CN105092816B - 一种三维多煤层开采相似材料模型实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明专利提供一种三维多煤层开采相似材料模型实验系统，即该实验装置包括立柱、底板、下层煤填充件、上层煤填充件、模板Ⅰ、模板Ⅱ等构件组合而成。采用本装置进行实验时，其关键在于试验系统通过灵活设置煤层模拟构件，从而使实验系统可模拟多煤层的开采，满足不同的试验要求。本发明专利可模拟井下开采多层煤时不同煤层的复杂应力分布及上层煤开采对下层煤的影响，通过升降下层煤填充件模拟开采下煤层，因此能模拟不同厚度的煤层，通过抽出式模拟开采上层煤，能控制煤层的推进度。本发明专利相对于现有技术，具有结构简单、实验操作简便、造价低等有益效果。

Description

一种三维多煤层开采相似材料模型实验系统

技术领域

本发明专利涉及一种煤层相似材料模拟实验系统，尤其是涉及一种三维多煤层开采相似材料模型实验系统。

背景技术

相似材料模拟试验是以相似理论、因次分析作为依据的实验室研究方法，广泛应用于水利、采矿、地质、铁路等部门。模拟试验的最大特点是可以人为地控制和改变试验条件，从而确定单因素或多因素对矿山压力影响的规律，试验效果清楚直观，而且试验周期短，见效快，在采矿科学的研究中发挥了巨大的作用。即使在岩石力学的数值模拟计算科学迅速发展的今天，相似材料模拟试验仍是采矿科学研究中不可替代的研究手段，它和日益成熟的数值计算模拟相辅相成，为人类认识和克服采矿科学中的难题发挥着重要的作用。

相似材料模拟是岩土工程和采矿工程主要试验方法，近年来已经成为国内外进行重大岩体工程可行性研究不可缺少的方法之一。由于采矿地质条件的复杂性，采矿学问题多为大变形和非连续变形问题，而目前计算机数值模拟解决非连续大变形问题还存在局限性，不能完整准确的反映具体条件下采矿过程中由于采动而引起的岩层移动情况。物理相似材料模拟实验可模拟地层的层理等不连续面，也可按照相似比模拟开挖，特别是模拟岩层垮落运动等非连续变形，而且模拟过程形象直观可控制，对研究采动过程的岩层运动具有优势，在采矿工程研究中占据重要地位。

在矿体没有开采之前，岩体处于平衡状态。当矿体开采后，形成了地下空间，破坏了岩体的原始应力场，引起岩体应力重新分布，并一直延续到岩体内形成新的平衡为止。在应力重新分布过程中，使围岩产生变形、移动、破坏，从而对工作面、巷道及围岩产生压力。在矿山压力的作用下会产生的一系列现象——矿压显现，如顶板下沉、底板鼓起、煤壁边帮、支架变形、岩层移动、煤的压出等。开采后的上覆岩层可分为冒落带、裂隙带和弯曲下沉带。

现有技术中的三维相似模拟试验系统，虽在一定程度上加深了地下开挖工程研究的进展，但存在以下不足：(1)矿层开挖必须将试件箱打开后人工手动开挖，这将引起卸载效应，与实际工况不符；(2)实验过程中需要用锯条等工具人工开挖煤层，劳动强度大，且对上覆岩层扰动较大，并且开挖不精确；(3)现有三维相似材料只能模拟开挖一层煤，无法实现多层煤的开采，造成实验设备的浪费，对多层煤开采不能准确的模拟。

发明内容

本发明专利的目的是提供一种结构简单、设备制造较低、动力消耗小、安全稳定的三维多煤层开采相似材料模型实验系统，满足既能进行单一煤层的模拟又能进行多煤层的模拟的要求。

为实现本发明专利目的而采用的技术方案是这样的，

模拟单层煤开采的技术方案：一种三维多煤层开采相似材料模型实验系统，包括四根立柱、底板、上层煤填充件、模板Ⅰ和模板Ⅱ。

四根所述立柱呈矩形阵列垂直于水平面分布。

所述底板为一块矩形金属板。所述底板的四个角均具有矩形缺口。所述底板的四个矩形缺口分别与四根立柱焊接。所述底板平行于水平面且悬空布置。

所述模板Ⅰ和模板Ⅱ采用横截面为U型的槽钢制成。所述模板Ⅰ和模板Ⅱ的底板两端开有椭圆孔。所述模板Ⅰ的一侧沿长度方向具有条形缺口。所述模板Ⅰ和模板Ⅱ平行于水平面布置。所述四根立柱、底板、若干模板Ⅰ和若干模板Ⅱ一同围成框架结构。所述框架结构为内部空心的立方体。

四块所述模板Ⅱ构成第一层方框框架Ⅰ连接在四根立柱的外围。每块所述模板Ⅱ的两端分别与两根立柱连接。每块所述模板Ⅱ的槽口背向四根立柱所围成区域。所述第一层方框框架Ⅰ的下端与底板的板面平齐。在第一层方框框架Ⅰ的上方具有若干层方框框架Ⅰ。在若干层方框框架Ⅰ之间具有一层方框框架Ⅱ。所述方框框架Ⅱ由两块模板Ⅰ和两块模板Ⅱ构成，其中两块模板Ⅰ相对布置。

所述上层煤填充件由主体Ⅱ和推拉板组成。所述主体Ⅱ为条形钢板。所述推拉板为矩形平板。所述主体Ⅱ的一端端面与推拉板板面连接。

若干块所述上层煤填充件从模板Ⅰ的条形孔插入。所述推拉板位于整个框架结构的外侧。若干块上层煤填充件板面处于同一水平面。

模拟多层煤开采的技术方案：一种三维多煤层开采相似材料模型实验系统，包括四根立柱、底板、下层煤填充件、上层煤填充件、模板Ⅰ和模板Ⅱ。

四根所述立柱呈矩形阵列垂直于水平面分布。

所述底板为一块矩形金属板。所述底板的中部开有方形孔。所述底板的四个角均具有矩形缺口。所述底板的四个矩形缺口分别与四根立柱焊接。所述底板平行于水平面且悬空布置。

所述下层煤填充件由主体Ⅰ和两块加筋板构成。所述主体Ⅰ为条形钢板。所述主体Ⅰ的长度等于底板中部方形孔的长度。所述主体Ⅰ的两端分别焊接有加筋板。每块所述加筋板的一部分板面与主体Ⅰ的下板面贴合，另一部分沿主体Ⅰ长度方向伸出。每块所述加筋板的伸出部分的板面开有螺栓孔。

若干所述下层煤填充件填充在底板的方形孔内。所述下层煤填充件中加筋板的伸出部分与底板的下板面贴合。通过若干螺栓和螺母将下层煤填充件与底板连接在一起。

所述模板Ⅰ和模板Ⅱ采用横截面为U型的槽钢制成。所述模板Ⅰ和模板Ⅱ的底板两端开有椭圆孔。所述模板Ⅰ的一侧沿长度方向具有条形缺口。所述模板Ⅰ和模板Ⅱ平行于水平面布置。所述四根立柱、底板、若干模板Ⅰ和若干模板Ⅱ一同围成框架结构。所述框架结构为内部空心的立方体。

四块所述模板Ⅱ构成第一层方框框架Ⅰ连接在四根立柱的外围。每块所述模板Ⅱ的两端分别与两根立柱连接。每块所述模板Ⅱ的槽口背向四根立柱所围成区域。所述第一层方框框架Ⅰ的下端与底板的板面平齐。在第一层方框框架Ⅰ的上方具有若干层方框框架Ⅰ。在若干层方框框架Ⅰ之间具有一层方框框架Ⅱ。所述方框框架Ⅱ由两块模板Ⅰ和两块模板Ⅱ构成，其中两块模板Ⅰ相对布置。

所述上层煤填充件由主体Ⅱ和推拉板组成。所述主体Ⅱ为条形钢板。所述推拉板为矩形平板。所述主体Ⅱ的一端端面与推拉板板面连接。

若干块所述上层煤填充件从模板Ⅰ的条形孔插入。所述推拉板位于整个框架结构的外侧。若干块上层煤填充件板面处于同一水平面。

进一步，所述立柱采用方管制造而成。每根所述立柱的下端连接有垫板。所述垫板为矩形或圆形金属板。

进一步，所述模板Ⅰ的条形缺口长度等于模拟煤层走向的长度，宽度等于模拟煤层的高度。

进一步，所述下层煤填充件的下方具有保护架。所述保护架为U型金属支架。所述保护架的两端与底板的下板面连接。

本发明专利的技术效果是毋庸置疑的，本发明专利装置使用方便、结构简单、实验操作简便、造价低，可以模拟两层煤的开采，极大的提高了相似模拟的实用性，同时该装置模拟煤层下层煤回采时能通过下层煤填充件在固定螺栓上的移动实现，模拟上层煤回采时能通过抽取上层煤填充件实现，分步开挖进尺控制准确、工作量小。

附图说明

图1为本发明专利装置的主视图；

图2为图1的侧视图；

图3为图1的俯视图；

图4为模板Ⅱ的结构示意图；

图5为模板Ⅰ的结构示意图；

图6为下层煤填充件的主视图；

图7为图6的俯视图；

图8为上层煤填充件的结构示意图；

图9为本发明专利装置的三维模型图；

图10为本发明专利装置现场实验示意图。

图中：垫板1、立柱2、底板3、下层煤填充件4、螺栓5、螺母6、保护架7、上层煤填充件8、模板Ⅰ9、模板Ⅱ10、顶板11。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明专利作进一步说明，但不应该理解为本发明专利上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明专利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，均应包括在本发明专利的保护范围内。

实施例1：

一种三维多煤层开采相似材料模型实验系统，包括四根立柱2、底板3、上层煤填充件8、模板Ⅰ9和模板Ⅱ10。

四根所述立柱2呈矩形阵列垂直于水平面分布。本实施例中，所述立柱2采用方管制造而成。每根所述立柱2的下端连接有垫板1。所述垫板1为正方形金属板，采用厚度为20mm的钢板制成。

所述底板3为一块矩形金属板，采用厚度为25mm的钢板制成。所述底板3的四个角均具有矩形缺口。所述底板3的四个矩形缺口分别与四根立柱2焊接，在焊缝处可增添肋板以保证连接的稳固性。所述底板3平行于水平面且悬空布置。所述立柱2和底板3一同构成立方体框架基础。

如图4和图5所示，所述模板Ⅰ9和模板Ⅱ10采用横截面为U型的槽钢制成。所述模板Ⅰ9和模板Ⅱ10的底板两端开有椭圆孔。所述椭圆孔用于安装螺钉使模板Ⅰ9和模板Ⅱ10固定在立柱2上。所述模板Ⅰ9的一侧沿长度方向具有条形缺口。所述条形缺口长度等于模拟煤层走向的长度，宽度等于模拟煤层的高度。所述模板Ⅰ9和模板Ⅱ10平行于水平面布置。所述四根立柱2、底板3、若干模板Ⅰ9和若干模板Ⅱ10一同围成框架结构。所述框架结构为内部空心的立方体。

四块所述模板Ⅱ10构成第一层方框框架Ⅰ连接在四根立柱2的外围。每块所述模板Ⅱ10的两端分别与两根立柱2连接。每块所述模板Ⅱ10的槽口背向四根立柱2所围成区域。所述第一层方框框架Ⅰ的下端与底板3的板面平齐。在第一层方框框架Ⅰ的上方具有若干层方框框架Ⅰ。在若干层方框框架Ⅰ之间具有一层方框框架Ⅱ。所述方框框架Ⅱ由两块模板Ⅰ9和两块模板Ⅱ10构成，其中两块模板Ⅰ9相对布置。

所述上层煤填充件8由主体Ⅱ801和推拉板802组成。所述主体Ⅱ801用厚度为6mm的条形钢板制成。所述推拉板802为矩形平板。所述主体Ⅱ801的一端端面与推拉板802板面连接。

若干块所述上层煤填充件8组合(并排)在一起，然后从模板Ⅰ9的条形孔插入。从相对布置的两块模板Ⅰ9插入的上层煤填充件8的端部在立方体框架内部贴合。在所述上层煤填充件8的下方，即下层的模块Ⅱ10的槽口内焊接肋板，防止上层煤填充件8把下层模块Ⅱ10的槽壁压弯。若干块上层煤填充件8板面处于同一水平面。所述推拉板801位于整个框架结构的外侧。

模拟煤层开挖时，可根据煤层的真实地质情况在煤层上施加竖向载荷，然后在推拉板801上施加拉力(拉拔装置)把上层煤填充件8从模块Ⅰ9的条形孔内依次拉出，从而模拟煤层的开采。在整个立方体框架顶部可用顶板11覆盖，并通过螺钉将顶板11固定在立柱2上。

实施例2：

一种三维多煤层开采相似材料模型实验系统，包括四根立柱2、底板3、下层煤填充件4、上层煤填充件8、模板Ⅰ9和模板Ⅱ10。

四根所述立柱2呈矩形阵列垂直于水平面分布。本实施例中，所述立柱2采用方管制造而成。每根所述立柱2的下端连接有垫板1。所述垫板1为正方形金属板，采用厚度为20mm的钢板制成。

所述底板3为一块矩形金属板，采用厚度为25mm的钢板制成。所述底板3的中部开有方形孔。靠近方形孔的一组对边处，在底板3上具有两排螺栓孔，用于安装固定螺栓5。所述底板3的四个角均具有矩形缺口。所述底板3的四个矩形缺口分别与四根立柱2焊接，在焊缝处可增添肋板以保证连接的稳固性。所述底板3平行于水平面且悬空布置。所述立柱2和底板3一同构成立方体框架基础。

所述下层煤填充件4由主体Ⅰ401和两块加筋板402构成。所述主体Ⅰ401由厚度为6mm的条形钢板制成。所述主体Ⅰ401的长度等于底板3中部方形孔的长度。所述主体Ⅰ401的两端各有一个螺栓孔，在主体Ⅰ401可以添加塑料板来模拟不同开挖煤层的厚度，塑料板与主体Ⅰ401通过螺栓固定。所述主体Ⅰ401的两端分别焊接有加筋板402。每块所述加筋板402的一部分板面与主体Ⅰ401的下板面贴合，另一部分沿主体Ⅰ401长度方向伸出。每块所述加筋板402的伸出部分的板面开有螺栓孔。

若干所述下层煤填充件4填充在底板3的方形孔内。所述下层煤填充件4中加筋板402的伸出部分与底板3的下板面贴合。通过若干螺栓5和螺母6将下层煤填充件4与底板3连接在一起。所述固定螺栓5穿过加筋板402上的螺栓孔，然后旋入螺母6，将下层煤填充件4固定在底板3的方形孔内。通过旋钮螺母6，可使下层煤填充件4在螺栓杆上上下移动，从而模拟煤层的回采(模型底部中间不铺设煤层相似材料，仅四边铺设煤层相似材料)。所述下层煤填充件4的下方还具有保护架7。所述保护架7为U型金属支架。所述保护架7的两端与底板3的下板面连接。所述保护架7起安全作用，能够防止下层煤填充件4意外落下砸伤人员及损坏下层煤填充件。

如图4和图5所示，所述模板Ⅰ9和模板Ⅱ10采用横截面为U型的槽钢制成。所述模板Ⅰ9和模板Ⅱ10的底板两端开有椭圆孔。所述椭圆孔用于安装螺钉使模板Ⅰ9和模板Ⅱ10固定在立柱2上。所述模板Ⅰ9的一侧沿长度方向具有条形缺口。所述条形缺口长度等于模拟煤层走向的长度，宽度等于模拟煤层的高度。所述模板Ⅰ9和模板Ⅱ10平行于水平面布置。所述四根立柱2、底板3、若干模板Ⅰ9和若干模板Ⅱ10一同围成框架结构。所述框架结构为内部空心的立方体。

四块所述模板Ⅱ10构成第一层方框框架Ⅰ连接在四根立柱2的外围。每块所述模板Ⅱ10的两端分别与两根立柱2连接。每块所述模板Ⅱ10的槽口背向四根立柱2所围成区域。所述第一层方框框架Ⅰ的下端与底板3的板面平齐。在第一层方框框架Ⅰ的上方具有若干层方框框架Ⅰ。在若干层方框框架Ⅰ之间具有一层方框框架Ⅱ。所述方框框架Ⅱ由两块模板Ⅰ9和两块模板Ⅱ10构成，其中两块模板Ⅰ9相对布置。

所述上层煤填充件8由主体Ⅱ801和推拉板802组成。所述主体Ⅱ801由厚度为6mm的条形钢板制成。所述推拉板802为矩形平板。所述主体Ⅱ801的一端端面与推拉板802板面连接。

若干块所述上层煤填充件8组合(并排)在一起，然后从模板Ⅰ9的条形孔插入。从相对布置的两块模板Ⅰ9插入的上层煤填充件8的端部在立方体框架内部贴合。在所述上层煤填充件8的下方，即下层的模块Ⅱ10的槽口内焊接肋板，防止上层煤填充件8把下层模块Ⅱ10的槽壁压弯。若干块上层煤填充件8板面处于同一水平面。所述推拉板801位于整个框架结构的外侧。在推拉板801上施加拉力把上层煤填充件8从模块Ⅰ9的条形孔内依次拉出，从而模拟上层煤的开采。在整个立方体框架顶部可用顶板11覆盖，并通过螺钉将顶板11固定在立柱2上。

采用本实验装置进行模拟实验时，首先将实验台准备就绪，将下层煤填充件4安装好，在下层煤填充件4上安装不同的塑料板来模拟不同煤层的回采，然后在装置四边各安装一块模板Ⅱ10，然后在该装置内由下而上依次铺设相似煤岩层，随着相似煤岩层的铺设，不断的增加模板Ⅱ10，继续铺设相似煤岩层，在下层煤上部一定距离铺设压力计，铺设相似煤岩层到上层煤下部的时候安装模板Ⅰ9并安装上层煤填充件8，然后在该装置内由下而上依次铺设相似煤岩层。

按以上步骤铺设模型完毕并稳定后，根据所模拟工程的真实地质条件计算出需施加在模型上的竖直载荷，竖直荷载可利用传统的沙袋或水袋加压方式施加，同时通过铺设在相似岩层的压力计所传导出的压力得到回采时的压力变化。

对模型施加荷载完成后，通过依次抽出上层煤填充件8模拟上层煤的分步开挖，上覆相似煤岩层在垂直荷载及重力的作用下开始移动，等上覆煤层开挖完成后并等上覆岩层垮落稳定后通过依次降低下层煤填充件4模拟下煤层的分步开挖，上覆相似煤岩层在垂直荷载及重力的作用下进一步移动，从而模拟了煤层开采过程中煤层顶板的受力变化情况。

Claims (5)

1.一种三维多煤层开采相似材料模型实验系统，其特征在于：包括四根立柱（2）、底板（3）、上层煤填充件（8）、模板Ⅰ（9）和模板Ⅱ（10）；

四根所述立柱（2）呈矩形阵列垂直于水平面分布；

所述底板（3）为一块矩形金属板；所述底板（3）的四个角均具有矩形缺口；所述底板（3）的四个矩形缺口分别与四根立柱（2）焊接；所述底板（3）平行于水平面且悬空布置；

所述模板Ⅰ（9）和模板Ⅱ（10）采用横截面为U型的槽钢制成；所述模板Ⅰ（9）和模板Ⅱ（10）的底板两端开有椭圆孔；所述模板Ⅰ（9）的一侧沿长度方向具有条形缺口；所述模板Ⅰ（9）和模板Ⅱ（10）平行于水平面布置；所述四根立柱（2）、底板（3）、若干模板Ⅰ（9）和若干模板Ⅱ（10）一同围成框架结构；所述框架结构为内部空心的立方体；

四块所述模板Ⅱ（10）构成第一层方框框架Ⅰ连接在四根立柱（2）的外围；每块所述模板Ⅱ（10）的两端分别与两根立柱（2）连接；每块所述模板Ⅱ（10）的槽口背向四根立柱（2）所围成区域；所述第一层方框框架Ⅰ的下端与底板（3）的板面平齐；在第一层方框框架Ⅰ的上方具有若干层方框框架Ⅰ；在若干层方框框架Ⅰ之间具有一层方框框架Ⅱ；所述方框框架Ⅱ由两块模板Ⅰ（9）和两块模板Ⅱ（10）构成，其中两块模板Ⅰ（9）相对布置；

所述上层煤填充件（8）由主体Ⅱ（801）和推拉板（802）组成；所述主体Ⅱ（801）为条形钢板；所述推拉板（802）为矩形平板；所述主体Ⅱ（801）的一端端面与推拉板（802）板面连接；

若干块所述上层煤填充件（8）从模板Ⅰ（9）的条形缺口插入；所述推拉板（802）位于整个框架结构的外侧；若干块上层煤填充件（8）板面处于同一水平面。

2.一种三维多煤层开采相似材料模型实验系统，其特征在于：包括四根立柱（2）、底板（3）、下层煤填充件（4）、上层煤填充件（8）、模板Ⅰ（9）和模板Ⅱ（10）；

四根所述立柱（2）呈矩形阵列垂直于水平面分布；

所述底板（3）为一块矩形金属板；所述底板（3）的中部开有方形孔；所述底板（3）的四个角均具有矩形缺口；所述底板（3）的四个矩形缺口分别与四根立柱（2）焊接；所述底板（3）平行于水平面且悬空布置；

所述下层煤填充件（4）由主体Ⅰ（401）和两块加筋板（402）构成；所述主体Ⅰ（401）为条形钢板；所述主体Ⅰ（401）的长度等于底板（3）中部方形孔的长度；所述主体Ⅰ（401）的两端分别焊接有加筋板（402）；每块所述加筋板（402）的一部分板面与主体Ⅰ（401）的下板面贴合，另一部分沿主体Ⅰ（401）长度方向伸出；每块所述加筋板（402）的伸出部分的板面开有螺栓孔；

若干所述下层煤填充件（4）填充在底板（3）的方形孔内；所述下层煤填充件（4）中加筋板（402）的伸出部分与底板（3）的下板面贴合；通过若干螺栓（5）和螺母（6）将下层煤填充件（4）与底板（3）连接在一起；

所述模板Ⅰ（9）和模板Ⅱ（10）采用横截面为U型的槽钢制成；所述模板Ⅰ（9）和模板Ⅱ（10）的底板两端开有椭圆孔；所述模板Ⅰ（9）的一侧沿长度方向具有条形缺口；所述模板Ⅰ（9）和模板Ⅱ（10）平行于水平面布置；所述四根立柱（2）、底板（3）、若干模板Ⅰ（9）和若干模板Ⅱ（10）一同围成框架结构；所述框架结构为内部空心的立方体；

四块所述模板Ⅱ（10）构成第一层方框框架Ⅰ连接在四根立柱（2）的外围；每块所述模板Ⅱ（10）的两端分别与两根立柱（2）连接；每块所述模板Ⅱ（10）的槽口背向四根立柱（2）所围成区域；所述第一层方框框架Ⅰ的下端与底板（3）的板面平齐；在第一层方框框架Ⅰ的上方具有若干层方框框架Ⅰ；在若干层方框框架Ⅰ之间具有一层方框框架Ⅱ；所述方框框架Ⅱ由两块模板Ⅰ（9）和两块模板Ⅱ（10）构成，其中两块模板Ⅰ（9）相对布置；

所述上层煤填充件（8）由主体Ⅱ（801）和推拉板（802）组成；所述主体Ⅱ（801）为条形钢板；所述推拉板（802）为矩形平板；所述主体Ⅱ（801）的一端端面与推拉板（802）板面连接；

若干块所述上层煤填充件（8）从模板Ⅰ（9）的条形缺口插入；所述推拉板（802）位于整个框架结构的外侧；若干块上层煤填充件（8）板面处于同一水平面。

3.根据权利要求1或2所述的一种三维多煤层开采相似材料模型实验系统，其特征在于：所述立柱（2）采用方管制造而成；每根所述立柱（2）的下端连接有垫板（1）；所述垫板（1）为矩形或圆形金属板。

4.根据权利要求1或2所述的一种三维多煤层开采相似材料模型实验系统，其特征在于：所述模板Ⅰ（9）的条形缺口长度等于模拟煤层走向的长度，宽度等于模拟煤层的高度。

5.根据权利要求2所述的一种三维多煤层开采相似材料模型实验系统，其特征在于：所述下层煤填充件（4）的下方具有保护架（7）；所述保护架（7）为U型金属支架；所述保护架（7）的两端与底板（3）的下板面连接。