[发明专利]矿井充填温度、渗流、应力三场耦合相似试验装置及方法

说明书

本发明公开了一种矿井充填温度、渗流、应力三场耦合相似试验装置，包括试验模拟箱体、设置在试验模拟箱体内的围岩模型和设置在围岩模型内的充填体模型，以及矿井风流模拟系统、热边界模拟系统、渗流条件模拟系统、应力条件模拟系统和测量监控系统；所述围岩模型内设置有位于充填体模型上部的模拟巷道；本发明还公开了一种矿井充填温度、渗流、应力三场耦合相似试验方法。本发明能够深入研究矿井充填温度、渗流、应力三场耦合的规律，获得不同埋深、不同矿井风流条件、不同热边界条件、不同渗流条件、不同力学条件，充填体及相邻围岩温度、渗流、应力变化特征及矿井风流对流换热特征，为充填采矿方法在矿井，尤其是深部矿井提供理论和技术支撑。

技术领域

本发明属于采矿技术领域，具体涉及一种矿井充填温度、渗流、应力三场耦合相似试验装置及方法。

背景技术

随着浅部矿产资源的日渐枯竭，深部、难采资源的勘查与开发利用是人类社会必然的选择。充填采矿技术在这一背景下，因其资源回收率高、能有效抑制剧烈的地压活动，更为有利于安全和环保的特点而得到重视和大量应用，我国的有色金属矿山和黄金矿山分别有45％和37％使用充填法开采。目前对于充填采矿技术的发展还主要立足于经验，根据经验法则。充填体处于一定的地质环境中，受温度、应力和渗流的影响。这三种因素相互作用，相互影响。温度对充填体及围岩产生热应力，引起充填体的弹性模量、泊松比等力学特性的改变，同时温度也会引起充填体内水密度的变化，影响水的渗流。并且，渗流通过对流和传导的方式改变充填体及相邻围岩的温度分布，同时也会影响充填体的力学特性。充填体的受力变形会在内部产生一定热量，力学变形也会影响充填体热学特性的变化，同时改变充填体的孔隙率及渗流特性。因此，矿井充填温度、渗流、应力三场耦合相似试验方法及装置能够准确测定充填体内部温度场、渗流场和应力场，进一步深入研究矿井充填温度、渗流、应力三场耦合的规律，为充填采矿方法在矿井，尤其是深部矿井提供理论和技术支撑。但是，现有技术中还缺乏能够深入研究矿井充填温度、渗流、应力三场耦合的规律的装置及方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种结构简单，设计新颖合理，实现方便，能够深入研究矿井充填温度、渗流、应力三场耦合的规律，为充填采矿方法在深部矿井提供理论和技术支撑，实用性强，使用效果好，推广应用价值高的矿井充填温度、渗流、应力三场耦合相似试验装置。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种矿井充填温度、渗流、应力三场耦合相似试验装置，其特征在于：包括试验模拟箱体、设置在试验模拟箱体内的围岩模型和设置在围岩模型内的充填体模型，以及矿井风流模拟系统、热边界模拟系统、渗流条件模拟系统、应力条件模拟系统和测量监控系统；所述围岩模型内设置有位于充填体模型上部的模拟巷道；

所述矿井风流模拟系统包括恒温恒湿机和与恒温恒湿机的出口端连接且伸入模拟巷道内的风筒，所述风筒上连接有风机；

所述热边界模拟系统包括设置在试验模拟箱体内壁上且用于模拟矿井中地热的多根加热带；

所述渗流条件模拟系统包括设置在试验模拟箱体内的渗流形成层和设置在渗流形成层上方的PVC管，以及设置在试验模拟箱体外部的渗流入水箱和渗流出水箱，所述PVC管上开有渗流孔，所述PVC管的入水口通过穿过试验模拟箱体的进水导管与渗流入水箱的出水口连接，所述进水导管上设置有恒流泵、电磁阀和流量计，所述PVC管的出水口通过穿过试验模拟箱体的出水导管与渗流出水箱的入水口连接；

所述应力条件模拟系统包括对称设置在试验模拟箱体两侧的两套应力加载机构，所述应力加载机构包括设置在试验模拟箱体内部且用于将压力加载在充填体模型上的承压板，以及设置在试验模拟箱体外部的传力杆、用于对传力杆施加力的千斤顶、用于支撑传力杆的支柱；所述承压板与传力杆的端部固定连接；