一種急傾斜煤層矸石充填試驗裝置及試驗方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種急傾斜煤層矸石充填試驗裝置及試驗方法，箱體為傾斜布置，下托板與水平線之間的夾角為45°-70°，下托板上方布置有頂板與底板，頂板與底板之間形成布置空間，該布置空間內布置有仿真煤層塊，仿真煤層塊開挖后在形成的采空區(qū)內填充有仿真矸石，該布置空間的上端設置有填充口，下端設置有開挖口；頂板與上蓋板之間的箱體內填充有仿真巖層顆粒，仿真巖層顆粒的上表面布置有仿真巖層塊。利用高速相機對試驗過程進行拍照，有利于試驗現(xiàn)象的描述，通過調整四根伸縮支架之間的高度，可以實現(xiàn)不同的煤層角度，通過調整左、右兩側調整板的高度，可以實現(xiàn)不同的煤層厚度，通過選擇不同的頂板材料和底板材料，可以實現(xiàn)不同的頂?shù)装孱愋汀?br> 【專利說明】一種急傾斜煤層矸石充填試驗裝置及試驗方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種急傾斜煤層矸石充填試驗裝置及試驗方法。

【背景技術】
[0002]我國急傾斜煤層年產量占全國煤炭總量的8% -10%，而且比例逐年遞增。由于急傾斜煤層賦存角度大、地質構造復雜、頂?shù)装逡谆瑒涌迓洌谏a中存在較多的安全隱患，而且開采工藝復雜，制約了急傾斜煤層的安全高效開采。
[0003]針對急傾斜煤層賦存條件，利用矸石在自重作用下移動對急傾斜煤層的采空區(qū)進行充填，不僅可以有效地減緩煤層頂?shù)装暹\動，減小頂?shù)装宓淖冃?，保證工作面的安全開采，而且可以減少地面排矸量，減小環(huán)境污染，對于實現(xiàn)煤礦安全高效綠色開采具有重要的意義。
[0004]明確采空區(qū)中矸石的運移規(guī)律及充填效果的影響因素，對于提高采空區(qū)矸石充填率，有效地控制煤層頂?shù)装暹\動具有重要的意義。但由于煤層賦存條件復雜，并且采空區(qū)中充滿矸石，內部無法安裝監(jiān)測儀器，矸石在采空區(qū)內的運移過程具有不可見、不可接觸性，為理論研究和現(xiàn)場觀測帶來了很大的困難。因此，通過相似材料模擬試驗來再現(xiàn)開采充填過程，成為研究其內在規(guī)律的一種重要手段。由于急傾斜煤層傾斜角度較大，模型堆砌困難，材料容易倒塌，試驗結果的可靠性也得不到保證，而且改變試驗方案需要重新建立模型進行試驗，耗時費力、工作量大。因此，現(xiàn)有技術有待于更進一步的改進和發(fā)展。


【發(fā)明內容】

[0005]鑒于上述現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種急傾斜煤層矸石充填試驗裝置及試驗方法，以對急傾斜煤層開采采空區(qū)矸石運移規(guī)律及充填效果影響因素進行分析研究。
[0006]為解決上述技術問題，本發(fā)明方案包括:
[0007]—種急傾斜煤層矸石充填試驗裝置，其包括箱體，其中，箱體包括左調整板、右調整板、前擋板、后擋板、下托板與上蓋板，箱體為傾斜布置，下托板與水平線之間的夾角為45° -70° ,下托板上方布置有頂板與底板,頂板與底板之間形成布置空間,該布置空間內布置有仿真煤層塊，仿真煤層塊開挖后在形成的采空區(qū)內填充有仿真矸石，該布置空間的上端設置有填充口，下端設置有開挖口 ；頂板與上蓋板之間的箱體內填充有仿真巖層顆粒，仿真巖層顆粒的上表面布置有仿真巖層塊。
[0008]所述的急傾斜煤層矸石充填試驗裝置，其中，上述頂板面向上蓋板一側的表面上均勻布置有多個位移傳感器；開挖前位于填充口處之仿真煤層塊的上端布置有一壓力傳感器；箱體的正面布置有高速相機，位移傳感器、壓力傳感器、高速相機均與一數(shù)據采集器通信連接。
[0009]所述的急傾斜煤層矸石充填試驗裝置，其中，上述開挖口內設置有卡銷，頂板與左調整板、右調整板均通過連接角板相連接。
[0010]所述的急傾斜煤層矸石充填試驗裝置，其中，上述箱體配置有支撐機構，該支撐機構包括四根伸縮支架，用于調整箱體的傾斜度，其中兩根伸縮支架鉸接在左調整板上，剩余的兩根伸縮支架鉸接在下托板上。
[0011]一種使用所述急傾斜煤層矸石充填試驗裝置的試驗方法，其包括以下步驟:
[0012]A、下托板與水平線之間的夾角在45° -70°之間，上述頂板面向上蓋板一側的表面上均勻布置有多個位移傳感器，在布置空間內放置多個仿真煤層塊，仿真煤層塊連接成串，位于填充口處之仿真煤層塊的上端頭黏貼有壓力傳感器，在開挖口處放置一個卡銷，用于防止仿真煤層塊自由滑落；在頂板與上蓋板之間的箱體內填充有仿真巖層顆粒，仿真巖層顆粒的上表面與填充口位置齊平，在仿真巖層顆粒的上表面布置有仿真巖層塊，仿真巖層顆粒和仿真巖層塊構成了煤層的上覆巖層；
[0013]B、在開挖口處移除一定長度的仿真煤層塊模擬煤層開挖，同步的在填充口處充填仿真矸石模擬采空區(qū)矸石充填；高速相機對仿真矸石的運移過程進行拍照，通過對應傳感器記錄頂板的變形和仿真矸石對仿真煤層塊的作用力；重復步驟B，直至仿真煤層塊開挖完畢、米空區(qū)充填完畢。
[0014]本發(fā)明提供的一種急傾斜煤層矸石充填試驗裝置及試驗方法，充填模型架的前擋板為有機玻璃，可對試驗現(xiàn)象進行直觀的觀察，并利用高速相機對試驗過程進行拍照，有利于試驗現(xiàn)象的描述，通過調整四根伸縮支架之間的高度，可以實現(xiàn)不同的煤層角度，通過調整左、右兩側調整板的高度，可以實現(xiàn)不同的煤層厚度，通過選擇不同的頂板材料和底板材料，可以實現(xiàn)不同的頂?shù)装孱愋?。還可以在急傾斜煤層矸石充填試驗裝置布置對應的傳感器，并配置計算機等數(shù)據采集、分析系統(tǒng)，進而對急傾斜煤層開采采空區(qū)矸石運移規(guī)律及充填效果影響因素進行分析研究，并且可以通過調整急傾斜煤層矸石充填試驗裝置來調整試驗過程中的各個因素，降低了試驗成本。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明中急傾斜煤層矸石充填試驗裝置的主體機構示意圖；
[0016]圖2是本發(fā)明中箱體的剖面結構示意圖；
[0017]其中，
[0018]1-左調整板；2_右調整板；3_如擋板；4_后擋板；5_下托板；6_上蓋板；7-頂板；8-仿真煤層塊；9_仿真矸石；10-填充口 ； 11-開挖口 ； 12-仿真巖層顆粒；13-仿真巖層塊；14-位移傳感器；15-壓力傳感器；16-高速相機；17-數(shù)據采集器；18_卡銷；19-連接角板；20-伸縮支架；21_調節(jié)螺孔組；22_底板。

【具體實施方式】
[0019]本發(fā)明提供了一種急傾斜煤層矸石充填試驗裝置及試驗方法，為使本發(fā)明的目的、技術方案及效果更加清楚、明確，以下對本發(fā)明進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0020]本發(fā)明提供了一種急傾斜煤層矸石充填試驗裝置，如圖1與圖2所示的，其包括箱體，其中，箱體包括左調整板1、右調整板2、前擋板3、后擋板4、下托板5與上蓋板6,箱體為傾斜布置，下托板5與水平線之間的夾角為45° -70°，下托板5上方布置有頂板7與底板22，頂板7與底板22之間形成布置空間，該布置空間內布置有仿真煤層塊8，仿真煤層塊8開挖后在形成的采空區(qū)內填充有仿真矸石9，該布置空間的上端設置有填充口 10，下端設置有開挖口 11 ;頂板7與上蓋板6之間的箱體內填充有仿真巖層顆粒12，仿真巖層顆粒12的上表面布置有仿真巖層塊13。
[0021]在本發(fā)明的另一較佳實施例中，上述頂板7面向上蓋板6 —側的表面上均勻布置有多個位移傳感器14 ;開挖前位于填充口處之仿真煤層塊8的上端布置有一壓力傳感器15 ;箱體的正面布置有高速相機16，位移傳感器14、壓力傳感器15、高速相機16均與一數(shù)據采集器17通信連接，數(shù)據采集器17可以是筆記本電腦、臺式電腦等設備。
[0022]更進一步的，上述開挖口 11內設置有卡銷18，防止仿真煤層塊8自由滑落出開挖口 11，使試驗出現(xiàn)誤差，頂板7與左調整板1、右調整板2均通過連接角板19相連接。
[0023]并且上述箱體配置有支撐機構，該支撐機構包括四根伸縮支架20，用于調整箱體的傾斜度，進而調整布置空間內仿真煤層塊8的傾斜角度，通過調整左、右兩側調整板的高度，可以實現(xiàn)不同的煤層厚度，通過選擇不同的頂板材料和底板材料，可以實現(xiàn)不同的頂?shù)装孱愋?，從而可以對急傾斜煤層開采采空區(qū)矸石運移規(guī)律及充填效果影響因素進行分析更詳盡的研究。其中兩根伸縮支架20鉸接在左調整板I上，剩余的兩根伸縮支架20鉸接在下托板5上，伸縮支架20可以采用液壓支架等技術手段。
[0024]本發(fā)明還提供了一種使用所述急傾斜煤層矸石充填試驗裝置的試驗方法，其包括以下步驟:
[0025]下托板5與水平線之間的夾角在45° -70°之間，上述頂板7面向上蓋板6—側的表面上均勻布置有多個位移傳感器14，在布置空間內放置多個仿真煤層塊8，仿真煤層塊8連接成串，位于填充口處之仿真煤層塊8的上端頭黏貼有壓力傳感器15，在開挖口 11處放置一個卡銷18，用于防止仿真煤層塊8自由滑落出開挖口 11 ;在頂板7與上蓋板6之間的箱體內填充有仿真巖層顆粒12，仿真巖層顆粒12的上表面與填充口 10位置齊平，在仿真巖層顆粒12的上表面布置有仿真巖層塊13，仿真巖層顆粒12和仿真巖層塊13構成了煤層的上覆巖層；
[0026]在開挖口 11處移除一定長度的仿真煤層塊8模擬煤層開挖，同步的在填充口 10處充填仿真矸石9模擬采空區(qū)矸石充填；高速相機16對仿真矸石9的運移過程進行拍照，通過對應傳感器記錄頂板7的變形和仿真矸石9對仿真煤層塊8的作用力；重復此步驟，直至仿真煤層塊8開挖完畢、采空區(qū)充填完畢。顯然的，為了獲取不同的試驗數(shù)據，可以對箱體的傾斜角度、煤層厚度以及頂?shù)装孱愋偷葏?shù)進行調整，重新進行試驗，進而降低試驗成本。
[0027]為了更進一步的描述本發(fā)明，以下列舉更為詳盡的實施例進行說明。
[0028]箱體尺寸為ImXl.05mX 6cm ;后擋板4和前擋板3的高度為1.05m，后擋板4和前擋板3的左右兩側布有調節(jié)螺孔組21，每組調節(jié)螺孔組21由3個相距Icm的螺孔組成；前擋板3為有機玻璃擋板；左調整板I和右調整板2高度為Im ;下托板5通過鉸接與伸縮支架20相連接；下托板5上部為底板22，底板22的上表面具有一定的粗糙度；頂板7通過連接角板19與左調整板1、右調整板2相連接，頂板7具有一定的柔性；頂板7下表面具有一定的粗糙度；頂板7將箱體空間分隔為上下兩部分，頂板7上部為仿真巖層顆粒12，仿真巖層顆粒12上部為仿真巖層塊13，每個仿真煤層塊8的長度為10cm。并且伸縮支架20的最大伸長高度為lm，最小縮短高度為0.2m ;其信息采集的設備主要包括黏貼在頂板7表面上的位移傳感器14、黏貼在仿真煤層塊8上端頭部位的壓力傳感器15、高速相機16以及數(shù)據采集器17。
[0029]利用所述急傾斜煤層矸石充填試驗裝置進行充填試驗的方法，包括以下步驟:
[0030]第一步:根據試驗方案選擇相應的調節(jié)螺孔組21中的螺孔，利用螺絲將左調整板
1、右調整板2、前擋板3與后擋板4相連接；在頂板7的表面上每隔1cm黏貼一個位移傳感器14 ;將頂板7通過連接角板19與左調整板1、右調整板2的一端頭連接；將底板22與下托板5相連接；將下托板5與前擋板3、后擋板4相連接；將兩根伸縮支架20與右調整板2鉸接連接，將兩根伸縮支架20與下托板5鉸接連接。
[0031]第二步:調整四根伸縮支架20的高度，使布置空間傾斜60° ;位于填充口處之仿真煤層塊8的上端頭黏貼壓力傳感器15，將上述仿真煤層塊8設置在布置空間內，黏貼有壓力傳感器15的一端向仿真矸石9方向布置；仿真煤層塊8利用細線連接成串，在開挖口11處放置一個卡銷18，防止仿仿真煤層塊8自由滑落；在頂板7上部由下自上填充仿真巖層顆粒12，在仿真巖層顆粒12上部放置仿真巖層塊13。
[0032]第三步:將位移傳感器14、壓力傳感器15、高速相機16與一數(shù)據采集器17相連，在箱體的對應側架設高速相機16，以鏡頭采集范圍要覆蓋整個布置空間，比如將高速相機16設置在箱體的正面，通過前擋板3進行拍攝。
[0033]第四步:在開挖口 11處移除一塊仿真煤層塊8模擬煤層開挖，然后在填充口 10處充填仿真矸石9模擬采空區(qū)矸石充填；利用高速相機16對仿真矸石9的運移過程進行拍照，并記錄頂板7的變形和仿真煤層塊8受到的仿真矸石9的作用力；重復此步驟，直至仿真煤層塊8開挖完畢、采空區(qū)充填完畢。
[0034]第五步:根據試驗方案，調整仿真煤層塊8的厚度與角度、頂板7、底板22的材料等重新進行試驗，分析對比不同因素下的充填效果。
[0035]當然，以上說明僅僅為本發(fā)明的較佳實施例，本發(fā)明并不限于列舉上述實施例，應當說明的是，任何熟悉本領域的技術人員在本說明書的教導下，所做出的所有等同替代、明顯變形形式，均落在本說明書的實質范圍之內，理應受到本發(fā)明的保護。
【權利要求】
1.一種急傾斜煤層矸石充填試驗裝置，其包括箱體，其特征在于，箱體包括左調整板、右調整板、前擋板、后擋板、下托板與上蓋板，箱體為傾斜布置，下托板與水平線之間的夾角為45° -70° ,下托板上方布置有頂板與底板,頂板與底板之間形成布置空間，該布置空間內布置有仿真煤層塊，仿真煤層塊開挖后在形成的采空區(qū)內填充有仿真矸石，該布置空間的上端設置有填充口，下端設置有開挖口 ；頂板與上蓋板之間的箱體內填充有仿真巖層顆粒，仿真巖層顆粒的上表面布置有仿真巖層塊。
2.根據權利要求1所述的急傾斜煤層矸石充填試驗裝置，其特征在于，上述頂板面向上蓋板一側的表面上均勻布置有多個位移傳感器；開挖前位于填充口處之仿真煤層塊的上端布置有一壓力傳感器；箱體的正面布置有高速相機，位移傳感器、壓力傳感器、高速相機均與一數(shù)據采集器通信連接。
3.根據權利要求1所述的急傾斜煤層矸石充填試驗裝置，其特征在于，上述開挖口內設置有卡銷，頂板與左調整板、右調整板均通過連接角板相連接。
4.根據權利要求1所述的急傾斜煤層矸石充填試驗裝置，其特征在于，上述箱體配置有支撐機構，該支撐機構包括四根伸縮支架，用于調整箱體的傾斜度，其中兩根伸縮支架鉸接在左調整板上，剩余的兩根伸縮支架鉸接在下托板上。
5.一種使用如權利要求1所述急傾斜煤層矸石充填試驗裝置的試驗方法，其包括以下步驟: A、下托板與水平線之間的夾角在45°-70°之間，上述頂板面向上蓋板一側的表面上均勻布置有多個位移傳感器，在布置空間內放置多個仿真煤層塊，仿真煤層塊連接成串，位于填充口處之仿真煤層塊的上端頭黏貼有壓力傳感器，在開挖口處放置一個卡銷，用于防止仿真煤層塊體自由滑落；在頂板與上蓋板之間的箱體內填充有仿真巖層顆粒，仿真巖層顆粒的上表面與填充口位置齊平，在仿真巖層顆粒的上表面布置有仿真巖層塊，仿真巖層顆粒和仿真巖層塊構成了煤層的上覆巖層； B、在開挖口處移除一定長度的仿真煤層塊模擬煤層開挖，同步的在填充口處充填仿真矸石模擬采空區(qū)矸石充填；高速相機對仿真矸石的運移過程進行拍照，通過對應傳感器記錄頂板的變形和仿真矸石對仿真煤層塊的作用力；重復步驟B，直至仿真煤層塊開挖完畢、采空區(qū)充填完畢。
【文檔編號】G01N33/00GK104237462SQ201410440813
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月1日 優(yōu)先權日:2014年9月1日
【發(fā)明者】趙同彬, 尹延春, 譚云亮, 馬成甫, 于鳳海 申請人:山東科技大學