CN105116116B - 采煤模拟实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及潜水、承压水下采煤模拟技术领域，尤其是涉及一种采煤模拟实验装置，包括：外壳；外壳为一端开口的中空壳体，外壳内设置有煤层模拟层；外壳上设置有开关机构，开关机构用于开关外壳，以使煤层模拟层曝露；含水层模拟层设置在煤层模拟层上，且与外壳的上端开口连通。本发明提供的采煤模拟实验装置，将含水层模拟层设置在采煤模拟层上，并在外壳与采煤模拟层相对应的位置上设置开关机构。实验人员打开开关机构，对煤层模拟层采煤，从而模拟实际情况中的煤矿开采，该结构与实际情况中的煤矿开采一致，并且本实验装置具有具体的采煤动态演示，因此，本发明提供的采煤模拟实验装置测量出来的含水层变化数据比较精准。

Description

采煤模拟实验装置

技术领域

本发明涉及潜水、承压水下采煤模拟技术领域，尤其是涉及一种采煤模拟实验装置。

背景技术

随着我国经济的不断发展，工业中煤炭需求量不断增加。随之出现了大量煤炭开采现象。而在煤炭开采中往往伴随着伴有水、火、瓦斯等灾害威胁，因此，在煤矿开采前对其模拟实验显得尤为重要。

现有技术中的模拟实验装置包括砂土容器、进水高度控制装置、供水装置、测压观测装置，砂土容器倾斜放置，砂土容器一端设有第一进水管，砂土容器前、后侧壁及底面上均布有若干个测压嘴，测压嘴通过连接管与测压观测装置的一个测压管连接，砂土容器底部设有抽水管，砂土容器的较低一端的侧壁外固定有排水箱，砂土容器顶部连接有承压顶盖，承压顶盖上设有至少一个溢流管；进水高度控制装置包括水槽，水槽连接升降装置；测压观测装置包括测压板及并排设于测压板上的若干个测压管。通过调整抽水管的抽水量，抽水管模拟抽水井，待水位稳定后，分别测定各测压管、抽水管的水位，绘制承压含水层在平面和剖面的等测压水位线，进而绘制承压含水层在平面和剖面的流网，从而反映开采条件下承压含水层三维流场的变化情况。

但是，现有技术中的模拟实验装置通过控制抽水管的抽水量模拟开采状况下含水层的水量变化，因此，该装置模拟开采状况与实际应用中的煤矿开采状况不一样，该装置模拟煤矿开采状况下的含水层水量变化不精准。

发明内容

本发明的目的在于提供采煤模拟实验装置，以解决现有技术中存在的模拟实验数据不精准的技术问题。

本发明提供的采煤模拟实验装置，包括：外壳；外壳为一端开口的中空壳体，外壳内设置有煤层模拟层；煤层模拟层上设置有含水层模拟层，且含水层模拟层与外壳的上端开口连通；外壳上设置有开关机构，开关机构用于开关外壳，以使煤层模拟层曝露。

进一步地，含水层模拟层包括含水层模拟壳以及挡板；含水层模拟壳为一端开口的中空壳体，含水层模拟壳的开口端与外壳的开口端连通；含水层模拟壳的侧壁上设置有多个第一通孔；挡板呈环形，且挡板套设在含水层模拟壳外，挡板的内壁与含水层模拟壳的侧壁紧贴，用于将第一通孔封闭。

进一步地，含水层模拟壳包括固定壳和盖板；固定壳为两端开口的中空壳体；固定壳的下端开口与外壳的上端开口连通，固定壳的侧壁上设置有多个第一通孔；固定壳内填设有砾石；盖板设置在固定壳的上端开口上，以将固定壳的该端开口密封；外壳的一侧设置有水箱，水箱上设置有第一进水管和出水管；第一进水管的一端与水箱连通，另一端与含水层模拟层连通；第一进水管上设置有阀门、水泵以及流量计；出水管的一端与水箱连通，另一端与含水层模拟层连通；出水管上设置有水位计。

进一步地，含水层模拟层还包括筛网；筛网呈环形，筛网设置在固定壳内；砾石填设在筛网内。

进一步地，煤层模拟层包括上覆岩层、煤层顶板岩层、煤层以及煤层底板岩层；煤层底板岩层、煤层、煤层顶板岩层以及上覆岩层由下至上依次铺设在外壳内；开关机构设置在外壳与煤层相应对的位置上。

进一步地，含水层模拟层还包括进水结构；进水结构包括第二进水管、多个横向连接管和多个竖向连接管；第二进水管、每个横向连接管以及每个竖向连接管上均设置有多个第二通孔；第二进水管呈环形，在第二进水管的环形内，多个横向连接管依次间隔的设置，且每个横向连接管的两端均与第二进水管连通；在第二进水管的环形内，多个竖向连接管依次间隔的设置，且竖向连接管与横向连接管垂直，每个竖向连接管的两端均与第二进水管连通；第二进水管与第一进水管连通。

进一步地，进水结构为多个；多个进水结构由上至下依次间隔地设置在固定壳内，且每个进水结构均与第一进水管连通。

进一步地，开关机构包括推拉门；外壳与煤层相对应的侧壁上设置有采煤口，采煤口上设置有推拉门。

进一步地，采煤模拟实验装置还包括转动壳；转动壳为两端开口的中空壳体，含水层模拟壳设置在转动壳内；转动壳的下端边沿通过转轴与外壳的上端边沿转动连接，以使转动壳相对与外壳转动。

进一步地，含水层模拟层还包括螺栓以及与螺栓相配合的螺母；转动壳的内壁上设置有第一固定板；第一固定板上设置有第一连接孔；含水层模拟壳的侧壁上设置有第二固定板；第二固定板上设置有第二连接孔；螺栓穿设在第一连接孔与第二连接孔内，以将含水层模拟壳固定在转动壳内。

本发明提供的采煤模拟实验装置，将含水层模拟层设置在采煤模拟层上，实验人员打开开关机构，煤层模拟层从外壳内曝露出来进行采煤。由于煤层模拟层的松动，位于煤层模拟层上的含水层模拟层内部压力产生相应变化，实验人员观察并记录含水层模拟层的动态变化即可。

本发明提供的采煤模拟实验装置，将含水层模拟层设置在采煤模拟层上，并在外壳与采煤模拟层相对应的位置上设置开关机构。实验人员打开开关机构，对煤层模拟层采煤，从而模拟实际情况中的煤矿开采，该结构与实际情况中的煤矿开采一致，并且本实验装置具有具体的采煤动态演示，因此，本发明提供的采煤模拟实验装置测量出来的含水层变化数据比较精准。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的采煤模拟实验装置的结构示意图；

图2为本发明另一实施例提供的采煤模拟实验装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的含水层模拟壳的结构示意图；

图4为本发明另一实施例提供的含水层模拟壳的结构示意图；

图5为本发明又一实施例提供的含水层模拟壳的结构示意图。

附图标记：

1-外壳；2-煤层模拟层；3-含水层模拟层；

4-水箱；5-第一进水管；6-出水管；

7-阀门；8-水泵；9-流量计；

10-推拉门；11-转动壳；21-上覆岩层；

22-煤层顶板岩层；23-煤层；24-煤层底板岩层；

31-含水层模拟壳；32-第一通孔；33-筛网；

34-进水结构；35-进水连接管；36-第二固定板；

311-固定壳；341-第二进水管；342-横向连接管；

343-竖向连接管。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1为本发明实施例提供的采煤模拟实验装置的结构示意图；图2为本发明另一实施例提供的采煤模拟实验装置的结构示意图；如图1和图2所示，本是实施例提供的采煤模拟实验装置，包括：外壳1；所述煤层模拟层2上设置有含水层模拟层3，且所述含水层模拟层3与所述外壳1的上端开口连通；外壳1为一端开口的中空壳体，外壳1内设置有煤层模拟层2；外壳1上设置有开关机构，开关机构用于开关外壳1，以使煤层模拟层2曝露。

其中，外壳1的截面形状可以为多种，例如：方形、圆形或者菱形等等。

开关机构的结构形式可以为多种，例如，在外壳1的侧壁上设置开口，开口上填设有密封板。实验人员打开密封板，从开口处将煤层模拟层2移出进行采煤。

在外壳1外还可设置小型采煤机，实验人员打开开关机构，煤层模拟层2曝露，启动小型采煤机对煤层模拟层2进行采煤。本实施例中，利用小型采煤机进行采煤，其与实际情况中的采煤方式一致，可精确地模拟实际采煤状况，从而使得出的实验数据更精准。

在外壳1的底部还可设置多个行走轮，行走轮的设置可方便实验人员移动外壳1。

本实施例提供的采煤模拟实验装置，将含水层模拟层3设置在采煤模拟层上，实验人员打开开关机构，煤层模拟层2从外壳1内曝露出来进行采煤。由于煤层模拟层2的松动，位于煤层模拟层2上的含水层模拟层3内部压力产生相应变化，实验人员观察并记录含水层模拟层3的动态变化即可。

本实施例提供的采煤模拟实验装置，将含水层模拟层3设置在采煤模拟层上，并在外壳1与采煤模拟层相对应的位置上设置开关机构。实验人员打开开关机构，对煤层模拟层2采煤，从而模拟实际情况中的煤矿开采，该结构与实际情况中的煤矿开采一致，并且本实验装置具有具体的采煤动态演示，因此，本发明提供的采煤模拟实验装置测量出来的含水层变化数据比较精准。

图3为本发明实施例提供的含水层模拟壳的结构示意图；如图1、图2和图3所示，在上述实施例的基础上，进一步地，含水层模拟层3包括含水层模拟壳31以及挡板；含水层模拟壳31为一端开口的中空壳体，含水层模拟壳31的开口端与外壳1的开口端连通；含水层模拟壳31的侧壁上设置有多个第一通孔32；挡板呈环形，且挡板套设在含水层模拟壳31外，挡板的内壁与含水层模拟壳31的侧壁紧贴，用于将第一通孔32封闭。

其中，挡板的结构形式可以为多种，例如，挡板包括多个子板和多个螺钉，每个子板上均设置有螺纹孔，每个螺钉依次穿设在相邻两个子板的螺纹孔内，以将相邻两个子板固定。本实施例中，多个子板依次围设在含水层模拟层3外，多个子板之间通过螺钉固定连接，方便安装和拆卸。另外，通过螺钉将多个子板进行固定，从而可使挡板与含水层模拟层3之间更加紧贴，加强了挡板对第一通孔32的封闭性能。

当实验人员需要对承压水下的煤层模拟层2开采模拟实验时，将挡板套设在含水层模拟壳31外，挡板将第一通孔32封闭，含水层模拟壳31内不与外界连通，模拟承压水，对煤层模拟层2进行开采，从而模拟承压水下的煤层开采。当实验人员需要对潜水下的煤层开采模拟实验时，将挡板从含水层模拟层3外移出，第一通孔32连通，含水层模拟壳31内与外界连通，模拟潜水，对煤层模拟层2进行开采，从而模拟潜水下的煤层开采。

本实施例中，通过挡板与第一通孔32的配合设置，利用挡板将第一通孔32封闭时，模拟承压水，将挡板移出，第一通孔32连通时，模拟潜水。本实验装置既可模拟承压水下的煤层23开采，又可模拟潜水下的煤层23开采，方便使用。

图4为本发明另一实施例提供的含水层模拟壳的结构示意图；图5为本发明又一实施例提供的含水层模拟壳的结构示意图。如图1-5所示，在上述实施例的基础上，进一步地，含水层模拟壳31包括固定壳311和盖板；固定壳311为两端开口的中空壳体；固定壳311的下端开口与外壳1的上端开口连通，固定壳311的侧壁上设置有多个第一通孔32；固定壳311内填设有砾石；盖板设置在固定壳311的上端开口上，以将固定壳311的该端开口密封；外壳1的一侧设置有水箱4，水箱4上设置有第一进水管5和出水管6；第一进水管5的一端与水箱4连通，另一端与含水层模拟层3连通；第一进水管5上设置有阀门7、水泵8以及流量计9；出水管6的一端与水箱4连通，另一端与含水层模拟层3连通；出水管6上设置有水位计。

其中，固定壳311与盖板的连接结构可以为多种，例如，在盖板的一面上设置与固定壳311上端开口相配合的环形凸起。当需要封闭固定壳311的上开口端时，将环形凸起卡设在固定壳311的上端口内，当需要打开固定壳311的上开口端时，将环形凸起从固定壳311的上端口拔出。

在盖板上还可设置液压加载器，启动液压加载器对含水层模拟层3施加压力，使含水层模拟层3与煤层模拟层2之间压力达到预设数值，从而使本装置内含水层模拟层3与煤层模拟层2之间的压力与实际情况中一致，提高了本装置模拟的精准度。

实验人员将煤层模拟层2填设在外壳1内，固定壳311放置在煤层模拟层2上，打开盖板，将砾石、砂等含水层模拟层3填设在固定壳311内，关闭盖板，打开阀门7和水泵8，水箱4内的水从第一进水管5进入至含水层模拟层3内，通过流量计9观察第一进水管5的进水量，当进水量达到预设位置，关闭阀门7和水泵8，打开开关机构，进行采煤，含水层模拟层3内压力产生变化，含水层模拟层3内的水从出水管6流出，通过水位计观察含水层模拟层3的动态变化。

本实施例中，将含水层模拟壳31设置为固定壳311与盖板，打开盖板，将含水层模拟层3填设在固定壳311内，操作方便。

如图4所示，在上述实施例的基础上，进一步地，含水层模拟层3还包括筛网33；筛网33呈环形，筛网33设置在固定壳311内；砾石填设在筛网33内。

本实施例中，在固定壳311的内壁上设置筛网33，可避免砾石从第一通孔32处流出。另外，筛网33可使固定壳311内受力均匀，避免固定壳311内局部压力过大而破裂。

如图2所示，在上述实施例的基础上，进一步地，煤层模拟层2包括上覆岩层21、煤层顶板岩层22、煤层23以及煤层底板岩层24；煤层底板岩层24、煤层23、煤层顶板岩层22以及上覆岩层21由下至上依次铺设在外壳1内；开关机构设置在外壳1与煤层23相应对的位置上。

实验人员将煤层底板岩层24、煤层23、煤层顶板岩层22以及上覆岩层21由下至上依次铺设在外壳1内，打开开关机构，煤层23从外壳1内曝露，进行采煤模拟。

本实施例中，将煤层模拟层2设置为煤层底板岩层24、煤层23、煤层顶板岩层22以及上覆岩层21，并且由下至上依次铺设在外壳1内，其结构与实际煤层山下结构一致，提高了采煤模拟实验装置的精确度。

如图3-5所示，在上述实施例的基础上，进一步地，含水层模拟层3还包括进水结构34；进水结构34包括第二进水管341、多个横向连接管342和多个竖向连接管343；第二进水管341、每个横向连接管342以及每个竖向连接管343上均设置有多个第二通孔；第二进水管341呈环形，在第二进水管341的环形内，多个横向连接管342依次间隔的设置，且每个横向连接管342的两端均与第二进水管341连通；在第二进水管341的环形内，多个竖向连接管343依次间隔的设置，且竖向连接管343与横向连接管342垂直，每个竖向连接管343的两端均与第二进水管341连通；第二进水管341与第一进水管5连通。

其中，还可在第一进水管5与第二进水管341之间设置进水连接管35，进水连接管35的一端与第一进水管5远离水箱4的一端开口，另一端与第二进水管341连通。进水连接管35的设置方便了第二进水管341与第一进水管的连通。进水连接管35还可设置多个，多个进水连接管35可缩短进水时间，提高进水效率。

当实验人员打开阀门7和水泵8，水箱4内的水从第一进水管5进入至第二进水管341，第二进水管341内的水从第二通孔流入进砾石内，关闭阀门7和水泵8。

本实施例中，将进水结构34设置为第二进水管341、多个横向连接管342和多个竖向连接管343，可使多个第二通孔在固定壳311内分布均匀，从而使第二进水管341内的水通过多个第二通孔均匀地流入至砾石内，避免固定壳311内中的砾石含水量与均匀而导致部分砾石含水量较多，部分砾石含水量较少，降低实验数据的精准度。

如图3-5所示，在上述实施例的基础上，进一步地，进水结构34为多个；多个进水结构34由上至下依次间隔地设置在固定壳311内，且每个进水结构34均与第一进水管5连通。

本实施例中，第一进水管5内的水通过进水连接管35进入至多个第二进水管341内。将进水结构34设置为多个，并且由上至下依次间隔设置，可使固定壳311内的砾石含水量均匀，另外，多个进水结构34可更快地将水箱4内的水流入至固定壳311内，缩短了进水时间，提高了进水效率。

如图2所示，在上述实施例的基础上，进一步地，开关机构包括推拉门10；外壳1与煤层23相对应的侧壁上设置有采煤口，采煤口上设置有推拉门10。

其中，还可在推拉门10上设置把手，实验人员手握把手将推拉门10从外壳1上移出。把手可方便实验人员对推拉门10进行着力，使实验人员更快地将推拉门10移出。

本实施例中，将开关机构设置为推拉门10，结构简单，操作方便。

如图1-5所示，在上述实施例的基础上，进一步地，采煤模拟实验装置还包括转动壳11；转动壳11为两端开口的中空壳体，含水层模拟壳31设置在转动壳11内；转动壳11的下端边沿通过转轴与外壳1的上端边沿转动连接，以使转动壳11相对与外壳1转动。

其中，还可在转动壳11的外壁上设置把手，从而方便实验人员转动转动壳11。

在转轴处还可设置密封圈，以将转动壳11与外壳1的连接处密封。

实验人员先转动转动壳11，将转动壳11从外壳1开口端移开，将煤层模拟层2填设在外壳1内，将转动壳11转动至外壳1开口端，填设含水层模拟层3。

本实施例中，在填设煤层模拟层2时，转动壳11将含水层模拟层3转动移开，避免含水层模拟层3阻碍煤层模拟层2的填设，使填设更加快捷，方便使用。

如图3所示，在上述实施例的基础上，进一步地，含水层模拟层3还包括螺栓以及与螺栓相配合的螺母；转动壳11的内壁上设置有第一固定板；第一固定板上设置有第一连接孔；含水层模拟壳31的侧壁上设置有第二固定板36；第二固定板36上设置有第二连接孔；螺栓穿设在第一连接孔与第二连接孔内，以将含水层模拟壳31固定在转动壳11内。

本实施例中，通过第一固定板与第二固定板36将含水层模拟壳31固定在转动壳11内，结构简单，方便对含水层模拟壳31安装和拆卸。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种采煤模拟实验装置，其特征在于，包括：外壳；

所述外壳为一端开口的中空壳体，所述外壳内设置有煤层模拟层；所述煤层模拟层上设置有含水层模拟层，且所述含水层模拟层与所述外壳的上端开口连通；所述外壳上设置有开关机构，所述开关机构用于开关所述外壳，以使所述煤层模拟层曝露；

所述含水层模拟层包括含水层模拟壳以及挡板；

所述含水层模拟壳为一端开口的中空壳体，所述含水层模拟壳的开口端与所述外壳的开口端连通；所述含水层模拟壳的侧壁上设置有多个第一通孔；

所述挡板呈环形，且所述挡板套设在所述含水层模拟壳外，所述挡板的内壁与所述含水层模拟壳的侧壁紧贴，用于将所述第一通孔封闭。

2.根据权利要求1所述的采煤模拟实验装置，其特征在于，所述含水层模拟壳包括固定壳和盖板；

所述固定壳为两端开口的中空壳体；所述固定壳的下端开口与所述外壳的上端开口连通，所述固定壳的侧壁上设置有多个所述第一通孔；所述固定壳内填设有砾石；所述盖板设置在所述固定壳的上端开口上，以将所述固定壳的该端开口密封；

所述外壳的一侧设置有水箱，所述水箱上设置有第一进水管和出水管；所述第一进水管的一端与所述水箱连通，另一端与所述含水层模拟层连通；所述第一进水管上设置有阀门、水泵以及流量计；所述出水管的一端与所述水箱连通，另一端与所述含水层模拟层连通；所述出水管上设置有水位计。

3.根据权利要求2所述的采煤模拟实验装置，其特征在于，所述含水层模拟层还包括筛网；

所述筛网呈环形，所述筛网设置在所述固定壳内；所述砾石填设在所述筛网内。

4.根据权利要求1所述的采煤模拟实验装置，其特征在于，所述煤层模拟层包括上覆岩层、煤层顶板岩层、煤层以及煤层底板岩层；

所述煤层底板岩层、所述煤层、所述煤层顶板岩层以及所述上覆岩层由下至上依次铺设在所述外壳内；所述开关机构设置在所述外壳与所述煤层相应对的位置上。

5.根据权利要求2所述的采煤模拟实验装置，其特征在于，所述含水层模拟层还包括进水结构；

所述进水结构包括第二进水管、多个横向连接管和多个竖向连接管；所述第二进水管、每个所述横向连接管以及每个所述竖向连接管上均设置有多个第二通孔；所述第二进水管呈环形，在所述第二进水管的环形内，多个所述横向连接管依次间隔的设置，且每个所述横向连接管的两端均与所述第二进水管连通；在所述第二进水管的环形内，多个所述竖向连接管依次间隔的设置，且所述竖向连接管与所述横向连接管垂直，每个所述竖向连接管的两端均与所述第二进水管连通；所述第二进水管与所述第一进水管连通。

6.根据权利要求5所述的采煤模拟实验装置，其特征在于，所述进水结构为多个；

多个所述进水结构由上至下依次间隔地设置在所述固定壳内，且每个所述进水结构均与所述第一进水管连通。

7.根据权利要4-6任一项所述的采煤模拟实验装置，其特征在于，所述开关机构包括推拉门；

所述外壳与所述煤层相对应的侧壁上设置有采煤口，所述采煤口上设置有所述推拉门。

8.根据权利要求1-6任一项所述的采煤模拟实验装置，其特征在于，还包括转动壳；

所述转动壳为两端开口的中空壳体，所述含水层模拟壳设置在所述转动壳内；所述转动壳的下端边沿通过转轴与所述外壳的上端边沿转动连接，以使所述转动壳相对与所述外壳转动。

9.根据权利要求8所述的采煤模拟实验装置，其特征在于，所述含水层模拟层还包括螺栓以及与螺栓相配合的螺母；

所述转动壳的内壁上设置有第一固定板；所述第一固定板上设置有第一连接孔；所述含水层模拟壳的侧壁上设置有第二固定板；所述第二固定板上设置有第二连接孔；所述螺栓穿设在所述第一连接孔与所述第二连接孔内，以将所述含水层模拟壳固定在所述转动壳内。