一种煤层顶底板全向受力状态二维模拟方法技术

本发明专利技术提供了一种煤层顶底板全向受力状态二维模拟方法，属于煤层开采模拟技术领域，该方法依次包括煤层底面水压模拟方法、围岩附加应力和围岩本身抵抗挤压的作用力的模拟方法、煤层回采模拟方法和实验开始条件的判定方法，此四种方法依次用于模拟含水层向上的孔隙水压力及含水层岩体本身抵抗挤压的作用力、模拟煤层在全向受力状态下煤层顶面和侧面围岩的附加应力和围岩本身抵抗挤压的作用力、模拟全向受力状态下煤层的开采过程以及用于在实验开始前条件判定。本发明专利技术一种煤层顶底板全向受力状态二维模拟方法，具有能够模拟实际的煤层顶底板处于全向受力状态下的应力和位移变化，研究实际情况下的煤层围岩变化的技术效果。果。果。

【技术实现步骤摘要】
一种煤层顶底板全向受力状态二维模拟方法


[0001]本专利技术属于煤层开采模拟
，更具体地说，是涉及一种煤层顶底板全向受力状态二维模拟方法。

技术介绍

[0002]煤层的带压开采是指煤层承受着底板含水层向上的水压，具有突水危险情况下的开采。进行带压开采情况下的二维物理模拟研究，对于裂缝形成扩展、顶底板变形破坏、突水机理研究等具有重要意义，具有现象精准直观、高度还原岩体实际等优点，是一种重要研究手段。
[0003]目前对煤层的模拟技术中，对于带压开采的二维物理模拟研究较少或还未成熟，或对带压开采的模拟研究还不充分，尤其是对围岩的加压，围岩底面水压的模拟方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种煤层顶底板全向受力状态二维模拟方法，旨在解决现有技术中对带压开采的二维物理模拟方法的研究不充分的技术问题。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：提供一种煤层顶底板全向受力状态二维模拟方法，包括：
[0006]煤层底面水压模拟方法，煤层底面含水层对上覆岩体向上的力分为两种，一种是含水层内水体向上的水压、另一种是含水层岩体本身抵抗挤压的作用力；煤层底面水压模拟方法用于模拟含水层向上的孔隙水压力及含水层岩体本身抵抗挤压的作用力；
[0007]围岩附加应力和围岩本身抵抗挤压的作用力的模拟方法，适于模拟煤层在全向受力状态下煤层顶面和侧面围岩的附加应力和围岩本身抵抗挤压的作用力；
[0008]煤层回采模拟方法，适于模拟煤层在全向受力状态下煤层的开采过程；
[0009]实验开始条件的判定方法，适于对煤层底面水压、围岩附加应力和围岩本身抵抗挤压的作用力、煤层回采模拟在进行实验开始前的条件的判定，当满足条件时进行实验。
[0010]在一种可能的实现方式中，所述煤层底面水压模拟方法包括以下步骤：
[0011]制作模型，使用相似材料制作实验用的模型，模型包括模拟煤层和模拟煤层周边的岩层；
[0012]在制作模型过程中，在模型内部放入压力传感器和位移传感器，并使压力传感器和位移传感器连接监测设备；
[0013]设置底面加压模块，用于模拟含水层施加于上覆岩体的力，底面加压模块位于模型底部；
[0014]使用加压水设备，向所述底面加压模块内部通入加压水，并使加压水透过所述底面加压模块并流入模型内部，合理控制加压水的压力，以模拟含水层向上的孔隙水压力。
[0015]在一种可能的实现方式中，所述底面加压模块包括：
[0016]多根钢柱，均呈竖直状间隔均布设置，多根所述钢柱共同围成长方体结构，在长方
体结构的四周和下端用钢板焊接形成上端开口的腔室结构；
[0017]第一层钢板，设于多根所述钢柱上端，与所述腔室结构围成封闭状腔室，所述第一层钢板上设置有多个第一孔，所述第一孔用于水流通过，所述第一层钢板用于刚性支撑模型；
[0018]第二层钢板，设于所述第一层钢板上端，设置有多个第二孔，所述第二孔孔径小于所述第一孔孔径，适于模拟实际含水层的孔隙环境，承压水通过所述第二孔作用于所述模型底面，以模拟含水层与上覆岩体接触面的状态；
[0019]进水阀门，一端连通长方体结构的后侧钢板、另一端连通加压水设备，打开所述进水阀门用于向长方体结构内输入水；
[0020]出水阀门，一端连通长方体结构的后侧钢板，打开所述出水阀门用于排出长方体结构内的水；
[0021]玻璃钢管，连通长方体结构的后侧钢板，呈竖直向上设置，外表面设置刻度线；通过所述玻璃钢管读取水位值，换算模型底面的水压值，计算得到底面加压模块对于模型底面的实际水压P，
[0022]P＝ρ
×
g
×
h
[0023]式中，ρ为实验用水的密度，h为玻璃钢管水位与模型底面的高度差；当水压达到设定水压时，即满足底面水压模拟要求。
[0024]在一种可能的实现方式中，所述第一孔孔径为3cm，第一层钢板厚度为2cm，所述钢柱直径为3cm，第二层钢板的厚度为1cm，第二孔孔径为1mm。
[0025]在一种可能的实现方式中，所述围岩附加应力和含水层岩体本身抵抗挤压的作用力的模拟方法包括以下步骤：
[0026]制作好的模型呈长方体型，包括前后左右上下六个侧面；
[0027]将模型的前后侧面均用玻璃钢封闭，将模型的左右上侧面用加压模块抵接模型，所述加压模块用于朝向模型的左右上侧面并推顶挤压模型，使模型处于全向受力状态下；
[0028]通过使用多个所述加压模块对模型挤压推顶，以模拟在全向受力状态下模拟煤层的受到的压力和产生的位移。
[0029]在一种可能的实现方式中，所述加压模块包括：
[0030]气囊，内部充填有气体且充气量能调节；
[0031]挡板，置于所述气囊与所述模型之间，所述挡板上靠近所述气囊的一侧设置有应力盒，所述应力盒用于监测所述气囊对所述挡板的推顶力；
[0032]加压阀，设置在所述挡板靠近所述模型的一侧，用于限位所述挡板向靠近所述模型一侧移动，所述加压阀适于模拟周围岩体的附加应力，确保边界压力达到设定值，压力达到设定值后打开所述加压阀；
[0033]停止阀，设置在所述气囊远离所述模型的一侧，用于限位所述气囊向远离所述模型一侧移动，所述停止阀适于模拟周围岩体本身的有效应力；
[0034]通过向所述气囊内部充填气体，所述气囊增大或缩小，当压力达到设定值时，通过拆卸所述加压阀以使压力作用于所述模型上；当模型应力增大，所述气囊被进一步压缩时，模型壁到达停止阀的位置时停止，所述气囊不能被进一步压缩，用于模拟周围岩体本身抵抗挤压的作用力。
[0035]在一种可能的实现方式中，所述煤层回采模拟方法包括以下步骤：
[0036]在煤层预开采位置埋设煤层开采模具，使煤层开采模具宽度与模型宽度等宽，长度与模拟煤层单次开采长度等长，使模拟煤层的开采循环与实际煤层开采循环一致；
[0037]制作煤层开采模具，其包括模具本体和设于所述模具本体内部的相似材料，所述模具本体包括前活动挡板、后活动挡板、左挡板、右挡板和底板相互组合围成的盆状结构，相似材料位于盆状结构内部；所述前活动挡板和所述后活动挡板可拆卸连接于所述底板的前后两侧，所述左挡板和所述右挡板分别设置在所述底板的左右两侧；
[0038]根据实际煤层的抗压强度，结合应力相似比，配置模型的煤层相似材料；
[0039]将配置好的相似材料放入所述模具本体内，放入过程中要放入压力传感器，制作形成多个煤层开采模具，多个煤层开采模具首尾相接形成模拟煤层；
[0040]将煤层开采模具放置在模型预开采位置，煤层开采模具放置好后，将所述前活动挡板和所述后活动挡板去掉，保持模型整体性；
[0041]使用四个玻璃钢条，代替所述前活动挡板和所述后活动挡板，所述模具本体的前后侧各设置两个所述玻璃钢条，两个所述玻璃钢条能平移且能相互靠近或远离；
[0042]通过同时本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种煤层顶底板全向受力状态二维模拟方法，其特征在于，包括：煤层底面水压模拟方法，煤层底面含水层对上覆岩体向上的力分为两种，一种是含水层内水体向上的水压、另一种是含水层岩体本身抵抗挤压的作用力；煤层底面水压模拟方法用于模拟含水层向上的孔隙水压力及含水层岩体本身抵抗挤压的作用力；围岩附加应力和围岩本身抵抗挤压的作用力的模拟方法，适于模拟煤层在全向受力状态下煤层顶面和侧面围岩的附加应力和围岩本身抵抗挤压的作用力；煤层回采模拟方法，适于模拟煤层在全向受力状态下煤层的开采过程；实验开始条件的判定方法，适于对煤层底面水压、围岩附加应力和围岩本身抵抗挤压的作用力、煤层回采模拟在进行实验开始前的条件的判定，当满足条件时进行实验。2.如权利要求1所述的一种煤层顶底板全向受力状态二维模拟方法，其特征在于，所述煤层底面水压模拟方法包括以下步骤：制作模型，使用相似材料制作实验用的模型，模型包括模拟煤层和模拟煤层周边的岩层；在制作模型过程中，在模型内部放入压力传感器和位移传感器，并使压力传感器和位移传感器连接监测设备；设置底面加压模块，用于模拟含水层施加于上覆岩体的力，底面加压模块位于模型底部；使用加压水设备，向所述底面加压模块内部通入加压水，并使加压水透过所述底面加压模块并流入模型内部，合理控制加压水的压力，以模拟含水层向上的孔隙水压力。3.如权利要求2所述的一种煤层顶底板全向受力状态二维模拟方法，其特征在于，所述底面加压模块包括：多根钢柱，均呈竖直状间隔均布设置，多根所述钢柱共同围成长方体结构，在长方体结构的四周和下端用钢板焊接形成上端开口的腔室结构；第一层钢板，设于多根所述钢柱上端，与所述腔室结构围成封闭状腔室，所述第一层钢板上设置有多个第一孔，所述第一孔用于水流通过，所述第一层钢板用于刚性支撑模型；第二层钢板，设于所述第一层钢板上端，设置有多个第二孔，所述第二孔孔径小于所述第一孔孔径，适于模拟实际含水层的孔隙环境，承压水通过所述第二孔作用于所述模型底面，以模拟含水层与上覆岩体接触面的状态；进水阀门，一端连通长方体结构的后侧钢板、另一端连通加压水设备，打开所述进水阀门用于向长方体结构内输入水；出水阀门，一端连通长方体结构的后侧钢板，打开所述出水阀门用于排出长方体结构内的水；玻璃钢管，连通长方体结构的后侧钢板，呈竖直向上设置，外表面设置刻度线；通过所述玻璃钢管读取水位值，换算模型底面的水压值，计算得到底面加压模块对于模型底面的实际水压P，P＝ρ
×
g
×
h式中，ρ为实验用水的密度，h为玻璃钢管水位与模型底面的高度差；当水压达到设定水压时，即满足底面水压模拟要求。4.如权利要求3所述的一种煤层顶底板全向受力状态二维模拟方法，其特征在于，所述
第一孔孔径为3cm，第一层钢板厚度为2cm，所述钢柱直径为3cm，第二层钢板的厚度为1cm，第二孔孔径为1mm。5.如权利要求2所述的一种煤层顶底板全向受力状态二维模拟方法，其特征在于，所述围岩附加应力和含水层岩体本身抵抗挤压的作用力的模拟方法包括以下步骤：制作好的模型呈长方体型，包括前后左右上下六个侧面；将模型的前后侧面均用玻璃钢封闭，将模型的左右上侧面用加压模块抵接模型，所述加压模块用于朝向模型的左右上侧面并推顶挤压模型，使模型处于全向受力状态下；通过使用多个所述加压模块对模型挤压推顶，以模拟在全向受力状态下模拟煤层的受到的压力和产生的位移。6.如权利要求5所述的一种煤层顶底板全向受力状态二维模拟方法，其特征在于，所述加压模块包括：气囊，内部充填有气体且充气量能调节；挡板，置于所述气囊与所述模型之间，所述挡板上靠近所述气囊的一侧设置有应力盒，所述应力盒用于监测所述气囊对所述挡板的推顶力；加压阀，设置在所述挡板靠近所述模型的一侧，用...

【专利技术属性】
技术研发人员：李延河，赵立松，胡城，张平卿，桑向阳，卢钢，潘竞俊，杨波，赵东，邵敬民，王跃伟，边兵，董新峰，
申请(专利权)人：河北煤炭科学研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：