煤层褶曲模拟装置及煤层褶曲模拟方法

技术领域

本发明涉及矿山技术领域，具体而言，涉及一种煤层褶曲模拟装置及煤层褶曲模拟方法。

背景技术

目前，近直立煤层是指倾角处于85°～90°的煤层，不同于水平煤层的产状和布置方式。在煤炭开采过程中，近直立煤层常选用水平分段方式进行开采，由于其特殊的赋存条件，水平分段阶段空间有限，难以切断采掘工作面应力传递，而且底煤形成一定的破坏深度，容易造成下分层掘进巷道的冒顶，常常面临冲击地压的开采技术难题。同时，随着近直立煤层群开采深度增加与两工作面交替开采重复扰动影响，冲击地压发生频度有增大趋势。

然而，在对近直立煤层进行开采的过程中，工作人员无法获取其对周围岩层扰动的影响，影响开采安全性。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种煤层褶曲模拟装置及煤层褶曲模拟方法，以解决现有技术中无法获取近直立煤层开采过程中对其周围岩层扰动影响的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种煤层褶曲模拟装置，包括：框体；两个相对设置的加载组件，设置在框体内，各加载组件包括多个间隔设置的加载装置和承载结构，各加载装置与承载结构连接，以通过承载结构向存储在框体内的煤层加载；隔板，穿设在框体内且位于两个加载组件之间；其中，隔板的延伸方向与各加载装置的加载方向之间呈夹角设置，至少一个承载结构与隔板相对设置以围绕形成第一子腔室，至少另一个承载结构与隔板相对设置以围绕形成第二子腔室，第一子腔室和第二子腔室均用于存储煤层。

进一步地，框体包括：框架，隔板穿设在框架上，框架具有通孔；透明板，可拆卸地盖设在框架上以遮挡通孔；其中，透明板为两个，两个透明板相对设置且位于框架的两侧。

进一步地，隔板为一个；或者，隔板为多个，多个隔板沿框架的长度方向间隔设置，各加载装置的加载方向与框架的长度方向一致。

进一步地，煤层褶曲模拟装置还包括紧固件，框架包括：相对设置的两个第一板体，各第一板体具有安装孔，隔板的至少部分伸入安装孔内；其中，通过将紧固件穿设在安装孔和隔板内，以连接隔板和第一板体。

进一步地，框架还包括：相对设置的两个第二板体，各第二板体的两端分别与各第一板体连接，各第二板体与第一板体之间呈夹角设置；其中，各加载装置包括：本体；加载端，加载端设置在本体上；本体设置在第二板体上，加载端与承载结构连接，以使加载装置位于第二板体和承载结构之间。

进一步地，至少一个第一板体上设置有刻度线；和/或，第二板体上设置有刻度线。

进一步地，各加载组件的全部加载装置沿框体的高度方向间隔设置且间隔距离d，各加载组件中相邻的两个加载装置的加载力之差大于等于0且小于等于5Mpa。

根据本发明的另一方面，提供了一种煤层褶曲模拟方法，适用于上述的煤层褶曲模拟装置，煤层褶曲模拟方法包括：步骤S1：将隔板插入至框体内，以形成子腔室；步骤S2：向子腔室内铺设褶曲煤层；步骤S3：全部加载装置均向褶曲煤层进行预加载，保载预设时间t后对隔板进行拆除；步骤S4：沿煤层褶曲模拟装置的高度方向H，依次增大各加载装置的加载力，直至全部加载装置均加载完成。

进一步地，向子腔室内铺设褶曲煤层的方法包括：沿煤层褶曲模拟装置的长度方向L，依次向各子腔室内铺设褶曲煤层，在完成前一个子腔室的铺设后，在形成该子腔室的隔板上标记褶曲完成位置，以对后一个子腔室的褶曲煤层铺设进行指导。

进一步地，保载预设时间t后对隔板进行拆除的方法包括：沿煤层褶曲模拟装置的长度方向L，从前往后进行各隔板拆除。

应用本发明的技术方案，煤层褶曲模拟装置包括框体、两个相对设置的加载组件及隔板，两个相对设置的加载组件设置在框体内，各加载组件包括多个间隔设置的加载装置和承载结构，各加载装置与承载结构连接，以通过承载结构向存储在框体内的煤层加载。隔板穿设在框体内且位于两个加载组件之间。隔板的延伸方向与各加载装置的加载方向之间呈夹角设置，至少一个承载结构与隔板相对设置以围绕形成第一子腔室，至少另一个承载结构与隔板相对设置以围绕形成第二子腔室，第一子腔室和第二子腔室均用于存储煤层。这样，煤层褶曲模拟装置用于模拟近直立煤层褶曲构造的实验装置及方法，模拟采掘过程中近直立煤层中岩层的运动情况、煤层周围的不同应力情况，为近直立煤层的安全开采提供技术指导，以更好地揭示近直立煤层开采过程中对其周围岩层扰动的影响，进而解决了现有技术中无法获取近直立煤层开采过程中对其周围岩层扰动影响的问题。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明的煤层褶曲模拟装置的实施例的结构示意图；

图2示出了根据本发明的煤层褶曲模拟方法的实施例的流程图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、框体；11、框架；111、第一板体；112、第二板体；

20、加载组件；21、加载装置；22、承载结构；

30、煤层；

40、隔板；

51、第一子腔室；52、第二子腔室；

60、紧固件。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下”通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“左、右”通常是针对附图所示的左、右；“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本发明。

为了解决现有技术中无法获取近直立煤层开采过程中对其周围岩层扰动影响的问题，本申请提供了一种煤层褶曲模拟装置及煤层褶曲模拟方法。

如图1所示，煤层褶曲模拟装置包括框体10、两个相对设置的加载组件20及隔板40。两个相对设置的加载组件20设置在框体10内，各加载组件20包括多个间隔设置的加载装置21和承载结构22，各加载装置21与承载结构22连接，以通过承载结构22向存储在框体10内的煤层30加载。隔板40穿设在框体10内且位于两个加载组件20之间。其中，隔板40的延伸方向与各加载装置21的加载方向之间呈夹角设置，至少一个承载结构22与隔板40相对设置以围绕形成第一子腔室51，至少另一个承载结构22与隔板40相对设置以围绕形成第二子腔室52，第一子腔室51和第二子腔室52均用于存储煤层30。

应用本实施例的技术方案，煤层褶曲模拟装置用于模拟近直立煤层褶曲构造的实验装置及方法，模拟采掘过程中近直立煤层中岩层的运动情况、煤层周围的不同应力情况，为近直立煤层的安全开采提供技术指导，以更好地揭示近直立煤层开采过程中对其周围岩层扰动的影响，进而解决了现有技术中无法获取近直立煤层开采过程中对其周围岩层扰动影响的问题。

如图1所示，框体10包括框架11和透明板。隔板40穿设在框架11上，框架11具有通孔，透明板可拆卸地盖设在框架11上以遮挡通孔。其中，透明板为两个，两个透明板相对设置且位于框架11的两侧。这样，透明板盖设在框架11上，以使煤层褶曲观察区域透明可视，以便工作人员观察近直立煤层开采过程中对其周围岩层扰动的影响。同时，上述设置使得框体10的结构更加简单，容易加工、实现，降低了框体10的加工成本和加工难度。

具体地，透明板由透明玻璃制成。两个透明板与框架11围绕形成容纳腔，以对煤层进行缓存。

可选地，隔板40为一个；或者，隔板40为多个，多个隔板40沿框架11的长度方向间隔设置，各加载装置21的加载方向与框架11的长度方向一致。这样，上述设置使得隔板40的数量选取更加灵活，以满足不同的使用需求和工况，也提升了工作人员的加工灵活性。

在本实施例中，隔板40为两个，两个隔板40沿框架11的长度方向间隔设置，以将框体10的内腔分隔为三个相互独立的子腔室：第一子腔室、第二子腔室以及第三子腔室。其中，内腔的总长度为9m、总宽度为4m。

如图1所示，煤层褶曲模拟装置还包括紧固件60，框架11包括相对设置的两个第一板体111，各第一板体111具有安装孔，隔板40的至少部分伸入安装孔内。其中，通过将紧固件60穿设在安装孔和隔板40内，以连接隔板40和第一板体111。这样，上述设置使得隔板40与第一板体111的拆装更加容易、简便，降低了二者的拆装难度。同时，上述设置使得框架11的结构更加简单，容易加工、实现，降低了框架11的加工成本和加工难度。

具体地，紧固件60为两组，两组紧固件60与两个隔板40一一对应地设置，各组紧固件60包括两个紧固件60，两个紧固件60分别固定隔板40的两端，以将隔板40的两端固定在两个第一板体111上。

可选地，紧固件60为螺钉或螺栓。

在本实施例中，两个第一板体111相互平行设置，隔板40与各第一板体111相互垂直设置。

如图1所示，框架11还包括相对设置的两个第二板体112，各第二板体112的两端分别与各第一板体111连接，各第二板体112与第一板体111之间呈夹角设置。其中，各加载装置21包括本体和加载端，加载端设置在本体上。本体设置在第二板体112上，加载端与承载结构22连接，以使加载装置21位于第二板体112和承载结构22之间。可选地，各第二板体112与第一板体111相互垂直设置。这样，以通过将两个第一板体111和两个第二板体112装配在一起以形成框架11，以使框架11的结构更加简单，容易加工、实现，降低了框架11的整体加工成本和加工难度。同时，上述设置使得加载装置21位于煤层的两侧，以便于对煤层进行加载，进一步提升了模拟精确度。

具体地，加载端用于对承载结构22进行加载，以通过承载结构22对位于子腔室内的煤层进行施压、挤压，以模拟近直立煤层开采过程中对其周围岩层扰动的影响。

在本实施例中，两个第二板体112相互平行设置。

可选地，至少一个第一板体111上设置有刻度线；和/或，第二板体112上设置有刻度线。这样，刻度线的上述设置便于工作人员安装隔板40和加载装置21，即工作人员的可通过刻度线的位置确定隔板40和加载装置21的安装位置，进而提升了上述结构的安装精准度。

在本实施例中，第一板体111和第二板体112上均设置有刻度线，刻度的标注为从左到右逐渐变大，以40cm作为一个刻度。

可选地，各加载组件20的全部加载装置21沿框体10的高度方向间隔设置且间隔距离d，各加载组件20中相邻的两个加载装置21的加载力之差大于等于0且小于等于5Mpa。这样，上述设置一方面使得各加载组件20内加载装置21的布局更加合理、紧凑，也便于对加载装置21进行拆装；另一方面，上述设置使得加载组件20可实现梯度应力加压，进一步模拟实际开采过程，提升了煤层褶曲模拟装置的模拟精确度。

在本实施例中，在进行预加载的过程中，全部加载装置21的加载力均一致；在完成预加载后，沿框体10的高度方向，各加载组件20中的加载装置21的加载力逐渐增大，且相邻的两个加载装置21之间的加载力之差为2.5Mpa。其中，针对两个加载组件20，位于同一高度处的两个加载装置21的加载力一致。

在本实施例中，各加载组件20中包括五个加载装置21，五个加载装置21沿框体10的高度方向间隔设置。其中，相邻的两个加载装置21之间的间距为100cm。

需要说明的是，各加载组件20中加载装置21的个数不限于此，可根据工况和使用需求进行调整。可选地，各加载组件20中包括两个、或三个、或四个、或六个、或七个、或八个、或多个加载装置21。

需要说明的是，各加载组件20中相邻的两个加载装置21的加载力之差的取值不限于此，可根据工况和使用需求进行调整。可选地，各加载组件20中相邻的两个加载装置21的加载力之差为0.5Mpa、或0.8Mpa、或1.0Mpa、或1.5Mpa、或1.8Mpa、或2.0Mpa、或2.8Mpa、或3.0Mpa、或3.5Mpa、或3.8Mpa、或4.0Mpa、或4.5Mpa、或4.8Mpa。

如图2所示，本申请还提供了一种煤层褶曲模拟方法，适用于上述的煤层褶曲模拟装置，煤层褶曲模拟方法包括：

步骤S1：将隔板插入至框体内，以形成子腔室；

步骤S2：向子腔室内铺设褶曲煤层；

步骤S3：全部加载装置均向褶曲煤层进行预加载，保载预设时间t后对隔板进行拆除；

步骤S4：沿煤层褶曲模拟装置的高度方向H，依次增大各加载装置的加载力，直至全部加载装置均加载完成。

应用本实施例的技术方案，煤层褶曲模拟装置用于模拟近直立煤层褶曲构造的实验装置及方法，模拟采掘过程中近直立煤层中岩层的运动情况、煤层周围的不同应力情况，为近直立煤层的安全开采提供技术指导，以更好地揭示近直立煤层开采过程中对其周围岩层扰动的影响，进而解决了现有技术中无法获取近直立煤层开采过程中对其周围岩层扰动影响的问题。

在本实施例中，向子腔室内铺设褶曲煤层的方法包括：

沿煤层褶曲模拟装置的长度方向L，依次向各子腔室内铺设褶曲煤层，在完成前一个子腔室的铺设后，在形成该子腔室的隔板上标记褶曲完成位置，以对后一个子腔室的褶曲煤层铺设进行指导。

具体地，在框体上安装两块隔板，分别记为第一隔板和第二隔板，两个隔板将框体的内腔分别为区域I、区域II以及区域III，在铺设区域I的褶曲构造时，要在的第一隔板上标记区域I的褶曲完成位置，在铺设区域II的褶曲构造时，要紧贴第一隔板的标记位置进行铺设，直到到达第二隔板进行标记褶曲完成的位置。同样的，在铺设区域III的褶曲构造时，要紧贴第二隔板的标记位置进行铺设，直至整个褶曲构造铺设完成。

在本实施例中，保载预设时间t后对隔板40进行拆除的方法包括：

沿煤层褶曲模拟装置的长度方向L，从前往后进行各隔板40拆除。

具体地，褶曲构造铺设完成时，要用两侧的加载组件对整个褶曲构造进行预加载，加载到0.5MPa，保载1h后，对第一隔板和第二隔板从前往后进行拆除，拆除的过程中要保证褶曲的产状和加载的大小不变。之后，再用加载装置对整个褶曲构造进行从上到下的每2.5MPa的梯度加载直到达到预设值后，完成加载过程。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

煤层褶曲模拟装置包括框体、两个相对设置的加载组件及隔板，两个相对设置的加载组件设置在框体内，各加载组件包括多个间隔设置的加载装置和承载结构，各加载装置与承载结构连接，以通过承载结构向存储在框体内的煤层加载。隔板穿设在框体内且位于两个加载组件之间。隔板的延伸方向与各加载装置的加载方向之间呈夹角设置，至少一个承载结构与隔板相对设置以围绕形成第一子腔室，至少另一个承载结构与隔板相对设置以围绕形成第二子腔室，第一子腔室和第二子腔室均用于存储煤层。这样，煤层褶曲模拟装置用于模拟近直立煤层褶曲构造的实验装置及方法，模拟采掘过程中近直立煤层中岩层的运动情况、煤层周围的不同应力情况，为近直立煤层的安全开采提供技术指导，以更好地揭示近直立煤层开采过程中对其周围岩层扰动的影响，进而解决了现有技术中无法获取近直立煤层开采过程中对其周围岩层扰动影响的问题。

显然，上述所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。