深部煤层条带开采、充填模拟试验系统及试验方法与流程

本发明涉及深部岩体裂隙演化及突水灾害防治方面，具体涉及深部煤层条带开采、充填模拟试验系统及模拟试验方法。

背景技术：

深部底板岩体裂隙的演化及水力耦合作用是造成工作面突水的本质原因。研究深部底板岩体破裂与裂隙演化规律对承压水上煤层的安全开采和突水灾害评价具有科学的指导意义。已有矿区的突水统计资料表明，80％以上的突水事件与断裂构造有关，突水在完整底板条件下很少发生。高地应力、开采扰动和高承压水更容易导致底板断层的活化，造成岩体破裂失稳，形成承压水上流的导水通道。因此，应着重研究深部含断层底板的裂隙演化规律和破裂机理。

国内外许多学者对承压水上煤层开采的底板裂隙演化规律做了大量的研究工作，取得了一系列卓有成效的成果，但对深部高承压水上煤层开采的底板破裂规律和裂隙演化特征缺乏系统的基础研究，现亟需建立一套基于深部复杂环境的矿井水灾害预防及防治的理论体系。

技术实现要素：

本发明的任务之一就是提供一种深部煤层条带开采、充填模拟试验系统，该试验系统可以模拟不同采留比、不同采厚的煤层开采，还可研究不同采留比、不同采厚煤层开采后，及采空区充填后顶底板的受力及位移变化规律。

其技术解决方案包括：

一种深部煤层条带开采、充填模拟试验系统，其包括承载箱、试验模型、充填系统、加载系统、高压水渗流系统和红外线探测系统，所述试验模型位于所述承载箱内，所述加载系统用于对所述试验模型进行竖向和侧向加载，所述试验模型包括岩层和位于岩层中的煤层，所述岩层由相似材料铺设而成，所述岩层的四周设有封水装置，所述岩层内部埋设有多个传感器和装有氧化钙颗粒的多个塑料球；

所述煤层由若干个受载气囊体排布而成，每个受载气囊体通过各自的通气管与所述充填系统连接，通过控制受载气囊体中气体量的抽放来模拟不同采高的煤层开采，通过抽放不同间隔位置的受载气囊体来模拟不同采宽和留宽的煤层开采；

所述红外线探测系统用于探释所述岩层中放出热量的位置，以获得承压水流动的导水通道路径形成的过程；

所述承载箱的底部分布有若干个渗水孔，所述高压水渗流系统与所述渗水孔连通。

作为本发明的一个优选，所述封水装置为橡胶材料折合而成的框架结构，所述框架的形状、大小与岩层外围大小相匹配，在所述橡胶材料内侧与岩层的接触面设置为锯齿状。

作为本发明的另一个优选，所述充填系统包括加压泵、水箱和混料仓，所述水箱与所述混料仓相连接，所述混料仓与加压泵相连接，所述加压泵与每个受载气囊体的通气管连接。

优选的，所述传感器和装有氧化钙颗粒的塑料球均埋设在岩层内的不同深度位置。

优选的，所述岩层底板的隔水层采用固流耦合材料铺设而成。

优选的，所述固流耦合材料由石蜡、凡士林、河砂、碳酸钙和液压油按一定比例配制而成。

本发明的另一任务在于提供一种深部煤层条带开采、充填模拟试验方法，依次包括以下步骤：

a铺设模型-岩层，将砂子、碳酸钙、石膏、水按一定比例混合后进行铺设，岩层底板的隔水层采用固流耦合材料进行铺设，铺设过程中，在岩层顶底板不同深度的同一水平上放置若干多功能传感器，用于监测顶底板不同深度处的三向受力及渗透水压大小；在底板不同深度的同一水平上放置若干装有氧化钙颗粒的塑料球；

b接着在岩层上方铺设模型-煤层，用多个受载气囊体排布的方式来模拟煤层，其中每个受载气囊体均与充填系统连接；

c待模型铺设完成后，将模型放置在加载箱内，并通过玻璃挡板进行位移约束，通过加载系统施加垂直载荷和侧向载荷，对铺设岩层进行垂向和侧向的加载，模拟深部煤岩层的受力状态；

d通过抽放不同间隔位置的受载气囊体，来模拟不同采宽和留宽的煤层开采，并研究不同采留比的煤层开采后顶底板的受力及位移变化规律；

e待每个受载气囊体内气体排空后即代表煤层开采结束，利用充填系统向每个受载气囊体内注入充填材料，使得受载气囊体体积增大，充填采空区，经充填系统充填到不同位置的受载气囊体后，来研究不同位置充填后顶底板的应力及位移变化规律；

f在加载箱的底部分布有若干个渗水孔，将这些渗水孔与高压水渗流系统连通，承压水经导水通道向采空区流动过程中，浸湿布置在岩层中的塑料球内的氧化钙颗粒，氧化钙发生反应并释放热量，此时利用红外探测仪可以探释放出热量的位置，获得承压水流动的导水通道路径形成过程。

本发明所带来的有益技术效果：

本发明提出的深部煤层条带开采、充填模拟试验系统中，尤其对岩层和煤层做了巧妙的设计，在岩层内部埋设有多个传感器和装有氧化钙颗粒的多个塑料球，并且，每个传感器、塑料球均分布在岩层的不同深度，在承压水经导水通道向采空区流动过程中，浸湿布置在岩层中的塑料球内的氧化钙颗粒，氧化钙发生反应并释放热量，利用红外探测仪可以探释放出热量的位置，可获得承压水流动的导水通道路径形成的过程；将多个受载气囊体排布来模拟煤层，通过抽放不同间隔位置的气囊体，模拟不同采宽和留宽的煤层开采，可以研究不同采留比的煤层开采后顶底板的受力及位移变化规律；充填系统充填到不同位置的气囊体后，可以研究不同位置充填后顶底板的应力及位移变化规律。

本发明提出的深部煤层条带开采、充填模拟试验方法中，包括对煤层开采与采空区充填两环节的试验模拟，并开展实时监测，模拟不同采留比、不同采厚的煤层开采，研究不同采留比、不同采厚煤层开采后，及采空区充填后顶底板的受力及位移变化规律。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为本发明深部煤层条带开采、充填模拟试验系统结构示意图；

图2为铺设岩层(煤层开采前)示意图；

图3为煤层开采过程(抽放气囊体中的气体)示意图；

图4为系统外壳(承载箱)示意图；

图5为钢化玻璃板示意图；

图6为充填系统示意图；

图7为封水结构示意图；

图8为封水装置示意图；

图9为装有氧化钙颗粒的塑料球示意图；

图10为传感器分布示意图；

图中，1、岩层，2、煤层，3、受载气囊体，4、承载箱，5、充填系统，51、加压泵，52、水箱，53、混料仓，531、地面料仓一，532、地面料仓二，533、地面料仓三，6、加载系统，7、高压水渗流系统，8、红外线探测系统，9、信息采集系统，10、封水装置，11、传感器，12、塑料球，13、渗水孔，14、通气管。

具体实施方式

本发明公开了一种深部煤层条带开采、充填模拟试验系统及试验方法，为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做详细说明。

本发明深部煤层条带开采、充填模拟试验系统，如图1所示，包括承载箱4、试验模型、充填系统5、加载系统6、高压水渗流系统7、红外线探测系统8和信息采集系统9，试验模型铺设在承载箱4内，所以承载箱4为半敞开式，待试验模型铺设完成进行加载时，用钢化玻璃对敞开式部分进行密封，以限制试验模型的位移。

加载系统6用于对试验模型进行竖向和侧向加载，其具体结构借鉴现有技术即可实现，如由伺服系统控制，通过油缸施加载荷到岩层上。如图4所示，在承载箱4的底部设置有若干个渗水孔13，高压水渗流系统7从这些渗水孔中注入高压水来研究深部底板的裂隙演化规律和破裂机理。

本发明的主要改进点在于岩层和煤层的设计，结合图2和图3所示，位于承载箱4内的试验模型包括位于底部的岩层1和位于岩层上方的煤层2，岩层1由相似材料铺设而成，如将砂子、碳酸钙、石膏、水按一定比例混合后进行岩层的铺设，不同比例的混合物可以模拟不同岩性的岩层，如泥岩、砂岩、灰岩等，岩层的底板隔水层采用固流耦合材料，由石蜡、凡士林、河砂、碳酸钙、液压油按一定配比混合后进行铺设，在岩层的铺设过程中，岩层内部预埋设多个传感器11和装有氧化钙颗粒的多个塑料球12，塑料球12的结构如图9所示，岩层1的四周设有封水装置10，如图10所示，传感器在岩层内的位置为同一水平但不同深度，塑料球在岩层内的位置也是同一水平但不同深度，传感器这样设置的目的在于监测顶底板不同深度处的三向受力及渗透水压大小，传感器可以实现某一位置岩层三向受力和水压力的大小的探测，实现了一物多用的功能。

煤层由多个受载气囊体3排布铺设来模拟，通过抽放不同间隔位置的气囊体，模拟不同采宽和留宽的煤层开采，可以研究不同采留比的煤层开采后顶底板的受力及位移变化规律，如受载气囊体3内的气体全部抽出后，即可模拟采空区，结合图3、图5和图6所示，每个受载气囊体通过各自的通气管14与充填系统5连接，通过控制受载气囊体3中气体量的抽放来模拟不同采高的煤层开采，通过抽放不同间隔位置的受载气囊体来模拟不同采宽和留宽的煤层开采；再结合上述塑料球内装有氧化钙颗粒，在承压水经导水通道向采空区流动过程中，浸湿布置在岩层中的空心塑料球内的氧化钙颗粒，氧化钙发生反应并释放热量，利用红外探测系统8可以探测释放热量的位置，获得承压水流动的导水通道路径形成的过程。

为了实现承压水上涌时的密封，在岩层1的四周设有封水装置10，结合图7和图8所示，该封水装置是由柔性材料折合而成的框形结构，在折合处相互交叉固定，近似腰带的固定处，柔性材料如柔性橡胶材料，靠近岩层侧做成小锯齿状嵌入底板附近岩层。

如图4所示，在承载箱4的底部分布有若干个渗水孔13，高压水渗流系统7与渗水孔13连通。如图6所示，与受载气囊体3连接的充填系统包括加压泵51、水箱52、混料仓53、地面料仓一531、地面料仓二532和地面料仓三533，通过地面料仓一、地面料仓二和地面料仓二将各自的物料通入混料仓内，实现预混，必要时可配设搅拌装置对物料进行搅拌，混料仓的一端与水箱52连通，另一端与加压泵51连接，将物料充填至受载气囊体内。

下面对本发明试验方法做详细说明。

一种深部煤层条带开采、充填模拟试验方法，具体包括以下步骤：

步骤一、将砂子、碳酸钙、石膏、水按一定比例混合后进行岩层的铺设(不同比例的混合物可以模拟不同岩性的岩层，如泥岩、砂岩、灰岩等)，底板隔水层采用新型固流耦合材料(石蜡、凡士林、河砂、碳酸钙、液压油)按一定配比混合后进行铺设；

步骤二、铺设过程中，在煤层顶底板不同深度的同一水平上放置若干传感器，用于监测顶底板不同深度处的三向受力及渗透水压大小；在底板不同深度的同一水平上放置若干塑料球，球内含有氧化钙小球，铺设到煤层层位时，铺设气囊体模拟煤层；

步骤三、模型铺设完成后，将它放入承载箱4内，并用钢化玻璃限制其位移，施加垂直载荷和侧向载荷，对铺设岩层进行垂向和侧向的加载，模拟深部煤岩层的受力状态；

步骤四、通过抽放气囊内部的气体模拟煤层的开采，放出气体量的多少模拟煤层的采高；

步骤五、待每个受载气囊体内气体排空后即代表煤层开采结束，利用充填系统的地面进料仓一、地面进料仓二和地面进料仓三向每个受载气囊体内注入充填材料，使得受载气囊体体积增大，充填采空区，经充填系统充填到不同位置的受载气囊体后，来研究不同位置充填后顶底板的应力及位移变化规律；

步骤六、位于加载箱底部的渗水孔与高压水渗流系统连通，承压水经导水通道向采空区流动过程中，浸湿布置在岩层中的塑料球内的氧化钙颗粒，氧化钙发生反应并释放热量，此时利用红外探测仪可以探释放出热量的位置，获得承压水流动的导水通道路径形成过程。

需要说明的是，在本说明书的教导下本领域技术人员所做出的任何等同方式，或明显变型方式均应在本发明的保护范围内。