【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及煤矿安全领域，具体涉及一种离层注浆全阶段的采空区流场相似模拟设备及方法；适用于离层注浆条件下采空区流场的分析和研究。
技术介绍
1、我国煤矿“三下”(建筑物下、铁路下、水体下)压煤较为普遍，开采导致的采空区塌陷将造成地表沉陷，对生态环境和建筑设施将造成严重破坏。采用离层注浆技术，通过地面钻孔对离层进行注浆充填，在离层内浆液沉淀形成充填体的同时，人为干扰了采空区破碎岩体的压缩过程，改变采空区内部漏风情况。煤自燃主要发生在难以监测的采空区内部，离层注浆导致难以预测采空区自燃危险区和自燃发火位置，造成灭火效果不佳，因此，有必要建立一定的技术方法研究离层注浆附加应力作用下采空区流场的气体流动规律，指导现场采空区煤自燃危险区域的划分和煤自燃的防控。
2、近年来，学者在实验室里采用物理模拟对综放工作面采空区流场及煤自燃问题进行研究。目前，已有的采空区物理模型多是用碎石、碎煤等填充形成采空区，这些填充物上部未加载上覆岩层形成压力，或有加压装置但受设备限制无法实现采空区受压后破碎压实的过程以及离层注浆的附加应力施加过程。
技术实现思路
1、针对上述存在的技术不足，本专利技术的目的是提供一种离层注浆全阶段的采空区流场相似模拟设备及方法，其选取橡胶材料代替破碎煤岩体，通过相似理论，利用同步加压的方式设定采离层注浆对采空区附加的矿压，通过较小的压力实现采空区承压多孔介质的流动环境，进而实现分析采空区流场的作用规律。
2、为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案
3、本专利技术分为相似材料承压实验和离层注浆相似实验两部分。
4、相似材料及破碎原煤岩的承压实验：
5、为了保证相似材料模拟采空区岩石的压缩过程的准确性，需要进行实验测试橡胶相似材料的应力-形变曲线与现场煤岩的应力-形变曲线保持相同函数型曲线，且通过控制橡胶的块体粒径和形状，使其在相同体积下与破碎煤岩保持相同的初始空隙率和分形维数，在宏观上承压实验材料的初始空隙率为：
6、
7、其中为初始空隙率；m为试样质量，kg；ρ为试样密度，kg/m3；q为试样横截面面积，m2；h为破碎试样的初始装料高度，m。
8、设m1为原始材料的质量，ρ1为原始材料的密度，m2为相似材料的质量，ρ2为相似材料的密度。则当m1ρ2＝m2ρ1时相似材料与材料原型具有相同的初始空隙率。
9、进行侧向受限的轴向承压实验，压实过程中轴向应力与空隙率之间具有一定的相关性，根据二者实验的关系，定义其轴向应力计算公式为:
10、
11、其中σ为轴向应力，mpa；a、b为回归系数，通过承压实验曲线确定；为空隙率减小量；
12、进而建立相似实验的应力施加计算公式为：
13、
14、式中，σ1为原始材料的轴向应力；a1、b1为原始材料的回归系数；a2、b2为相似材料的回归系数；σ2为相似材料的轴向应力。
15、确定需施加给原始煤岩材料的轴向应力后，带入公式计算可得对应需施加给相似材料的轴向应力。
16、离层注浆相似实验：
17、本专利技术提供一种离层注浆全阶段的采空区流场相似模拟设备，包括模拟采空区的采空区箱体、通风注气系统、加压系统、加热测温系统、取气测气系统；
18、所述采空区箱体内部设有模拟层，所述模拟层包括从上到下逐层布置的上覆岩层相似材料、裂隙带相似材料以及设有进回风巷和工作面的垮落带相似材料；所述上覆岩层相似材料与采空区箱体顶板之间布置有若干用于对模拟层施压的加压系统；
19、所述通风注气系统包括气体注入系统和通风系统，所述气体注入系统用于控制ch4和n2混合气体进入采空区箱体底部，通风注气系统内的主管路连通工作面并且设有释放气体的小孔，使得气体能够缓慢进入采空区垮落带相似材料和裂隙带相似材料内部；
20、所述通风系统还包括连通工作面的风机；工作面与进回风巷连通，并设有均匀排列的多个孔洞模拟工作面漏风；
21、所述取气测气系统包括设在模拟层内的取气装置，取气装置设在预设的取气点并连通外部气象色谱仪，所述气象色谱仪、加压系统电性连接工业计算机。气象色谱仪可分析o2、ch4、co2、n2、cxhy等气体组分的比重。
22、所述加热测温系统包括设在取气点的热电阻测温器和设在采空区箱体底部的加热板，所述热电阻测温器与外部温度采集仪电连，所述加热板与采空区温度控制器电连，用于控制模拟层的温度。
23、优选地，所述加压系统包括相互适配的薄型液压千斤顶、液压控制阀、液压传感器，各个加压系统彼此之间电性连接，采用电液伺服技术和同步分压控制回路，接收由工业计算机发出并经plc放大传输的电信号，驱动薄型液压千斤顶连接的液压控制阀操纵薄型液压千斤顶的动作，实现薄型液压千斤顶的程序化加压。液压传感器将显示信息传输至工业计算机，根据显示数据实现各个加压系统的分压控制。
24、优选地，所述加压系统内的薄型液压千斤顶连通采空区箱体外部的油箱和液压泵，所述液压泵的出口设有单向阀。
25、优选地，所述气体注入系统包括两个分别用于存储ch4和n2的高压气瓶，所述高压气瓶出口连接的管道上依次布置有减压阀、稳压阀、稳流阀、压力表、气阻以及流量传感器，两支管道在连接流量传感器后并入主管路，所述主管路伸入采空区箱体内垮落带相似材料的底部。
26、本专利技术还提供一种采用所述离层注浆全阶段的采空区流场相似模拟设备的使用方法，包括以下步骤：
27、s1、测试实验所需模拟的煤矿采空区内煤岩体的岩石力学参数实际情况，选择对应的橡胶相似材料，保证橡胶相似材料与原始材料即真实的破碎岩石具有相似的分形维数；且通过控制橡胶的块体粒径和形状，使橡胶相似材料与原始材料的质量和密度关系满足m1ρ2＝m2ρ1，在相同体积下与破碎煤岩保持相同的初始空隙率；
28、s2、进行两种材料侧向受限条件下的轴向承压实验，定义其轴向应力-空隙率变化量模型为:
29、
30、其中σ为轴向应力，pa；a、b为回归系数，通过承压实验曲线确定；为空隙率减小量；
31、通过实验确定相似材料和原始材料的模型系数；
32、s3、计算相似实验的等效应力施加量，其计算公式为：
33、
34、式中，σ1为原始材料的轴向应力；a1、b1为原始材料的回归系数；a2、b2为相似材料的回归系数；σ2为相似材料的轴向应力；
35、s4、按照采空区垮落带的粒径分布规律及承压实验结果铺设垮落带相似材料，在垮落带相似材料上方铺设裂隙带相似材料，并在上覆岩层相似材料上方按照注浆钻孔位置布置薄型液压千斤顶，薄型液压千斤顶下方需是完整石块且上表面保持水平，薄型液压千斤顶上方与采空区箱体顶板接触；上覆岩层相似材料由石膏粉和硼砂混合形成。
36、s5、开启连通采空区箱体底部的气体注入系统，控制n2缓慢通入采空区本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种离层注浆全阶段的采空区流场相似模拟设备，其特征在于，包括模拟采空区的采空区箱体(13)、通风注气系统、加压系统、用于控制模拟层的温度的加热测温系统、取气测气系统；
2.如权利要求1所述的一种离层注浆全阶段的采空区流场相似模拟设备，其特征在于，所述加压系统包括相互适配的薄型液压千斤顶(12)、液压控制阀、液压传感器，各个加压系统彼此之间电性连接，采用电液伺服技术和同步分压控制回路，接收由工业计算机(19)发出并经PLC放大传输的电信号，驱动薄型液压千斤顶(12)连接的液压控制阀操纵薄型液压千斤顶(12)动作，实现薄型液压千斤顶的(12)加压工作；液压传感器将显示信息传输至工业计算机(19)，根据显示数据实现各个加压系统的分压控制。
3.如权利要求1所述的一种离层注浆全阶段的采空区流场相似模拟设备，其特征在于，所述加压系统内的薄型液压千斤顶(12)连通采空区箱体(13)外部的油箱(8)和液压泵(9)，所述液压泵(9)的出口设有单向阀(11)。
4.如权利要求1所述的一种离层注浆全阶段的采空区流场相似模拟设备，其特征在于，所述气体注入系统包括
5.如权利要求1所述的一种离层注浆全阶段的采空区流场相似模拟设备，其特征在于，所述加热测温系统包括设在取气点的热电阻测温器和设在采空区箱体(13)底部的加热板，所述热电阻测温器与外部温度采集仪电连，所述加热板与采空区温度控制器(21)电连，用于控制模拟层的温度。
6.一种采用如权利要求1所述离层注浆全阶段的采空区流场相似模拟设备的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
7.如权利要求6所述的使用方法，其特征在于，
...【技术特征摘要】
1.一种离层注浆全阶段的采空区流场相似模拟设备，其特征在于，包括模拟采空区的采空区箱体(13)、通风注气系统、加压系统、用于控制模拟层的温度的加热测温系统、取气测气系统；
2.如权利要求1所述的一种离层注浆全阶段的采空区流场相似模拟设备，其特征在于，所述加压系统包括相互适配的薄型液压千斤顶(12)、液压控制阀、液压传感器，各个加压系统彼此之间电性连接，采用电液伺服技术和同步分压控制回路，接收由工业计算机(19)发出并经plc放大传输的电信号，驱动薄型液压千斤顶(12)连接的液压控制阀操纵薄型液压千斤顶(12)动作，实现薄型液压千斤顶的(12)加压工作；液压传感器将显示信息传输至工业计算机(19)，根据显示数据实现各个加压系统的分压控制。
3.如权利要求1所述的一种离层注浆全阶段的采空区流场相似模拟设备，其特征在于，所述加压系统内的薄型液压千斤顶(12)连通采空区箱体(13)外部的油箱(8)和液压泵(9)，所述液压泵(9)的出口设有...
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