地下采矿中围岩受矿井水影响的相似模拟装置及方法

摘要

本发明公开了一种地下采矿中围岩受矿井水影响的相似模拟装置及方法，相似模拟装置包括操作平台、钻孔装置、注液装置和计算机控制装置；所述操作平台为四方体结构，钻孔装置是由中空钻头和蜗杆传动装置组成；蜗杆传动装置控制中空钻头，蜗杆传动装置包括蜗轮、电机、蜗杆；注液装置由高压水箱、粗软管、转换接头、细软管组成。该装置结构简单、操作方便且实验结果精确度高，提高了试验的工作效率和试验结果的精准度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种地下采矿过程中围岩受矿井水影响的相似模拟装置和方法，具体涉及一种在地下采矿工程中矿井水影响引起围岩弱化和强化的相似模拟试验装置和方法。

背景技术

相似模拟试验是一种建立在相似理论和因次分析的基础上，利用相似材料模拟真实的采矿地质和工程条件，用扩大或缩小的模型，研究对应原型的力学运动以及其他相关特性的一种试验方法。

在采矿工程中地下采矿受矿井水影响的相似模拟试验中，为了模拟含水层，可以向指定的模拟岩层注液。当前面临的问题是相似模拟作为一种研究方法，在矿业工程研究领域内必不可少，国内外的专家学者做了大量的研究工作，传统的相似模拟试验着重于在材料的某种固定状态下的物理力学性质下进行开采开挖试验。现在出现的大多数相似模拟试验装置是为了模拟流体在模拟材料完整及破坏过程中运移规律。这些材料都是有固定的物理力学性质，在试验过程中无法改变某些参数，如果要改变某一关键层位的参数，就需要拆卸后重新进行试验。

现有技术中缺少模拟注水软化和注浆加固的相似模拟试验装置。传统的模拟承压水开采的方式是在底板布置弹簧模拟水压，研究底板隔水层的变形及破坏特征。中国专利CN103183495A用于流-固耦合模型试验的断层相似模拟材料及其制备方法，公开了一种通过预先加水并采用某种试剂作为阻水剂来调节材料的渗透性的相似模拟材料及其制备方法，这种方法由于是预先加水而试验过程中不能加水，所以增大了试验量的同时不能满足在试验过程中某些参数的要求；中国专利CN103674658A公开了一种随机裂隙试验模型的制备方法，尤其涉及到相似模拟矿压观测、非均质岩层流-固耦合模拟试验，通过预埋塑料片模拟随机裂隙，这种方法通过采用预埋模拟材料来模拟试验的特定要求，影响了模拟岩层力学性质，同时降低了试验结果的可靠性。这些方法都无法在试验过程中改变某一层位的物理力学参数，因此亟待发明一种结构简单、操作方便且实验结果精确度高的模拟地下采矿过程中受矿井水影响引起的围岩弱化和强化的相似模拟装置。

发明内容

本发明旨在提供一种模拟地下采矿中围岩受矿井水影响的装置，结构简单、操作方便且实验结果精确度高，提高了试验的工作效率和试验结果的精准度。

本发明是采用以下技术方案实现的：

本发明提供了一种地下采矿中围岩受矿井水影响的相似模拟装置，它包括操作平台、钻孔装置、注液装置和计算机控制装置；

其中，所述操作平台为四方体结构，四方体的相对两个侧面分别设有两块凸出的板，在凸出的板内部设有导槽，导槽垂直于水平面；

所述钻孔装置是由中空钻头和蜗杆传动装置组成；蜗杆传动装置控制中空钻头，所述蜗杆传动装置包括蜗轮、电机、蜗杆；蜗轮与蜗杆相互连接，蜗轮带动蜗杆旋转，蜗杆与中空钻头相连，蜗杆的旋转同时带动中空钻头水平方向前后伸缩,蜗轮与电机相连，电机两侧设有约束板，电机通过约束板固定在操作平台上，约束板在竖直方向沿着导槽移动，在指定的试验高度约束板与导槽通过螺栓固定；

所述注液装置由高压水箱、粗软管、转换接头、细软管组成，高压水箱出口连接粗软管，粗软管的另一头连接转换接头，转换接头另一端连接若干根细软管，细软管另一端与中空钻头接口连接，中空钻头与蜗杆传动装置连接，所述中空钻头固定于蜗轮轴上，通过蜗杆转动带动蜗轮，从而通过蜗轮带动中空钻头转动；

所述计算机控制装置由控制核心部分和执行部分组成，其中控制核心部分由PLC负责发出控制信号，伺服驱动器对伺服电机进行闭环控制，对其输入信息做出快速、准确的反应；执行部分由伺服电机拖动所需机械设备进行工作。

进一步地，所述约束板由相互垂直的两块板组成，整体呈L型；两块板上分别设有螺栓孔。

进一步地，所述粗软管和细软管为橡胶管，粗软管和细软管上分别设有阀门。

本发明提供了一种地下采矿中围岩受矿井水影响的相似模拟方法，采用上述相似模拟装置，具体操作步骤如下：     （1）首先把操作平台固定于地面，保证其稳定性；

（2）根据试验要求移动约束板使其沿着导槽把电机调到试验所需的高度，用螺栓把约束板固定在这一高度；

（3）根据试验要求，在计算机控制装置里输入中空钻头推进的距离和转速，为了满足均匀性得向指定岩层注液，通过手动调节中空钻头的长度，把中空钻头的长度调节到符合试验要求，即可启动装置；

（4）启动装置，进行中空钻头的推进，待孔打好以后，把试验要求部位的细软管连接到中空钻头接口上，其余的细软管的供水阀关闭；

（5）然后在计算机控制装置里输入注液时间和注液量，打开粗软管的供水阀和使用中的细软管的供水阀，开始注液；

（6）当注液完毕后，把粗细软管的供水阀关闭，保证不再有液体流出，然后把该注液装置移动到其他非观测高度或者直接拆下；

（7）当已经实现试验需要的改变某一层位物理性质后，继续进行其他试验要求的观测，此时该装置的功能已成功实现。

上述模拟方法中，所述中空钻头的长度根据操作平台的厚度以及需要软化岩层的厚度确定。

本注液装置采用能自由移动的中空钻头，结合外部的计算机控制装置将准确的控制注液位置、注液时间以及注液量，能真实的模拟含水层。使用中空钻头不仅不受模拟岩层强度的影响，而且对模拟岩层的力学性质影响较小，针型中空钻与蜗杆传动装置相连接安装在电机上，电机可以通过约束板沿着导槽上下自由移动，到达试验所要求的高度时，约束板与导槽通过螺栓穿过导槽和约束板的螺栓孔来固定，使针型中空钻头在竖直方向自由移动，不受模拟岩层高度的限制。

同时由于受外部计算机控制装置的控制，可以精准的控制针型中空钻头的推进距离和转速。使用高压注液装置注液不受模拟岩层强度的影响，同时高压注液装置与外部计算机控制装置相连接，可以精准控制注液时间和注液量。

本发明的有益效果：

（1）本发明能在试验过程中通过注液或者注浆改变某一层位的物理力学参数（即弱化或者强化围岩的强度），满足相应试验要求，减少试验量，节省费用和时间。

（2）本发明在试验过程中改变了某一层位的物理力学参数，即相似模拟试验中要求某一层位的围岩比其他层位的强度弱或者强，此时用该装置进行注液或者注浆来改变围岩强度，与采用弹簧模拟水压、预先注水、采用模拟材料相比较，本发明更真实的模拟了特定观测岩层需要在试验中需要改变某些物理力学参数同时没有改变岩层的力学性质，故本发明工作效率和试验结果的精确度较高。

附图说明

图1是本装置的立体图；

图2是本装置的主视图；

图3是图2的A—A向视图；

图4是图2的右视图；

图5是中空钻头与蜗杆传动装置的连接示意图。

图中：1-操作平台、2-高压水箱、3-阀门、4-粗软管、5-转换接头、6-细软管、7-蜗杆传动装置、8-蜗轮、9-电机、10-约束板、11-计算机控制装置、12-导槽、13-螺栓、14-垫片、15-螺栓孔、16-中空钻头接口、17-中空钻头、18-蜗杆。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

实施例1：

下面结合附图就本发明作进一步说明：

一种地下采矿中围岩受矿井水影响的相似模拟装置，它包括操作平台1、钻孔装置、注液装置和计算机控制装置；

其中，所述操作平台1为四方体结构，四方体的相对两个侧面分别设有两块凸出的板，在凸出的板内部设有导槽12，导槽垂直于水平面；

所述钻孔装置是由中空钻头17和蜗杆传动装置7组成；蜗杆传动装置7控制中空钻头17，所述蜗杆传动装置7包括蜗轮8、电机9、蜗杆18；蜗轮8与蜗杆18相互连接，通过调节蜗轮8，带动蜗杆18旋转，蜗杆18与中空钻头17相连，蜗杆18的旋转同时带动中空钻头17水平方向前后伸缩，蜗轮8与电机9相连，电机9两侧设有约束板10，电机9通过约束板10固定在操作平台1上，约束板10上设有两个螺栓孔，螺栓孔的直径小于所用螺栓的直径，以使螺栓通过；约束板10在竖直方向沿着导槽12移动，在指定的试验高度约束板10与导槽12通过螺栓固定；

所述注液装置由高压水箱2、粗软管4、转换接头5、细软管6和中空钻头17组成，粗软管4和细软管6上分别设有阀门3；高压水箱2出口连接带阀门的粗软管4，粗软管4的另一头连接转换接头5，转换接头5另一端连接若干根带阀门的细软管6，细软管6另一端与中空钻头接口16连接，中空钻头17与蜗杆传动装置7连接；中空钻头17固定于蜗轮轴上，中空钻头通过蜗杆转动带动蜗轮，从而带动中空钻头转动；

所述计算机控制装置11由控制核心部分和执行部分组成，其中控制核心部分由PLC负责发出控制信号，伺服驱动器对伺服电机进行闭环控制，对其输入信息做出快速、准确的反应；执行部分由伺服电机拖动所需机械设备进行工作。

进一步地，所述约束板10由相互垂直的两块板组成，整体呈L型；两块板上分别设有螺栓孔。              

进一步地，所述粗软管4和细软管6为橡胶管。

本注液装置的工作原理是：首先把操作平台1固定好，使约束板沿着导槽把电机9调到试验所需的高度，用螺栓把约束板固定在这一高度，根据试验要求调节好中空钻头17的距离再用螺栓13固定好，通过手动调节中空钻头的长度（中空钻头的长度根据操作平台的厚度以及需要软化岩层的厚度确定），待调节中空钻头的长度到试验要求长度后，即可启动装置；在计算机控制装置11里输入钻头推进的距离和转速，待孔打好以后，把细软管6连接在中空钻头接口16上，把剩余的细软管的供水阀关闭，然后再在计算机控制装置上输入注液时间和注液量，打开粗软管4的供水阀和细软管6的供水阀，即可注液。当注液完毕（此时已经实现试验需要的改变某一层位物理性质）后，首先把粗、细软管的供水阀关闭，保证不再有液体流出；然后可以把该注液装置移动到其他非观测高度或者直接拆下，以免挡住观测区域。

采用上述相似模拟装置进行地下采矿中围岩受矿井水影响的相似模拟方法，具体操作步骤如下：     （1）首先把操作平台固定于地面，保证其稳定性；

（2）根据试验要求移动约束板使其沿着导槽把电机调到试验所需的高度，用螺栓把约束板固定在这一高度；

（3）根据试验要求，在计算机控制装置里输入中空钻头推进的距离和转速，为了满足均匀性向指定岩层注液，通过手动调节中空钻头的长度，把中空钻头的长度调节到符合试验要求，即可启动装置；

（4）启动装置，进行中空钻头的推进，待孔打好以后，把试验要求部位的细软管连接到中空钻头接口上，其余的细软管的供水阀关闭；

（5）然后在计算机控制装置里输入注液时间和注液量，打开粗软管的供水阀和使用中的细软管的供水阀，开始注液；

（6）当注液完毕后，把粗细软管的供水阀关闭，保证不再有液体流出，然后把该注液装置移动到其他非观测高度或者直接拆下；

（7）当已经实现试验需要的改变某一层位物理性质后，继续进行其他试验要求的观测，此时该装置的功能已成功实现。