一种井下空气冲击灾害试验装置的制作方法

本发明属于一种井下空气冲击灾害试验装置，用于模拟井下空气冲击波，研究井下空气冲击参数及防护设施优化的合理性。

背景技术：

井下空气冲击波主要由矿山大面积采空区冒落或爆破作业引起的一种矿山灾害，该种灾害具有过程短暂，来势凶猛的特点，在井下形成矿震和高速空气冲击气浪，造成人员伤亡和财产损失。

目前对采空区冒落造成的空气冲击灾害通常采用在采场底板或底部预留缓冲层的方法来消减冲击灾害；爆破作业形成的空气冲击的防范主要采用增加安全距离；井下的空气冲击灾害如何有效防范，需要一种试验装置模拟研究矿井采空区围岩垮落导致井下空气冲击的参数，为避免井下空气冲击波，试验优化开采设计，掌握削弱空气冲击波的方法和合理设计保护设施。

技术实现要素：

为了克服现有试验装置所存在的不足，本发明在于提供一种井下空气冲击灾害试验装置。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种井下空气冲击灾害试验装置由模拟框架，模拟巷道，加载装置、保护设施、试验测试装置组成。

模型框架由底座、侧向围护板、密封条和顶梁组成，其中顶梁作为加载液压千斤顶的基座固定梁。

模拟巷道由三段钢化玻璃模拟巷道组成，中间钢化玻璃模拟巷道安装空气冲击保护设施，两侧钢化玻璃模拟巷道安装测试传感器，钢化玻璃模拟巷道采用法兰连接。

保护设施有三种形式，分别为刚性封闭隔墙，孔网柔性隔墙，充水容器隔墙，根据试验设计需要选择保护设施的形式。

加载装置由控制台、液压千斤顶、液压管路组成；通过液压千斤顶加载模拟地层，实现模拟采空区坍塌。

试验测试装置由应力传感器、气压传感器、微震传感器、粉尘浓度传感器、数据采集器及计算机组成，利用试验测试装置采集模拟围岩垮落造成巷道空气冲击波的参数。

一种井下空气冲击灾害试验装置中的保护设施有三种形式：

①刚性封闭隔墙，按照几何尺寸和强度比例在模拟巷道内制作模拟材料墙体(料石砌筑墙体，厚度大于0.8m且嵌入围岩深度大于0.3m，墙体距离空气冲击发生源距离大于30m，在墙体上部设有观测孔，下部设有排水孔)。

②孔网柔性隔墙，按照几何尺寸和强度比例在模拟巷道内制作模拟柔性隔墙(直径为0.2m-0.3m，用钢索联接的、止推楔固定的一系列立柱组成)；空气冲击波前压力削弱的效果取决于孔网的比值a＝S0/S，其中S0和S分别为冲击波自由通过的面积和巷道断面积。

③充水容器隔墙，用充水的塑性容器建造，其两端悬挂在模拟巷道顶板，覆盖模拟巷道断面。

一种井下空气冲击灾害试验装置的操作方法：

步骤一：熟悉开采矿体的地质水文及开采技术条件，依据收集到的资料，选择相似物理模拟材料，设计模拟地层的相似物理材料配比。

步骤二：按照相似物理模拟材料配比制作模拟地层材料，在模型框架内铺设模拟地层材料，并压实；依次进行其他模拟地层的制作，通风晾干。

步骤三：拆开模拟矿体一侧的护板开挖设计范围内的矿体，安装侧护板及密封条。

步骤四：调试和测试数据采集器，检查模拟巷道内布置的监测传感器，并将数据线接入计算机进行调试和测试。

步骤五：安装承压板，由控制台的液压泵将液压千斤顶压力施加到设计地压值。

步骤六：模拟空区坍塌或爆破作业，监测造成模拟巷道内的空气冲击参数。

本发明的有益技术效果在于：

①该试验装置有助于研究矿井采场围岩垮落导致井下空气冲击波的参数，②为避免井下空气冲击波，优化开采设计试验，③掌握削弱空气冲击波的方法和保护设施的优化。

附图说明

图1井下空气冲击灾害试验装置立面布置示意图

图2井下空气冲击灾害试验装置平面布置示意图

图3增大空区范围平面布置示意图

图中：1-控制台 2-模拟框架 3-液压千斤顶 4-地层模拟材料 5-矿体 6-承压板 7-底座 8-计算机 9-数据采集器 10-模拟巷道 11-应力传感器 12-气压传感器 13-微震传感器 14-粉尘浓度传感器 15-法兰 16-模拟保护设施 17-钢化玻璃板 18-连接螺纹 19-加长板 20-护板

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

1.模拟采空区坍塌引起空气冲击参数测试

步骤一：熟悉开采矿体的地质水文及开采技术条件，依据收集到的资料，选择相似物理模拟材料(4)，设计模拟地层的相似物理模拟材料(4)配比。

步骤二：按照相似物理模拟材料(4)配比制作地层模拟材料(4)，在模型框架(2)内铺设地层模拟材料(4)，并压实；依次进行其他模拟地层的制作，通风晾干。

步骤三：拆开模拟矿体一侧的护板(20)开挖设计范围内的矿体(5)，安装侧护板(20)及密封条。

步骤四：调试和测试数据采集器(9)，检查模拟巷道(10)内布置的监测传感器(12、13、14)，并将数据线接入计算机(8)进行调试和测试。

步骤五：安装承压板(6)，由控制台(1)的液压泵将液压千斤顶(3)压力施加到设计地压值。

步骤六：模拟采空区坍塌，监测造成模拟巷道(10)内的空气冲击参数。

2.模拟井下空气冲击灾害的保护设施优化

步骤一：熟悉开采矿体的地质水文及开采技术条件，依据收集到的资料，选择相似物理模拟材料(4)，设计模拟地层的相似物理模拟材料(4)配比。

步骤二：按照相似物理模拟材料(4)配比制作地层模拟材料(4)，在模型框架(2)内铺设地层模拟材料(4)，并压实；依次进行其他模拟地层的制作，通风晾干。

步骤三：根据模拟保护设施(16)试验设计方案制作模拟保护设施(16)，并在模拟保护设施(16)内布设应力传感器(11)，将保护设施(16)模拟巷道(10)安装在测试的钢化玻璃模拟巷道(10)之间。

步骤四：拆开模拟矿体一侧的护板(20)开挖设计范围内的矿体(5)，安装侧护板(20)及密封条。

步骤五：调试和测试数据采集器(9)，检查模拟巷道(10)内布置的监测传感器(12、13、14)，并将数据线接入计算机(8)进行调试和测试。

步骤六：安装承压板(6)，由控制台(1)的液压泵将液压千斤顶(3)压力施加到设计地压值。

步骤七：模拟采空区坍塌，监测造成模拟巷道(10)内的的空气冲击参数。

步骤八：根据模拟保护设施(16)前后传感器(12、13、14)监测的空气冲击参数变化分析模拟保护设施(16)的有效性和可行性。

3.模拟采空区坍塌引起空气冲击开采设计优化试验

步骤一：熟悉开采矿体的地质水文及开采技术条件，依据收集到的资料，选择相似物理模拟材料(4)，设计模拟地层的相似物理模拟材料(4)配比。

步骤二：按照相似物理模拟材料(4)配比制作地层模拟材料(4)，在模型框架(2)内铺设地层模拟材料(4)，并压实；依次进行其他模拟地层的制作，通风晾干。

步骤三：拆开模拟矿体一侧的护板(20)开挖设计范围内的模拟矿体(5)，留部分已开采的模拟矿石或者铺设缓冲材料作为防止顶板垮落冲击的垫层，安装侧护板(20)及密封条。

步骤四：调试和测试数据采集器(9)，检查模拟巷道(10)内布置的监测传感器(12、13、14)，并将数据线接入计算机(8)进行调试和测试。

步骤五：安装承压板(6)，由控制台(1)的液压泵将液压千斤顶(3)压力施加到设计地压值。

步骤六：模拟采空区坍塌，监测造成模拟巷道(10)内的空气冲击参数。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工程技术人员在本发明的技术范围内，可做一些变换，如框架结构、加载方式、模拟巷道的形状和测试手段等，都应该作为侵犯本发明的保护范围。因此本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。