拟架、 PVC有机玻璃板、侧护板、线圈支撑杆、测量线圈、河沙、模拟输气管、液压千斤顶、液压千斤顶支撑板、可折叠式胶带铺层、应变片、应力-应变仪、计算机、液压泵站及操控台、反光片和测线缠绕装置；

其中，所述PVC有机玻璃板设置在无承载板相似模拟架的侧面上，所述侧护板设置在PVC有机玻璃板的中部并与无承载板相似模拟架连接；

所述无承载板相似模拟架上位于所述PVC有机玻璃板的上方设置有所述线圈支撑杆；

所述线圈支撑杆穿过测线缠绕装置滚动轮，测量线圈缠绕在测线缠绕装置的滚动轮上，测量线圈通过测量线与模拟输气管上的测点连接，所述模拟输气管埋于河沙内，测点上设置应变片，应变片采集的数据通过线路传至应力-应变仪上；

所述液压千斤顶、千斤顶支撑板、可折叠式胶带铺层组合成可局部和整体均可升降的承载板，以便用于支承河沙，液压千斤顶通过液压泵站及操作台实现可控伸缩；

所述反光片贴在沙体上，随沙体的移动而移动，反光片与有机玻璃板的摩擦较小，能够实现与沙体的协同移动，通过观测反光片的移动，观测沙体的移动状况；

所述液压泵站及操控台由所述计算机控制。

进一步，作为优选，所述无承载板相似模拟架上设置有相似模拟架固定孔，所述PVC有机玻璃板通过螺栓固定在相似模拟架固定孔内，所述侧护板也通过螺栓设置在无承载板相似模拟架上，所述线圈支撑杆选用钢管，测量线选用带有刻度的并涂有润滑油的卷尺。

进一步，作为优选，所述PVC有机玻璃板的下部边缘位于所述液压千斤顶处于完全收缩时的高度，所述千斤顶支撑板与PVC有机玻璃板两侧距离相等，且各边平滑、相互垂直。

进一步，作为优选，可折叠式胶带铺层选用表面比较平滑的、延展性较弱的软弱塑料铺层。

进一步，作为优选，可折叠式胶带铺层在千斤顶支撑板组成的矩形面的中部折叠，折叠重合长度不低于40cm。

进一步，作为优选，所述模拟输气管的长度，大于由于液压千斤顶下降而造成的河沙移动区范围的长度，所述测量线圈的内径大于线圈支撑杆的外径，且线圈支撑杆表面光滑。

进一步，作为优选，所述测量线系在模拟输气管上并通过强力胶黏在一起。

进一步，作为优选，每个所述测点上设置的应变片，分别沿轴向布置和垂直轴向布置，通过测量不同部位的应变实现管道整体变形监测。

进一步，作为优选，所述液压泵站实现对每个液压千斤顶的压缩量的控制。

此外，本发明还提供了一种沙漠地区煤气共采区煤层顶板垮落与输气管道协同变形物理模拟方法；其特征在于，其包括下述步骤：

（1）在液压千斤顶支撑板上铺设可折叠式胶带铺层，将可折叠式胶带铺层在中部折叠，折叠重合长度不小于40cm.

（2）将折叠处的下部及其附近的液压千斤顶下降一定高度，可折叠式胶带铺层展开，河沙同步向下移动；

（3）以PVC有机玻璃板上部边缘为参照，利用摄像技术，将不同时间各测量线（2）数值进行记录至测量线完全静止后，静置一天，记录测量线最终数值，通过摄像机同一时间记录的不同测量线数据及最终数据，反算出模拟输气管道的变形过程及最终变形量。