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原文传递一种充填开采流固耦合物理相似模拟实验测试系统

专利名称：	一种充填开采流固耦合物理相似模拟实验测试系统
摘要：	本发明公开了一种充填开采流固耦合物理相似模拟实验测试系统，主要包括相似模拟实验架，其内铺设有煤岩层相似模拟材料、含水层相似模拟材料、隔水关键层相似模拟材料和充填体相似模拟材料；含水层由装有粗、细骨料的透明柔性水箱构成，一侧连接水源补给装置，利用水泵向含水层提供稳定渗透压力，水箱下部设置数量及孔径大小可调节的透水组合孔装置；隔水关键层相似材料主要由骨料与抗渗防水材料及辅助胶结材料按所需相似比配成；充填体相似模拟材料按照应力应变相似理论选取。本发明可实现流固耦合条件下充填开采覆岩变形、裂隙演化与渗流突水响应过程的物理相似模拟，具有方法简单，可操作性强，模拟准确性高等优点。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	江苏;32
申请人：	中国矿业大学
发明人：	张吉雄;孙强;王丽华;张卫清;刘恒凤;孟国豪
专利状态：	有效
申请日期：	2019-04-18T00:00:00+0800
发布日期：	2019-07-16T00:00:00+0800
申请号：	CN201910310858.0
公开号：	CN110018291A
代理机构：	南京瑞弘专利商标事务所(普通合伙)
代理人：	张婷婷
分类号：	G01N33/24(2006.01);G;G01;G01N;G01N33
申请人地址：	221116 江苏省徐州市大学路1号中国矿业大学科研院
主权项：	1.一种充填开采流固耦合物理相似模拟实验测试系统，其特征在于：包括相似模拟实验架(10)及其框架内部自上而下依次设置的岩层相似模拟材料(1)、含水层相似模拟材料(2)、隔水关键层相似模拟材料(3)和充填体相似模拟材料(4)及煤层相似模拟材料(5)；所述相似模拟实验架(10)的上部安设竖直加压油缸(11)，用以模拟上覆岩层自重；所述含水层相似模拟材料(2)为装有粗、细骨料的透明柔性水箱，下部均匀间隔设置若干透水组合孔装置(9)，透明柔性水箱的一侧连接有水源补给装置(6)，通过增压水泵(12)为其提供稳定渗透压力；所述隔水关键层相似材料(3)由骨料与抗渗防水材料及辅助胶结材料按照渗透相似比配制；所述充填体相似模拟材料(4)为包括海绵、塑料泡沫、普通纸张、薄三合板在内的制备材料配置而成的相似充填体；所述岩层相似模拟材料(1)为由沙子、碳酸钙与石膏组成的混合物。 2.根据权利要求1所述的一种充填开采流固耦合物理相似模拟实验测试系统，其特征在于：每个所述透水组合孔装置(9)为在透明柔性水箱底部开设的4个透水孔和其上覆盖的透水组合孔控制装置(21)；所述透水组合孔控制装置(21)为一内凹型的圆形盖片，所述4个透水孔以圆心均匀间隔设置，按孔径由小到大排序依次为透水组合孔一号孔(17)、透水组合孔二号孔(18)、透水组合孔三号孔(19)、透水组合孔四号孔(20)，孔径比为2:5:7:10；所述4个透水孔所在的圆心环与透水组合孔四号孔(20)的半径之和小于所述透水组合孔控制装置(21)的半径，且所述透水组合孔控制装置(21)的内凹缺口沿圆形盖片直径对称设置；通过透水组合孔控制装置(21)的不同旋转角度控制开孔情况。 3.根据权利要求1所述的一种充填开采流固耦合物理相似模拟实验测试系统，其特征在于：所述含水层的透明柔性水箱相似材料满足应力应变相似理论，其内部装有粗、细骨架颗粒分别为5～40mm粒径的光滑鹅卵石与2～8mm粒径的细砂。 4.根据权利要求1所述的一种充填开采流固耦合物理相似模拟实验测试系统，其特征在于：所述的隔水关键层相似材料(3)使用石蜡与凡士林作为抗渗防水材料，使用碳酸钙与石膏作为辅助胶结材料，使用沙子作为骨料，按照水理性相似理论配制而成。 5.据权利要求1所述的一种充填开采流固耦合物理相似模拟实验测试系统，其特征在于：所述水源补给装置(6)为安设在透明柔性水箱右侧的输水管，通过与其连接的增压水泵(12)实现对渗透压力的控制；增压水泵(12)下设流量计(13)，水源输送管路上设有止回阀(15)及压力传感器(16)。 6.据权利要求1所述的一种充填开采流固耦合物理相似模拟实验测试系统的工作方法，其特征在于：通过模拟煤层充填开采，实现隔水关键层、含水层变形与渗流突水响应的破坏过程，具体包括以下步骤： 1)构建相似模拟模型：参照煤矿实际地质资料，确定模拟对象的岩层属性，结合相似模拟比确定模拟材料的几何参数、各岩层模拟特性参数，配制各岩层相似材料； 2)根据构建的相似模拟模型参数进行各岩层相似模拟材料的铺设：透明柔性水箱的上覆岩层铺设好后，向透明柔性水箱中注水，根据矿井实际条件及相似比确定稳定水源渗透压力；注水过程中启动竖直加压油缸模拟覆岩初始应力； 3)根据设计开挖步数及每步开挖长度进行煤层开挖：并在煤层开挖后及时填充充填体相似模拟材料；在煤层开挖及充填过程中，对上覆岩层尤其是隔水关键层和含水层的变形破坏与渗流突水过程进行观察和记录，同时记录增压水泵下设流量计数值变化和水源输送管路上的压力传感器的数值变化； 4)重复同样实验流程，通过对充填体相似模拟材料的不同配比，制作出不同模拟充实率的相似充填体，实现对不同充实率下的充填开采流固耦合中隔水关键层、含水层变形破坏与渗流突水过程的模拟。
所属类别：	发明专利