CN105259046A - 一种模拟水下煤炭自动开采的相似模拟试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟水下煤炭自动开采的相似模拟试验装置，所述应力计量器还包括高度调节装置，所述高度调节装置由螺纹连接的外螺旋杆(31)和内螺旋杆(32)构成，所述内螺旋杆(32)的下端固定在所述底板(21)上，所述外螺旋杆(31)的上端与所述支撑板(30)相连，在所述支撑板(30)的边缘设置有卡槽(33)，所述外螺旋杆(31)的顶部固定有与所述卡槽(33)相配合的卡片(34)，所述卡片(34)设置在所述卡槽(33)内，并可在所述卡槽(33)内自由转动。本发明模拟水下煤炭自动开采的相似模拟试验装置提高了相似模拟实验仿真度，确保实验数据科学可靠，可实现承压水下自动采煤和压力监测。

Description

一种模拟水下煤炭自动开采的相似模拟试验装置

技术领域

本发明涉及矿山机械及教育领域，特别是涉及一种用于模拟水下煤炭自动开采的相似模拟试验装置及其使用方法。

背景技术

承压含水层广泛存在于我国煤系地层当中，国内外发生了多起承压含水层下采煤的工作面压架致灾事故，造成了大量人员伤亡和巨大经济损失。因此在采动影响、矿山压力以及承压水的共同作用下，弄清承压水的载荷传递、水岩共同作用下矿山压力及工作面压架致灾的机理，变得尤为重要。

针对上述问题，目前主要是利用理论分析，结合相似模拟实验等手段论证开采参数可靠性，但是相似实验目前存在以下不足：

首先，开挖过程为人工拿细铁棍开挖，一般为每隔两个小时开挖一定距离煤层(如50mm左右)，这种方法不符合相似模拟的相似推采速度(按照100:1的相似比，这就意味着煤炭一下往前推采5m，这是不科学的)，即按照一定的速度开挖，且一般一个模型需要三天三夜以上时间连续开挖，这又要求实验人员在晚上还需要每隔两个小时开挖一次，一个实验一般需要3-5名开挖人员，工作量非常大，非常不便。

第二，工作人员在开挖时，由于相似模型装置一般宽300mm，在中间部位模型相对坚硬且看不清，经常挖错顶板或者底板等，对于实验的结果影响较大。

第三，有时候模型相对坚硬，需要使用很大的力气才能挖动，在模型中间部位，甚至需要敲打才能挖动，这种震动、敲打或者无意识的触碰到顶板，都相当于实际生产中很大的冲击地压的影响，因此对于某些研究顶板结构的实验等结果影响较大。

最后，相似模拟目前主要研究顶底板的应力特征，顶板的垮落特征等，但是目前还没有能够模拟工作面采场支架模拟装置以及它的运移和应力监测系统和方法，对于相似模拟实验的结果影响较大。

因此提高相似模拟实验仿真度，确保实验数据科学可靠尤为重要；

同时，针对相似模拟实验含水层的模拟，中国矿业大学许家林教授展开了大量的理论分析和试验研究，设计了松散承压含水层载荷传递作用的实验装置和松散承压含水层采动水位变化规律的实验装置及方法(申请号：200720037001.9)，但是上述试验装置及方法，存在以下不足：

⑴上述方法中用到了一整体的、全长承压水袋来近似模拟煤系地层中的承压含水层，然而作为水袋这种材料本身的特殊性，它存在一定的强度和曲率，一旦采用全长铺设水袋(如3m长的试验架就选用3m长的水袋)，由于一般需要模拟的承压水的水压较大，所设计水袋必须能承受一定的水压力，这样水袋本身的强度就不能太低，其曲率自然就变小，加之水袋在上覆岩层移动变形的两端会被岩层压紧，而覆岩的移动变形区域又很大，就会造成水袋在煤层开采后不能随着岩层移动而同步下沉运动，造成岩层与水袋的离层，承压含水层载荷就无法向下传递，造成试验失真甚至失败。

⑵上述实验方法中，也无法做到在煤层开采过程中，对含水层中受采动影响部分的水的流动及补给规律进行模拟及监控，进而也就无法做到对采煤工作面推进距离、推进速度等因素与承压水内部水流的补给方向的变化之间建立联系，做出定性及定量的判断，自然就无法得出规律性认识。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，提高相似模拟实验仿真度，确保实验数据科学可靠，本发明提供了一种结构简单、效果好的承压水下自动采煤和压力监测的模拟水下煤炭自动开采的相似模拟试验装置。

一种模拟水下煤炭自动开采的相似模拟试验装置，包括架体、设置在所述架体上的承压含水层、煤层、设置在所述煤层两侧的支撑杆、以及其他岩层；

所述承压含水层由多个小水袋连接而成，所述小水袋是由水袋顶板、水袋底板、前侧壁、后侧壁、左侧壁和右侧壁围合而成的长方体结构，其内部为充水空间，在所述小水袋的左侧壁上设置有入水口，右侧壁上设置有出水口，后一个所述小水袋的入水口通过输水管与前一个所述小水袋的出水口相连，第一个所述小水袋的入水口与水供应装置相连，最后一个所述小水袋只设置有入水口；

所述输水管包括第一管体、第二管体和第三管体，所述第一管体的一端通过弹性软管和接头与前一个所述小水袋的出水口连接，所述第二管体的一端通过弹性软管与所述第一管体的另一端相连，所述第三管体的一端通过弹性软管与所述第二管体的另一端相连，所述第三管体的另一端通过弹性软管和接头与后一个所述小水袋的入水口连接；所述第一管体与所述第二管体之间形成的角度以及所述第二管体与所述第三管体之间形成的角度均为锐角；在所述第二管体外侧的中部设置有水流量传感器；

在所述煤层中设置有采煤支护模拟系统，在所述支撑杆上运行，所述采煤支护模拟系统包括采煤模拟装置和位于其后侧的液压支架模拟装置，所述液压支架模拟装置包括底板、顶板、应力计量器、驱动装置和挡板，其中，所述应力计量器的顶部和底部分别与所述顶板和底板连接，所述挡板的上端与所述顶板的后端相连，所述挡板与所述顶板之间的角度为钝角，驱动装置驱动所述液压支架模拟装置移动。

本发明所述的模拟水下煤炭自动开采的相似模拟试验装置，其中，所述承压含水层包括10个所述小水袋，从第1个～第5个小水袋的入水口设置在所述左侧壁的中部，处于靠近所述前侧壁的位置，出水口设置在所述右侧壁的下部，处于靠近所述后侧壁的位置；从第6个到10个小水袋的入水口设置在所述左侧壁的下部，处于靠近所述前侧壁的位置；从第6个到9个小水袋的出水口设置在所述右侧壁的中部，处于靠近所述后侧壁的位置。

本发明所述的模拟水下煤炭自动开采的相似模拟试验装置，其中，在所述水袋顶板和所述水袋底板的左右两侧还分别设置有保护板，由所述水袋顶板和水袋底板向左右两侧延伸而成，将所有所述小水袋的所述保护板依次相连，在相邻的两个所述小水袋间形成保护所述输水管的置物空间；所述水袋顶板和所述水袋底板为PVC板，所述前侧壁、后侧壁、左侧壁和右侧壁的截面为可折叠伸缩的齿形结构，由丁基橡胶制成。

本发明所述的模拟水下煤炭自动开采的相似模拟试验装置，其中，所述小水袋的长度为270mm，宽度为300mm，所述前侧壁、后侧壁、左侧壁和右侧壁的最大拉伸高度为60mm；所述保护板的长度为15mm，宽度为300mm；所述水袋顶板和水袋底板的厚度为4mm，所述前侧壁、后侧壁、左侧壁和右侧壁的厚度为2.2mm；所述弹性软管为聚丙烯材料制成，外直径为70mm，内直径为50mm；所述小水袋在使用前其内部处于完全压缩状态。

本发明所述的模拟水下煤炭自动开采的相似模拟试验装置，其中，所述水供应装置包括多个相同规格的水箱，所述水箱从上至下包括依次连通的上管体、上箱体、下管体和下箱体，所述上管体的上端为管口，所述上管体的上部为无刻度区，下部为有刻度区，所述下管体的上部为有刻度区，下部为无刻度区，在所述有刻度区的管壁上设置有刻度；在所述水箱的底部设置有水箱出水口；

所述水箱由非透明材料制成，在所述上管体和所述下管体的一侧设置长条形的由透明材料制成的液位显示区，在所述液位显示区上设置刻度；

所述水箱为3个，所述水供应装置还包括接头和压力表，所述3个水箱的水箱出水口分别通过管路与所述压力表连接，所述接头的一端通过管路与所述压力表连接，另一端与第一个所述小水袋的入水口连接，在每个水箱和所述压力表之间的管路上设置有阀门。

本发明所述的模拟水下煤炭自动开采的相似模拟试验装置，其中，所述上管体和所述下管体的横截面为边长为80mm的正方形，所述上管体的总高度为150mm，其中，上部的无刻度区高度为81.25mm，下部的有刻度区的高度为68.75mm，所述下管体的总高度为1000mm，上部的有刻度区高度为900mm，下部的无刻度区高度为100mm；所述上箱体和下箱体的横截面为边长为250mm的正方形，所述上箱体的高度为160mm，所述下箱体的高度为100mm；所述水箱的有刻度区的刻度值由上至下依次增大。

本发明所述的模拟水下煤炭自动开采的相似模拟试验装置，其中，所述应力计量器包括第一壳体和设置在其内部的内柱，所述内柱可在所述第一壳体内自由上下滑动，所述内柱的顶部与所述顶板固定连接，在所述第一壳体的底端连接有应变膜，并且所述应变膜覆盖所述第一壳体的底端，所述应变膜、所述第一壳体和所述内柱之间形成气腔，在所述气腔内设置有气囊，所述气囊由塑胶膜密封而成，所述应变膜通过数据线与应变仪连接，所述应变仪与计算机连接；

所述第一壳体的底端连接第二壳体，所述第二壳体的厚度小于所述第一壳体的厚度，所述第二壳体的底端连接支撑板；

所述内柱、所述第一壳体、所述第二壳体均为圆柱形，所述数据线的一端接头设置在所述第一壳体的底端上的所述应变膜上，所述第二壳体上设置有通孔，所述数据线的另一端从所述通孔中穿出，与所述应变仪相连；在所述第二壳体上均匀设置有多个透气孔。

本发明所述的模拟水下煤炭自动开采的相似模拟试验装置，其中，所述应力计量器还包括高度调节装置，所述高度调节装置由螺纹连接的外螺旋杆和内螺旋杆构成，所述内螺旋杆的下端固定在所述底板上，所述外螺旋杆的上端与所述支撑板相连，在所述支撑板的边缘设置有卡槽，所述外螺旋杆的顶部固定有与所述卡槽相配合的卡片，所述卡片设置在所述卡槽内，并可在所述卡槽内自由转动；

所述顶板与水平面之间的角度为3°，所述顶板的后端高于前端，所述挡板与所述顶板之间的角度为120°，所述内柱的前端与所述顶板的前端之间的距离为40mm，所述挡板的底端距离所述底板的后端之间的水平距离为15mm；

在自由状态下，所述内柱的顶端与所述第一壳体的顶端之间的距离为7mm，所述内柱的直径为8mm，高度为15mm，所述第一壳体的厚度为5mm，所述第二壳体的厚度为1.5mm，外径与所述第一壳体的外径一致，所述高度调节装置的高度为15mm，所述底板的长度为60mm，所述顶板的长度为70mm，所述挡板的长度为50mm，在所述底板的底部设置有轮体，所述轮体与所述驱动装置相连。

本发明所述的模拟水下煤炭自动开采的相似模拟试验装置，其中，所述采煤机模拟装置包括滚筒、滚筒驱动装置、采煤机驱动装置，其中，所述滚筒分为左右对称的两部分，中间为齿轮螺纹，与所述滚筒驱动装置相连，在所述滚筒上设置有螺旋叶片，在所述螺旋叶片的边缘均匀设置有钉齿，所述钉齿具有锐利的尖部，且尖部方向向外设置，左右两部分滚筒上的螺旋叶片的旋转方向反向设置，即相对于所述齿轮螺纹对称设置；

在所述滚筒上均匀设置有多个煤刷，所述煤刷的长度同所述螺旋叶片的高度长2mm；所述采煤机模拟装置还包括轮体，所述轮体与所述采煤机驱动装置相连。

本发明所述的模拟水下煤炭自动开采的相似模拟试验装置的使用方法，包括所述承压含水层的准备和采煤支护模拟系统的准备；

所述承压含水层的准备包括如下步骤：

①准备好试验工具、材料，必要的仪器设备；

②第一次使用水箱时，需要进行水管空气排放过程，过程为：关闭水供应装置中第一个水箱的阀门，向水箱中注入干净水源，加水过程要平稳，水加到下箱体即将注满时停止，打开水箱阀门，水箱中的水会在压力下从水管流出，从而将初次使用的水箱水管中空气排出，然后关闭阀门；然后按照上述方法依次向第二个水箱和第三个水箱加水并进行排放空气过程；水箱加水之后，要拿干净的木板盖住水箱口；

③按照相似原理，分层铺设需要模拟的煤岩层，要保证铺设的煤岩层层面平直，在需要监测应力的岩层铺设应变片，将应变片数据线都引向一侧，从相似模拟装置两侧圆孔中穿出，同时安装侧护板，铺设到承压含水层时暂停，开始铺设小水袋；

④铺设承压含水层：将小水袋构成的承压含水层铺于岩层上，保证连接紧密，铺设紧凑、平直，将水流量传感器数据线都引向一侧；

⑤小水袋构成的承压含水层铺于岩层上之后，需要向进行排放空气过程后的水箱内加水，并要根据含水层实际的厚度向小水袋充水到模拟厚度，水箱加水之后，要拿干净的木板盖住水箱口，加水量及小水袋的充水方法如下：

当实际含水层厚度小于2m时，按照相似比100:1计算，小水袋需要达到的厚度小于20mm，则小水袋中总共需要的水量小于16200ml，使用一个水箱加水，方法为：将盖在水箱口的干净木板拿掉，对第一个水箱加水到刚好零刻度位置时，升高水箱位置，打开水箱阀门，利用水的自身重力，将水注入到小水袋中，最后刻度显示水箱注入的水的流量之和为810aml时关闭阀门，a为含水层模拟高度，a＝h/100，单位为mm，h为含水层实际高度，刻度值从下管体的有刻度区中读出；

当实际含水层厚度小于4m大于2m时，使用两个水箱，方法为：将盖在水箱口的干净木板拿掉，对第一个水箱和第二个水箱加水到刚好零刻度位置时，升高水箱位置，打开第一个水箱的阀门，利用水的自身重力，将水注入到小水袋中，水面下降到下管体有刻度区最后刻度时关闭第一个水箱的阀门，再打开第二个水箱的阀门，利用水的自身重力，将水注入到小水袋中，最后刻度显示水箱注入的水的流量之和为(810a-16200)ml时关闭第二个水箱的阀门，刻度值从下管体的有刻度区中读出；

当实际含水层厚度小于6m大于4m时，3个水箱水量刚好可以满足，方法为：将盖在水箱口的干净木板拿掉，对三个水箱分别加水到刚好零刻度位置，升高水箱位置，打开第一个水箱的阀门，利用水的自身重力，将水注入到小水袋中，水面下降到下管体有刻度区最后刻度时关闭第一个水箱的阀门；再打开第二水箱的阀门，利用水的自身重力，将水注入到小水袋中，水面下降到下管体有刻度区的最后刻度时关闭第二个水箱的阀门；再打开第三个水箱的阀门，利用水的自身重力，将水注入到小水袋中，当最后刻度显示水箱注入的水的流量之和为(810a-32400)ml时关闭第三个水箱的阀门，刻度值从下管体的有刻度区中读出；

⑥对小水袋充完水之后，在承压含水层上方水平压一块槽钢或铁板，持续3-5分钟，各个小水袋会逐步调整水量，直到各个高度一致；按照步骤②铺设方法，在承压含水层上方水平铺设上覆岩层；

⑦风干、养护模型一周，期间将相似模拟装置的部分侧护板卸下；

⑧补偿缺少的载荷，通过杠杆或者配重铁块，加于上覆岩层层面之上以补偿缺失的载荷；

⑨按照实际开采情况，进行相似比逐步开挖煤层，通过水流量传感器及铺在岩层中的应力传感器，在煤层开挖过程中，对承压含水层载荷传递规律、含水层移动变形规律及含水层内部随着工作面的推进水压补给规律及其流动规律的相似模拟；

所述采煤支护模拟系统的准备包括如下步骤：

(A)准备好实验工具、材料和仪器设备；

(B)按照相似原理，分层铺设需要模拟的煤岩层，要保证铺设的煤岩层层面平直，在需要监测应力的岩层铺设应变片，将所述应变片的数据线都引向一侧，从相似模拟装置两侧圆孔中穿出，同时安装侧护板；

(C)风干、养护模型一周，期间将相似模拟装置的部分侧护板和煤层对应的两侧侧护板卸下；

(D)补偿缺少的载荷，通过杠杆或者配重铁块，加于上覆岩层层面之上以补偿缺失的载荷；

(E)在相似模拟装置上安装支撑架，所述支撑架与煤层底板平行，设置在所述煤层的两侧，两侧支撑架距离所述采煤支护模拟系统各15mm；

(F)人工开挖一个130mm长的切眼，安装整套装置，调整螺旋杆高度，使顶板液压支架模拟装置顶板与煤层顶板接触，根据煤矿实际开采速度，移架距离确定装置参数，连接数据线，接通电源，开挖模型；

(G)开挖过程中，对顶板压力和顶板离层数据进行监测、储存并对结果进行最后分析。

本发明模拟水下煤炭自动开采的相似模拟试验装置与现有技术不同之处在于：

本发明模拟水下煤炭自动开采的相似模拟试验装置能够实现在煤层开采以后，对承压含水层载荷传递规律、含水层移动变形规律及含水层内部随着工作面的推进水流补给规律及其流动规律的相似模拟，为研究采动影响及水压力共同作用下采场的矿山压力、工作面压架致灾、水灾防治等方面提供试验方法。

本发明模拟水下煤炭自动开采的相似模拟试验装置是依据离散元的思想设计而成的，既然整体性全长水袋的模拟效果不理想，就把全长水袋分离成一个个尺寸较小的水袋，每个小水袋有一个进水口和一个出水口，进出水口用弹性软管连接，并且进出水口交错布置，使弹性软管有一定的移动行程，保证其在下覆岩层发生移动时不会影响小水袋的移动；同时在每个弹性软管上安装流量监控传感器，并与主机相连，实现各小水袋中的水流量数据的在线监测与分析；最后配合水压控制系统实现不同水压条件下的承压含水层下采煤相似材料模拟试验。

本发明的装置及方法，能够实现在煤层开采过程中，对上覆岩层中存在含水层时，对承压水的近似模拟。通过调节水箱高度和调压阀做到对承压含水层的水压力的控制，以及小水袋之间的水流量传感器，实现在采动过程中对含水层中受采动影响部分的水的流动及补给规律进行模拟及监控，进而可以得到含水层内部水流变化与煤层开采之间的内在联系，通过实验室分析最终得出规律性认识，从而实现对不同含水层，特别是不同水压、不同埋藏深度、不同厚度下的含水层在采动过程中其载荷传递规律、承压水的补给规律、承压含水层下采煤采场矿山压力及显现规律、工作面压架致灾机理等相关问题的研究。而设计的离散型小水袋及连接的弹性软管，保证了载荷传递的连续性及变形的协调性。同时小水袋的制作工艺简单、密闭性较好、铺设方便，调压阀调压精度较高，保证了采动过程中含水层水压的稳定性。

本发明采煤支护模拟系统具有如下优点：

首先，设计了自动开挖、自动推进的采煤模拟装置，可以实现完全模拟煤炭实际开采速度开挖煤层。无需人工操作，提高了实验的科学性，并且节省了大量人工作业量；

其次，设计了可监测顶板压力的液压支架模拟装置，可以监测煤层开挖后顶板应力特征，与实际监测值作为对比，可以很好地反应相似模拟结果准确度；

最后，设计了液压支架驱动装置，可以模拟煤矿实际移架情况来推动支架，可以更大程度提高相似模拟实验的准确度。

下面结合附图对本发明的模拟水下煤炭自动开采的相似模拟试验装置作进一步说明。

附图说明

图1为本发明模拟水下煤炭自动开采的相似模拟试验装置的整体结构示意图；

图2为本发明承压含水层的单个小水袋的结构示意图；

图3为本发明承压含水层的10个小水袋的正视图；

图4为图2去掉上侧壁和下侧壁的10个小水袋的俯视图；

图5为本发明承压含水层的输水管的结构示意图；

图6为本发明承压含水层的水供应装置的结构示意图；

图7为本发明采煤支护模拟系统的立体结构示意图；

图8为本发明采煤支护模拟系统的侧视图；

图9为本发明采煤支护模拟系统的应力计量器的结构示意图；

图10为本发明采煤支护模拟系统的采煤机的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明模拟水下煤炭自动开采的相似模拟试验装置包括架体、设置在架体上的承压含水层41、煤层42、设置在煤层42两侧的支撑杆、以及其他岩层；

如图2～图6所示，承压含水层由多个小水袋连接而成，小水袋是由水袋顶板1、水袋底板2、前侧壁3、后侧壁4、左侧壁5和右侧壁6围合而成的长方体结构，其内部为充水空间，在小水袋的左侧壁上设置有入水口7，右侧壁上设置有出水口8，后一个小水袋的入水口7通过输水管9与前一个小水袋的出水口8相连，第一个小水袋的入水口7与水供应装置相连，最后一个小水袋只设置有入水口7；

承压含水层包括10个小水袋，从第1个～第5个小水袋的入水口7设置在左侧壁5的中部，处于靠近前侧壁3的位置，出水口8设置在右侧壁6的下部，处于靠近后侧壁4的位置；从第6个到10个小水袋的入水口7设置在左侧壁5的下部，处于靠近前侧壁3的位置；从第6个到9个小水袋的出水口8设置在右侧壁6的中部，处于靠近后侧壁4的位置。

输水管9包括第一管体201、第二管体202和第三管体203，第一管体201的一端通过弹性软管102和接头101与前一个小水袋的出水口8连接，第二管体202的一端通过弹性软管102与第一管体201的另一端相连，第三管体203的一端通过弹性软管102与第二管体202的另一端相连，第三管体203的另一端通过弹性软管102和接头101与后一个小水袋的入水口7连接；第一管体201与第二管体202之间形成的角度以及第二管体202与第三管体203之间形成的角度均为锐角；在第二管体202外侧的中部设置有水流量传感器10。第一管体201和第三管体203的长度为25mm，第二管体203的长度为40mm，用于连接的弹性软管102的长度均为10mm。这种“Z”型布置方式可以保证水袋之间有相对较大的滑动甚至旋转，这种对于大采高以及特厚煤层的相似模拟试验效果更佳，成功率高。因为大采高以及特厚煤层的顶板垮落范围和幅度相对剧烈，水袋移动范围也较大。

在水袋顶板1和水袋底板2的左右两侧还分别设置有保护板11，由水袋顶板1和水袋底板2向左右两侧延伸而成，将所有小水袋的保护板11依次相连，在相邻的两个小水袋间形成保护输水管9的置物空间。

水袋顶板1和水袋底板2为PVC板，前侧壁3、后侧壁4、左侧壁5和右侧壁6的截面为可折叠伸缩的齿形结构，由丁基橡胶制成。小水袋的长度为270mm，宽度为300mm，前侧壁3、后侧壁4、左侧壁5和右侧壁6的最大拉伸高度为60mm；保护板11的长度为15mm，宽度为300mm；水袋顶板1和水袋底板2的厚度为4mm，前侧壁3、后侧壁4、左侧壁5和右侧壁6的厚度为2.2mm；弹性软管102为聚丙烯材料制成，外直径为70mm，内直径为50mm。上下两平面为4mm的硬度PVC(聚氯乙烯)板，硬度大，强度大，强度高，可以抵抗上下方压力，且达到水袋均匀受力的要求，前后左右四个侧面都比上下板相对薄一点，厚度2.2mm，材质为丁基橡胶，且2.2mm的厚度保证不易变形，不会挤压小水袋之间的水管。软管材质为聚丙烯，直径70mm，内腔直径50mm，20mm的外壳厚度可以保证软管有一定外部抗压强度，且50mm内腔在完全充水情况下，内部压力不会压爆软管而漏水。

从正视图来看，10个水袋的入水口7和出水口8的排列为对称设计，当模型水袋下方的煤层开挖时，水袋中部会率先下沉，且下移的位移最大，这样的设计可以有效保护水袋和软管的连接安全，且输水管9为塑料软管，可以弯曲和拉长，加上这样的角度设计，不会影响水袋的运动。左边5个小水袋，进水口7在中间高度，出水口8在下部，距离底部平面1-2mm左右；右边5个水袋，出水口8在中间高度，进水口7在下部，距离底部平面1-2mm左右。从俯视图来看，入水口7都在前方，出水口8都在后方，主要是为了在有限的空间内增加塑料软管的最大拉伸长度，保证塑料软管不会拉扯到小水袋，从而不会影响小水袋的位移，保证研究结果更加科学。这种特殊的小水袋的设计可以保证有较大的滑动和旋转，同时，倾斜设计可以保证在安装的时候可以错开，这样就有较大的安装空间。水袋设计为上下材质很厚，前后左右四个侧面都很薄，且4个侧壁的竖向切面为齿形结构，可在一定范围内任意上下伸缩，小水袋在使用前处于完全压缩状态，这样可以根据煤层厚度的多少，放相对应的水进去，下材质很厚，前后左右四个侧面都很薄和齿形结构的侧面设计可以保证上下平面水平增高，可以根据需要冲水，来控制其高度。改变了以前每模拟一个试验，都需要根据含水层厚度定制加工的麻烦，且节约大量成本和时间。只按照需要灌多少水，高度和面积压力之间的关系，然后关闭水箱之间的开关，当开采垮落以后，根据开关两边两项压力值大小，微调水箱，使其等压时打开开关，模拟含水层透水或者移动时，水源等压补给，模拟开挖之后，水的厚度下降，代表着泄压或者是透水时应力变化情况。

水供应装置包括多个相同规格的水箱，水箱从上至下包括依次连通的上管体401、上箱体402、下管体403和下箱体404，上管体401的上端为管口，上管体401的上部为无刻度区，下部为有刻度区，下管体403的上部为有刻度区，下部为无刻度区，在有刻度区的管壁上设置有刻度；在水箱的底部设置有水箱出水口405。

水箱由非透明材料制成，在上管体401和下管体403的一侧设置长条形的由透明材料制成的液位显示区409，在液位显示区409上设置刻度。

上管体401和下管体403的横截面为边长为80mm的正方形，上管体401的总高度为150mm，其中，上部的无刻度区高度为81.25mm，下部的有刻度区的高度为68.75mm，下管体403的总高度为1000mm，上部的有刻度区高度为900mm，下部的无刻度区高度为100mm；上箱体402和下箱体404的横截面为边长为250mm的正方形，上箱体402的高度为160mm，下箱体404的高度为100mm；水箱的有刻度区的刻度值由上至下依次增大。下管体403和上管体401的截面积小，测量准确，保证每次在测量水量时，水面都在下管体403内，这也是这个水箱特殊设计的地方。

水箱为3个，水供应装置还包括接头407和压力表408，3个水箱的水箱出水口405分别通过管路与压力表408连接，接头407的一端通过管路与压力表408连接，另一端与第一个小水袋的入水口7连接，在每个水箱和压力表408之间的管路上设置有阀门406。

如图7～图10所示，在煤层中设置有采煤支护模拟系统，在支撑杆上运行，采煤支护模拟系统包括采煤模拟装置和位于其后侧的液压支架模拟装置，液压支架模拟装置包括水袋底板21、顶板22、应力计量器、驱动装置和挡板23，其中，应力计量器的顶部和底部分别与顶板22和水袋底板21连接，挡板23的上端与顶板22的后端相连，挡板23与顶板22之间的角度为钝角，驱动装置驱动液压支架模拟装置移动；

应力计量器为并排设置的两个，应力计量器包括第一壳体24和设置在其内部的内柱25，内柱25可在第一壳体24内自由上下滑动，与外围外壳滑动摩擦，内柱与外壳表面均十分光滑，摩擦力极小，不影响应力测量；内柱25的顶部与顶板22固定连接，在第一壳体24的底端连接有应变膜26，并且应变膜26覆盖第一壳体24的底端，应变膜26、第一壳体24和内柱25之间形成气腔，在气腔内设置有气囊27，气囊27由塑胶膜密封而成，应变膜26通过数据线28与应变仪连接，应变仪与计算机连接。根据上方气腔压强的大小产生相应的形变，经过数据线28传输到应变仪上，最终连接到电脑，数据显示并存储在计算机上；

第一壳体24的底端连接第二壳体29，第二壳体29的厚度小于第一壳体24的厚度，第二壳体29的底端连接支撑板30；

内柱25、第一壳体24、第二壳体29均为圆柱形，数据线28的一端接头设置在第一壳体24的底端上的应变膜26上此设计是防止线头自身重力影响应变膜变形，从而保证测量精确度；第二壳体29上设置有通孔，数据线28的另一端从通孔中穿出，与应变仪相连；在第二壳体29上均匀设置有多个透气孔。

应力计量器还包括高度调节装置，高度调节装置由螺纹连接的外螺旋杆31和内螺旋杆32构成，内螺旋杆32的下端固定在水袋底板21上，外螺旋杆31的上端与支撑板30相连，在支撑板30的边缘设置有卡槽33，外螺旋杆31的顶部固定有与卡槽33相配合的卡片34，卡片34设置在卡槽33内，并可在卡槽33内自由转动。

顶板22与水平面之间的角度为3°，顶板22的后端高于前端，此设计是为了让液压支架模拟装置能充分模拟支架随着煤层开采移架的工序，夹角度数太小或者夹角为零，液压支架顶板可能会碰到煤层顶板，无法推进；夹角度数太大，则造成顶板承压不平稳，计量器所测压力值与实际值有偏差。挡板23与顶板22之间的角度为120°，挡板角度和长度的设计，可以保证破碎砂石可以滑落到煤层底板，或者整块砂石接触到挡板上，随着支架往前移动，均不影响计量器测量。内柱25的前端与顶板22的前端之间的距离为40mm，可以保证移动支架时，采煤模拟装置能在顶板之下，起到保护作用。挡板23的底端距离水袋底板21的后端之间的水平距离为15mm，可以保证支架内部不会进入砂石，影响使用。

在自由状态下，内柱25的顶端与第一壳体24的顶端之间的距离为7mm，高度差可以保证顶板22受到上方压力时，顶板22可以随着内柱25一起下沉，从而达到测量的目的，同时当超过7mm的下沉量时，此时，压力值超过0.3Mpa，第一壳体24会阻止顶板22进一步下降，保护应变膜26不受大变形而破坏。

内柱25的直径为8mm，高度为15mm，第一壳体24的厚度为5mm，第二壳体29的厚度为1.5mm，外径与第一壳体24的外径一致，高度调节装置的高度为15mm，水袋底板21的长度为60mm，顶板22的长度为70mm，挡板23的长度为50mm，在水袋底板21的底部设置有轮体，轮体与驱动装置相连。

使用时，根据实验煤层的实际模拟高度，旋转高度调节外螺旋杆31，高度调节外螺旋杆31与高度调节内螺旋杆32螺旋衔接，旋转高度调节外螺旋杆31可以旋转从而增加或降低液压支架模拟装置的高度。支撑板30、应变膜26和第二壳体29之间形成的空间方便应变膜26变形，四周有数个透气孔，用于保持与外界联通，保证为正常大气压压强。

采煤机模拟装置包括滚筒35、滚筒驱动装置、采煤机驱动装置，其中，滚筒35分为左右对称的两部分，中间为齿轮螺纹36，与滚筒驱动装置37相连，在滚筒35上设置有螺旋叶片38，在螺旋叶片38的边缘均匀设置有钉齿39，钉齿39具有锐利的尖部，且尖部方向向外设置，左右两部分滚筒35上的螺旋叶片38的旋转方向反向设置，即相对于齿轮螺纹36对称设置。

在滚筒35上均匀设置有多个煤刷40，煤刷40的长度同螺旋叶片38的高度长2mm；采煤机模拟装置还包括轮体，轮体与采煤机驱动装置相连。

滚筒35主要功能为切割煤层，同时将切割的煤运输到相似模拟装置以外。采煤机滚筒向下旋转，齿轮螺纹36和滚筒驱动装置37的电机齿轮相连接，螺旋叶片38和钉齿39一起切割煤层，同时利用螺旋叶片38将煤炭向装置两边输送，煤刷40是由塑料组成的多簇塑料细棒，可以将底板的煤渣清理干净，不让底煤影响实验效果。

本发明模拟水下煤炭自动开采的相似模拟试验装置的使用方法，包括承压含水层的准备和采煤支护模拟系统的准备；

承压含水层的准备包括如下步骤：

①准备好试验工具、材料，必要的仪器设备；

②第一次使用水箱时，需要进行水管空气排放过程，过程为：关闭水供应装置中第一个水箱的阀门，向水箱中注入干净水源，加水过程要平稳，水加到下箱体即将注满时停止，打开水箱阀门，水箱中的水会在压力下从水管流出，从而将初次使用的水箱水管中空气排出，然后关闭阀门；然后按照上述方法依次向第二个水箱和第三个水箱加水并进行排放空气过程；水箱加水之后，要拿干净的木板盖住水箱口；

③按照相似原理，分层铺设需要模拟的煤岩层，要保证铺设的煤岩层层面平直，在需要监测应力的岩层铺设应变片，将应变片数据线都引向一侧，从相似模拟装置两侧圆孔中穿出，同时安装侧护板，铺设到承压含水层时暂停，开始铺设小水袋；

④铺设承压含水层：将小水袋构成的承压含水层铺于岩层上，保证连接紧密，铺设紧凑、平直，将水流量传感器数据线都引向一侧；

⑤小水袋构成的承压含水层铺于岩层上之后，需要向进行排放空气过程后的水箱内加水，并要根据含水层实际的厚度向小水袋充水到模拟厚度，水箱加水之后，要拿干净的木板盖住水箱口，加水量及小水袋的充水方法如下：

当实际含水层厚度小于2m时，按照相似比100:1计算，小水袋需要达到的厚度小于20mm，则小水袋中总共需要的水量小于16200ml，使用一个水箱加水，方法为：将盖在水箱口的干净木板拿掉，对第一个水箱加水到刚好零刻度位置时，升高水箱位置，打开水箱阀门，利用水的自身重力，将水注入到小水袋中，最后刻度显示水箱注入的水的流量之和为810aml时关闭阀门，a为含水层模拟高度，a＝h/100，单位为mm，h为含水层实际高度，刻度值从下管体的有刻度区中读出；

当实际含水层厚度小于4m大于2m时，使用两个水箱，方法为：将盖在水箱口的干净木板拿掉，对第一个水箱和第二个水箱加水到刚好零刻度位置时，升高水箱位置，打开第一个水箱的阀门，利用水的自身重力，将水注入到小水袋中，水面下降到下管体有刻度区最后刻度时关闭第一个水箱的阀门，再打开第二个水箱的阀门，利用水的自身重力，将水注入到小水袋中，最后刻度显示水箱注入的水的流量之和为(810a-16200)ml时关闭第二个水箱的阀门，刻度值从下管体的有刻度区中读出；

当实际含水层厚度小于6m大于4m时，3个水箱水量刚好可以满足，方法为：将盖在水箱口的干净木板拿掉，对三个水箱分别加水到刚好零刻度位置，升高水箱位置，打开第一个水箱的阀门，利用水的自身重力，将水注入到小水袋中，水面下降到下管体有刻度区最后刻度时关闭第一个水箱的阀门；再打开第二水箱的阀门，利用水的自身重力，将水注入到小水袋中，水面下降到下管体有刻度区的最后刻度时关闭第二个水箱的阀门；再打开第三个水箱的阀门，利用水的自身重力，将水注入到小水袋中，当最后刻度显示水箱注入的水的流量之和为(810a-32400)ml时关闭第三个水箱的阀门，刻度值从下管体的有刻度区中读出；

⑥对小水袋充完水之后，在承压含水层上方水平压一块槽钢或铁板，持续3-5分钟，各个小水袋会逐步调整水量，直到各个高度一致；按照步骤②铺设方法，在承压含水层上方水平铺设上覆岩层；

⑦风干、养护模型一周，期间将相似模拟装置的部分侧护板卸下；

⑧补偿缺少的载荷，通过杠杆或者配重铁块，加于上覆岩层层面之上以补偿缺失的载荷；

⑨按照实际开采情况，进行相似比逐步开挖煤层，通过水流量传感器及铺在岩层中的应力传感器，在煤层开挖过程中，对承压含水层载荷传递规律、含水层移动变形规律及含水层内部随着工作面的推进水压补给规律及其流动规律的相似模拟；

采煤支护模拟系统的准备包括如下步骤：

(A)准备好实验工具、材料和仪器设备；

(B)按照相似原理，分层铺设需要模拟的煤岩层，要保证铺设的煤岩层层面平直，在需要监测应力的岩层铺设应变片，将应变片的数据线都引向一侧，从相似模拟装置两侧圆孔中穿出，同时安装侧护板；

(C)风干、养护模型一周，期间将相似模拟装置的部分侧护板和煤层对应的两侧侧护板卸下；

(D)补偿缺少的载荷，通过杠杆或者配重铁块，加于上覆岩层层面之上以补偿缺失的载荷；

(E)在相似模拟装置上安装支撑架，支撑架与煤层底板平行，设置在煤层的两侧，两侧支撑架距离采煤支护模拟系统各15mm；

(F)人工开挖一个130mm长的切眼，安装整套装置，调整螺旋杆高度，使顶板液压支架模拟装置顶板与煤层顶板接触，根据煤矿实际开采速度，移架距离确定装置参数，连接数据线，接通电源，开挖模型；

(G)开挖过程中，对顶板压力和顶板离层数据进行监测、储存并对结果进行最后分析。

以上的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种模拟水下煤炭自动开采的相似模拟试验装置，其特征在于：包括架体、设置在所述架体上的承压含水层(41)、煤层(42)、设置在所述煤层(42)两侧的支撑杆、以及其他岩层；

所述承压含水层由多个小水袋连接而成，所述小水袋是由水袋顶板(1)、水袋底板(2)、前侧壁(3)、后侧壁(4)、左侧壁(5)和右侧壁(6)围合而成的长方体结构，其内部为充水空间，在所述小水袋的左侧壁上设置有入水口(7)，右侧壁上设置有出水口(8)，后一个所述小水袋的入水口(7)通过输水管(9)与前一个所述小水袋的出水口(8)相连，第一个所述小水袋的入水口(7)与水供应装置相连，最后一个所述小水袋只设置有入水口(7)；

所述输水管(9)包括第一管体(201)、第二管体(202)和第三管体(203)，所述第一管体(201)的一端通过弹性软管(102)和接头(101)与前一个所述小水袋的出水口(8)连接，所述第二管体(202)的一端通过弹性软管(102)与所述第一管体(201)的另一端相连，所述第三管体(203)的一端通过弹性软管(102)与所述第二管体(202)的另一端相连，所述第三管体(203)的另一端通过弹性软管(102)和接头(101)与后一个所述小水袋的入水口(7)连接；所述第一管体(201)与所述第二管体(202)之间形成的角度以及所述第二管体(202)与所述第三管体(203)之间形成的角度均为锐角；在所述第二管体(202)外侧的中部设置有水流量传感器(10)；

在所述煤层中设置有采煤支护模拟系统，在所述支撑杆上运行，所述采煤支护模拟系统包括采煤模拟装置和位于其后侧的液压支架模拟装置，所述液压支架模拟装置包括底板(21)、顶板(22)、应力计量器、驱动装置和挡板(23)，其中，所述应力计量器的顶部和底部分别与所述顶板(22)和底板(21)连接，所述挡板(23)的上端与所述顶板(22)的后端相连，所述挡板(23)与所述顶板(22)之间的角度为钝角，驱动装置驱动所述液压支架模拟装置移动。

2.根据权利要求1所述的模拟水下煤炭自动开采的相似模拟试验装置，其特征在于：所述承压含水层包括10个所述小水袋，从第1个～第5个小水袋的入水口(7)设置在所述左侧壁(5)的中部，处于靠近所述前侧壁(3)的位置，出水口(8)设置在所述右侧壁(6)的下部，处于靠近所述后侧壁(4)的位置；从第6个到10个小水袋的入水口(7)设置在所述左侧壁(5)的下部，处于靠近所述前侧壁(3)的位置；从第6个到9个小水袋的出水口(8)设置在所述右侧壁(6)的中部，处于靠近所述后侧壁(4)的位置。

3.根据权利要求2所述的模拟水下煤炭自动开采的相似模拟试验装置，其特征在于：在所述水袋顶板(1)和所述水袋底板(2)的左右两侧还分别设置有保护板(11)，由所述水袋顶板(1)和水袋底板(2)向左右两侧延伸而成，将所有所述小水袋的所述保护板(11)依次相连，在相邻的两个所述小水袋间形成保护所述输水管(9)的置物空间；所述水袋顶板(1)和所述水袋底板(2)为PVC板，所述前侧壁(3)、后侧壁(4)、左侧壁(5)和右侧壁(6)的截面为可折叠伸缩的齿形结构，由丁基橡胶制成。

4.根据权利要求3所述的模拟水下煤炭自动开采的相似模拟试验装置，其特征在于：所述小水袋的长度为270mm，宽度为300mm，所述前侧壁(3)、后侧壁(4)、左侧壁(5)和右侧壁(6)的最大拉伸高度为60mm；所述保护板(11)的长度为15mm，宽度为300mm；所述水袋顶板(1)和水袋底板(2)的厚度为4mm，所述前侧壁(3)、后侧壁(4)、左侧壁(5)和右侧壁(6)的厚度为2.2mm；所述弹性软管(102)为聚丙烯材料制成，外直径为70mm，内直径为50mm；所述小水袋在使用前其内部处于完全压缩状态。

5.根据权利要求4所述的模拟水下煤炭自动开采的相似模拟试验装置，其特征在于：所述水供应装置包括多个相同规格的水箱，所述水箱从上至下包括依次连通的上管体(401)、上箱体(402)、下管体(403)和下箱体(404)，所述上管体(401)的上端为管口，所述上管体(401)的上部为无刻度区，下部为有刻度区，所述下管体(403)的上部为有刻度区，下部为无刻度区，在所述有刻度区的管壁上设置有刻度；在所述水箱的底部设置有水箱出水口(405)；

所述水箱由非透明材料制成，在所述上管体(401)和所述下管体(403)的一侧设置长条形的由透明材料制成的液位显示区(409)，在所述液位显示区(409)上设置刻度；

所述水箱为3个，所述水供应装置还包括接头(407)和压力表(408)，所述3个水箱的水箱出水口(405)分别通过管路与所述压力表(408)连接，所述接头(407)的一端通过管路与所述压力表(408)连接，另一端与第一个所述小水袋的入水口(7)连接，在每个水箱和所述压力表(408)之间的管路上设置有阀门(406)。

6.根据权利要求5所述的模拟水下煤炭自动开采的相似模拟试验装置，其特征在于：所述上管体(401)和所述下管体(403)的横截面为边长为80mm的正方形，所述上管体(401)的总高度为150mm，其中，上部的无刻度区高度为81.25mm，下部的有刻度区的高度为68.75mm，所述下管体(403)的总高度为1000mm，上部的有刻度区高度为900mm，下部的无刻度区高度为100mm；所述上箱体(402)和下箱体(404)的横截面为边长为250mm的正方形，所述上箱体(402)的高度为160mm，所述下箱体(404)的高度为100mm；所述水箱的有刻度区的刻度值由上至下依次增大。

7.根据权利要求6所述的模拟水下煤炭自动开采的相似模拟试验装置，其特征在于：所述应力计量器包括第一壳体(24)和设置在其内部的内柱(25)，所述内柱(25)可在所述第一壳体(24)内自由上下滑动，所述内柱(25)的顶部与所述顶板(22)固定连接，在所述第一壳体(24)的底端连接有应变膜(26)，并且所述应变膜(26)覆盖所述第一壳体(24)的底端，所述应变膜(26)、所述第一壳体(24)和所述内柱(25)之间形成气腔，在所述气腔内设置有气囊(27)，所述气囊(27)由塑胶膜密封而成，所述应变膜(26)通过数据线(28)与应变仪连接，所述应变仪与计算机连接；

所述第一壳体(24)的底端连接第二壳体(29)，所述第二壳体(29)的厚度小于所述第一壳体(24)的厚度，所述第二壳体(29)的底端连接支撑板(30)；

所述内柱(25)、所述第一壳体(24)、所述第二壳体(29)均为圆柱形，所述数据线(28)的一端接头设置在所述第一壳体(24)的底端上的所述应变膜(26)上，所述第二壳体(29)上设置有通孔，所述数据线(28)的另一端从所述通孔中穿出，与所述应变仪相连；在所述第二壳体(29)上均匀设置有多个透气孔。

8.根据权利要求7所述的模拟水下煤炭自动开采的相似模拟试验装置，其特征在于：所述应力计量器还包括高度调节装置，所述高度调节装置由螺纹连接的外螺旋杆(31)和内螺旋杆(32)构成，所述内螺旋杆(32)的下端固定在所述底板(21)上，所述外螺旋杆(31)的上端与所述支撑板(30)相连，在所述支撑板(30)的边缘设置有卡槽(33)，所述外螺旋杆(31)的顶部固定有与所述卡槽(33)相配合的卡片(34)，所述卡片(34)设置在所述卡槽(33)内，并可在所述卡槽(33)内自由转动；

所述顶板(22)与水平面之间的角度为3°，所述顶板(22)的后端高于前端，所述挡板(23)与所述顶板(22)之间的角度为120°，所述内柱(25)的前端与所述顶板(22)的前端之间的距离为40mm，所述挡板(23)的底端距离所述底板(21)的后端之间的水平距离为15mm；

在自由状态下，所述内柱(25)的顶端与所述第一壳体(24)的顶端之间的距离为7mm，所述内柱(25)的直径为8mm，高度为15mm，所述第一壳体(24)的厚度为5mm，所述第二壳体(29)的厚度为1.5mm，外径与所述第一壳体(24)的外径一致，所述高度调节装置的高度为15mm，所述底板(21)的长度为60mm，所述顶板(22)的长度为70mm，所述挡板(23)的长度为50mm，在所述底板(21)的底部设置有轮体，所述轮体与所述驱动装置相连。

9.根据权利要求8所述的模拟水下煤炭自动开采的相似模拟试验装置，其特征在于：所述采煤机模拟装置包括滚筒(35)、滚筒驱动装置、采煤机驱动装置，其中，所述滚筒(35)分为左右对称的两部分，中间为齿轮螺纹(36)，与所述滚筒驱动装置(37)相连，在所述滚筒(35)上设置有螺旋叶片(38)，在所述螺旋叶片(38)的边缘均匀设置有钉齿(39)，所述钉齿(39)具有锐利的尖部，且尖部方向向外设置，左右两部分滚筒(35)上的螺旋叶片(38)的旋转方向反向设置，即相对于所述齿轮螺纹(36)对称设置；

在所述滚筒(35)上均匀设置有多个煤刷(40)，所述煤刷(40)的长度同所述螺旋叶片(38)的高度长2mm；所述采煤机模拟装置还包括轮体，所述轮体与所述采煤机驱动装置相连。

10.根据权利要求1～9中任一项所述的模拟水下煤炭自动开采的相似模拟试验装置的使用方法，其特征在于：包括所述承压含水层的准备和采煤支护模拟系统的准备；

所述承压含水层的准备包括如下步骤：

①准备好试验工具、材料，必要的仪器设备；

②第一次使用水箱时，需要进行水管空气排放过程，过程为：关闭水供应装置中第一个水箱的阀门，向水箱中注入干净水源，加水过程要平稳，水加到下箱体即将注满时停止，打开水箱阀门，水箱中的水会在压力下从水管流出，从而将初次使用的水箱水管中空气排出，然后关闭阀门；然后按照上述方法依次向第二个水箱和第三个水箱加水并进行排放空气过程；水箱加水之后，要拿干净的木板盖住水箱口；

③按照相似原理，分层铺设需要模拟的煤岩层，要保证铺设的煤岩层层面平直，在需要监测应力的岩层铺设应变片，将应变片数据线都引向一侧，从相似模拟装置两侧圆孔中穿出，同时安装侧护板，铺设到承压含水层时暂停，开始铺设小水袋；

④铺设承压含水层：将小水袋构成的承压含水层铺于岩层上，保证连接紧密，铺设紧凑、平直，将水流量传感器数据线都引向一侧；

⑤小水袋构成的承压含水层铺于岩层上之后，需要向进行排放空气过程后的水箱内加水，并要根据含水层实际的厚度向小水袋充水到模拟厚度，水箱加水之后，要拿干净的木板盖住水箱口，加水量及小水袋的充水方法如下：

当实际含水层厚度小于2m时，按照相似比100:1计算，小水袋需要达到的厚度小于20mm，则小水袋中总共需要的水量小于16200ml，使用一个水箱加水，方法为：将盖在水箱口的干净木板拿掉，对第一个水箱加水到刚好零刻度位置时，升高水箱位置，打开水箱阀门，利用水的自身重力，将水注入到小水袋中，最后刻度显示水箱注入的水的流量之和为810aml时关闭阀门，a为含水层模拟高度，a＝h/100，单位为mm，h为含水层实际高度，刻度值从下管体的有刻度区中读出；

当实际含水层厚度小于4m大于2m时，使用两个水箱，方法为：将盖在水箱口的干净木板拿掉，对第一个水箱和第二个水箱加水到刚好零刻度位置时，升高水箱位置，打开第一个水箱的阀门，利用水的自身重力，将水注入到小水袋中，水面下降到下管体有刻度区最后刻度时关闭第一个水箱的阀门，再打开第二个水箱的阀门，利用水的自身重力，将水注入到小水袋中，最后刻度显示水箱注入的水的流量之和为(810a-16200)ml时关闭第二个水箱的阀门，刻度值从下管体的有刻度区中读出；

当实际含水层厚度小于6m大于4m时，3个水箱水量刚好可以满足，方法为：将盖在水箱口的干净木板拿掉，对三个水箱分别加水到刚好零刻度位置，升高水箱位置，打开第一个水箱的阀门，利用水的自身重力，将水注入到小水袋中，水面下降到下管体有刻度区最后刻度时关闭第一个水箱的阀门；再打开第二水箱的阀门，利用水的自身重力，将水注入到小水袋中，水面下降到下管体有刻度区的最后刻度时关闭第二个水箱的阀门；再打开第三个水箱的阀门，利用水的自身重力，将水注入到小水袋中，当最后刻度显示水箱注入的水的流量之和为(810a-32400)ml时关闭第三个水箱的阀门，刻度值从下管体的有刻度区中读出；

⑥对小水袋充完水之后，在承压含水层上方水平压一块槽钢或铁板，持续3-5分钟，各个小水袋会逐步调整水量，直到各个高度一致；按照步骤②铺设方法，在承压含水层上方水平铺设上覆岩层；

⑦风干、养护模型一周，期间将相似模拟装置的部分侧护板卸下；

⑧补偿缺少的载荷，通过杠杆或者配重铁块，加于上覆岩层层面之上以补偿缺失的载荷；

⑨按照实际开采情况，进行相似比逐步开挖煤层，通过水流量传感器及铺在岩层中的应力传感器，在煤层开挖过程中，对承压含水层载荷传递规律、含水层移动变形规律及含水层内部随着工作面的推进水压补给规律及其流动规律的相似模拟；

所述采煤支护模拟系统的准备包括如下步骤：

(A)准备好实验工具、材料和仪器设备；

(B)按照相似原理，分层铺设需要模拟的煤岩层，要保证铺设的煤岩层层面平直，在需要监测应力的岩层铺设应变片，将所述应变片的数据线都引向一侧，从相似模拟装置两侧圆孔中穿出，同时安装侧护板；

(C)风干、养护模型一周，期间将相似模拟装置的部分侧护板和煤层对应的两侧侧护板卸下；

(D)补偿缺少的载荷，通过杠杆或者配重铁块，加于上覆岩层层面之上以补偿缺失的载荷；

(E)在相似模拟装置上安装支撑架，所述支撑架与煤层底板平行，设置在所述煤层的两侧，两侧支撑架距离所述采煤支护模拟系统各15mm；

(F)人工开挖一个130mm长的切眼，安装整套装置，调整螺旋杆高度，使顶板液压支架模拟装置顶板与煤层顶板接触，根据煤矿实际开采速度，移架距离确定装置参数，连接数据线，接通电源，开挖模型；

(G)开挖过程中，对顶板压力和顶板离层数据进行监测、储存并对结果进行最后分析。