1.本實(shí)用新型涉及煤炭行業(yè)綠色充填開(kāi)采減沉控制領(lǐng)域，具體涉及一種模擬覆巖離層注漿充填的裝置。

背景技術(shù)：

2.隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，煤炭資源需求量急劇增長(zhǎng)，深部煤炭資源開(kāi)采已成為常態(tài)。傳統(tǒng)的垮落法處理采空區(qū)，大規(guī)模開(kāi)采后帶來(lái)的地表沉陷、地下水系破壞、矸石排放等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題日益突出。近年來(lái)，覆巖離層注漿減沉技術(shù)已成為解決上述問(wèn)題的有效技術(shù)途徑之一，覆巖離層注漿是充分利用煤層開(kāi)采后的離層空間，將充填材料通過(guò)地面鉆孔注入離層區(qū)域，減緩巖層彎曲下沉，減輕地表沉陷，有效實(shí)現(xiàn)了地下開(kāi)采與地面注漿充填平行作業(yè)，互不干擾，具有成本低、煤炭回采率與生產(chǎn)效率高，適合高產(chǎn)能等特點(diǎn)。目前，有學(xué)者對(duì)于覆巖離層注漿充填理論和數(shù)值模型進(jìn)行了研究，由于眾多影響條件制約現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和實(shí)踐研究，需要設(shè)計(jì)一套能夠模擬實(shí)際生產(chǎn)條件下覆巖離層注漿的裝置，從而跟已有理論及數(shù)值模擬研究間進(jìn)行驗(yàn)證和修正，為煤礦提供可靠的充填開(kāi)采依據(jù)。

3.鑒于此，近年來(lái)公開(kāi)了一種室內(nèi)覆巖離層量測(cè)量及注漿控制模擬系統(tǒng)及其方法(公告號(hào)： cn109507393a)和一種模擬垮落帶充填漿體三維流態(tài)的試驗(yàn)裝置及方法(公告號(hào)： cn111487166a)等，但上述方法沒(méi)有涉及到覆巖離層注漿充填的整體流程模擬，設(shè)計(jì)的裝置比較簡(jiǎn)單粗放，沒(méi)有考慮模擬煤層開(kāi)采協(xié)同覆巖離層注漿充填過(guò)程中注漿位置的選擇。針對(duì)上述存在問(wèn)題，本實(shí)用新型提出一種模擬覆巖離層注漿充填的裝置，該裝置能夠根據(jù)試驗(yàn)場(chǎng)地靈活移動(dòng)，可模擬不同煤層傾角，能夠根據(jù)開(kāi)挖過(guò)程中離層區(qū)的出現(xiàn)位置靈活調(diào)整注漿管的位置，并且可以模擬多層位離層注漿和多個(gè)工作面同時(shí)進(jìn)行離層注漿作業(yè)情況，可以很好的對(duì)整個(gè)覆巖離層注漿充填作業(yè)流程進(jìn)行相似模擬，為煤礦提供可靠的充填開(kāi)采依據(jù)，促進(jìn)煤炭安全綠色開(kāi)采。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

4.本實(shí)用新型基于覆巖離層注漿減沉技術(shù)，針對(duì)上述技術(shù)中存在的問(wèn)題，提出一種模擬覆巖離層注漿充填的裝置，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)克服了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究的眾多制約條件，可以跟已有理論及數(shù)值模擬研究間進(jìn)行驗(yàn)證和修正，為煤礦提供可靠的充填開(kāi)采依據(jù)。

5.為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提供如下技術(shù)方案：

6.一種模擬覆巖離層注漿充填的裝置，主要包括：模擬裝置箱體、微型攪拌注漿一體泵、螺旋桿、活動(dòng)擋板、載荷補(bǔ)充液壓裝置、頂板、注漿管、注漿孔槽、鉆孔器、前擋板、線路孔、高清攝像機(jī)、電動(dòng)角位臺(tái)、側(cè)擋板、輪子、采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和固定支撐架。

7.進(jìn)一步地，所述模擬裝置箱體的活動(dòng)擋板、頂板、側(cè)擋板和底板為剛性材料，底部布置有輪子，保證模擬裝置箱體可以靈活移動(dòng)；所述前擋板一側(cè)通過(guò)側(cè)擋板上的轉(zhuǎn)軸固定，可以做到270

°

開(kāi)合；所述活動(dòng)擋板上焊接固定螺旋桿，螺旋桿長(zhǎng)度可根據(jù)涉及的試驗(yàn)條件確定，側(cè)擋板上布置螺旋桿位置的螺孔，螺旋桿穿過(guò)后用螺帽和墊圈固定，所述頂板沿長(zhǎng)邊

方向留設(shè)有注漿孔槽，注漿管由鉆孔器在注漿孔槽上鉆孔后設(shè)置，注漿孔槽為切削頂板形成，兩端頭鉸接，設(shè)置在頂板寬度中間，頂板上部均勻布置載荷補(bǔ)充液壓裝置。

8.進(jìn)一步地，所述前擋板上布置線路孔來(lái)通過(guò)各種傳感元件的監(jiān)測(cè)線路，采用透光性出色的有機(jī)玻璃板來(lái)觀察模擬裝置箱體內(nèi)部煤巖層的變化過(guò)程。

9.進(jìn)一步地，能夠根據(jù)試驗(yàn)相似比要求改變模擬裝置箱體的尺寸。

10.進(jìn)一步地，所述注漿孔槽能夠根據(jù)開(kāi)挖過(guò)程中離層區(qū)的出現(xiàn)位置靈活調(diào)整注漿管的位置；所述注漿管來(lái)模擬注漿過(guò)程中鉆孔鋪設(shè)注漿管路；所述載荷補(bǔ)充液壓裝置用來(lái)控制和補(bǔ)充上覆巖層的載荷。

11.進(jìn)一步地，所述頂板為具有一定厚度剛性材料，注漿孔槽寬度和鉆孔器規(guī)格由注漿管尺寸確定,鉆孔器可沿著注漿孔槽選擇任意鉆孔位置，從而使注漿效果更加明顯。

12.進(jìn)一步地，所述鉆孔器為碳鋼材料，由鉆柄、鉆桿和鉆頭組成，鉆桿為中空結(jié)構(gòu)，鉆孔時(shí)通過(guò)人力轉(zhuǎn)動(dòng)鉆柄帶動(dòng)鉆桿和鉆頭旋轉(zhuǎn)，鉆孔器必須與注漿孔槽垂直，避免打出斜孔，旋轉(zhuǎn)時(shí)要向同一方向，使用后應(yīng)立即用通條除去鉆桿內(nèi)的殘?jiān)⒉羶簟?br />
13.本實(shí)用新型具有以下有益之處：

14.本實(shí)用新型具有一定的創(chuàng)新性和可行性，在傳統(tǒng)的相似模擬試驗(yàn)裝置基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了模擬覆巖離層注漿充填的試驗(yàn)裝置和方法，該裝置能夠根據(jù)試驗(yàn)場(chǎng)地靈活移動(dòng)，可以模擬不同煤層傾角，根據(jù)設(shè)計(jì)改變箱體尺寸，適用于不同幾何相似比情況，能夠根據(jù)開(kāi)挖過(guò)程中離層區(qū)的出現(xiàn)位置靈活調(diào)整注漿管的位置，并且可以模擬多層位離層注漿和多個(gè)工作面同時(shí)進(jìn)行離層注漿作業(yè)情況，可以很好的對(duì)整個(gè)覆巖離層注漿充填作業(yè)流程進(jìn)行相似模擬。通過(guò)覆巖離層注漿得到的數(shù)據(jù)可以跟已有理論及數(shù)值模擬研究間進(jìn)行驗(yàn)證和修正，為煤礦提供可靠的充填開(kāi)采依據(jù)，促進(jìn)煤炭安全綠色開(kāi)采。

附圖說(shuō)明

15.為了更清楚地說(shuō)明本實(shí)用新型的技術(shù)方案，下面將對(duì)所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本實(shí)用新型的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

16.圖1為本實(shí)用新型的一種模擬覆巖離層注漿充填的裝置的試驗(yàn)效果圖；

17.圖2為本實(shí)用新型的一種模擬覆巖離層注漿充填的裝置的模擬裝置箱體試驗(yàn)圖；

18.圖3為本實(shí)用新型的一種模擬覆巖離層注漿充填的裝置的模擬裝置箱體結(jié)構(gòu)示意圖；

19.圖4為本實(shí)用新型的一種模擬覆巖離層注漿充填的裝置的鉆孔器結(jié)構(gòu)示意圖。

20.附圖中：模擬裝置箱體1；微型攪拌注漿一體泵2；螺旋桿3；活動(dòng)擋板4；載荷補(bǔ)充液壓裝置5；頂板6；注漿管7；注漿孔槽8；鉆孔器9；前擋板10；線路孔11；高清攝像機(jī) 12；電動(dòng)角位臺(tái)13；煤層14；開(kāi)挖工作面15；冒落區(qū)16；裂隙帶17；離層區(qū)18；側(cè)擋板 19；輪子20；采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)21；鉆柄22；鉆桿23；鉆頭24；固定支撐架25。

具體實(shí)施方式

21.下面將結(jié)合本實(shí)用新型中的附圖，對(duì)本實(shí)用新型中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本實(shí)用新型一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；?br />
本實(shí)用新型中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其它實(shí)施例，都屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。

22.請(qǐng)參閱圖1-4，本實(shí)用新型提供一種模擬覆巖離層注漿充填的裝置，該裝置主要包括模擬裝置箱體1、微型攪拌注漿一體泵2、螺旋桿3、活動(dòng)擋板4、載荷補(bǔ)充液壓裝置5、頂板 6、注漿管7、注漿孔槽8、鉆孔器9、前擋板10、線路孔11、高清攝像機(jī)12、電動(dòng)角位臺(tái) 13、側(cè)擋板19、輪子20、采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)21和固定支撐架25。

23.進(jìn)一步地，所述模擬裝置箱體1的活動(dòng)擋板4、頂板6、側(cè)擋板19和底板為剛性材料，底部布置有輪子20，保證模擬裝置箱體1可以靈活移動(dòng)；所述前擋板10一側(cè)通過(guò)側(cè)擋板19 上的轉(zhuǎn)軸固定，可以做到270

°

開(kāi)合；所述活動(dòng)擋板4上焊接固定螺旋桿3，螺旋桿3長(zhǎng)度可根據(jù)涉及的試驗(yàn)條件確定，側(cè)擋板19上布置螺旋桿3位置的螺孔，螺旋桿3穿過(guò)后用螺帽和墊圈固定，所述頂板6沿長(zhǎng)邊方向留設(shè)有注漿孔槽8，注漿管7由鉆孔器9在注漿孔槽8上鉆孔后設(shè)置，注漿孔槽8為切削頂板6形成，兩端頭鉸接，設(shè)置在頂板6寬度中間，頂板6 上部均勻布置載荷補(bǔ)充液壓裝置5。

24.進(jìn)一步地，所述前擋板10上布置線路孔11來(lái)通過(guò)各種傳感元件的監(jiān)測(cè)線路，采用透光性出色的有機(jī)玻璃板來(lái)觀察模擬裝置箱體1內(nèi)部煤巖層的變化過(guò)程。

25.進(jìn)一步地，能夠根據(jù)試驗(yàn)相似比要求改變模擬裝置箱體1的尺寸。

26.進(jìn)一步地，所述注漿孔槽8能夠根據(jù)開(kāi)挖過(guò)程中離層區(qū)18的出現(xiàn)位置靈活調(diào)整注漿管7 的位置；所述注漿管7來(lái)模擬注漿過(guò)程中鉆孔鋪設(shè)注漿管路；所述載荷補(bǔ)充液壓裝置5用來(lái)控制和補(bǔ)充上覆巖層的載荷。

27.進(jìn)一步地，所述頂板6為具有一定厚度剛性材料，注漿孔槽8寬度和鉆孔器9規(guī)格由注漿管7尺寸確定,鉆孔器9可沿著注漿孔槽8選擇任意鉆孔位置，從而使注漿效果更加明顯。

28.進(jìn)一步地，所述鉆孔器9為碳鋼材料，由鉆柄22、鉆桿23和鉆頭24組成，鉆桿23為中空結(jié)構(gòu)，鉆孔時(shí)通過(guò)人力轉(zhuǎn)動(dòng)鉆柄22帶動(dòng)鉆桿23和鉆頭24旋轉(zhuǎn)，鉆孔器9必須與注漿孔槽8垂直，避免打出斜孔，旋轉(zhuǎn)時(shí)要向同一方向，使用后應(yīng)立即用通條除去鉆桿23內(nèi)的殘?jiān)⒉羶簟?br />
29.實(shí)施例：

30.神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)下屬某礦主采煤層9煤厚度平均6.66m，某工作面傾向長(zhǎng)度250m，煤層傾角7

°

～10

°

，煤層厚度4.5m，上覆巖層厚度約為373m，容重為1.8

×

103kg/m3，直接頂為石灰?guī)r，上覆巖層以砂巖為主。

31.(1)確定模型幾何相似比為1∶100(模型：原型)，容重相似比為1∶1.5，模型模擬上覆巖層厚度為130m，則物理模擬平臺(tái)尺寸為2.5m

×

0.6m

×

1.3m(長(zhǎng)

×

寬

×

高)，固定活動(dòng)擋板 4，調(diào)節(jié)電動(dòng)角位臺(tái)13使模擬裝置箱體1傾角為10

°

，然后將固定支撐架25開(kāi)啟，防止模擬裝置箱體1滑移。

32.(2)根據(jù)：δ＝γh·

(h-h1)/(α

l

·

α

γ

)＝0.0405mpa，確定上覆巖層補(bǔ)償荷載，式中：

33.γh——上覆巖層容重，其平均值約為25kn/m3；

34.α

l

——長(zhǎng)度相似常數(shù)，取100；α

γ

——容重相似常數(shù)，取1.5；

35.h——從地表至煤層頂板巖層厚度，373m，h1——模型模擬上覆巖層厚度，130m。

36.根據(jù)g＝l

·b·h·

γ確定模型各分層材料用量，式中：

37.l——模型長(zhǎng)度，m；b——模型寬度，m；h——模擬巖層各分層高度，m；

38.γ——模擬巖層各分層容重。

39.(3)將每一分層所需要的相似材料和水分別稱(chēng)重，混合后倒入攪拌機(jī)中攪拌均勻，將攪拌好的相似材料倒入模擬裝置箱體1中，用刮板將相似材料攤平、壓實(shí)，每一分層間鋪設(shè)云母粉，并在需要監(jiān)測(cè)的層位鋪設(shè)傳感元件。

40.(4)鋪設(shè)到1.3m時(shí)，閉合頂板6和前擋板10，調(diào)整載荷補(bǔ)充液壓裝置5時(shí)補(bǔ)償荷載達(dá)到0.0405mpa，同時(shí)開(kāi)啟電風(fēng)扇加快煤巖層的風(fēng)干，定時(shí)觀察其風(fēng)干情況。

41.(5)待到煤巖層風(fēng)干后，進(jìn)行模擬煤層開(kāi)采，同時(shí)開(kāi)啟高清攝像機(jī)12和采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)21 觀察上覆巖層的變化情況，實(shí)驗(yàn)中模擬工作面推進(jìn)速度為10cm/h，當(dāng)出現(xiàn)離層區(qū)18時(shí)，停煤層止開(kāi)挖，用鉆孔器9沿著垂直于注漿孔槽8方向緩慢鉆孔，避免破壞離層區(qū)18，同時(shí)開(kāi)啟微型攪拌注漿一體泵2，調(diào)試無(wú)誤后將稱(chēng)重好的注漿材料倒入攪拌均勻，然后連接注漿管 7，開(kāi)始模擬覆巖離層注漿充填作業(yè)，直至漿液在離層區(qū)沉淀形成飽和壓實(shí)體時(shí)注漿充填作業(yè)結(jié)束。

42.以上公開(kāi)的本實(shí)用新型優(yōu)選實(shí)施例只是用于幫助闡述本實(shí)用新型。優(yōu)選實(shí)施例并沒(méi)有詳盡敘述所有的細(xì)節(jié)，也不限制該實(shí)用新型僅為所述的具體實(shí)施方式。顯然，根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的內(nèi)容，可作很多的修改和變化。本說(shuō)明書(shū)選取并具體描述這些實(shí)施例，是為了更好地解釋本實(shí)用新型的原理和實(shí)際應(yīng)用，從而使所屬技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員能很好地理解和利用本實(shí)用新型。本實(shí)用新型僅受權(quán)利要求書(shū)及其全部范圍和等效物的限制。技術(shù)特征：

1.一種模擬覆巖離層注漿充填的裝置，其特征在于：主要包括模擬裝置箱體(1)、微型攪拌注漿一體泵(2)、螺旋桿(3)、活動(dòng)擋板(4)、載荷補(bǔ)充液壓裝置(5)、頂板(6)、注漿管(7)、注漿孔槽(8)、鉆孔器(9)、前擋板(10)、線路孔(11)、高清攝像機(jī)(12)、電動(dòng)角位臺(tái)(13)、側(cè)擋板(19)、輪子(20)、采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(21)和固定支撐架(25)；所述模擬裝置箱體(1)的活動(dòng)擋板(4)、頂板(6)、側(cè)擋板(19)和底板為剛性材料，底部布置有輪子(20)，保證模擬裝置箱體(1)可以靈活移動(dòng)；所述前擋板(10)一側(cè)通過(guò)側(cè)擋板(19)上的轉(zhuǎn)軸固定，可以做到270

°

開(kāi)合；所述活動(dòng)擋板(4)上焊接固定螺旋桿(3)，螺旋桿(3)長(zhǎng)度可根據(jù)涉及的試驗(yàn)條件確定，側(cè)擋板(19)上布置螺旋桿(3)位置的螺孔，螺旋桿(3)穿過(guò)后用螺帽和墊圈固定，所述頂板(6)沿長(zhǎng)邊方向留設(shè)有注漿孔槽(8)，注漿管(7)由鉆孔器(9)在注漿孔槽(8)上鉆孔后設(shè)置，注漿孔槽(8)為切削頂板(6)形成，兩端頭鉸接，設(shè)置在頂板(6)寬度中間，頂板(6)上部均勻布置載荷補(bǔ)充液壓裝置(5)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模擬覆巖離層注漿充填的裝置，其特征在于：所述前擋板(10)上布置線路孔(11)來(lái)通過(guò)各種傳感元件的監(jiān)測(cè)線路，采用透光性出色的有機(jī)玻璃板來(lái)觀察模擬裝置箱體(1)內(nèi)部煤巖層的變化過(guò)程。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模擬覆巖離層注漿充填的裝置，其特征在于：能夠根據(jù)試驗(yàn)相似比要求改變模擬裝置箱體(1)的尺寸。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模擬覆巖離層注漿充填的裝置，其特征在于：所述注漿孔槽(8)能夠根據(jù)開(kāi)挖過(guò)程中離層區(qū)(18)的出現(xiàn)位置靈活調(diào)整注漿管(7)的位置；所述注漿管(7)來(lái)模擬注漿過(guò)程中鉆孔鋪設(shè)注漿管路；所述載荷補(bǔ)充液壓裝置(5)用來(lái)控制和補(bǔ)充上覆巖層的載荷。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種模擬覆巖離層注漿充填的裝置，其特征在于：所述頂板(6)為具有一定厚度剛性材料，注漿孔槽(8)寬度和鉆孔器(9)規(guī)格由注漿管(7)尺寸確定,所述鉆孔器(9)可沿著注漿孔槽(8)選擇任意鉆孔位置，從而使注漿效果更加明顯。6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的一種模擬覆巖離層注漿充填的裝置，其特征在于：所述鉆孔器(9)為碳鋼材料，由鉆柄(22)、鉆桿(23)和鉆頭(24)組成，鉆桿(23)為中空結(jié)構(gòu)，鉆孔時(shí)通過(guò)人力轉(zhuǎn)動(dòng)鉆柄(22)帶動(dòng)鉆桿(23)和鉆頭(24)旋轉(zhuǎn)，鉆孔器(9)必須與注漿孔槽(8)垂直，避免打出斜孔，旋轉(zhuǎn)時(shí)要向同一方向，使用后應(yīng)立即用通條除去鉆桿(23)內(nèi)的殘?jiān)⒉羶簟?br />
技術(shù)總結(jié)

本實(shí)用新型在傳統(tǒng)的相似模擬試驗(yàn)裝置基礎(chǔ)上，提出一種模擬覆巖離層注漿充填的裝置，該裝置能夠根據(jù)試驗(yàn)場(chǎng)地靈活移動(dòng)，可以模擬不同煤層傾角，根據(jù)設(shè)計(jì)改變箱體尺寸，適用于不同幾何相似比情況，能夠根據(jù)開(kāi)挖過(guò)程中離層區(qū)的出現(xiàn)位置靈活調(diào)整注漿管的位置，并且可以模擬多層位離層注漿和多個(gè)工作面同時(shí)進(jìn)行離層注漿作業(yè)情況，可以很好的對(duì)整個(gè)覆巖離層注漿充填作業(yè)流程進(jìn)行相似模擬。通過(guò)覆巖離層注漿得到的數(shù)據(jù)可以跟已有理論及數(shù)值模擬研究間進(jìn)行驗(yàn)證和修正，為煤礦提供可靠的充填開(kāi)采依據(jù)，促進(jìn)煤炭安全綠色開(kāi)采。促進(jìn)煤炭安全綠色開(kāi)采。促進(jìn)煤炭安全綠色開(kāi)采。

技術(shù)研發(fā)人員：張繼強(qiáng) 楊科 馮飛勝 何祥 劉帥 魏禎 呂鑫 趙新元

受保護(hù)的技術(shù)使用者：安徽理工大學(xué)

技術(shù)研發(fā)日：2021.07.26

技術(shù)公布日：2022/7/22