3、后挡板4、左活动挡板5、右活动挡板6和底板2。理论上，固体充填相似材料模具I的前后内边缘距离与二维物理模型的厚度相等。为了避免上层岩层下沉过程中与固体充填相似材料模具I的内壁摩擦影响实验效果，根据实际情况将底板2稍稍加长，本实施例中底板2比二维物理模型的厚度加大了 4mm。
[0026]所述前挡板3和后挡板4可分离的连接于所述底板2的前后两侧，前挡板3和后挡板4由透明材料制成，本实施例中采用有机玻璃板。底板2在满足强度和刚度条件下尽可能薄，本实施例中的底板2由高强度钢板制成。本实施例中前挡板3与底板2之间采用螺栓连接，前挡板3的固体充填相似材料模具I内侧表面采用沉头螺杆形式，以避免造成前挡板3的固体充填相似材料模具I内侧表面的不平整。后挡板4与底板2采用螺钉连接方式。
[0027]所述左活动挡板5和右活动挡板6设置在所述底板2的左右两侧，所述模具本体包括前挡板3、后挡板4、左活动挡板5、右活动挡板6和底板2围合成放置固定充填材料的盆状结构。所述后挡板4上开设有通线孔7，所述压力传感器9位于所述固体充填相似材料内，压力传感器9的信号输出端通过信号线)经后挡板上的通线孔7向模具本体的外部引出。固体充填相似材料模具I的高度与煤层开采厚度相同。
[0028]在有些情况下，很难做到固体充填相似材料模具I的高度与模型中煤层开采高度完全一致。在本实施例中，在固体充填相似材料模具I内部装填完充填材料后，将后挡板4撤掉，利用固体充填相似材料的粘结力保持自立，将固体充填相似材料模具I连同固体充填相似材料插入开采空间，装上后挡板4，用螺钉固定后挡板4和底板2，这样就避免了后挡板4对顶板可能造成的损伤。底板2的底部应光滑平整，以避免插入开采空间时对底板造成破环。在本实施例中，底板2的底部采用抛光处理。
[0029]与上述实验装置相对应的，还公开了一种固体充填法采煤二维物理模拟实验方法，所述方法包括如下步骤:
[0030]( I)在所述实验前，首先在煤层开采过程中实际充填材料在实际压实度条件下的压缩曲线。
[0031](2)根据实际充填材料在实际压实度条件下的压缩曲线和应力相似条件配置固体充填相似材料，确定固体原料的颗粒级配、配合比例、混合材料的水含量及起始压实程度；
[0032](3)根据工程实际煤层赋存情况，遵循相似原理，在二维物理模拟实验台10上堆筑岩层物理模型13。堆筑过程中，根据要研究问题的实际情况，在煤岩层内部设定位置埋设压力传感器9，引出压力传感器信号线8，以方便记录煤岩层内部的压力变化情况，待模型晾干后，在模型表面布设位移测点11。
[0033](4)计算固体充填相似材料模具I的底部面积，按照实验所得的压实度，需要模拟的充填率计算所需固体充填相似材料的多少，将固体充填相似材料均匀装入固体充填相似材料模具1，向下压至需要模拟的充填率高度，在压实过程中需要保证压实的均匀。
[0034](5)在固体充填相似材料上面加盖一层塑料薄膜，减小因水分的蒸发对固体充填相似材料性质的影响，亦避免顶板岩层遇水后性质发生变化。
[0035](6)在需开采煤层的设定位置上开切眼，然后放置模拟支架12，模拟液压支架对顶板的作用。模拟支架12上设置了压力传感器9。在工作面进行煤层开采第一步。向左移动模拟支架12，将固体充填相似材料模具I连同固体充填相似材料插入开采空间，抽出右活动挡板6，将固体充填相似材料模具I整体右移，弥补抽出右活动挡板6形成的固体充填相似材料与煤壁的缝隙。依照几何和时间相似条件开挖第二步，向左移动模拟支架12，然后充填第二步。之后抽出第一次充填的左活动挡板5和第二次充填的右活动挡板6，并将第二次充填的固体充填相似材料模具I整体右移，弥补抽出挡板形成的固体充填相似材料间的缝隙。以后的充填开采过程依次类推。根据研究问题的需要，在充填到设定位置时，在固体充填相似材料模具I内的固体充填相似材料中放置压力传感器9，将压力传感器的信号线8穿过通线孔7，放置压力传感器9时，要保证其位置和角度的准确。
[0036](7)在岩层物理模型13的位移监测点放置位移传感器；
[0037](8)在开挖、支护和充填的过程中以及以后的设定时间内，通过仪器测记煤岩层移动变形和破坏情况，并测记模型内部煤岩层和充填体的压力变化。
[0038]所述实验装置用于固体充填法采煤二维物理模拟实验，所述模拟实验具有操作简单，配料精确，测量方便，能预先精确设定固体充填相似材料的压实度的特点。实验中，固体充填相似材料可做到不与采煤层之上的顶板以及之下的底板直接接触，避免了由于水分作用改变顶底板模型材料的性质。固体充填相似材料内部的压力传感器位置和方位准确，能够直观得出固体充填相似材料的变形情况。
【主权项】
1.一种固体充填法采煤二维物理模拟实验装置，其特征在于:所述实验装置包括二维物理模拟实验台(10)以及若干个固体充填相似材料模具(1)，所述二维物理模拟试验台(10)上堆筑有岩层物理模型(13)，所述岩层物理模型(13)的采煤层(14)中设有模拟支架(12)，采煤层(14)的采空区设有固体充填相似材料模具(1)，所述模拟支架(12)和固体充填相似材料模具(I)上设有压力传感器(9)，所述采煤层(14)上下两侧的岩层物理模型上设有位移监测点(U)。
2.根据权利要求1所述的固体充填法采煤二维物理模拟实验装置，其特征在于:所述岩层物理模型(13)的表面设有第一压力调整板(15)，所述第一压力调整板(15)的上表面设有压力调整装置(16)，所述压力调整装置(16)的上端设有第二压力调整板(17)，所述第二压力调整板(17)与所述二维物理模拟实验台(10)固定连接。
3.根据权利要求2所述的固体充填法采煤二维物理模拟实验装置，其特征在于:所述压力调整装置(16)为液压气缸或液压油缸。
4.根据权利要求1所述的固体充填法采煤二维物理模拟实验装置，其特征在于:所述固体充填相似材料模具(I)包括模具本体、模具本体内的固体充填相似材料以及压力传感器(9)，所述模具本体包括前挡板(3)、后挡板(4)、左活动挡板(5)、右活动挡板(6)和底板(2)，所述前挡板(3)和后挡板(4)可分离的连接于所述底板(2)的前后两侧，所述左活动挡板(5)和右活动挡板(6)设置在所述底板(2)的左右两侧，所述模具本体包括前挡板(3)、后挡板(4)、左活动挡板(5)、右活动挡板(6)和底板(2)围合成放置固定充填材料的盆状结构，所述后挡板(4)上开设有通线孔(7)，所述压力传感器(9)位于所述固体充填相似材料内，压力传感器(9)的信号输出端通过信号线(8)经后挡板上的通线孔(7)向模具本体的外部引出。
5.根据权利要求4所述的固体充填法采煤二维物理模拟实验装置，其特征在于:所述固体充填相似材料的上表面设有塑料薄膜。
6.根据权利要求4所述的固体充填法采煤二维物理模拟实验装置，其特征在于:所述前挡板(3)和后挡板(4)由透明材料制成。
7.根据权利要求6所述的固体充填法采煤二维物理模拟实验装置，其特征在于:所述前挡板(3)和后挡板(4)采用有机玻璃板。
【专利摘要】本实用新型公开了一种固体充填法采煤二维物理模拟实验装置，涉及借助于测定材料的化学或物理性质来测试或分析材料技术领域。所述实验装置包括二维物理模拟实验台以及若干个固体充填相似材料模具，所述二维物理模拟试验台上堆筑有岩层物理模型，所述岩层物理模型的采煤层中设有模拟支架，采煤层的采空区设有固体充填相似材料模具，所述模拟支架和固体充填相似材料模具上设有压力传感器，所述采煤层上下两侧的岩层物理模型上设有位移监测点。所述实验装置用于固体充填法采煤二维物理模拟实验，所述模拟实验具有操作简单，测量方便，能预先精确设定固体充填相似材料的压实度的特点。
【IPC分类】G01N3-10
【公开号】CN204536123
【申请号】CN201520068602
【发明人】刘建功, 海龙, 赵利涛, 曾瑞萍
【申请人】河北煤炭科学研究院
【公开日】2015年8月5日
【申请日】2015年1月30日