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煤炭开采地下水运移与保护综合智能试验平台

来源: 作者: 发布时间:2021-08-21 字号:

(1)平台简介

建设背景:煤矿地下水库技术的成功运用解决了西部矿区煤炭绿色开发和煤基能源产业发展的用水需求。煤炭开采过程中上覆岩层应力场、裂隙场、渗流场的演化规律是煤矿地下水库技术的重大关键基础理论,掌握煤炭开采过程中地下水运移规律是煤矿地下水库成功建设的重要保证。西部矿区煤炭高强度、大规模开发决定了矿区地下水流场的复杂性,但国内外缺乏高强度规模化开采条件下地下水运移规律模拟的大型试验平台,亟待开发超大尺度区域性、大比例三维相似模拟试验平台。

建设意义:煤炭开采地下水运移与保护综合智能试验平台立足于我国西部矿区煤炭绿色开发和地下水资源保护,首次实现了对超大尺度区域性、大尺度煤炭开采条件下矿井水产生、运移、存储的全过程模拟,首次将智能开采理念运用到相似模拟试验中,实现了相似模拟试验全过程智能化控制,填补了行业空白。该试验平台的成功研制将有利于西部矿区煤炭开采覆岩移动规律和地下水运移规律的研究,有助于揭示煤炭开采上覆岩层应力场、裂隙场、渗流场三场演化机理,从而优化开采工艺;同时可以为西部矿区煤矿地下水库建设提供理论支撑和试验验证,极大的丰富煤炭开采上覆岩层运移规律和地下水运移规律的基础理论体系,有力的促进西部矿区煤炭高质量开发。

(a)试验平台总体效果图

(b) 试验平台建设实物图

图1 煤炭开采地下水运移与保护综合智能试验平台

(2)平台主要模块

① 试验平台主体框架模块

试验平台主体框架模块包括主体台架、智能加载系统和密封系统,如图2所示。

图2 试验平台主体框架模块效果图

依据我国西部煤炭赋存条件和开采条件,台架设计满足相似原理和工程现场相似比尺模拟要求,具备“多功能、智能化、模块化、组合式、可扩展”等优点,台架组合尺寸可根据试验模拟范围进行调整,满足不同模拟范围三维尺寸组合,能够实现长宽高分别为10m×3m×3m、6m×3m×3m、3m×3m×3m三维尺寸模拟试验(如图3所示);同时满足顶部最大1MPa加载条件下台架刚度的要求,单个拼接件质量不大于5吨;其中一面采用透明玻璃作为物理台架骨架之间的密封材料。

根据试验台架结构、监测仪器布置要求、模拟试验应力参数等研究配置智能自动控制多路液压加载系统和柔性均布压力加载装置,满足西部矿区煤炭开采应力边界条件。

图3 可拆分式主体台架

通过台架结构、密封材料等研究,实现相似模拟试验台架对液体的密封性以及水流系统的可控性,满足固液耦合试验的要求。

② 相似材料机械化铺设与回收模块

相似材料机械化铺设与回收模块包括自动配料搅拌输送系统、相似材料机械化铺设系统、相似模型破碎回收系统,如图4所示

图4 相似材料机械化铺设与回收模块

自动配料搅拌输送系统通过计算机控制,根据相似材料的配比,实现相似材料的精准配制,同时完成搅拌和输送,系统控制如图5所示。

 

图5 自动配料搅拌输送系统控制界面

相似材料机械化铺设系统可实现相似材料的自动铺设(图6)、抚平、夯实(图7),提高相似材料的铺设效率。

图6 相似材料机自动铺设系统

 

图7 相似材料自动抚平与夯实系统

相似模型破碎回收系统能够实现相似模型的自动切割、转运、破碎和筛分,同时通过微波辅助破碎技术提高废料的破碎程度,从而提高废料的利用率。

③ 煤层模拟开采机器人模块

以煤炭开采相似模拟试验为研究背景,结合固液耦合相似材料特点,研制三维煤层智能开采模拟系统。该系统能够实现相似模拟试验三维空间模型多煤层开采,具备自动排渣(溶渣)功能,满足回采空间的稳定要求,能够模拟实际采煤过程,并能够多次重复利用,适应回采模拟工作面宽度1~3m,回采煤层厚度1~10cm。

根据多煤层开采三维相似模拟试验需求,研究三维空间内部模拟开采智能机器人。针对模拟开采煤层材料特性研制适应于满足试验要求的不同工作面宽度、煤层厚度、煤层倾角的智能开采机器人,以满足固液耦合等复杂开采条件下模拟煤炭开采,如图8所示。

 

(a)采煤机器人设计效果图              (b)采煤机器人实物图

图8 煤层模拟开采机器人模块

④ 数据获取融合与可视化仿真系统模块

该模块包括自动监测与数据采集系统、数据分析和可视化系统。

构建多参数物理量监测系统,如图9所示。根据物理平台设计尺寸、相似材料性质等在现有的电磁探测、工业CT探测、光纤光栅探测等技术成果基础上研制探测高精度(<1cm)裂隙场实时监测系统一套;针对大型三维相似模拟试验物理平台内部水运移路径监测需求,研究新型三维相似模拟固液耦合试验中水运移路径配套监测系统一套;研究监测数据自动采集系统;集成开发一套适合本相似模拟试验平台研究目标的高精度多参量数据监测采集系统,能实时监测相似材料应力分布、位移变化、裂隙发育等参数,系统主要由数据采集设备组成,具备数据存储功能,具备初步的数据分析、数据处理的功能。

图9 自动监测与数据采集系统

研发高性能数值仿真系统,如图5.10a所示。实现对大型模拟试验中裂隙场、渗流场、应力场的数值模拟和可视化展现,实现数值模拟分析系统与数据监测系统之间数据耦连,修正数值模拟分析关键参数。开发海量试验数据分析软件;构建高性能图形处理系统。

开发三维可视化展示平台,如图5.10b所示。一是开发煤岩层可视化构模软件:结合煤岩层赋存条件,研发试验室专属软件可视化表达煤层及上覆岩层、地表松散层,可视化表达煤炭地下水库、煤层采空区水体、老窑水、含水层。二是研制三维可视化展示装置:研究大模型试验平台试验过程和结果的三维可视化展示装置,实现试验过程的动态变化。

 

(a)数据分析系统界面           (b)可视化系统界面

图10 数据分析和可视化系统控制界面

⑤ 试验平台联合调试模块

该模块包括新型流固耦合材料研制和典型案例分析。根据神东矿区岩层物理力学参数、渗透性及相似比尺等参数,确定石英砂、重晶石粉及滑石粉作为相似材料骨料,水和白水泥作为胶结剂,硅油作为添加剂,开展相似材料配制试验,如图11所示。目前配制的相似材料泡水20小时不崩解,泡水后试件强度的折减率不超过20%,渗透系数维持在10-7~10-8 m/s量级,基本满足后期开展试验要求,将根据试验要求,进一步优化相似材料配比,使渗透系数更低,泡水后强度的折减率更低。

以典型矿井为应用案例,应用试验装置,开展模拟试验,测试相关系统运行的安全稳定和可靠性,制定相应的操作规程。

 

图11 新型相似材料研制

3)平台功能

① 煤炭开采上覆岩层应力场、裂隙场、渗流场三场演化机理研究

采用研制的新型流固耦合相似模拟材料和多参量多尺度监测与采集系统,研究西部矿区高强度、大规模开采条件下,不同岩性、不同采高、不同煤厚、不同煤层倾角、不同地下水赋存条件下,煤炭开采过程中上覆岩层应力场、裂隙场、渗流场演变规律。

② 煤炭开采全生命周期地下水运移规律研究

研究单一工作面开采全生命周期,地下水的运移规律;研究单一煤层多个工作面依次开采到结束时期,地下水的运移规律;研究多煤层多个工作面依次开采到结束时期,地下水的运移规律;研究邻近工作面从开采到结束时期,采动扰动对地下水运移规律的影响。

③ 煤矿地下水库建设可行性研究

基于煤炭开采过程中上覆岩层的三场演化机理和地下水运移规律,研究不同地质条件和开采条件下,煤矿地下水库的合理选址;研究不同地质条件和开采条件下,煤矿地下水库煤柱坝体宽度留设的合理性与安全性;研究多煤层开采开采条件下,上下层煤矿地下水库安全距离;研究不同水力耦合条件下,煤矿地下水库煤柱坝体承载特性与安全性。

④ 煤炭绿色开采工艺优化研究

研究不同开采条件下上覆岩层的应力场、裂隙场、渗流场三场演化机理和地下水运移规律,优化开采工艺,从源头降低开采扰动对地下水的影响。

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