[发明专利]一种三维固液耦合相似模拟煤层采空区积水的装置及方法

说明书

本发明公开了一种三维固液耦合相似模拟煤层采空区积水的装罝及方法，用以解决现有模拟煤层开挖方法中煤层开挖不准确、不完全、操作复杂、模拟装置体积大及成本高致使采空区积水状况不易观察等问题。该装置包括箱体、岩层模拟系统和煤层开采系统，所述箱体由外框架、底板、左侧板、右侧板、前侧板、后侧板构成的长方体台架，所述箱体的顶部不加设顶板为露天结构，所述箱体内部合理布置有导水软管。本发明严格按照地下各岩层性质使用合适的材料进行相似模拟配比，真实反映地下岩层，也使实验结果更加准确。

技术领域

本发明属于固液耦合相似模拟实验技术领域，具体涉及一种三维固液耦合相似模拟煤层采空区积水的装置及方法。

背景技术

煤层开采会打破围岩岩层原有的力学平衡，引起岩体发生相对移动、错动甚至断裂，并重复、持续组建新的力学平衡，由于地质条件各异性，很多时候在开采之前我们需要通过一系列的实验来预测岩层的破坏特征，为此，相似模拟实验是针对此类问题最好手段之一。

对于固液耦合问题，固液耦合以固体和液体介质间的力学耦合基本规律为研究焦点，即渗流场与应力场的耦合作用，因此固液耦合相似模拟是研究煤层开采时采空区积水特征的重要手段。然而进行相似模拟非常复杂，首先固流耦合相似理论的研究少之甚少，没有完整的体系；其次是模拟材料必须同时满足固体变形和渗透性相似两个条件，这就给相似材料研制带来相当大的困难，也未见到相关研究；第三方面涉及模拟设备的密封及其测试手段也很重要。所以过去的研究往往不做渗流模拟，仅采用柔性加载模拟水压力的外力等效性。

三维固液耦合相似模拟实验是通过在实验箱体中按比例铺设相似材料，对实际地层结构进行仿真模拟，所得结果具有研究价值。

在三维固液耦合相似模拟的采空区积水实验中，如何实现煤层开挖是关键，只有准确模拟开挖过程才能使采空区积水现象更直观。目前有俩种开挖方法，一种是通过人为设计装置对煤层进行开挖，但是开挖的煤层不准确、不完全，同时也会耗费大量人力、物力、操作复杂。另一种是利用液压装置升、降压模拟煤层开挖，将液压装置放置在三维模型中。但是这种方法所使用的装罝体积大及成本高、操作步骤也很繁琐。

鉴于此，本发明提供了一种新的思路，搭建三维固液耦合相似模拟实验平台来对煤矿开采中的采空区积水状态进行比较准确地模拟。

发明内容

本发明的目的在于提出一种三维固液耦合相似模拟煤层采空区积水的装罝及方法，用以解决现有模拟煤层开挖方法中煤层开挖不准确、不完全、操作复杂、模拟装置体积大及成本高致使采空区积水状况不易观察等问题。

本发明所设计的三维固液耦合相似模拟煤层采空区积水的装罝，包括箱体、岩层模拟系统和煤层开采系统，所述箱体由外框架、底板、左侧板、右侧板、前侧板、后侧板构成的长方体台架，所述箱体的顶部不加设顶板为露天结构，所述箱体内部合理布置有导水软管。

作为优选方案，所述外框架采用槽钢材料，所述左侧板、右侧板采用尺寸为200×800mm²厚度为6mm的橡胶板，所述后侧板采用尺寸为600×800mm²厚度为6mm的橡胶板，所述前侧板采用尺寸为1000×800mm²厚度为10mm的有机玻璃板，所述有机玻璃与外框架用螺栓连接固定，所述橡胶板的内侧涂有有机防水涂料，所述橡胶板的接合处内侧贴有遇水膨胀止水条。

作为优选方案，所述岩层模拟系统采用相同物化性质的相似材料铺设于箱体内部模拟地下煤岩层，从上往下依次为松散岩层、覆岩层、煤层以及底板隔水层。

作为优选方案，所述煤层开采系统为采煤机器人，所述采煤机器人包括采煤机构、设置在所述采煤机构顶部的感应机构、设置所述采煤机构右侧面上的采煤臂、设置在所述采煤机构底部的液压传动机构、设置在所述采煤臂与所述液压传动机构之间的液压杆，所述液压传动机构的左端设置有运输装置，所述液压传动机构的右下端设置有收煤机构，所述运输装置与所述液压传动机构的底部设置有行走机构，所述运输装置的顶部设置有风扇。