一种煤与瓦斯共采三维物理模拟综合实验系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种煤与瓦斯共采三维物理模拟综合实验系统，属于煤与瓦斯安全共采技术领域，该系统包括：箱体，液压开采单元，液压加载单元，通风巷道单元，气体注入控制单元和测试单元；箱体的第一面和与所述第一面相对的第三面上均设置测气孔，箱体的第二面上设置有进风孔和回风孔，箱体的第四面上设置有出线孔；液压开采单元包括的液压缸并联支撑条钢，两个液压缸与箱体底部连接支撑一个条钢；液压加载单元包括的加载机架设置在箱体导轨上，导轨设置在箱体两侧；通风巷道单元包括巷道和通风机；气体注入控制单元内的高压钢瓶通过配气管与多通配气柜连通，配气管和分管路连通；测试单元包括气体测试单元，应力测试单元和微震测试单元。
【专利说明】
一种煤与瓦斯共采三维物理模拟综合实验系统
技术领域
[0001]本发明属于煤矿开采设备技术领域，更具体的涉及一种煤与瓦斯共采三维物理模拟综合实验系统。
【背景技术】
[0002]我国是世界第一产煤大国，煤炭产量占世界的48.3%，同时煤炭又是我国的主要能源，分别占一次能源生产和消费总量的76%和69%。煤炭的大规模开采，使得煤层开采深度不断加深，煤层中瓦斯压力急剧增大，导致工作面瓦斯涌出量急剧上升，严重的瓦斯动力现象频频出现，甚至发生瓦斯燃烧、爆炸及煤与瓦斯突出之类的恶性事故，严重威胁着矿井安全生产，造成了重大的人员伤亡、经济损失和不良的社会影响。且煤层中绝大部分瓦斯还是直接排空，造成严重的大气污染。与其灾害性相对，瓦斯本身又是一种经济的可燃气体，是高热、洁净、方便的能源。因此，改变以往将瓦斯仅作为灾害性气体的传统观念，将其作为资源性气体，同时设计、施工、形成采煤和瓦斯抽采两个相对独立而又相互依赖的一体化系统(即“煤与瓦斯共采”系统)，在开采煤炭时，将瓦斯安全高效地抽采出来。从而实现矿井安全生产、环境保护和新能源供应等多重效应，获得显著的经济和社会效益。
[0003]实现“煤与瓦斯共采”主要是掌握煤层开采过程中上覆岩层裂隙时空演化与卸压瓦斯运移聚集规律，从而寻找出煤层及采场内瓦斯富集区，并将抽采巷道或钻孔终孔布置于合理位置。目前在覆岩裂隙演化与卸压瓦斯运移聚集规律的研究方法及手段主要有现场实测、数值模拟及物理相似材料模拟等。现场实测研究所需周期较长，耗费大量人力、物力，受现场条件限制严重，局限性较大;而数值模拟还难以准确处理采动后岩体应力分布、大变形移动破坏、冒落后的物性变化以及裂隙中卸压瓦斯渗流、扩散等演化过程，缺乏进行准确计算所必须的真实原岩应力场、瓦斯渗流场、真实岩体物理力学参数等基础数据，其结果也往往无法达到真正的“仿真”。国内外在相似材料物理模拟实验方面已取得较多成果，然而仍缺乏同步研究采场覆岩移动、裂隙演化及卸压瓦斯运移等规律的物理相似材料模拟实验系统，因此，现有三维物理模拟实验平台有很大的局限性。
[0004]综上所述，现有煤层开采过程中上确定覆岩层裂隙时空演化与卸压瓦斯运移聚集规律是急需解决的冋题。
【发明内容】
[0005]本发明实施例提供一种煤与瓦斯共采三维物理模拟综合实验系统，用以确定覆岩层裂隙时空演化与卸压瓦斯运移聚集规律。
[0006]本发明实施例提供一种煤与瓦斯共采三维物理模拟综合实验系统，包括:
[0007]箱体，液压开采单元，液压加载单元，通风巷道单元，气体注入控制单元和测试单元；
[0008]所述箱体的第一面和与所述第一面相对的第三面上均设置测气孔，所述箱体的第二面上设置有进风孔和回风孔、瓦斯抽采孔，所述箱体的第四面上设置有传感器出线孔；
[0009]所述液压开采单元包括液压缸和条钢，两个所述液压缸并联支撑所述条钢，且两个所述液压缸与所述箱体底部连接；
[0010]所述液压加载单元包括加载机架，所述加载机架设置在所述箱体两侧的导轨上，所述导轨分别固定在所述箱体的两侧；
[0011 ] 所述通风巷道单元包括巷道和通风机，所述巷道设置在所述箱体内，所述通风机与设置在所述箱体第二面上的进风孔连接；
[0012]所述气体注入控制单元包括高压钢瓶，多通配气柜和配气管和分管路;所述高压钢瓶通过所述配气管与所述多通配气柜连通，所述配气管与分管路联通;所述分管路穿过所述箱体底部，与所述条钢连通；
[0013]所述测试单元包括至少3类传感器，所述气体测试传感器、应力测试传感器和微震监测探头埋设在所述箱体内，数据线分别通过箱体的所述出线孔连接到数据采集和分析单
J L ο
[0014]优选地，所述测气孔成排分布在所述第一面和所述第三面上，且每排包括多个所述测气孔；
[0015]位于所述第一面和所述第三面上的第一排测气孔的高度与下降后的所述条钢具有相等的高度，其中，所述第一面和所述第三面上的所述第一排测气孔与所述箱体底部相邻。
[0016]优选地，所述瓦斯抽采孔设置在回风孔上方，相邻所述瓦斯抽采孔之间的距离为I60mmο
[00?7] 优选地，所述条钢的宽度包括40mm，50mm和60mm，且所述条钢的高度为120mm ；
[0018]所述条钢升起或降下的高度由与所述条钢连接的位移传感器测定，升起或降下的高度通过电脑设定。
[0019]优选地，所述液压加载单元还包括柔性介质；
[0020]所述加载机架上设置6个伺服液压缸，所述伺服液压缸下部安装高强压头，通过设置在箱体上的所述柔性介质，将所述压头对所述箱体的刚性力转变为柔性力。
[0021]优选地，所述条钢上表面均匀设置微孔，多个所述分管路分别所述微孔与所述条钢连通。
[0022]优选地，与所述气体测试单元电连接的传感器包括瓦斯浓度传感器和气体压力传感器;所述瓦斯浓度传感器和所述气体压力传感器通过数据线传送采集到的信号。
[0023]优选地，与所述应力测试单元电连接的传感器为土应力传感器，多个所述土应力传感器分别设置在条钢上。
[0024]优选地，与所述微震测试单元电连接的传感器为微震监测探头，所述微震监测探头预先设置在待采集煤层或者岩层内。
[0025]本发明实施例中，提供一种煤与瓦斯共采三维物理模拟综合实验系统，包括箱体，液压开采单元，液压加载单元，通风巷道单元，气体注入控制单元和测试单元;所述箱体的第一面和与所述第一面相对的第三面上均设置测气孔，所述箱体的第二面上设置有进风孔和回风孔、瓦斯抽采孔，所述箱体的第四面上设置有传感器出线孔;所述液压加载单元包括加载机架，所述加载机架设置在所述箱体两侧的导轨上，所述导轨分别固定在所述箱体的两侧;所述通风巷道单元包括巷道和通风机，所述巷道设置在所述箱体内，所述通风机与设置在所述箱体第二面上的进风孔连接;所述气体注入控制单元包括高压钢瓶，多通配气柜和配气管和分管路;所述高压钢瓶通过所述配气管与所述多通配气柜连通，所述配气管与分管路联通;所述分管路穿过所述箱体底部，与所述条钢连通;所述测试单元包括至少3个传感器，且多个所述传感器埋设在所述箱体内，分别通过箱体的所述传感器出线孔与设置在所述箱体中的气体测试单元，应力测试单元和微震测试单元电连接。本发明实施例提供的一种煤与瓦斯共采三维物理模拟综合实验系统，将液压开采单元、液压加载单元、通风巷道单元、气体注入控制单元和测试单元相结合，进行采煤物理相似模拟实验时，综合考虑开采时采空区内瓦斯气体浓度，开采煤层应力变化以及上覆岩层裂隙发育等情况，实现对煤矿矿压力分布规律、覆岩裂隙演化规律、瓦斯运移和富集以及瓦斯抽采进行全面研究。
【附图说明】
[0026]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0027]图1A?图1B为本发明实施例提供的一种煤与瓦斯共采三维物理模拟综合实验系统结构示意图；
[0028]图2A为本发明实施例提供的箱体第一面结构示意图；
[0029]图2B为本发明实施例提供的箱体第三面结构示意图；
[0030]图2C为本发明实施例提供的箱体第二面结构示意图；
[0031 ]图2D为本发明实施例提供的箱体第四面结构示意图。
【具体实施方式】
[0032]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0033]图1A和图1B示例性的示出了本发明实施例提供的一种煤与瓦斯共采三维物理模拟综合实验系统结构示意图，该装置可以应用于煤矿中。
[0034]如图1A和图1B所示，本发明实施例提供的一种煤与瓦斯共采三维物理模拟综合实验系统主要包括:箱体10，液压开采单元，液压加载单元，通风巷道单元，气体注入控制单元和测试单元。
[0035]需要说明的是，本发明实施例提供的一种煤与瓦斯共采三维物理模拟综合实验系统为实验模型平台。其中，箱体10对应现实中的煤矿，气体注入控制单元对应现实中煤矿内的煤层开采后工作面涌现的瓦斯气体。
[0036]图2A为本发明实施例提供的箱体第一面结构示意图，图2B为本发明实施例提供的箱体第三面结构示意图，图2C为本发明实施例提供的第二面结构示意图，图2D为本发明实施例提供的第四面结构示意图。
[0037]如图2A和图2B所示，箱体10的第一面和第三面上均设置测气孔101，在实际应用中，可以通过测气孔101方便的测试煤层开采后冒落带、裂隙带、弯曲下沉带中瓦斯气体浓度，也可以测试沿着工作面深度方向上各个位置瓦斯气体浓度。具体地，箱体10的第一面和第三面设置的测气孔101是预先设置的，其中，每个面上分别设置多排测气孔101，且每排中包括多个测气孔101。在本发明实施例中，对预设在第一面和第三面上的测气孔101的数量不做具体的限定。
[0038]如图2C所示，箱体10的第二面上设置进风孔102和回风孔103，其中，设置在第二面上的进风孔102和回风孔103的位置和高度可以根据实际需要进行调整，从而满足各种通风需求;在实际应用中，回风孔103正上方设置有多排瓦斯抽采孔105，每排中相邻的两个瓦斯抽采孔105之间的间距为160mm，瓦斯抽采孔105用于模拟高抽巷抽采瓦斯，确定准确的高抽采巷层位。
[0039]如图2D所示，箱体10的第四面上设置多个传感器出线孔104，且多个传感器出线孔104在第四面上呈多列分布，每列包括多个区域，每个区域内同时包括有多个传感器出线孔104。其中，每个区域内包括的多个传感器出线孔104按中线对称分布。
[0040]在实际应用中，箱体10由多块高强度加筋焊接钢板组成，且为了确保箱体10和现实中的煤矿具有相同的高压密封特点，每个焊接区域都用黑色橡胶密封垫密封。
[0041 ] 举例来说，在实验阶段，实验平台箱体模型的尺寸为3000mm X 2500mm X 1800mm，即长3000mm，宽2500mm，高1800mm。箱体正面、背面由4块高强度加筋焊接钢板组成，左右侧面由2块高强度加筋焊接钢板组成，为保证箱体高压密封，接触面都使用黑色橡胶密封垫。箱体正面和背面预留测气孔，共6排，每排11孔。第一排孔高度与条钢降下后平齐，即与煤层底板平齐。第一排、第二排、第三排孔间距140mm，后面每排间距200mm。通过测气孔可以方便的测试煤层开采后冒落带、裂隙带、弯曲下沉带中瓦斯气体浓度，也可以测试沿着工作面深度方向上各个位置瓦斯气体浓度。箱体的右侧面布置进风孔、回风孔，位置和高度可调节，满足各种通风需求;在回风孔正上方布置有6排瓦斯抽采孔，间距160mm，主要用于模拟高抽巷抽采瓦斯，确定合理的高抽巷层位。左侧面布置传感器出线孔2列，按中线对称布置，间距1400mm，共计60个传感器出线孔。出线孔接口为螺纹联接方式，装上6芯航空接头，传感器插入航空接头内部一侧，数据采集与控制系统插入航空接头外部一侧，确保整个箱体为密闭空间。
[0042]进一步地，箱体10还包括地下基座部分10-1，其中，为了确保基座部分10-1填装待开采煤矿实验模型时以及在液压加载系统产生的加载力作用下不会产生变形，基座由高强度钢板焊接而成，且在基座内安放电磁换向阀组系统和位移传感器接线控制箱。
[0043]具体地，本发明实施例提供的液压开采单元包括液压缸201和条钢202，在实际应用中，采煤机从开切眼开始割煤并向前推进，而在本发明实施例所提供的一种煤与瓦斯共采三维物理模拟综合实验系统中，煤开采过程是用液压缸201带动条钢202的下降来模拟采煤过程。
[0044]本发明实施例中，模拟煤层开采的条钢202长1600mm，按照相似比1:100，煤层工作面长160m。通过特殊的加长设计，还可模拟180m、200m的工作面开采。其中，加长设计可以在每个条钢两边增加条钢加长块203。每个条钢的宽度有三种规格，40mm、50mm、60mm，高为120mm,即最大可模拟厚度12m煤层。条钢按照宽40mm、50mm、60mm; 40mm、50mm、60mm循环布置。工作面推进距离可以模拟到200m。
[0045]具体地，每个条钢202下部用2个并联的液压缸201支撑，液压缸201采用法兰式与箱体10底部连接，内杆穿过箱体10钢板支撑条钢。两个液压缸201并联刚性联接，通过三位四通电磁换向阀改变油缸的的升/降/停，能够保证两个油缸升降同步。条钢202的高度由位移传感器204测量数据，时时传输给数据采集终端。
[0046]在实际应用中，实验开始之前，液压缸201将所有的条钢202升起，升起高度根据待采煤层上覆岩层层位、厚度按照相似准则填铺新型物理相似材料，此时为煤层未受采动影响的原始煤岩状态。通过控制系统软件降下第一个条钢代表开切眼形成，然后根据时间相似比，依次降下条钢模拟工作面向前推进的过程。采用两个液压缸201支撑条钢，带动条钢202下降的方式来模拟煤矿开采，既可以满足时间效应，也能够保证密封开采，实现了对真实煤层开采过程的模拟。
[0047]具体地，本发明实施例提供的述液压加载单元包括加载机架301和柔性介质302，模拟实际情况下最大加载力为300吨的矿山压力。其中，加载机架301设置在箱体10两侧的导轨上，当在箱体10内当装填待开采煤矿材料时，加载机架301通过电动装置沿着加载导轨305移动到实验台箱体10外侧；当进行模拟实验开采煤矿时，加载机架301到实验台箱体10上部，通过伺服液压缸303对实验模型上部施加载荷。需要说明的是，加载导轨305分别固定在箱体10的两侧。
[0048]进一步地，加载机架301上安装6个伺服液压缸303，单个最大加载力为50吨。每个伺服液压缸303的下部安装高强加载压头304，在箱体10上部铺设自行研制的柔性介质，伺服液压缸303下部安装的高强加载压头304对箱体10施加的刚性力，通过设置在箱体10上部的柔性介质302转变为柔性力。通过上述设置，即可以满足柔性加载的需要，也通过加载机架301巧妙的解决了装填不方便的困难。需要说明的是，在该实验系统中，整套液压加载系统由液体压力传感器、PLC系统、电磁阀组成闭环回路，对整个油路进行程序控制，精确的控制加载力，以达到对矿山压力的真实模拟。
[0049]具体地，本发明实施例所提供的一种煤与瓦斯共采三维物理模拟综合实验系统中的气体注入控制单元包括高压钢瓶，多通配气柜，配气管和分管路501。在实际应用中，随着采煤的进行，原始状态下的平衡态受到扰动，瓦斯气体从煤体或者岩体中散逸出来，在采空区和上隅角聚集。为了模拟瓦斯的产生规律和运移规律，本发明实施例中，箱体10底部充入瓦斯气体，在采空区上方各个层位以及采空区深部方向上布点进行瓦斯浓度、瓦斯流量、瓦斯压力的监测。
[0050]本发明实施例中，气体注入控制单元主要模拟采空区中瓦斯的涌出源，气体由高压钢瓶通过配气管到多通配气柜(缓冲罐、气体压力表、流量控制阀、MF5700气体质量流量计(0-10L/min)、分流控制阀组)，然后经过40路分管路501分别进入条钢202，为了模拟瓦斯的散逸，条钢202上表面均勾的布置着微孔，分管路501通过条钢202上表面布置的微孔一条钢202连通。气源的气体进入配气柜会先流经缓冲罐，达到气体缓冲和稳定压力的作用，然后将充气压力和总流量时时输入电脑。缓冲罐的气体通过分流阀组分别进入对应的多个条钢202上，每路气体流量可通过微调阀门调节，数据由MF5700气体质量流量计显示。
[0051]在实际应用中，气体注入控制单元不仅能精确控制气体的总注入量，也能利用微调阀通过条钢上的微孔控制采空区中某一段瓦斯涌出，实现对采空区瓦斯涌出的真实模拟。
[0052]具体地，本发明实施例所提供的一种煤与瓦斯共采三维物理模拟综合实验系统中的通风巷道单元包括巷道和通风机。巷道设置在箱体10内，通风机与设置在箱体10第二面的进风孔102连接。在实际应用中，矿井通风是将新鲜空气输入矿井下，以增加矿井中氧气的浓度并排除矿井中有害的气体。本发明实施例所提供的一种煤与瓦斯共采三维物理模拟综合实验系统中可以模拟U型、U+L型、Y型等多种通风方式。
[0053]具体地，U型通风方式是煤矿采煤工作面最常见的通风方式，类似于模拟开采原理，沿着工作面开采的方向上(工作面的两个端头)装上两组液压缸201，液压缸201顶上条钢202。在模型装入前，将液压缸201升起一定的高度，待模型晾干以后，降下两组条钢，模拟进风巷道和回风巷道。
[0054]“U+L”型通风工作面排瓦斯巷布置在回风巷外侧，通过联络巷与采空区连通，工作面漏风向工作面后方排瓦斯巷联络巷移动并排出流经区域内的瓦斯。
[0055]在U型通风的基础上，采用有机玻璃和低碳钢板自制巷道模型，模型断面内部尺寸为50mmX40mm(宽X高)；自制电动风门，电路埋于模型中，控制开关放在实验箱体外面。设计专用排瓦斯巷距离回风巷道30m，联络巷间距在30-35m之间。这套装置实现两种通风方式的转变:1关闭电动风门，实现U型通风;2打开电动风门，实现U+L型通风。
[0056]“Y”型通风系统主要是沿空留巷和自成巷道，形成该通风系统。
[0057]本发明实施例中，通风巷道单元既可以模拟煤矿U型、U+L型、Y型等多种通风方式，也可以在同一个模型中实现不同通风方式的转变，从而可已研究不同通风方式下采空区气体流场分布。
[0058]在装填实验模型时铺设管路，利用蠕动栗、瓦斯浓度检测仪、负压检测仪等设备，模拟上隅角插管或埋管抽采、高位巷抽采、高位钻孔抽采、地面垂直钻孔抽采，研究瓦斯抽米规律。
[0059]具体地，本发明实施例所提供的一种煤与瓦斯共采三维物理模拟综合实验系统中测试单元包括至少3类传感器，且上述传感器埋设在箱体10内，设置在箱体10内的传感器分别通过设置在箱体10第四面上的传感器出线孔104与设置在箱体10外的气体测试单元，应力测试单元和微震测试单元电连接。
[0060]在本发明实施例所提供的一种煤与瓦斯共采三维物理模拟综合实验系统中，主要通过气体测试单元中的瓦斯浓度传感器和气体压力传感器来研究瓦斯在采空区域中的运动规律。进一步地，在采空区深度方向上、竖直方向上以及在工作面方向上的三维空间内按实验要求布置瓦斯浓度传感器，通过设置的瓦斯浓度传感器测试出采空区内瓦斯浓度的分布规律。同时也在三维空间中布置气体压力传感器，以监测米空区中气体压力的分布规律。瓦斯浓度传感器与气体压力传感器都是通过数据线传送信号到数据采集箱，然后通过电脑对数据进行存储和分析。
[0061]进一步地，地下岩体在采动以前，由于自重的作用在其内部引起的应力，通常称为原岩应力，因为开采前的岩体处于静止状态，所以原岩体是处于应力平衡状态，当开掘巷道或进行回采工作时，破坏了原来的应力平衡状态，引起岩体内部应力的重新分布，重新分布的应力超过煤岩的极限强度时，使巷道和回采工作面周围的煤，岩发生破坏，这种情况将持续到煤、岩内部重新达到新的应力平衡为止。此时，巷道和回采工作面周围的煤、岩体内形成一个与原岩应力场显然不同的新的应力场，这种由于在地下进行采掘活动而在井巷，硐室及回采工作面周围煤，岩体中和支护物上所引起的力，就叫矿山压力。
[0062]本发明实施例中，为了更好的检测矿压的变化情况，应力测试单元为土应力传感器，多个图应力传感器分别设置在条钢202上。具体地，由于CYG712力敏元件可以利用硅压阻效应，通过微机械加工工艺制作而成，将CYG712力敏元件封装在不锈钢外壳与膜片内，并通过灌充硅油实现压力传导。当敏感元件感受到压力作用时，将会输出一个与压力成正比变化的电压信号。该产品具有优异的静态特性以及较好的动态指标，在动态测量环境中得到广泛应用。
[0063]在实际应用中，土应力传感器可以选择CYG712型土应力传感器，30多个CYG712型土应力传感器分别分布在多个条钢202，以便对模拟矿压的实时观测。
[0064]在实际应用中，通过微震发生产生的频率和能量大小可以判断煤层开采上覆岩层的冒落、裂隙产生，以及裂隙产生在闭合的过程，也可通过其他方法判断出上覆岩层的位移量。
[0065]本发明实施例提供的一种煤与瓦斯共采三维物理模拟综合实验系统中，可以测出采空区及上覆岩层中不同位置的气体压力和瓦斯浓度，通过研究瓦斯在采动裂隙带中的分布及运移规律，确定瓦斯运移规律;可以真实的模拟瓦斯抽采，包括上隅角插管或埋管抽采、高位巷抽采、高位钻孔抽采、地面垂直钻孔抽采，研究瓦斯抽采规律;还可以在煤层底板上布置应力传感器，并将部分应力传感器埋于覆岩层中，从而能够测出岩层底板以及上覆岩层的应力变化规律。
[0066]在测出岩层底板以及上覆岩层的应力变化规律时，由于煤层未开采之前，原岩应力处于平衡状态，随着回采工作面的向前推进，上覆岩层受到扰动，破坏覆岩原有的应力平衡。当工作面推进到距切眼一定距离时，上覆岩层呈现出从产生裂隙到发生离层到最后垮落的动态变化。为了研究这种变化，本发明实施例中采用两种方式进行观测:第一种方式，从模型的上部钻孔预先植入微型观测仪器，对覆岩的变化规律进行一个较为全面的观测；第二种方式，在待开采煤矿模型中预先埋设微震监测探头，根据各个微震监测探头搜集到的能量信号，来分析垮落、破断裂隙、以及采空区重新被压实过程产生的位置和能量。
[0067]综上所述，本发明实施例提供的一种煤与瓦斯共采三维物理模拟综合实验系统，可以测出采空区及上覆岩层中不同位置的气体压力和瓦斯浓度，从而可以确定瓦斯在采动裂隙带中的分布及运移规律;通过真实的模拟瓦斯抽采，包括上隅角插管或埋管抽采、高位巷抽采、高位钻孔抽采、地面垂直钻孔抽采，确定了瓦斯的抽采规律；由于待开采煤层底板上布置应力传感器，并将部分应力传感器埋于覆岩层中，从而能够测出岩层底板以及上覆岩层的应力变化规律;通过微震监测探头，根据各个探头搜集到的能量信号，来分析垮落、破断裂隙、以及采空区重新被压实过程产生的位置和能量。通过以上研究，得到相应的灾害发生规律，为提出确切的治理方案提供可靠的理论基础。
[0068]为了清楚介绍本发明实施例所提供的一种煤与瓦斯共采三维物理模拟综合实验系统，以一个完整的模拟煤与瓦斯共采实验为例，说明本发明实施例所提供的一种煤与瓦斯共采三维物理相似模拟实验系统。
[0069]在模拟实验之前，需要先制备待开采煤矿原料，由于本发明实施例提供的一种煤与瓦斯共采三维物理模拟综合实验系统是一体系统，即需要将待开采煤矿原料直接制备在实验平台箱体内，即在制备待开采煤矿原料前，还需要进行一系列的操作，具体地:
[0070]该模拟煤与瓦斯共采实验结构包括实验平台基座10-1和实验平台箱体10。
[0071]步骤101，将加载机架301，加载压头304，电动葫芦，加载伺服液压缸303，随着加载滑轨305移动到实验平台箱体10侧，方便实验模型装填；
[0072]步骤102，通过操作台控制液压缸201将所有的条钢202撑起，撑起高度根据某一特定矿井的煤层厚度而定，由位移传感器204测定；
[0073]步骤103，在开采条钢202上表面铺设土应力传感器，测试煤层底板的应力变化。其中，土应力传感器的铺设方法包括:沿着煤层走向方向铺设和沿着煤层倾向方向铺设，以及在煤壁中铺设。
[0074]步骤104，通过相似理论计算，得到针对某一特定矿井的煤岩特性，得到相似材料的配比。按照计算好的模型，制作各层所需相似材料的量，分别称出其重量，加水将各种配料装入搅拌装置内，搅拌均匀，将搅拌均匀的材料倒入实验平台箱体10中。
[0075]步骤105，针对某一特定矿井的岩层柱状图，按照配比，继续配出第二层相似材料，搅拌后装入实验平台箱体702中，以此类推，完成实验模型制作。需要说明的是，完成后的模型尺寸为3mX2.5mX 1.Sm。在模型铺设的过程中，按照实验方案中所观测的数据，将测试系统中的应力传感器、气体浓度传感器、气体压力传感器以及微震监测探头埋入模型适当的层位，实现立体监测。通过实验平台箱体10的测气孔101，将内径2mm的聚四氟乙烯管埋入相应的位置，测试气体浓度变化。通过实验平台箱体10上的瓦斯抽采孔105，将内径20mm的聚四氟乙烯管埋入模型，模拟瓦斯抽采高抽巷。
[0076]步骤106，本发明实施例一所提供的一种煤与瓦斯共采三维物理模拟综合实验系统中，当实验平台箱体702内待开采煤矿模型装填好以后，将实验平台箱体10的上、下、左、右、前和后的高强度加筋钢板(共计6块)拆除，待模型晾干，约6个月。
[0077]需要说明的是，待开采煤矿模型晾干后，将实验平台箱体10上、下、左、右、前和后的高强度加筋钢板(共计6块)安装，接缝处全部使用橡胶垫，保证整个箱体密封。
[0078]步骤107，实验开始时，将可控风量、风压的通风机与实验平台箱体10上进风口102通过软管连接。并降下通风液压缸，以及降下第一组开采液压缸201形成切眼，自然形成进回风巷道。按照某矿井的实际风量，计算出模型风量，对实验模型进行通风。
[0079]步骤108，开始模拟加载，将加载机架301，加载压头304，电动葫芦，加载伺服液压缸303，随着加载滑轨305移动到实验平台箱体10上部，用高强度螺栓成排固定在实验平台基座10-1上。将自研柔性加载材料302放在模型上部。启动控制平台，通过电脑控制电磁阀，使6个伺服液压缸对模型施加载荷，整套液压加载系统由液体压力传感器、PLC系统、电磁阀组成闭环回路，对整个油路进行程序控制，精确的控制加载力，以达到对矿山压力的真实模拟。
[0080]需要说明的是，实验开始时通过分管路501对模型进行气体注入，模拟瓦斯涌出规律。
[0081 ]步骤109，启动数据采集系统。瓦斯气体参数采集，包括瓦斯气体浓度、压力的测试;应力参数采集，包括底板应力分布的测试以及上覆岩层在采动影响下应力的变化规律；微震监测数据采集，通过微震发生产生的频率和能量大小判断煤层开采上覆岩层的冒落、裂隙产生，以及裂隙产生在闭合的过程，也可通过其他方法判断出上覆岩层的位移量。
[0082]步骤110，通过控制平台，降下第二组开采液压缸201，模拟工作面向前推进。然后依次降下第三组、第四组...的开采液压缸，模拟工作面向前推进过程。
[0083]步骤111，实验结束后，整理分析数据，得到瓦斯运移规律的模拟、瓦斯抽采规律的模拟、矿山压力分布规律的模拟、覆岩运动规律的研究等，对煤矿的安全生产提供指导。
[0084]显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
【主权项】
1.一种煤与瓦斯共采三维物理模拟综合实验系统，其特征在于，包括: 箱体，液压开采单元，液压加载单元，通风巷道单元，气体注入控制单元和测试单元； 所述箱体的第一面和与所述第一面相对的第三面上均设置测气孔，所述箱体的第二面上设置有进风孔，回风孔和瓦斯抽采孔，所述箱体的第四面上设置有传感器出线孔； 所述液压开采单元包括液压缸和条钢，两个所述液压缸并联支撑所述条钢，且两个所述液压缸与所述箱体底部连接； 所述液压加载单元包括加载机架，所述加载机架设置在所述箱体两侧的导轨上，所述导轨分别固定在所述箱体的两侧； 所述通风巷道单元包括巷道和通风机，所述巷道设置在所述箱体内，所述通风机与设置在所述箱体第二面上的进风孔连接； 所述气体注入控制单元包括高压钢瓶、多通配气柜、配气管和分管路;所述高压钢瓶通过所述配气管与所述多通配气柜连通，所述配气管与分管路联通;所述分管路穿过所述箱体底部，与所述条钢连通； 所述测试单元包括至少3类传感器，所述气体测试传感器、应力测试传感器和微震监测探头埋设在所述箱体内，数据线分别通过箱体的所述出线孔连接到数据采集和分析单元。2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述测气孔成排分布在所述第一面和所述第三面上，且每排包括多个所述测气孔； 位于所述第一面和所述第三面上的第一排测气孔的高度与下降后的所述条钢具有相等的高度，其中，所述第一面和所述第三面上的所述第一排测气孔与所述箱体底部相邻。3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述瓦斯抽采孔设置在所述回风孔上方，相邻所述瓦斯抽采孔之间的距离为160mm。4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述条钢的宽度包括40mm，50mm或60mm，且所述条钢的高度为120mm; 所述条钢升起或降下的高度由与所述条钢连接的位移传感器测定，升起或降下的高度通过电脑设定。5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述液压加载单元还包括柔性介质； 所述加载机架上设置6个伺服液压缸，所述伺服液压缸下部安装高强压头，通过设置在箱体上的所述柔性介质，将所述压头对所述箱体中实验模型的刚性力转变为柔性力。6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述条钢上表面均匀设置微孔，多个所述分管路分别通过所述微孔与所述条钢连通。7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，与所述气体测试单元电连接的传感器包括瓦斯浓度传感器和气体压力传感器;所述瓦斯浓度传感器和所述气体压力传感器通过数据线传送采集到的信号。8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，与所述应力测试单元电连接的传感器为土应力传感器，多个所述土应力传感器分别设置在条钢上。9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，与所述微震测试单元电连接的传感器为微震监测探头，所述微震监测探头预先设置在待采集煤层或者岩层内。
【文档编号】G01N33/22GK106053755SQ201610309522
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月8日
【发明人】李树刚, 林海飞, 魏宗勇, 肖鹏, 潘红宇, 赵鹏翔, 刘超, 成连华, 丁洋, 杨守国, 李莉, 许满贵
【申请人】西安科技大学