CN104729868B - 可调节角度的大倾角地层立体模拟实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可调节角度的大倾角地层立体模拟实验装置，包括底座，所述底座连接有活动防倾倒撑板，所述底座上设置有支撑架，所述支撑架上设置有料仓，所述料仓上设置有可调节仓盖，所述料仓侧面设置有第一透明板、第二透明板，所述料仓底部设置有开挖钢条和支护钢条，所述支撑架上设置有带动料仓转动的升降器，所述升降器包括第一升降器主撑杆、第二升降器主撑杆、升降器连杆、升降器螺杆、升降器加强筋和驱动器，所述驱动器与所述升降器螺杆相连。本发明能够在六面可视的条件下适应不同倾斜角度地层的立体模拟实验要求，尤其是可进行35°‑75°的大倾角地层立体模拟实验，且具有结构简单可靠、小型化高精度、可移动方便观察和采光、可移动性、便于使用等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种可调节角度的立体模拟实验装置，具体涉及一种可调节角度的大倾角地层六面可视立体模拟实验装置。
背景技术
我国煤层倾角大于35°的大倾角煤层储量约占全国煤炭总储量的15％～20％，其中倾角45°-75°的煤层储量约占60％。物理相似模拟是采矿研究常用的有效手段，较为成熟的是平面模拟实验技术。缓倾斜和近水平煤层开采的顶板控制可简化为平面问题，可以采用平面模拟装置进行研究。而大倾角煤层开采后的顶板垮落涉及沿走向和沿倾向两个方向的运动，属于三维问题，必须采用立体模拟装置进行研究。
现有的大型立体模拟实验装置，采用传统的河沙作为模拟材料，模型尺寸大，实验周期长；四周采用钢板，不可透视，不可移动；不可调角度，不能模拟大倾角煤层。此外，也有一些中型的半立体模拟装置，也不可调角度，不可移动，不能四周透视，不方便实验开展。可透视模拟装置为了防止透视板反光，对自然光线的角度要求较高，方便移动对实验现象的拍摄十分重要。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种可调节角度的大倾角地层立体模拟实验装置，能够在六面可视的条件下适应不同倾斜角度地层的实验要求，且具有结构简单可靠、小型化高精度、可移动方便观察和采光、可移动性、便于使用等优点。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
可调节角度的大倾角地层立体模拟实验装置，包括底座，所述底座连接有活动防倾倒撑板，所述底座上设置有支撑架，所述支撑架包括安装在底座上的侧压板和与侧压板间隔设置的后压板，所述支撑架上设置有料仓，所述料仓外包裹有料仓架，所述料仓上设置有可调节仓盖，所述料仓侧面设置有第一透明板、第二透明板，所述料仓底部设置有开挖钢条和支护钢条，所述支撑架上设置有带动料仓转动的升降器，所述升降器包括第一升降器主撑杆、第二升降器主撑杆、升降器连杆、升降器螺杆、升降器加强筋和驱动器，所述驱动器与所述升降器螺杆相连，所述升降器螺杆与所述第一升降器主撑杆、第二升降器主撑杆相连，所述第一升降器主撑杆、第二升降器主撑杆与升降器连杆相连，所述升降器连杆与料仓一侧相连，所述活动防倾倒撑板通过轴承连接有后压板，所述活动防倾倒撑板下设置有稳定撑板，所述料仓的底部设置有升降器连杆，所述升降器连杆通过轴承一侧与料仓底部相连，所述升降器连杆另一侧与所述升降器相连，所述料仓底部设置有弹簧，弹簧的一端安装在料仓的底角上，弹簧的另一端与底座连接，当料仓在升降器的带动下转动时，弹簧对料仓具有牵拉作用，防止密封料仓转动过快，造成密封料仓内部的实验材料发生相对运动而被破坏。
优选的，所述的开挖钢条由厚度为0.4cm的钢板制成，所述开挖钢条为凸型结构，所述开挖钢条两侧设有伸出部分，所述伸出部分的长度为2cm，两侧伸出部分上均设有直径为3mm的螺孔，所述开挖钢条通过螺孔和螺母与料仓底部相连。
优选的，所述的支架钢条的基座由厚度为0.4cm钢板制成，所述支架钢条上布置有33个1.5cm宽的模拟支架，所述模拟支架上设有应力环，可实时监测支架的受力状况，所述模拟支架底座设有φ5mm的孔，方便应力环导线引出测定支架载荷，所述支架钢条通过螺母与料仓底部固定连接，并始终通过替换开挖工作面下部的开挖钢条而布置于不断推进的开挖工作面下方。
优选的，所述的底座一侧安装有一角度盘。
优选的，所述的底座的底部安装有移动轮。
优选的，所述的驱动器为手动摇把。
优选的，所述的可调节仓盖为有机玻璃板。
优选的，所述的第一透明板和第二透明板均为有机玻璃板。
优选的，所述的活动防倾倒撑板可折叠，所述稳定撑板的高度可通过调节阀自行调节。
本发明具有以下有益效果：
本发明是在六面可视的环境下进行实验的，可更加全面的观察覆岩的三维破坏及垮落运动规律，提高了实验的准确性；通过升降器自身的升降功能，使得立体实验装置可调节不同角度，模拟0°-75°的倾角的煤层，扩大了装置的适用范围；料仓底部开挖钢条及支架钢条的设置，使得模拟开挖方便，也便于从底板开挖条观察工作面采空区的覆岩垮落状态，弥补了以往装置的不足。模拟支架可得到支架的受力情况，实时监测工作面顶板压力变化，可为实际工作面开采的支架选型和顶板控制提供可靠的依据。此外，此装置可采用石英砂等精细相似材料作为骨料，可实现小尺度、高精度、小工作量，缩短了实验周期，降低了实验成本。
附图说明
图1为本发明实施例可调节角度的大倾角地层立体模拟实验装置的主视结构示意图。
图2为本发明实施例可调节角度的大倾角地层立体模拟实验装置的右视结构示意图。
图3为本发明实施例可调节角度的大倾角地层立体模拟实验装置的左视结构示意图。
图4为本发明实施例可调节角度的大倾角地层立体模拟实验装置中升降器系统原理图。
图5为本发明实施例可调节角度的大倾角地层立体模拟实验装置中开挖钢条的结构示意图。
图6为本发明实施例可调节角度的大倾角地层立体模拟实验装置中支架钢条结构示意图。
图7为本发明实施例可调节角度的大倾角地层立体模拟实验装置中支架钢条的侧视图。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1-4所示，本发明实施例提供了一种可调节角度的大倾角地层立体模拟实验装置，包括底座1，所述底座1连接有活动防倾倒撑板5，所述底座1上设置有支撑架，所述支撑架包括安装在底座1上的侧压板3和与侧压板3间隔设置的后压板20，所述支撑架上设置有料仓17，所述料仓17外包裹有料仓架22，所述料仓17上设置有可调节仓盖15，所述料仓17侧面设置有第一透明板13、第二透明板14，所述料仓17底部设置有开挖钢条12和支护钢条24，所述支撑架上设置有带动料仓1转动的升降器10，所述升降器10包括第一升降器主撑杆8、第二升降器主撑杆9、升降器连杆11、升降器螺杆6、升降器加强筋18和驱动器7，所述驱动器7与所述升降器螺杆6相连，所述升降器螺杆6与所述第一升降器主撑杆8、第二升降器主撑杆9相连，所述第一升降器主撑杆8、第二升降器主撑杆9与升降器连杆11相连，所述升降器连杆11与料仓17一侧相连，所述活动防倾倒撑板5通过轴承21连接有后压板20，所述活动防倾倒撑板5下设置有稳定撑板4，所述料仓17的底部设置有升降器连杆11，所述升降器连杆11通过固定轴16一侧与料仓17底部相连，所述升降器连杆11另一侧与所述升降器10相连，所述料仓17底部设置有弹簧23，弹簧23的一端安装在料仓17的底角上，弹簧23的另一端与底座1连接，当料仓17在升降器10的带动下转动时，弹簧对料仓具有牵拉作用，防止密封料仓转动过快，造成密封料仓内部的实验材料发生相对运动而被破坏。
如图5-7所示，所述的开挖钢条12由厚度为0.4cm的钢板制成，所述开挖钢条12为凸型结构，所述开挖钢条12两侧设有伸出部分，所述伸出部分的长度为2cm，两侧伸出部分上均设有直径为3mm的螺孔，所述开挖钢条12通过螺孔和螺母与料仓17底部相连，所述的支架钢条24的基座由厚度为0.4cm钢板制成，所述支架钢条24上布置有33个1.5cm宽的模拟支架26，所述模拟支架26上设有应力环，可实时监测支架的受力状况，所述模拟支架底座设有φ5mm的孔，方便应力环导线引出测定支架载荷，所述支架钢条24通过螺母与料仓17底部固定连接，所述的底座1一侧安装有一角度盘25，所述的底座1的底部安装有移动轮2，所述的驱动器7为手动摇把。所述的可调节仓盖15为有机玻璃板。所述的第一透明板13和第二透明板14均为有机玻璃板。所述的活动防倾倒撑板5可折叠，所述稳定撑板4的高度可通过调节阀19自行调节。
本具体实施升降器是运用剪式千斤顶的原理设计，底部是两块螺纹方向相反的内螺纹块，当螺杆转动时，两螺纹块向相反方向运动，然后带动四连杆机构，实现升降功能。
模型铺装时，首先将活动防倾倒撑板打开，调节升降杆，将料仓置于水平状态，固定移动轮；将开挖钢条布置于料仓底部开采区域，钢条高度与底板平齐；按照设计在料仓底部铺设煤层，然后逐层铺设顶板，达到设计厚度；操作升降杆，使料仓内煤层倾角达到模拟煤层所需的角度；开启驱动器，让摇杆带动升降器螺杆转动，从而使升降器高度发生变化，使升降器连杆上升，带动与轴承固定的料仓的转动，使料仓转动至模拟地层所需的角度，固定升降器。
模型开挖时，通过旋拧固定在开挖钢条12两端的螺母，实现拆除和安装钢条装置，从而可从底部对煤层进行开挖，实现模拟。以1∶200几何相似比为例，开挖钢条12宽度为1.4cm，相当于工作面三个截深长度。初始开挖时，分别拆除第1和第2根钢条，开挖工作面切眼，此后安装宽度为2.8cm的支架钢条24。当工作面正常推进时，支架钢条24依次前移，后部的采空区及时安装开挖钢条。通过不断的开挖钢条12及支架钢条24的拆装，实现工作面推进的模拟，并能测定工作面支架载荷。
侧压板3上对应的位置安装有角度显示盘，可方便得知箱体转动的角度。底座1的底部安装有移动轮2，可以通过移动轮2带动该装置移动，如在实验环境光线较差，可通过移动轮2将该装置移动至光线好的位置。所述驱动器7为手动摇把，通过手摇把人力驱动螺杆9，使用起来非常方便，且节约了实验成本。透明板13、14为玻璃板，通过设置玻璃板，既能满足人们观测实验现象的要求，且玻璃板造价低廉。
开挖完成后或在必要的开采阶段，可拆卸采空区底板的开挖钢条，放出冒落顶板，观察采空区覆岩的垮落空间结构形态；也可通过可调节仓盖观察地表塌陷，通过四周可视观察岩层移动等现象。通过该装置可以真实的模拟大倾角煤层开采的地下地层移动破坏的立体环境，为实际工程提供科学依据。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.可调节角度的大倾角地层立体模拟实验装置，其特征在于，包括底座(1)，所述底座(1)连接有活动防倾倒撑板(5)，所述底座(1)上设置有支撑架，所述支撑架包括安装在底座(1)上的侧压板(3)和与侧压板(3)间隔设置的后压板(20)，所述支撑架上设置有料仓(17)，所述料仓(17)外包裹有料仓架(22)，所述料仓(17)上设置有可调节仓盖(15)，所述料仓(17)侧面设置有第一透明板(13)、第二透明板(14)，所述料仓(17)底部设置有开挖钢条(12)和支架钢条(24)，所述支撑架上设置有带动料仓(17)转动的升降器(10)，所述升降器(10)包括第一升降器主撑杆(8)、第二升降器主撑杆(9)、升降器连杆(11)、升降器螺杆(6)、升降器加强筋(18)和驱动器(7)，所述驱动器(7)与所述升降器螺杆(6)相连，所述升降器螺杆(6)与所述第一升降器主撑杆(8)、第二升降器主撑杆(9)相连，所述第一升降器主撑杆(8)、第二升降器主撑杆(9)与升降器连杆(11)相连，所述升降器连杆(11)与料仓(17)一侧相连，所述活动防倾倒撑板(5)通过轴承(21)连接有后压板(20)，所述活动防倾倒撑板(5)下设置有稳定撑板(4)，所述料仓(17)的底部设置有升降器连杆(11)，所述升降器连杆(11)通过固定轴(16)一侧与料仓(17)底部相连，所述升降器连杆(11)另一侧与所述升降器(10)相连，所述料仓(17)底部设置有弹簧(23)，弹簧(23)的一端安装在料仓(17)的底角上，所述弹簧(23)的另一端与底座(1)连接；
所述的开挖钢条(12)由厚度为0.4cm的钢板制成，所述开挖钢条(12)为凸型结构，所述开挖钢条(12)两侧设有伸出部分，所述伸出部分的长度为2cm，两侧伸出部分上均设有直径为3mm的螺孔，所述开挖钢条(12)通过螺孔和螺母与料仓(17)底部相连；
所述的支架钢条(24)的基座由厚度为0.4cm钢板制成，所述支架钢条(24)上布置有33个1.5cm宽的模拟支架(26)，所述模拟支架(26)上设有应力环，所述模拟支架(26)底座设有φ5mm的孔，方便应力环导线引出测定支架载荷，所述支架钢条(24)通过螺母与料仓(17)底部固定连接；
铺装时，将开挖钢条布置于料仓外底部开采区域，开挖钢条高度与料仓底板平齐；按照设计在料仓内底部铺设煤层，然后逐层铺设顶板，达到设计厚度；操作升降杆，使料仓内煤层倾角达到模拟煤层所需的角度；开启驱动器，让摇杆带动升降器螺杆转动，从而使升降器高度发生变化，使升降器连杆上升，带动与轴承固定的料仓的转动，使料仓转动至模拟地层所需的角度，固定升降器；
开挖时，通过旋拧固定在开挖钢条两端的螺母，实现拆除和安装钢条装置，从而可从底部对煤层进行开挖，实现模拟；初始开挖时，分别拆除第1和第2根开挖钢条，开挖工作面切眼，此后安装宽度为2.8cm的支架钢条；当工作面正常推进时，支架钢条依次前移，后部的采空区及时安装开挖钢条，通过不断的开挖钢条及支架钢条的拆装，实现工作面推进的模拟；其中，钢条装置包括：开挖钢条和支架钢条。
2.根据权利要求1所述的可调节角度的大倾角地层立体模拟实验装置，其特征在于，所述的底座(1)一侧安装有一角度盘(25)。
3.根据权利要求1所述的可调节角度的大倾角地层立体模拟实验装置，其特征在于，所述的底座(1)的底部安装有移动轮(2)。
4.根据权利要求1所述的可调节角度的大倾角地层立体模拟实验装置，其特征在于，所述的驱动器(7)为手动摇把。
5.根据权利要求1所述的可调节角度的大倾角地层立体模拟实验装置，其特征在于，所述的可调节仓盖(15)为有机玻璃板。
6.根据权利要求1所述的可调节角度的大倾角地层立体模拟实验装置，其特征在于，所述的第一透明板(13)和第二透明板(14)均为有机玻璃板。
7.根据权利要求1所述的可调节角度的大倾角地层立体模拟实验装置，其特征在于，所述的活动防倾倒撑板(5)可折叠，所述稳定撑板(4)的高度可通过调节阀(19)自行调节。
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