CN103728147A

CN103728147A - 倾角可调的综放长壁顶煤放出三维模拟实验装置及方法

Info

Publication number: CN103728147A
Application number: CN201310655269.9A
Authority: CN
Inventors: 王家臣; 潘卫东; 李兆龙; 张锦旺
Original assignee: China University of Mining and Technology Beijing CUMTB
Current assignee: China University of Mining and Technology CUMT; China University of Mining and Technology Beijing CUMTB
Priority date: 2013-12-06
Filing date: 2013-12-06
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2033-12-06
Also published as: CN103728147B

Abstract

本发明提供一种倾角可调的综放长壁顶煤放出三维模拟实验装置，包括实验装置箱体和实验装置底座，所述实验装置底座的四角设有二级平台，所述二级平台上安装有千斤顶，所述实验装置箱体通过千斤顶安装于所述实验装置底座之上，并在试验台的箱体的玻璃板或者金属板上固定有双轴数显水平仪，实时显示实验过程中的倾斜角度。三角铁片和双轴数显水平仪的应用减少了人力因素的介入程度，改善了工作条件和操作方便性；而且通过多功能模拟倾角更加真实地还原出长壁采煤法的开采现场包括仰斜俯斜或不同倾角的开采，更接近顶煤的真实放出规律。

Description

倾角可调的综放长壁顶煤放出三维模拟实验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种倾角可调的综放长壁顶煤放出三维模拟实验装置及方法，用于研究综放开采工作面的顶煤运移规律。

背景技术

煤炭作为一次性基础能源在我国能源结构中占有70%以上的比例，其中厚煤层（厚度≥3.5m）的产量占据煤炭总量的45%左右，储量也约占全部煤层储量的44%，因此针对厚煤层的开采技术得到了较大的发展。

较之于分层开采和大采高，综放开采因具有高产、高效的优势而得到了广泛的应用，现已成为我国厚煤层的主要采煤方法。现有技术的综放开采存在的最根本的缺陷是顶煤回收率较低，因此如何对综放开采进行更合理的优化来提高顶煤回收率，是所属领域当前研究的热题。而散体顶煤放出规律的研究顶煤开采研究的核心内容。

国内外对顶煤放出规律的研究，主要是通过有限元或者离散元计算机数值进行相似模拟，而现有技术的室内相似模拟实验多采用水平相似模拟实验台，所得试验结果和实验结论仅适用于水平情况下对现场的模拟，因此只能实现二维数值模拟，无法模拟不同赋存条件，不同角度下煤层的状态，如各种倾角开采，以及仰斜和俯斜开采时煤层的状态。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种倾角可调的综放长壁顶煤放出三维模拟实验装置及模拟方法，通过模拟煤层倾角的变化，更加真实地还原出长壁采煤法的实际开采现场。

本发明采用的具体技术方案为：一种倾角可调的综放长壁顶煤放出三维模拟实验装置，包括实验装置箱体和实验装置底座；所述实验装置箱体由左-右-后方的三面金属板和前方的玻璃板围成，所述玻璃板或者金属板上固定有实时显示抬升角度的双轴数显水平仪；所述底座包括平行设置的分别代表煤层角钢和顶煤角钢的可抽动的不锈钢盒和角钢，所述不锈钢盒和角钢的左侧通过综放支架连接，所述不锈钢盒和角钢均为纵向排列；所述实验装置箱体放置于所述实验装置底座之上，通过千斤顶抬升角度。

所述箱体与底座四周的接触边缘每侧设有两个门轴，作为抬升过程中的支点。

所述箱体的侧棱每隔20cm设有三角铁片，用于标示高度和加固所述箱体。

在所述金属板顶端加装吊装环，吊装架上设有滑轮，吊装铁链穿入吊装环中，滑轮通过吊装铁链吊住所述箱体。

所述模拟实验装置包含两组千斤顶，所述每组千斤顶由1号、2 号和3号千斤顶组成，所述1号、2号和3号千斤顶为按照由小到大依次排列的型号，每次实验中同型号的两个千斤顶安装于相邻的一组二级平台上。

一种倾角可调的综放长壁顶煤放出三维模拟实验方法，包括将实验装置箱体倾斜抬升和前后抬升，所述倾斜抬升模拟仰斜或者俯斜开采时煤层的状态，所述前后抬升模拟不同倾角开采时煤层的状态；所述抬升的具体步骤为：

步骤1、将两个1号千斤顶分别置于相邻的两个二级平台上，所述两个1号千斤顶同步抬升，实现较小倾角的倾斜，或者抬升至实验装置箱体和二级平台的空隙达到足以放置2号千斤顶的最低位，同时保持所述实验装置箱体稳定，抬升过程中同时保持所述实验装置箱体稳定和吊装铁链拉紧；

步骤2、所述两个1号千斤顶抬升至实验装置箱体和二级平台的空隙达到足以放置2号千斤顶的最低位后，将两个2号千斤顶置于所述两个二级平台，所述两个2号千斤顶同步抬升，实现较大倾角的倾斜，或者抬升至实验装置箱体和二级平台的空隙达到足以放置2号千斤顶的最低位，抬升过程中同时保持所述实验装置箱体稳定和吊装铁链拉紧；

步骤3、所述两个2号千斤顶抬升至实验装置箱体和二级平台的空隙达到足以放置3号千斤顶的最低位后，将两个3号千斤顶置于所述两个二级平台，替换所述两个1号千斤顶同步抬升，实现大倾角的倾斜，抬升过程中同时保持所述实验装置箱体稳定和吊装铁链拉紧；

根据抬升的角度，选择步骤1-3中的一部分，按照与上述步骤相反的步骤，卸下千斤顶，实验装置箱体回归水平位。

双轴数显水平仪实时显示抬升角度。

所述方法可以实现综采放顶煤走向长壁采煤法55°以下任意煤层角度的模拟。

所述方法尤其可以实现综采放顶煤走向长壁采煤法45°-55°大倾角煤层开采的模拟。

所述方法可以实现综采放顶煤倾斜长壁采煤法33°以下任意煤层角度的模拟。

本发明产生的有益效果是：

1、由于实验装置可变倾角，通过抬升不同部位不同角度，可以模拟包括仰斜、俯斜开采和不同倾角开采时的不同赋存条件和角度下煤层的状态，更接近实际状态下的煤层开采，有利于对综放煤层的研究；

2、由于安装千斤顶设置了底座，而底座也使得实验装置箱体高度提升，不需要实验人员趴在地上；三角铁片不仅加固了箱体，同时作为箱体内部的刻度标志，方便实验人员确定石子铺设高度，减少了人力因素的介入程度，改善了工作条件和操作方便性。

附图说明

当结合附图考虑时，能够更完整更好地理解本发明。此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，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。

图1为本发明一种倾角可调的综放长壁顶煤放出三维模拟实验装置的主视图；

图2为本发明一种倾角可调的综放长壁顶煤放出三维模拟实验装置的左视图；

图3为本发明一种倾角可调的综放长壁顶煤放出三维模拟实验装置的仰斜抬升示意图；

图4为本发明一种倾角可调的综放长壁顶煤放出三维模拟实验装置的不同倾角抬升示意图。

图中：1、实验装置底座21、金属板22、玻璃板23、不锈钢盒24、角钢25、综放支架26、二级平台3、千斤顶4、双轴数显水平仪5、三角铁片6、门轴7、吊装环8、楔形块。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的技术方案作进一步详细的说明。

长壁采煤法分为走向长壁采煤法和倾斜长壁采煤法，其中长壁工作面沿倾斜方向布置、沿走向推进的采煤方法称为走向长壁采煤法，其对应的是本发明模拟的不同倾角的开采；

长壁工作面沿走向布置、沿倾斜推进的采煤方法称为倾斜长壁采煤法，按推进方向分仰斜开采和俯斜开采两种，其对应的是本发明模拟的仰斜开采和俯斜开采。

如图1-2所示的一种倾角可调的综放长壁顶煤放出三维模拟实验装置，包括实验装置箱体和实验装置底座1，实验装置底座1的四角设有二级平台26，二级平台26上安装有千斤顶3，实验装置箱体通过千斤顶3安装于实验装置底座1之上，双轴数显水平仪4可通过粘钩或者挂钩在箱体的玻璃板22或者金属板21上，用于显示模拟实验中箱体的倾角角度。该多功能模拟实验装置需备有相同的两组千斤顶3，每组千斤顶3由1号、2号和3号千斤顶组成，其中1号、2号和3号千斤顶是按照由小到大依次排列的型号，3个型号的千斤顶所能达到的角度范围如下：

表1.不同倾角开采时千斤顶能达到的范围

千斤顶	最低高度（mm）	最小角度（°）	最高高度（mm）	最大角度（°）
					1号	200	0	400	11.5
2号	300	5.7	685	29.0
					3号	410	12.1	1020	55.0

表2.仰斜或俯斜开采时千斤顶能达到的范围：

千斤顶	最低高度（mm）	最小角度（°）	最高高度（mm）	最大角度（°）
					1号	200	0	400	7.6
2号	300	3.8	685	18.8
					3号	410	8.0	1020	33.2

根据煤层倾角的划分，倾角小于8°为近水平煤层，8°到25°为缓倾斜煤层，25°到45°为中倾斜煤层，45°以上为急倾斜煤层。由表1和表2的数据可知，本发明的实验装置可以实现55°以下任意角度的煤层模拟，尤其是45°到55°的大倾角放顶煤的模拟；也可以实现综放倾斜长壁采煤法（包括仰斜和俯斜开采）33°以下任意煤层角度的模拟。

每次实验中，两组千斤顶中3的同型号的两个千斤顶3安装于相邻的一组二级平台26上，如模拟不同倾角开采的前后抬升时，两组千斤顶3分别安置于左前和右前的二级平台3上。

实验装置箱体由左-右-后方的三面金属板21和前方的的玻璃板22围成，箱体的底面尺寸为1.5m×1m，玻璃板22的厚度为19mm，玻璃板22的内侧黏贴有防划膜，在保证了玻璃板22强度的同时，也防了止箱体内部的石子将玻璃板与石子的接触面划模糊，避免了因玻璃的透明度影响实验过程中的可视性；底座包括平行设置的分别代表煤层角钢和顶煤角钢的可抽动的不锈钢盒23和角钢24，不锈钢盒23和角钢24的左侧通过综放支架25连接，其中不锈钢盒23和角钢24均为纵向排列。

所述箱体与底座四周的接触边缘每侧设有两个门轴6，作为抬升过程中的支点，沿中心对称设置的两个门轴6在抬升过程中可以保证箱体的平稳性。另外考虑到试验台整体的美观性，可以省去正面玻璃板的一组门轴，这是因为采煤支架是左右对称的，因此对于模拟不同倾角的开采而言，前后抬升都可以模拟出该开采工况，而倾斜抬升中的仰斜和俯斜则模拟的是上坡和下坡两种不同开采方法，因此不能省去其中的一组门轴。

箱体内的侧棱每隔20cm设有三角铁片5，主要用于标示高度，同时也加固了箱体。

作为一种较佳实施例，在箱体两侧的金属板21顶端加装两个吊装环7，在实际模拟实验过程中，吊装架上设有滑轮，吊装铁链穿入吊装环中，滑轮可通过吊装铁链将实验装置箱体吊住。作为辅助安全措施，在减少人力介入和千斤顶的压力的同时，可防止箱体侧翻以及其他意外情况的发生。

实施例一

如图3所示，试验装置模拟的是仰斜10°的抬升，根据表2的数据，用1号和2号千斤顶3即可实现，具体步骤为：

步骤1、将两个1号千斤顶3分别置于右前和右后两个二级平台26上，两个1号千斤顶3同步抬升，保持所述实验装置箱体稳定，目的是将实验装置箱体和二级平台26的空隙达到足以放置2号千斤顶3的最低位；

步骤2、两个1号千斤顶3升至最高后，将两个2号千斤顶3置于左前和左后两个二级平台26，两个2号千斤顶3同步抬升，保持实验装置箱体稳定，实现10°倾角的倾斜；

按照步骤1-2相反的步骤，卸下千斤顶3，实验装置箱体回归水平位，本组实验结束。

实施例二

如图4所示，试验装置模拟的是不同倾角45°的抬升，根据表1的数据，需要用1-3号千斤顶3才可实现，具体步骤为：

步骤1、将两个1号千斤顶3分别置于左前和右前两个二级平台 26上，两个1号千斤顶同步抬升至实验装置箱体和二级平台26的空隙达到足以放置2号千斤顶3的最低位，同时保持所述实验装置箱体稳定；

步骤2、两个1号千斤顶3抬升至足以放置2号千斤顶3的最低位后，将两个2号千斤3顶置于两个二级平台26，两个2号千斤顶3同步抬升，保持实验装置箱体稳定；

步骤3、所述两个2号千斤顶抬升至实验装置箱体和二级平台的空隙达到足以放置2号千斤顶的最低位后，将两个3号千斤顶置于所述两个二级平台，替换两个1号千斤顶同步抬升，实现45°倾角的倾斜；同时保持实验装置箱体稳定；

按照与上述步骤1-3相反的步骤，卸下千斤顶，实验装置箱体回归水平位，同时保持实验装置箱体稳定。

上述两种模拟实验过程中，双轴数显水平仪4实时显示抬升角度；吊装架上设有滑轮，吊装铁链穿入吊装环中，抬升过程中始终保持吊装铁链拉紧，在减少人力介入和千斤顶的压力的同时，可防止箱体侧翻倾倒等意外情况出现。

如图4所示，由于抬升角度较大时，千斤顶3需要发生倾斜，为了有效防止千斤顶3滑脱，可以优选在千斤顶的底部增加楔形块8，同时在实验装置底座1下方加工有相应的槽，保证模拟实验的安全可靠性。

如上所述，对本发明的实施例进行了详细地说明，显然，只要实质上没有脱离发明的发明点及效果、对本领域的技术人员来说是显而易见的变形，也全部包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种倾角可调的综放长壁顶煤放出三维模拟实验装置，其特征在于，包括实验装置箱体和实验装置底座；

所述实验装置箱体由左-右-后方的三面金属板和前方的玻璃板围成，所述玻璃板或者金属板上固定有实时显示抬升角度的双轴数显水平仪；所述底座包括平行设置的分别代表煤层角钢和顶煤角钢的可抽动的不锈钢盒和角钢，所述不锈钢盒和角钢的左侧通过综放支架连接，所述不锈钢盒和角钢均为纵向排列；

所述实验装置底座的四角设有二级平台，所述二级平台上安装有千斤顶，所述实验装置箱体放置于所述实验装置底座之上，通过千斤顶抬升角度。

2.根据权利要求1所述的倾角可调的综放长壁顶煤放出三维模拟实验装置，其特征在于，所述箱体与底座四周的接触边缘每侧设有两个门轴，作为抬升过程中的支点。

3.根据权利要求1所述的倾角可调的综放长壁顶煤放出三维模拟实验装置，其特征在于，所述箱体的侧棱每隔20cm设有三角铁片，用于标示高度和加固所述箱体。

4.根据权利要求1所述的倾角可调的综放长壁顶煤放出三维模拟实验装置，其特征在于，在所述金属板顶端加装吊装环，吊装架上设有滑轮，吊装铁链穿入吊装环中，滑轮通过吊装铁链吊住所述箱体。

5.根据权利要求1所述的倾角可调的综放长壁顶煤放出三维模拟实验装置，其特征在于，所述模拟实验装置包含两组千斤顶，所述每组千斤顶由1号、2号和3号千斤顶组成，所述1号、2号和3号千斤顶为按照由小到大依次排列的型号，每次实验中同型号的两个千斤顶安装于相邻的一组二级平台上。

6.一种倾角可调的综放长壁顶煤放出三维模拟实验方法，其特征在于，包括将实验装置箱体倾斜抬升和前后抬升，所述倾斜抬升模拟仰斜或者俯斜开采时煤层的状态，所述前后抬升模拟不同倾角开采时煤层的状态；所述抬升的具体步骤为：

7.根据权利要求6所述的倾角可调的综放长壁顶煤放出三维模拟实验方法，其特征在于，双轴数显水平仪实时显示抬升角度。

8.根据权利要求6所述的倾角可调的综放长壁顶煤放出三维模拟实验方法，其特征在于，可以实现综采放顶煤走向长壁采煤法55°以下任意煤层角度的模拟。

9.根据权利要求6所述的倾角可调的综放长壁顶煤放出三维模拟实验方法，其特征在于，可以实现综采放顶煤走向长壁采煤法45°-55°大倾角煤层开采的模拟。

10.根据权利要求7所述的倾角可调的综放长壁顶煤放出三维模拟实验装置方法，其特征在于，可以实现综采放顶煤倾斜长壁采煤法33°以下任意煤层角度的模拟。