一种卸压开采相似模拟方法
技术领域
本发明涉及矿山工程领域，特别涉及一种保护层开采的采动相似模拟方法。
背景技术
煤矿瓦斯治理一直是煤矿灾害治理的重点和难点。虽然我国目前在煤与瓦斯突出治理上已经有了很大的进步，但突出治理技术的研究仍然是一个坚决的任务。就现在应用比较广泛的保护层开采卸压增透技术来说，该技术是通过开采目标煤层以上或者以下的煤层，使目标煤层在地应力的作用下发生变形，这样使煤层所受应力降低的同时又能通过变形产生的裂隙增加瓦斯的渗透率，从而达到卸压增透的效果。目前来看该技术效果显著且可行性高，但在具体实施方案的确定上，往往需要大量的前期工作。特别是就多煤层开采时，确定具体的保护层位置和开采范围，成为技术的难点。如果能在设计保护层开采方案时，通过相似模拟方法得到保护层开采后的被保护范围以及卸压增透效果，那么这就给方案设计提供了重要的辅助支撑，让方案的选取过程更加的科学、合理。
因此，亟需开发一种保护层开采的采动相似模拟方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种卸压开采相似模拟方法，以解决现有技术中存在的问题。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种卸压开采相似模拟方法，包括以下步骤：
1)选取不同的形状记忆聚合物作为岩层、被保护层和保护层的打印线材。
2)根据待打印的岩煤层几何相似模板、岩煤层构造相似模型以及各煤岩层的基本特征进行3D打印。得到包含保护层块体和被保护层的地层相似模型。其中，煤岩层的基本特征包括容重、抗压强度和抗剪强度。
3)将保护层块体从地层模型中逐步取出以模拟保护层的开采过程，保护层开采的位置、速度和范围通过取出块体的位置、速度和个数来控制，观测开采过程中覆岩断裂、覆岩垮落、裂隙萌生和裂隙发展过程。
4)将开采后的保护层块体重新放入模型中，并通过外场激励使地层恢复初始形状，破断记忆材料愈合。
5)重复进行步骤3)和步骤4)，获得不同保护层开采情况下被保护层的变形破坏情况。
进一步，步骤5)之后，还具有根据被保护层的变形破坏情况得出保护层的卸压增透范围和效果，选取最优保护层开采方案的相关步骤。
进一步，所述保护层形状记忆聚合物的组成和质量份数如下：石英砂20份、聚乙烯10份、橡胶30份、重晶石粉10份、石膏4份、细木屑10份和石蜡4～6份。
所述被保护层形状记忆聚合物的组成和质量份数如下：石英砂20份、重晶石粉30份、膨胀变形剂10份、防锈剂6份、骨料10份和石蜡4～6份。
进一步，3D打印过程中，层与层之间的分离材料采用云母粉。。
进一步，以形状记忆聚合物从下往上重复层叠进行打印。
进一步，动态裂纹检测仪、声发射装置和应变片。
本发明的技术效果是毋庸置疑的：
A.使保护层卸压增透机理一目了然，卸压增透效果的考察也是十分容易；
B.在每次进行实验时能够保证实验条件的大致相似，减少了因季节和环境等因素导致的实验误差；
C.由于在同一实验中，可以用光等激励因素使材料复原，这可以用于研究保护层开采过程中对被保护层的影响扩展了相似材料模拟实验的应用范围；
D.通过模拟不同保护层的开采可以选择合理的保护层开采方案，提高煤矿开采设计的合理性和科学性。
附图说明
图1为模拟方法流程图；
图2为上保护层开采相似模拟示意图；
图3为下保护层开采相似模拟示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
参见图1，本实施例公开一种卸压开采相似模拟方法，包括以下步骤：
1)选取不同的形状记忆聚合物作为岩层、被保护层和保护层的打印线材。
所述保护层形状记忆聚合物的组成和质量份数如下：石英砂20份、聚乙烯10份、橡胶30份、重晶石粉10份、石膏4份、细木屑10份和石蜡4～6份。
所述被保护层形状记忆聚合物的组成和质量份数如下：石英砂20份、重晶石粉30份、膨胀变形剂10份、防锈剂6份、骨料10份和石蜡4～6份。
2)根据待打印的岩煤层几何相似模板、岩煤层构造相似模型以及各煤岩层的基本特征进行3D打印，同时将应变片分别布置于不同岩层的层间位置以便测量岩层的变形，模型冷却后得到包含保护层块体和被保护层的地层4D相似模型。其中，煤岩层的基本特征包括容重、抗压强度和抗剪强度等。
3)将模型布置于光学工作台上。将保护层块体从地层模型中逐步取出以模拟保护层的开采过程，保护层开采的位置、速度和范围通过取出块体的位置、速度和个数来控制。观测开采过程中覆岩断裂、覆岩垮落、裂隙萌生和裂隙发展过程。
4)将开采后的保护层块体重新放入模型中，并通过外场激励使地层恢复初始形状，破断记忆材料愈合。
5)重复进行步骤3)和步骤4)，获得不同保护层开采情况下被保护层的变形破坏情况。
6)获得不同保护层开采情况下被保护层的卸压增透范围和效果，最终选取最优保护层开采方案。
值得说明的是，被保护层的变形量通过动态裂纹检测仪配合声发射装置和应变片获得。通过应变片数据估算被保护层的膨胀变形率。根据裂纹、裂隙的监测数据获得保护层卸压增透范围。通过对裂纹、裂缝的数目和扩展面积、深度的统计估算渗透特性的变化。
实施例2：
本实施例公开一种卸压开采相似模拟方法，包括以下步骤：
1)根据相似比选取形状记忆聚合物作为打印线材，值得注意的是，保护层的选材及配比和被保护层有所不同需根据实际情况进行调整。
2)根据待打印的岩层几何相似模板、岩层构造相似模型以及各岩(煤)层的容重、强度等基本特征进行3D打印，得到包含保护层块体和被保护层的地层模型，冷却后得到4D打印模型。3D打印过程中，地层之间的分离材料采用云母粉。以形状记忆聚合物从下往上重复层叠进行打印。
3)通过将保护层块体从地层模型中逐步取出来模拟保护层的开采过程，进而模拟出保护层开采的时被保护层的变形破坏过程。如裂隙的萌生、发展过程，断裂、垮落的产生过程等。被保护层的变形可通过动态裂纹检测仪配合声发射装置和应变片获得而其渗透特性可以。通过贴附于被保护层各个面上的应变片粗略地计算出被保护层的膨胀变形率，其卸压增透范围可根据裂纹、裂隙的监测数据获得而其渗透特性的变化可以通过对裂纹、裂缝的数目和面积统计进行估计。
4)将开采后的保护层块体重新放入模型中，并通过外场激励使地层恢复初始形状，破断记忆材料愈合。
5)重复进行步骤3)和步骤4)，获得不同保护层开采情况下的被保护层的范围和卸压增透效果，从而对比得到较为可靠的保护层开采方案。
值得说明的是，在本实施例中，不同的监测设备的布置方式如下：应变片贴附于不同的岩层和煤层的交界面和每层的外边面，声发射监测设备的触头分别贴附一各岩层和煤层的外表面每个外表面至少3对以便定位裂纹的位置，动态裂纹监测仪的触头同样贴附于各岩层和煤层的外表面，并且只需贴附于相邻的两各侧面，每个侧面至少需要3个。
参见图2，上保护层开采的模拟方法为将上层模拟保护层块体逐步取出，模拟保护层的开采过程，然后再观察被保护层的膨胀变形情况和其他的地层以及被保护的裂隙、断裂等破坏的产生从而达到模拟保护层开采后对被保护层的影响。
实施例3：
本实施例公开一种卸压开采相似模拟方法，包括以下步骤：
1)根据相似比选取形状记忆聚合物作为打印线材。保护层形状记忆聚合物的组成和质量份数如下：石英砂20份、聚乙烯10份、橡胶30份、重晶石粉10份、石膏4份、细木屑10份和石蜡4～6份；被保护层形状记忆聚合物的组成和质量份数如下：石英砂20份、重晶石粉30份、膨胀变形剂10份、防锈剂6份、骨料10份和石蜡4～6份。所述形状记忆聚合物可以均匀吸水脱水性且吸水变形不明显。保护层模拟材料受光或温度激励变形后，其质量或体积可均匀收缩为原来的数十分之一甚至百分之一。
2)根据待打印的岩层几何相似模板及地质构造相似模型进行3D打印，得到含保护层块体和被保护层的地层结构模型。3D打印过程中，层与层之间的分离材料采用云母粉。采用双层结构，以形状记忆聚合物从下往上重复层叠进行打印。其中，双层结构由不同配比的材料组成。
3)通过将保护层块体从地层模型中逐步取出来模拟保护层的开采过程，其中保护层开采的位置、速度和范围通过取出块体的位置、速度和个数来控制。实验过程中，被保护层的变形情况可通过动态裂纹检测仪配合声发射装置和应变片获得。通过贴附于被保护层各个面上的应变片粗略地计算出被保护层的膨胀变形率，其卸压增透范围可根据裂纹、裂隙的监测数据获得而其渗透特性的变化可以通过对裂纹、裂缝的数目和面积统计进行估计。
4)将开采后的保护层块体重新放入模型中，并通过外场激励使地层恢复初始形状，破断记忆材料愈合。
5)重复进行步骤3)和步骤4)，获得不同保护层开采情况下被保护层的变形破坏情况，从而得出保护层的卸压增透范围和效果，选出更科学合理的保护层开采方案。
值得说明的是，参见图3，在本实施例中，进行下保护层开采相似模拟实验，其中不同的监测设备的布置方式如下：应变片贴附于不同的岩层和煤层的交界面和每层的外边面，声发射监测设备的触头分别贴附一各岩层和煤层的外表面每个外表面至少3对以便定位裂纹的位置，动态裂纹监测仪的触头同样贴附于各岩层和煤层的外表面，并且只需贴附于相邻的两各侧面，每个侧面至少需要3个。通过以上的模拟实验，在经过相关数据的处理之后可以得到不同保护层开采后被保护层的变形情况从而优选出更科学合理的保护层开采方案。
