一种用于煤层开挖的三维固液耦合相似模拟系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种用于煤层开挖的三维固液耦合相似模拟系统及方法，属于煤矿开采模拟技术领域，解决了现有三维固液耦合相似模拟操作复杂、成本高以及模拟结果可靠性差的问题。模拟系统包括箱体、容器和天平，箱体内部自上而下设有上覆地层、煤层和下覆地层，煤层由石蜡制成，上覆地层和下覆地层由岩土颗粒材料制成；煤层和下覆地层之间设有加热装置；箱体的侧壁设有出料口，出料口位于煤层与煤层底板的交界处，出料口通过导管与容器连接，容器置于天平上。本发明专利技术的模拟系统及方法实现了三维固液耦合相似模拟试验中对煤层开挖的模拟，模拟结果更加可靠。

A Three-dimensional Solid-liquid Coupled Similarity Simulation System and Method for Coal Seam Excavation

【技术实现步骤摘要】
一种用于煤层开挖的三维固液耦合相似模拟系统及方法
本专利技术涉及煤矿开采模拟
，尤其涉及一种三维固液耦合相似模拟的煤层开挖方法。
技术介绍
为了提高煤矿开采效率和安全性，在煤矿开采前往往采用三维固液耦合相似模拟实验进行煤矿开采模拟。三维固液耦合相似模拟实验是通过在实验箱体中按比例铺设岩土颗粒材料，依据具体的现场情况，对实际地层结构进行仿真构造，模拟实际开采过程并检测记录先关参数，所得结果具有研究价值。在整个模拟过程中，煤层开挖环节是整个实验的关键性所在。目前存在一些方法，比如通过特定媒介或装置，手动对模拟煤层进行开挖，但此种方法操作复杂，对模拟整体产生扰动以及开挖程度不精确；还有一种方法是利用液压装置，将其置于模型中，通过升压、卸压来模拟煤层开挖，但这种方法制作和操作复杂、模型体积大以及实践成本高；其他还有通过放置水袋的方法，通过放出水袋中的水来模拟煤层开挖，但水袋的在储水时形状难以控制，无法达到准确模拟煤层形状及其支撑作用的要求。因此，针对现有三维固液耦合相似模拟装置的不足，急需一种便捷安全、经济合理，又能保证模拟结果准确可靠的煤层开挖模拟方法。
技术实现思路
鉴于上述的分析，本专利技术旨在提供一种用于煤层开挖的三维固液耦合相似模拟系统及方法，用以解决现有三维固液耦合相似模拟操作复杂、成本高以及模拟结果可靠性差的问题。本专利技术的目的主要是通过以下技术方案实现的：一方面，提供一种用于煤层开挖的三维固液耦合相似模拟系统，包括箱体、容器和天平，箱体内部自上而下设有上覆地层、煤层和下覆地层，煤层由石蜡制成，上覆地层和下覆地层由岩土颗粒材料材料制成；煤层和下覆地层之间设有加热装置；箱体的侧壁设有出料口，出料口位于煤层与煤层底板的交界处，出料口通过导管与容器连接，容器置于天平上。进一步地，箱体为硬质透明材料制成的长方体结构。进一步地，加热装置设有温度控制器和开关。进一步地，加热装置设于煤层和与其直接接触的下覆岩层之间。进一步地，石蜡包括熔点47℃～64℃的普通石蜡、熔点85℃的棕榈蜡中的一种或两种。进一步地，岩土颗粒材料包括石英砂、重晶石粉、水泥、二甲基硅油、碳粉和水。进一步地，加热装置设有加热板，加热板由多个矩形加热片组成。进一步地，每个加热片均能独立加热且加热功率可调。进一步地，容器的长宽与箱体的长宽相同，容器的底板为倾斜、平整、凹凸和波浪中的一种以及多种。另一方面，还提供一种用于煤层开挖的三维固液耦合相似模拟方法，采用上述用于煤层开挖的三维固液耦合相似模拟系统进行模拟，包括如下步骤：步骤一：根据待模拟地层条件确定待模拟煤层的厚度以及上覆地层、下覆地层的岩层、层数及厚度参数；步骤二：依据步骤一确定的参数安装模型；步骤三：启动加热装置，进行煤层开挖模拟；依据煤层开挖顺序及速度，打开温度控制器和开关，调节加热装置的温度控制石蜡融化速度，融化的液态石蜡经导管流入容器中；天平实时称量容器的重量，监测容器质量的增长速度变化，获得煤层开挖速度的模拟结果。与现有技术相比，本专利技术至少具有如下有益效果之一：a)本专利技术提供的用于煤层开挖的三维固液耦合相似模拟系统，利用石蜡模拟待开采煤层，石蜡包括两种，普通石蜡(熔点47℃～64℃)和棕榈蜡(熔点85℃)，分别模拟软质煤、硬质煤层或者分别模拟构造地质条件复杂、简单的煤层，能够模拟各种复杂地层条件下的煤层开挖，比如，普通石蜡可模拟煤质较软、厚度较薄或者分布起伏较大的煤层，且可模拟其在上覆岩层重力作用下的破碎特征，棕榈蜡可模拟煤质较硬、分布稳定、形状规则的煤层，其形状固定且受上覆岩层影响较小。此外，两种石蜡均具有防水的功能，可减少煤层开挖后水渗入材料内部对试验结果的影响。模拟结果可靠，不仅能够用于教学实验，还能用于煤矿开采生产前的模拟，具有广泛应用前景。b)本专利技术提供的用于煤层开挖的三维固液耦合相似模拟系统，加热装置能够对煤层不同位置进行加热，且加热速率、加热方式等均可调，通过设定不同的参数可以模拟煤层的不同开挖方法、开挖速度、开挖区域等，更真实、更具体地模拟工程现场中的实际操作，模拟条件更科学，模拟结果更可靠；同时，通过设置流量计和天平，石蜡融化后，天平通过测取其液体质量，可监测煤层开挖数量，对试验的过程进度进行掌控；流量计通过测取石蜡融化后形成的液体的流速来确定煤层开挖速度以及上覆岩层塌陷、沉降速度，更准确的控制试验进行的快慢，设计构思巧妙，实现了模拟过程可控性。c)本专利技术提供的用于煤层开挖的三维固液耦合相似模拟系统，所用石蜡融化后，由特定容器收集，可进行二次利用，节约环保，成本较低；将容器设置为待模拟煤层特定形状，融化后的石蜡直接凝固成待模拟煤层，不必重新融化石蜡再等其凝固，减少实验中间等待环节，提高实验效率；此外，进行二次利用的石蜡与进行第一次试验的石蜡成分组成、品性等级完全一致，保证了试验材料的力学性质参数相同，最大程度地降低了对试验所造成的误差。d)本专利技术提供的用于煤层开挖的三维固液耦合相似模拟方法，通过使用石蜡仿真实现三维固液耦合相似模拟的煤层开挖，首先可以控制其模拟煤层的形状，煤层的尺寸如煤厚等更容易且更精确地控制，其次通过融化石蜡来模拟煤层开挖，对整个系统没有扰动和影响，且由于石蜡较容易做成多个不同的形状，通过控制加热装置不同区域局部加热，使煤层开挖的程度更加简单和精确。此外，石蜡融化后进入容器，冷却后可二次利用，成本低且符合环保理念。而且，由于温度控制器和天平的使用，可以将所有控制条件参数化，所得结果更加准确可信。本专利技术中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本专利技术的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本专利技术而了解。本专利技术的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。附图说明附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本专利技术的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。图1为实施例中用于煤层开挖的三维固液耦合相似模拟系统的结构示意图；图2为实施例中加热装置的结构示意图；图3为实施例中石蜡模拟煤层的示意图一；图4为实施例中石蜡模拟煤层的示意图二；图5为实施例中石蜡模拟煤层的示意图三；图6(a)至(f)为实施例中加热装置的加热板布置示意图。附图标记：1-箱体；2-煤层；3-上覆地层；4-导管；5-加热装置；6-温度控制器；7-开关；8-容器；9-天平；10-加热片；11-下覆地层。具体实施方式下面结合附图来具体描述本专利技术的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本专利技术的实施例一起用于阐释本专利技术的原理，并非用于限定本专利技术的范围。本专利技术的一个具体实施例，公开了一种用于煤层开挖的三维固液耦合相似模拟系统，如图1至图2所示，包括箱体1、容器8和天平9，箱体1内部自上而下设有上覆地层3、煤层2和下覆地层11，即箱体1内部设有煤层2以及位于煤层2上方的上覆地层3、位于煤层2下方的下覆地层11，其中，煤层2为石蜡制成的固状结构，也即采用石蜡模拟煤层2，石蜡受热融化用于模拟煤层开挖，煤层2的上覆地层3和下覆地层11由岩土颗粒材料制成，即煤层2上、下不同岩性的岩层由岩土颗粒材料模拟；煤层2和下覆地层11之间设有加热装置5，示例性的，加热装置5设于煤层2的底本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于煤层开挖的三维固液耦合相似模拟系统，其特征在于，包括箱体(1)、容器(8)和天平(9)，箱体(1)内部自上而下设有上覆地层(3)、煤层(2)和下覆地层(11)，所述煤层(2)由石蜡制成，所述上覆地层(3)和下覆地层(11)由岩土颗粒材料材料制成；煤层(2)和下覆地层(11)之间设有加热装置(5)；箱体(1)的侧壁设有出料口，出料口位于煤层(2)与煤层底板的交界处，出料口通过导管(4)与容器(8)连接，所述容器(8)置于天平(9)上。

【技术特征摘要】
1.一种用于煤层开挖的三维固液耦合相似模拟系统，其特征在于，包括箱体(1)、容器(8)和天平(9)，箱体(1)内部自上而下设有上覆地层(3)、煤层(2)和下覆地层(11)，所述煤层(2)由石蜡制成，所述上覆地层(3)和下覆地层(11)由岩土颗粒材料材料制成；煤层(2)和下覆地层(11)之间设有加热装置(5)；箱体(1)的侧壁设有出料口，出料口位于煤层(2)与煤层底板的交界处，出料口通过导管(4)与容器(8)连接，所述容器(8)置于天平(9)上。2.根据权利要求1所述的用于煤层开挖的三维固液耦合相似模拟系统，其特征在于，所述箱体(1)为硬质透明材料制成的长方体结构。3.根据权利要求1所述的用于煤层开挖的三维固液耦合相似模拟系统，其特征在于，所述加热装置(5)设有温度控制器(6)和开关(7)。4.根据权利要求1所述的用于煤层开挖的三维固液耦合相似模拟系统，其特征在于，所述加热装置(5)设于煤层(2)和与其直接接触的下覆岩层之间。5.根据权利要求1所述的用于煤层开挖的三维固液耦合相似模拟系统，其特征在于，所述石蜡包括熔点47℃～64℃的普通石蜡、熔点85℃的棕榈蜡中的一种或两种。6.根据权利要求1所述的用于煤层开挖的三维固液耦合相似模拟系统，其特征在于，所述岩土颗粒材料包括石英砂、重晶...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚强岭，于利强，王伟男，吴宝杨，黄庆享，刘晓丽，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32