一種礦井災(zāi)害預(yù)防與控制模擬試驗系統(tǒng)及其使用方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及相似材料模擬領(lǐng)域，特別涉及一種礦井災(zāi)害預(yù)防與控制模擬試驗系統(tǒng)及其使用方法。
【背景技術(shù)】
[0002]相似材料模擬試驗是以相似理論為基礎(chǔ)的模型試驗技術(shù)，是利用事物或現(xiàn)象之間存在的相似和類似等特征來研究自然規(guī)律的一種方法。它特別適用于那些難以用理論分析方法獲取結(jié)果的研究領(lǐng)域，同時也是一種對理論研究結(jié)果進(jìn)行分析比較的有效手段。
[0003]相似材料模擬試驗具有以下特點:相似材料模擬試驗可以嚴(yán)格控制模擬對象的主要參數(shù)，不受外界條件的限制；相似材料模擬試驗可突出所研究問題的主要矛盾，以便于發(fā)現(xiàn)并把握研究對象的本質(zhì)特征和內(nèi)在聯(lián)系；相似材料模型容易制作，與原型試驗相比，具有節(jié)省人力、物力、財力和時間的優(yōu)勢；相似材料模擬可預(yù)測對原型不可能直接測試和不可能分析的性能、相似材料模擬試驗可以和數(shù)值模擬結(jié)合起來檢驗原型所得結(jié)論的正確性。
[0004]相似模擬試驗是以相似理論、因次分析作為依據(jù)的試驗研究方法，相比于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型試驗更適用于礦山領(lǐng)域巖體突水的模型試驗研究。目前，文獻(xiàn)報道中相似材料模擬試驗大多集中模擬煤層開采過程中煤壁前方應(yīng)力分布，煤層開采后工作面來壓規(guī)律以及頂板垮落形態(tài)和范圍，有少數(shù)文獻(xiàn)中可看到模擬底板突水的報道。傳統(tǒng)的相似材料模擬試驗系統(tǒng)所能模擬的情況單一，是制約相似材料模擬試驗廣泛應(yīng)用的于研究礦井災(zāi)害的主要原因。
[0005]為了解決上述問題，提出了一種礦井災(zāi)害預(yù)防與控制模擬試驗系統(tǒng)及其使用方法，該相似材料模擬系統(tǒng)可以模擬煤礦頂板突水、底板突水、斷層突水、煤與瓦斯突出等礦井災(zāi)害，同時還可以模擬水平構(gòu)造應(yīng)力，使模擬條件跟接近現(xiàn)實煤層賦存條件，試驗結(jié)果更可信準(zhǔn)確，提高了模擬試驗的真實性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是為克服傳統(tǒng)相似材料模擬試驗系統(tǒng)只能模擬煤層開采過程中頂板垮落的范圍及形態(tài)，不能模擬突水及煤與瓦斯突出等礦井災(zāi)害，不能模擬構(gòu)造應(yīng)力的不足，提供一種可以模擬煤礦頂板突水、底板突水、斷層突水、煤與瓦斯突出等礦井災(zāi)害，同時還可以模擬水平構(gòu)造應(yīng)力的多功能相似材料模擬試驗系統(tǒng)。
[0007]為了解決上述問題，本發(fā)明的技術(shù)方法為:
一種礦井災(zāi)害預(yù)防與控制模擬試驗系統(tǒng)，包括試驗架，其特征在于:該試驗架頂部設(shè)置有縱向加載機(jī)構(gòu)，該縱向加載機(jī)構(gòu)上設(shè)置有水平布置的加載板，該試驗架的左右兩側(cè)分別設(shè)置有橫向加載機(jī)構(gòu)，兩側(cè)的橫向加載機(jī)構(gòu)相向布置，橫向加載機(jī)構(gòu)設(shè)置有豎直布置的側(cè)板，兩側(cè)板分別壓在加載板的左右兩邊，該試驗架的前后兩側(cè)分別設(shè)有透明材料制成的面板，加載板、兩個側(cè)板、兩個面板與試驗架的底部形成用于放置試樣的容納空間；壓力囊布置在模擬煤層或模擬頂板或模擬底板中。
[0008]所述的一種礦井災(zāi)害預(yù)防與控制模擬試驗系統(tǒng)，其特征在于:上述加載板由滑動塊、彈簧、連接塊組成，連接塊分別在滑動塊上下兩個面連接相鄰的滑動塊，兩個滑動塊之間設(shè)置有彈簧。
[0009]所述的一種礦井災(zāi)害預(yù)防與控制模擬試驗系統(tǒng)，其特征在于:上述側(cè)板由多塊平整鋼板組成，每塊鋼板與一個側(cè)向千斤頂鉸接，側(cè)向千斤頂固定在兩側(cè)的框架上并且可以上下轉(zhuǎn)動。
[0010]所述的一種礦井災(zāi)害預(yù)防與控制模擬試驗系統(tǒng)，其特征在于:壓力囊由囊體、隔層、密封環(huán)、彈簧、突水管組成，隔層將囊體分為上下兩部分，突水管下端依次穿過彈簧和密封并且垂直于隔層安裝到壓力囊中，密封環(huán)密封隔層使水或氣僅存在于囊體的下部，壓力囊可以根據(jù)實驗的具體情況調(diào)整安裝的方向和位置。
[0011]所述的一種礦井災(zāi)害預(yù)防與控制模擬試驗系統(tǒng)，其特征在于:模擬頂板突水、底板突水、斷層突水時壓力囊下部充有高壓有色水，模擬煤與瓦斯突出時壓力囊下部充高壓有色氣。
[0012]—種礦井災(zāi)害預(yù)防與控制模擬試驗系統(tǒng)使用方法，其主要包括一下步驟:
A、根據(jù)地質(zhì)鉆孔資料，查閱模型配比用料表，鋪設(shè)模型；
B、根據(jù)現(xiàn)場物理探測得到的數(shù)據(jù)，反演頂板水、底板水或瓦斯積聚存在的位置，依據(jù)比例在模型中確定壓力囊位置并埋設(shè)壓力囊；
C、在煤層頂?shù)装灏苍O(shè)傳感器，監(jiān)測煤層頂?shù)装鍛?yīng)力及位移變化，在壓力囊突水管出口處布置傳感器，監(jiān)測突水管出口處的應(yīng)力變化及出水量；
D、模型鋪設(shè)完成后，根據(jù)實際情況確定相應(yīng)位置側(cè)板對模型施加側(cè)向載荷，縱向加載機(jī)構(gòu)施加縱向應(yīng)力，同時向壓力囊內(nèi)填充水或氣，當(dāng)模擬突水時壓力囊內(nèi)填充水，當(dāng)模擬瓦斯突出時壓力囊中填充氣；
E、開挖煤層同時收集數(shù)據(jù)，直至突水或煤與瓦斯突出。
[0013]有益效果:
根據(jù)上述技術(shù)方案，與已有技術(shù)比較本發(fā)明具有以下顯著優(yōu)點:可以模擬煤礦頂板突水、底板關(guān)水、斷層關(guān)水、煤與瓦斯關(guān)出等礦井災(zāi)害，冋時還可以t旲擬水平構(gòu)造應(yīng)力，使t旲擬條件跟接近現(xiàn)實煤層賦存條件，試驗結(jié)果更可信準(zhǔn)確，提高了模擬試驗的真實性。
【附圖說明】
[0014]下面結(jié)合附圖與【具體實施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步說明:
圖1未鋪設(shè)模型時模擬試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2鋪設(shè)完成模型時模擬試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3水平加載板結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4底部框架結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5壓力囊結(jié)構(gòu)示意圖；
圖6模擬頂板突水結(jié)構(gòu)示意圖；
圖7 t旲擬底板突水結(jié)構(gòu)不意圖；
圖8模擬煤與瓦斯突出結(jié)構(gòu)示意圖；
圖9模擬斷層突水結(jié)構(gòu)示意圖； 圖例說明，1-液壓栗、2-截止閥、3-減壓閥、4-減壓閥、5-縱向加載千斤頂、6-水平加載板、6a-滑動塊、6b-連接塊、6c-滑動槽、6d_彈性壓縮機(jī)構(gòu)、6e_千斤頂滑動槽、7-框架底板、8-框架底部支撐、9-框架底部空間、10-框架、11-側(cè)向加載板、12-側(cè)向加載千斤頂、13-壓力囊、13a-囊體、13b-隔層、13c_密封圈、13d_密封環(huán)、13e_彈簧、13f-突水管、14-高壓栗O
【具體實施方式】
[0015]本發(fā)明提供了一種礦井災(zāi)害預(yù)防與控制模擬試驗系統(tǒng)及其使用方法，為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案以及優(yōu)點更清楚、明確，以下將結(jié)合附圖與實施例，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0016]本發(fā)明提供了一種礦井災(zāi)害預(yù)防與控制模擬試驗系統(tǒng)，如圖1所示的，其包括試驗架10，試驗架10可以采用現(xiàn)有技術(shù)中已知的任何技術(shù)形式，比如采用試驗架的長寬高均為2米，但不僅限于上述方式。
[0017]該試驗架10頂部設(shè)置有縱向加載千斤頂5，縱向加載千斤頂5設(shè)置有水平布置的加載板6，縱向加載千斤頂5可以加載板6施加相同的縱向應(yīng)力，也可以施加不同的縱向應(yīng)力進(jìn)行剪切力測試。該試驗架10的左右兩側(cè)分別設(shè)置有橫向加載千斤頂12，兩側(cè)的橫向加載千斤頂12相向布置，每個橫向加載千斤頂上設(shè)置有一豎直布置的側(cè)板11，側(cè)板11壓在加載板6的兩側(cè)，該試驗架10的前后兩側(cè)分別設(shè)置有由高強(qiáng)度透明材料制成的面板，加載板6、兩組側(cè)板、兩個面板與試驗架10的底板7形成用于放置試樣的容納空間，試樣采用地質(zhì)鉆孔資料，查閱模型配比用料表，鋪設(shè)模型，當(dāng)該縱向加載千斤頂5向試樣施加縱向應(yīng)力時，使試樣與框架底板7接觸更加緊密。
[0018]本發(fā)明還提供了一種模擬采動煤層頂板突水、底板突水、斷層突水或煤與瓦斯突出的方法，其主要包括以下步驟:
A、根據(jù)地質(zhì)鉆孔資料，查閱模型配比用料表，鋪設(shè)模型，如圖2所示；
B、根據(jù)現(xiàn)場物理探測得到的數(shù)據(jù)和所要模擬的實際工程情況，反演頂板水、底板水或瓦斯積聚存在的位置，依據(jù)比例在模型中確定壓力囊位置并埋設(shè)壓力囊，如圖6-圖9所示，其中，圖6模擬頂板突水結(jié)構(gòu)示意圖；圖7模擬底板突水結(jié)構(gòu)示意圖；圖8模擬煤與瓦斯突出結(jié)構(gòu)示意圖；圖9模擬斷層突水結(jié)構(gòu)示意圖；
C、在煤層頂板和煤層底