CN105300719B - 一种带有自动支护测量顶板压力装置的相似模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有自动支护测量顶板压力装置的相似模拟系统，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(1)、顶板(2)、应力计量器、驱动装置和挡板(3)，其中，所述应力计量器的顶部和底部分别与所述顶板(2)和底板(1)连接，所述挡板(3)的上端与所述顶板(2)的后端相连，所述挡板(3)与所述顶板(2)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。本发明所述的带有自动支护测量顶板压力装置的相似模拟系统可以提高实验准确性，大大降低工作强度，使实验更加智能化。

Description

一种带有自动支护测量顶板压力装置的相似模拟系统

技术领域

本发明涉及矿山机械领域，特别是涉及一种用于模拟现场采煤的带有自动支护测量顶板压力装置的相似模拟系统。

背景技术

相似模拟模型和装置用于模拟地下煤层开挖过程，通过模拟人工开挖煤层及煤层上方岩层的变化情况，来推测实际开挖过程中煤层顶板岩层的变化情况，所以称之为相似模型。

但是现有技术中的相似模型存在如下缺陷：

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。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种可以提高实验准确性，大大降低工作强度，使实验更加智能化的带有自动支护测量顶板压力装置的相似模拟系统。

一种带有自动支护测量顶板压力装置的相似模拟系统，设置在相似模拟模型中，所述相似模拟模型包括架体、设置在所述架体上的煤层及设置在其底部的两侧的支撑杆，设置于所述煤层上部和下部的其他岩层，所述带有自动支护测量顶板压力装置的相似模拟系统设置在所述煤层中，在所述支撑杆上运行，所述带有自动支护测量顶板压力装置的相似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；所述顶板与水平面之间的角度为4°，顶板的后端高于前端，所述挡板与所述顶板之间的角度为140°。

本发明所述的带有自动支护测量顶板压力装置的相似模拟系统，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。

本发明所述的带有自动支护测量顶板压力装置的相似模拟系统，其中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。

本发明所述的带有自动支护测量顶板压力装置的相似模拟系统，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。

本发明所述的带有自动支护测量顶板压力装置的相似模拟系统，其中所述内柱的前端与所述顶板的前端之间的距离为50mm，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。

本发明所述的带有自动支护测量顶板压力装置的相似模拟系统，其中，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6mm，所述第二壳体的厚度为2mm，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70mm，所述顶板的长度为70mm，所述挡板的长度为100mm，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。

本发明所述的带有自动支护测量顶板压力装置的相似模拟系统，其中，所述应力计量器为并排设置的两个。

本发明所述的带有自动支护测量顶板压力装置的相似模拟系统，其中，所述采煤模拟装置包括滚筒、滚筒驱动装置、采煤机驱动装置，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。

本发明所述的带有自动支护测量顶板压力装置的相似模拟系统，其中，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。

本发明所述的带有自动支护测量顶板压力装置的相似模拟系统，其中，所述应力计量器为并排设置的两个。

本发明所述的带有自动支护测量顶板压力装置的相似模拟系统的使用方法，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带有自动支护测量顶板压力装置的相似模拟系统各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。

本发明带有自动支护测量顶板压力装置的相似模拟系统与现有技术不同之处在于：

本发明带有自动支护测量顶板压力装置的相似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带有自动支护测量顶板压力装置的相似模拟系统作进一步说明。

附图说明

图1为本发明带有自动支护测量顶板压力装置的相似模拟系统的立体结构示意图；

图2为本发明带有自动支护测量顶板压力装置的相似模拟系统的侧视图；

图3为本发明带有自动支护测量顶板压力装置的相似模拟系统的应力计量器的结构示意图；

图4为本发明带有自动支护测量顶板压力装置的相似模拟系统的采煤机的结构示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1～图4所示，一种带有自动支护测量顶板压力装置的相似模拟系统，设置在相似模拟模型中，相似模拟模型包括架体、设置在架体上的煤层及设置在其底部的两侧的支撑杆，设置于煤层上部和下部的其他岩层，带有自动支护测量顶板压力装置的相似模拟系统设置在煤层中，在支撑杆上运行，带有自动支护测量顶板压力装置的相似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底板1、顶板2、应力计量器、驱动装置和挡板3，其中，应力计量器的顶部和底部分别与顶板2和底板1连接，挡板3的上端与顶板2的后端相连，挡板3与顶板2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4和设置在其内部的内柱5，内柱5可在第一壳体4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5的顶部与顶板2固定连接，在第一壳体4的底端连接有应变膜6，并且应变膜6覆盖第一壳体4的底端，应变膜6、第一壳体4和内柱5之间形成气腔，在气腔内设置有气囊7，气囊7由塑胶膜密封而成，应变膜6通过数据线8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8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4的底端连接第二壳体9，第二壳体9的厚度小于第一壳体4的厚度，第二壳体9的底端连接支撑板10；

内柱5、第一壳体4、第二壳体9均为圆柱形，数据线8的一端接头设置在第一壳体4的底端上的应变膜6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9上设置有通孔，数据线8的另一端从通孔中穿出，与应变仪相连；在第二壳体9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11和内螺旋杆12构成，内螺旋杆12的下端固定在底板1上，外螺旋杆11的上端与支撑板10相连，在支撑板10的边缘设置有卡槽13，外螺旋杆11的顶部固定有与卡槽13相配合的卡片14，卡片14设置在卡槽13内，并可在卡槽13内自由转动。

顶板2与水平面之间的角度为4°，顶板2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3与顶板2之间的角度为140°，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5的前端与顶板2的前端之间的距离为50mm，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3的底端距离底板1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5的顶端与第一壳体4的顶端之间的距离为7mm，高度差可以保证顶板2受到上方压力时，顶板2可以随着内柱5一起下沉，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4会阻止顶板2进一步下降，保护应变膜6不受大变形而破坏。

内柱5的直径为8mm，高度为15mm，第一壳体4的厚度为6mm，第二壳体9的厚度为2mm，外径与第一壳体4的外径一致，高度调节装置的高度为15mm，底板1的长度为70mm，顶板2的长度为70mm，挡板3的长度为100mm，在底板1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11，高度调节外螺旋杆11与高度调节内螺旋杆12螺旋衔接，旋转高度调节外螺旋杆11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10、应变膜6和第二壳体9之间形成的空间方便应变膜6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。

采煤模拟装置包括滚筒15、滚筒驱动装置、采煤机驱动装置，其中，滚筒15分为左右对称的两部分，中间为齿轮螺纹16，与滚筒驱动装置17相连，在滚筒15上设置有螺旋叶片18，在螺旋叶片18的边缘均匀设置有钉齿19，钉齿19具有锐利的尖部，且尖部方向向外设置，左右两部分滚筒15上的螺旋叶片18的旋转方向反向设置，即相对于齿轮螺纹16对称设置。

在滚筒15上均匀设置有多个煤刷20，煤刷20的长度比螺旋叶片18的高度长2mm；采煤模拟装置还包括轮体，轮体与采煤机驱动装置相连。

滚筒15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16和滚筒驱动装置17的电机齿轮相连接，螺旋叶片18和钉齿19一起切割煤层，同时利用螺旋叶片18将煤炭向装置两边输送，煤刷20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。

本发明的带有自动支护测量顶板压力装置的相似模拟系统的使用方法，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，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带有自动支护测量顶板压力装置的相似模拟系统各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 (4)

1.一种带有自动支护测量顶板压力装置的相似模拟系统，设置在相似模拟模型中，所述相似模拟模型包括架体、设置在所述架体上的煤层及设置在其底部的两侧的支撑杆，设置于所述煤层上部和下部的其他岩层，其特征在于：所述带有自动支护测量顶板压力装置的相似模拟系统设置在所述煤层中，在所述支撑杆上运行，所述带有自动支护测量顶板压力装置的相似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(1)、顶板(2)、应力计量器、驱动装置和挡板(3)，其中，所述应力计量器的顶部和底部分别与所述顶板(2)和底板(1)连接，所述挡板(3)的上端与所述顶板(2)的后端相连，所述挡板(3)与所述顶板(2)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；所述顶板(2)与水平面之间的角度为4°，所述顶板(2)的后端高于前端，所述挡板(3)与所述顶板(2)之间的角度为140°；

所述应力计量器包括第一壳体(4)和设置在其内部的内柱(5)，所述内柱(5)可在所述第一壳体(4)内自由上下滑动，所述内柱(5)的顶部与所述顶板(2)固定连接，在所述第一壳体(4)的底端连接有应变膜(6)，并且所述应变膜(6)覆盖所述第一壳体(4)的底端，所述应变膜(6)、所述第一壳体(4)和所述内柱(5)之间形成气腔，在所述气腔内设置有气囊(7)，所述气囊(7)由塑胶膜密封而成，所述应变膜(6)通过数据线(8)与应变仪连接，所述应变仪与计算机连接；

所述第一壳体(4)的底端连接第二壳体(9)，所述第二壳体(9)的厚度小于所述第一壳体(4)的厚度，所述第二壳体(9)的底端连接支撑板(10)；

所述内柱(5)、所述第一壳体(4)、所述第二壳体(9)均为圆柱形，所述数据线(8)的一端接头设置在所述第一壳体(4)的底端上的所述应变膜(6)上，所述第二壳体(9)上设置有通孔，所述数据线(8)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(9)上均匀设置有多个透气孔；

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(11)和内螺旋杆(12)构成，所述内螺旋杆(12)的下端固定在所述底板(1)上，所述外螺旋杆(11)的上端与所述支撑板(10)相连，在所述支撑板(10)的边缘设置有卡槽(13)，所述外螺旋杆(11)的顶部固定有与所述卡槽(13)相配合的卡片(14)，所述卡片(14)设置在所述卡槽(13)内，并可在所述卡槽(13)内自由转动；

所述采煤模拟装置包括滚筒(15)、滚筒驱动装置、采煤机驱动装置，其中，所述滚筒(15)分为左右对称的两部分，中间为齿轮螺纹(16)，与所述滚筒驱动装置(17)相连，在所述滚筒(15)上设置有螺旋叶片(18)，在所述螺旋叶片(18)的边缘均匀设置有钉齿(19)，所述钉齿(19)具有锐利的尖部，且尖部方向向外设置，左右两部分滚筒(15)上的螺旋叶片(18)的旋转方向反向设置，即相对于所述齿轮螺纹(16)对称设置。

2.根据权利要求1所述的带有自动支护测量顶板压力装置的相似模拟系统，其特征在于：在自由状态下，所述内柱(5)的顶端与所述第一壳体(4)的顶端之间的距离为7mm，所述内柱(5)的直径为8mm，高度为15mm，所述第一壳体(4)的厚度为6mm，所述第二壳体(9)的厚度为2mm，外径与所述第一壳体(4)的外径一致，所述高度调节装置的高度为15mm，所述底板(1)的长度为70mm，所述顶板(2)的长度为70mm，所述挡板(3)的长度为100mm，在所述底板(1)的底部设置有轮体，所述轮体与所述驱动装置相连。

3.根据权利要求2所述的带有自动支护测量顶板压力装置的相似模拟系统，其特征在于：在所述滚筒(15)上均匀设置有多个煤刷(20)，所述煤刷(20)的长度比所述螺旋叶片(18)的高度长2mm；所述采煤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。

4.根据权利要求3所述的带有自动支护测量顶板压力装置的相似模拟系统，其特征在于：所述应力计量器为并排设置的两个。