[发明专利]水密封条件下模型试验煤柱水平加载机构及方法

说明书

本发明涉及煤炭开采领域，提供一种水密封条件下模型试验煤柱水平加载机构及方法，机构包括：水平加载系统，其包括水平加载伺服电机、丝杠及水平加载板，所述水平加载伺服电机的输出轴与丝杠的其中一端连接，丝杠的另一端与水平加载板连接，所述水平加载板用于顶抵在待测煤柱上；反力架，其用于安装所述水平加载伺服电机。本发明可对试验模型留设的煤柱按力或者按位移施加水平荷载，加载过程伺服可控可调；水平加载过程高度可调，适应不同位置煤层及多煤层留设煤柱的水平加载要求；水平加载过程可实现水密封，防止水体泄露；操作简单快捷，成本较低，具有较强适用性。

技术领域

本发明涉及煤炭开采领域，特别涉及一种水密封条件下模型试验煤柱水平加载机构及方法。

背景技术

煤炭开采水资源保护与利用对煤炭开发战略西移和保障国家能源安全具有重要支撑作用。目前我国每年产生矿井水约80亿t，矿井水年损失量达60亿t，相当于每年工业和民用缺水量(100亿t)的60％，因此保护利用矿井水资源更为重要，也是煤炭开发长期面临的重大难题。

目前煤炭开采水资源保护利用领域主要沿着三条路径进行技术探索：一是设法阻止矿井水的产生，即进行限高和充填开采技术研究，但因影响开采效率和煤炭回采率降低等问题，无法有效实施；二是设法在地面储存矿井水，但面临缺乏足够储水空间、储水成本高、蒸发浪费且水体污染严重等技术难题，难以实施；三是在井下储存矿井水，但遇到了与传统理念相违背，无成熟技术可借鉴等难题，必须通过理念创新和技术创新，开发利用安全高效和规模化的储水技术。因此，在前两种技术路径难以有效实施的情况下，井下储存矿井水成为煤矿开采水资源保护与利用的合理发展方向。

现有绝大多数井下采空区存储地下水的物理模拟试验是通过机械手段开挖预埋煤层，形成煤矿采矿区及煤柱，只是在模型顶部施加垂直荷载模拟上覆岩层地应力，个别试验中通过间接手段对模型施加水平荷载，然后注入水体，使水体自流，模拟地下水的运移路径与存储状态。但是，上述物理模拟方法存在以下不足：

1、绝大多数物理模拟试验设备无法对模型施加水平荷载，使模型处于单向加载状态，而不是现场实际水平和垂直荷载组合作用下，对模型的变形破坏形式产生极大影响。

2、即使能施加水平荷载，但是水平加载方式不够智能，无法兼顾水密封要求，对水体运移路径的模拟准确性产生影响。水平加载的位置不可调，无法选择按力或者按位移加载。

鉴于此，为克服上述技术缺陷，本发明提供一种水密封条件下模型试验煤柱水平加载机构及方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水密封条件下模型试验煤柱水平加载机构，其可对试验模型留设的煤柱按力或者按位移施加水平荷载，加载过程伺服可控可调；水平加载过程高度可调，适应不同位置煤层及多煤层留设煤柱的水平加载要求。

为达上述目的，本发明提供一种水密封条件下模型试验煤柱水平加载机构，其包括：

水平加载系统，其包括水平加载伺服电机、丝杠及水平加载板，所述水平加载伺服电机的输出轴与丝杠的其中一端连接，丝杠的另一端与水平加载板连接，所述水平加载板用于顶抵在待测煤柱上；

反力架，其用于安装所述水平加载伺服电机；

侧梁，其与所述反力架相对设置；

前梁和后梁，所述前梁和后梁相对设置，并且所述前梁、反力架、后梁和侧梁依次连接以形成围置所述待测煤柱的模型。

所述的水密封条件下模型试验煤柱水平加载机构，其中，所述反力架上沿高度方向设置有多个加载孔，每个加载孔的周边均设置有多个螺纹孔，所述水平加载伺服电机通过目标煤层所对应位置的多个螺纹孔安装在反力架上。

所述的水密封条件下模型试验煤柱水平加载机构，其中，未安装水平加载伺服电机的加载孔及螺纹孔处于密封状态。