专利名称：煤矿采场固-液-气三相介质耦合作用模拟实验装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种煤矿采场固-液-气三相介质耦合作用模拟实验装置，涉及固体力学、渗流力学、构造地质、地球物理、岩石力学、地下工程、石油工程和环境工程等学科 “固-液-气”三相介质耦合作用影响问题。
背景技术：
在物理模拟试验中，选择合适的模型材料是定量模拟的关键环节之一。根据模拟岩石的相似理论，即模拟岩石材料在多相耦合状态下应遵循的相似准则及应具有的性质， 适合用作地下工程相似模型试验的材料必须具有容重大、强度低和性能稳定等特点。对于与“固-液-气”三相有关的如在富含水沙层下、水体下、水体上和含有气体岩层等条件下开采的研究课题有必要开展“固-液-气”三相相似模拟研究。不少研究单位曾试图采用模拟试验进行相关课题研究，但因没有找到合适模拟材料和解决试验的关键技术而未能成功。固态模拟试验通常主要采用沙、石膏和大白粉等模拟材料，但这些材料遇水易崩解，模拟试验首先要研制非亲水的模拟材料，即模型材料需选择非亲水性材料进行制模，含气岩层还需要进行透气不透水材料进行制模，又增加了制模难度。且许多模拟结果不能很好反映成岩地质体在工程状态下的实际情况，并且常常出现某些定性错误，而在试验方面研究甚少。由于开挖引起位移场的模型试验，大都是以自重体积力为主要外力条件的模拟试验， 事实上在“固-液-气”三相介质耦合作用的情况下与该模拟试验条件是有很大差别的。如果仍采用一般原始的模拟方法，的确不能反映岩体在工程状态下的实际情况，也不是真正的“固-液-气”耦合相似模拟，不能实现“固-液-气”三相模拟的原因主要是没有找到合适的三相相似模拟材料来制作“固-液-气”耦合相似模型，因此研究“固-液-气”试验材料是必要的，也为进一步进行“固-液-气”耦合研究打下了基础。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种煤矿采场固-液-气三相介质耦合作用模拟实验装置，采用如下技术方案一种固-液-气三相介质耦合作用模拟实验装置，包括底座、主体框架、侧护板、 开采组件、模拟材料层和监测装置；所述主体框架结构为框架结构，顶部开有装填孔，底部通过轴承与底座连接；侧护板采用有机玻璃，安装在主体框架的前后两个侧面，作为前后两面的透明观测窗口 ；开采组件包括开采工作面内支架模型和通风装置的进风管路和回风管路；模拟材料层自上而下依次是模拟黄土层、模拟砂岩、模拟细砂岩、模拟页岩、模拟基本顶、模拟直接顶、模拟煤层、模拟直接底、模拟含水层、模拟泥岩。所述的模拟实验装置，所述模拟黄土层采用黄土、石膏、大白粉按比例637配比而成；所述模拟砂岩采用河砂、石膏和大白粉按照比例337配比而成；所述模拟细砂岩采用河砂、石膏和大白粉按照比例355配比而成；所述模拟页岩采用河砂、石膏和大白粉按照比例 555配比而成；所述模拟基本顶采用透气不透水砂、石膏和大白粉按照比例337配比而成；所述模拟直接顶采用透气不透水砂、石膏和大白粉按照比例673配比而成；所述模拟煤层采用煤粉、石膏和大白粉按照比例473配比而成；所述模拟直接底采用河沙、石膏和大白粉按照比例673配比而成，模拟直接底上表面涂熔融石蜡；所述模拟含水层采用河沙、石膏和大白粉按照比例355配比而成，所述模拟含水层下表面涂熔融石蜡。所述的模拟实验装置，还包括示踪液体注入装置、注气装置、通风装置，示踪液体注入装置向模拟含水层内注示踪液体；注气装置向模拟煤层内注入示踪气体；通风装置向外抽气。所述的模拟实验装置，所述监测装置包括压力控制装置、声发射设备、气相色谱仪、便携式氧气测定仪、应变检测仪、流量计和钻孔窥视仪。所述的模拟实验装置，还包括加压装置，进行压力调节。所述的模拟实验装置，所述底座装有角度指示仪。本发明与现有技术相比具有以下优点1、能够充分发挥系统性的优势，在监测信息反馈下，利用综合手段的相互作用、相互补充，弥补了单一手段的不足。2、根据实际情况地进行科学合理设计，根据现场实际需要，即在特定的时-空-地范围内，形成采场“固-液-气”三相介质耦合作用形式，有效模拟过程。3、利用综合监测手段，监测 “固-液-气”三相介质耦合作用规律，防止安全事故发生。4、推广应用价值高，可以在采矿工程、环境工程、土木工程、石油工程等领域广泛应用。5、监测结果准确，其为的综合监测手段，充分发挥系统优势，适时、实地、科学的监测，进行准确的预测预报，为设计和生产实践提供可靠的理论依据和指导。实验结束后综合分析模拟和监测结果，得出采场“固-液-气”三相介质耦合作用规律，为现场工业化生产提供安全保障和技术支持。


图1为本发明“固-液-气”三相介质耦合作用实验设计布局(正视图)。图2为本发明根据模拟实验装置瓦斯分布规律。图3为本发明“固-液-气”耦合作用下模拟支架载荷检测结果，(a)两端和中间支架载荷，(b)平均载荷。图4为本发明“固-液-气”耦合作用下采动过程AE特征，(a)事件统计，(b)能率-时间关系。
具体实施例方式以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。实施例1表1给出了工程现场物理原型相关开采技术参数。模拟实验采用的相似比= 1 100 ；煤层厚度32. 9cm，采高3. 5cm，放煤高度沈.5cm。实验设计及相关参数如图4所示。
表1现场开采基本参数
权利要求
1.一种固-液-气三相介质耦合作用模拟实验装置，其特征在于，包括底座、主体框架、 侧护板、开采组件、模拟材料层和监测装置；所述主体框架结构为框架结构，顶部开有装填孔，底部通过轴承与底座连接；侧护板采用有机玻璃，安装在主体框架的前后两个侧面，作为前后两面的透明观测窗口 ；开采组件包括开采工作面内支架模型和通风装置的进风管路和回风管路；模拟材料层自上而下依次是模拟黄土层、模拟砂岩、模拟细砂岩、模拟页岩、模拟基本顶、模拟直接顶、模拟煤层、模拟直接底、模拟含水层、模拟泥岩。
2.根据权利要求1所述的模拟实验装置，其特征在于，所述模拟黄土层采用黄土、石膏、大白粉按比例637配比而成；所述模拟砂岩采用河砂、石膏和大白粉按照比例337配比而成；所述模拟细砂岩采用河砂、石膏和大白粉按照比例355配比而成；所述模拟页岩采用河砂、石膏和大白粉按照比例555配比而成；所述模拟基本顶采用透气不透水砂、石膏和大白粉按照比例337配比而成；所述模拟直接顶采用透气不透水砂、石膏和大白粉按照比例 673配比而成；所述模拟煤层采用煤粉、石膏和大白粉按照比例473配比而成；所述模拟直接底采用河沙、石膏和大白粉按照比例673配比而成，模拟直接底上表面涂熔融石蜡；所述模拟含水层采用河沙、石膏和大白粉按照比例355配比而成，所述模拟含水层下表面涂熔融石蜡。
3.根据权利要求1所述的模拟实验装置，其特征在于，还包括示踪液体注入装置、注气装置、通风装置，示踪液体注入装置向模拟含水层内注示踪液体；注气装置向模拟煤层内注入示踪气体；通风装置向外抽气。
4.根据权利要求1所述的模拟实验装置，其特征在于，所述监测装置包括压力控制装置、声发射设备、气相色谱仪、便携式氧气测定仪、应变检测仪、流量计和钻孔窥视仪。
5.根据权利要求1所述的模拟实验装置，其特征在于，还包括加压装置，进行压力调节。
6.根据权利要求1所述的模拟实验装置，其特征在于，底座装有角度指示仪。
全文摘要
本发明公开了一种固-液-气三相介质耦合作用模拟实验装置，包括底座、主体框架、侧护板、开采组件、模拟材料层和监测装置；所述主体框架结构为框架结构，顶部开有装填孔，底部通过轴承与底座连接；侧护板采用有机玻璃，安装在主体框架的前后两个侧面，作为前后两面的透明观测窗口；开采组件包括开采工作面内支架模型和通风装置的进风管路和回风管路。监测结果准确，其为的综合监测手段，充分发挥系统优势，适时、实地、科学的监测，进行准确的预测预报，为设计和生产实践提供可靠的理论依据和指导。
文档编号G01N33/24GK102253179SQ201110101610
公开日2011年11月23日 申请日期2011年4月22日 优先权日2011年4月22日
发明者伍永平, 崔峰, 曹建涛, 来兴平, 漆涛, 王宁波, 王青松, 蒋东辉, 郭秉超 申请人:西安科技大学