CN105469686B - 一种可变角度的物理相似模拟实验平台及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可变角度的物理相似模拟实验平台，包括平台架、滑动面框架、材料挡板、滑动面和底座：平台架为T型架构，平台架的底座和立柱固定位置刻有轨槽和固定销孔；滑动面框架用于固定滑动面；材料挡板焊接在滑动面框架的底边上；滑动面为模型直接铺设的平面，通过螺栓连接在滑动面框架上；底座与平台架分离，实验时将平台架放置在底座上。本发明还提供了该平台的应用方法。本发明的优点体现在：该实验平台可有效简化大倾角煤层物理模拟实验工序；提高实验的科学性和可靠性；可实现立体模型实验；该实验平台可重复使用，本发明满足模拟实验相似原则，极大提高实验结果的准确度。

Description

一种可变角度的物理相似模拟实验平台及其应用方法

技术领域

本发明涉及岩土工程领域物理相似模拟实验研究，具体涉及一种可变角度的物理相似模拟实验平台及其应用方法。

背景技术

大倾角及急倾斜煤层的开采一直是一个技术难题，使用传统的急倾斜煤层开采方法存在诸多缺点：回采工艺复杂、操作难度高、煤炭回采成本高、安全难以管理、煤炭回收率低。俯伪斜走向长壁采煤法开采此类煤层具有一定的优越性。其主要优点有：工作面沿俯伪斜方向布置，减少了煤、矸的下滑速度，有利于防止冲倒支架和砸伤人员；改善了工作面顶底板的受力状况，相对增加了稳定性；工作面有效利用率比台阶采煤法高，为提高单产、改善工作面近煤壁处通风情况及实现机械化开采提供了条件等，是一种合理、科学、实用的采煤方法。物理相似模拟实验作为采矿工程学科重要的研究手段，可作为指导实践生产的重要理论依据。针对大倾角煤层物理相似模拟实验，传统模型搭建方法是将水平放置的模型架通过滑轮牵引掉起顶部一角，将实验架转到所需的角度固定，再从实验架底角往上水平铺设模型。该方法存在以下几方面不足：(1)由于测量的误差，很难将实验架精确转到所需角度，由此降低了模拟实验的相似度，严重影响实验结果的科学性和可靠性；(2)模型铺设工序复杂。由于模型是从下底角铺设至上顶角，导致每层模型都没有固定的尺寸，无论是计算材料配比还是具体施工工序都较为复杂；(3)当模型铺设好后，需要将实验架转回到水平角度，该过程如果操作不当，很容易导致模型坍塌；(4)该方法模拟的煤岩层倾角有限，一般最大能达到45°左右，对于更大倾角的煤层则不能模拟；(5)传统实验架只能进行平面实验，且不能实现加载过程。(6)针对较复杂的开采方法如俯伪斜开采该类实验架则不能模拟。

因此需要发明一种可实现大倾角煤层俯伪斜开采方法模拟的物理相似模拟实验平台。本发明设计出一种可实现变角度(30°～70°)的实验平台，简化了大倾角煤层物理相似模拟实验的操作工序；实现了大倾角煤层俯伪斜开采方法的模拟，且可进行加载过程；可以实现重复使用。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种利用物理相似模拟实验可调角度实验平台及其利用该平台所采用的模拟大倾角煤层俯伪斜开采法的应用方法，借助该实验平台简化实验工序、提高实验模拟相似度、提升实验结果的科学性。

为实现上述目的，本发明公开了如下技术方案：

一种可变角度的物理相似模拟实验平台，包括平台架、滑动面框架、材料挡板、滑动面和底座：

平台架为由槽钢焊接制成的T型架构，平台架的底座和立柱固定位置刻有轨槽，为滑动面滑动提供导轨；平台架的底座和立柱的固定位置开有一排固定销孔；

滑动面框架是由四根角铁焊制而成的矩形框架，矩形框架中间加有一根加强筋，框架四周每隔10cm留有直径10mm的小孔，用于固定滑动面；

材料挡板直接焊接在滑动面框架的底边上，始终与滑动面框架保持垂直，随滑动面前后移动，用于防止模型材料沿着滑动面下滑；

滑动面为模型直接铺设的平面，由一块亚克力板裁制而成的透明矩形平面板，通过螺栓连接在滑动面框架上；

底座是由角铁焊制而成的六面体加梁框架，与平台架分离，实验时将平台架放置在底座上，便于观察实验现象。

进一步的，为保证平台足够强度，所述平台架由10#槽钢焊制而成。

进一步的，为保证滑动面始终保持为一个平面，所述滑动面框架中间的加强筋为焊接的一根5cm宽、1.5m长的角铁。

进一步的，为保证滑动面足够的强度、刚度和便于观察实验现象，滑动面由厚度为10cm的透明亚克力板制成。

进一步的，为保证模拟材料不沿滑动面下滑，所述材料挡板为在焊制在滑动面框架底边的厚2mm，高60cm的铁板。

进一步的，所述平台架长1.5m，高1.3m；滑动面长1.5m，宽1.2m，最大调整角度70°，最小调整角度30°。

为实现上述目的，本发明还公开了一种可变角度的物理相似模拟实验平台的应用方法，包括如下步骤：

S1在进行模型铺设前，先根据模拟煤岩层的地质资料确定煤岩层角度及各分层的厚度，确定好比例关系，计算出模型各分层的材料配比以及铺设厚度；

S2清理好可调角度实验平台，取出固定销钉，将平台滑动面推至所要模拟的角度位置，插入固定销钉，即完成了实验前的准备工作；

S3在平台面上按照实验要求逐层铺设模型材料，直至整个模型铺设完成，等模型自然风干后，即可按照实验要求进行实验；

S4由于受模型尺寸的限制，模型铺设不可能模拟至地表，所以补足未模拟岩层的作用力；

S5当模型彻底风干后，做好一切准备工作就可进行模型开挖：

模型上边界和下边界需留出20cm的煤柱作为边界条件；利用模拟切割工具进行采煤，分别开挖出区段回风平巷和运输平巷，在回风平巷与运输平巷之间开切眼，工作面初采从回风平巷与切眼相交处开始，沿伪斜方向向下推进，随着工作面推进，开切眼自上而下逐段报废，当推进至工作面长度与伪斜角达到设计要求时初采工作结束；

S6工作面沿伪斜方向推进至工作面长度和伪斜角达到设计要求时，开始进行正常的回采：

俯伪斜开采，利用切割工具模拟采煤机割煤，沿着伪斜工作面自下而上分段割煤，往返一次割一刀，伪斜工作面沿着煤层走向不断推进直至完成整个回采工作。

S7工作面运煤采用自溜运输，割落煤块在自身重力作用下沿伪斜工作面下滑至区段运输平巷，再由平巷清理出模型体。

进一步的，实验过程中，可变角度的物理相似模拟实验平台满足相似条件，几何相似常数,应力相似常数,时间相似常数均相似：

l_i＝L_i

d_i＝D_i

式中，L_i为模拟工作面长度,D_i为煤层厚度，d_i为实际模型铺设厚度，l_i为工作面长度。

进一步的，所述步骤S4中，补足未模拟岩层的作用力的具体步骤为：

实验开始前对模型所要施加的静载荷进行计算，根据自重应力计算公式

式中，σ为上覆岩层自重应力，γ为岩体容重，H为岩层厚度，

计算出上覆岩层的自重应力，等模型自然风干后，在其顶板放置一块尺寸与模型表面相当的铁板，根据算出的自重应力及每块铁砖的压强，确定需要加载的铁砖数量，按顺序依次加铺铁砖即完成加载过程。

本发明公开的一种可变角度的物理相似模拟实验平台及其应用方法，具有以下有益效果：

本发明公开一种可实现角度调整的物理相似模拟实验平台，与现有技术相比，该实验平台可有效简化大倾角煤层物理模拟实验工序；提高实验的科学性和可靠性；可实现立体模型实验；该实验平台可重复使用。本发明满足模拟实验相似原则，极大提高实验结果的准确度。

附图说明

图1是可调角度相似模拟实验平台立体图

图2是可调角度实验平台俯视图

图3实验平台左视图

图4一个实施例的左面图

图5俯伪斜采煤法实施例立体图

图6俯伪斜采煤法原理图

图7采煤工作面支架平面图

1-材料挡板 2-滑动面 3-加强筋 4-平台架立柱 5-平台架底座6-轨槽 7-底座8-固定销孔 9-固定销钉 10-滚轮 11-模型老顶 12-直接顶 13-伪顶 14-直接底 15-基本底 16-煤层 17-回风平巷 18-运输平巷 L1-平台宽度 L2-立柱高 L3-滑动面长 L4-挡板高 L5-底座宽 L6-加强筋宽 L7-立柱距开槽长 L8-底座开槽长 L9-底座边距开槽长 L10～L17底座固定孔间距 L18～L25立柱固定孔间距 L26-模型夹角

具体实施方式

下面结合实施例并参照附图对本发明作进一步描述。

请参见图1、图2。

一种可变角度的物理相似模拟实验平台，包括平台架、滑动面框架、材料挡板1、滑动面2和底座7：

平台架为由槽钢焊接制成的T型架构，平台架设有平台架立柱4和平台架底座5，平台架立柱4和平台架底座5为整个平台的主要支撑体，为保证足够强度选用10#槽钢焊接制成，平台架的底座5和立柱4的槽钢固定位置刻有轨槽6，为滑动面2滑动提供导轨；平台架的底座5和立柱4的固定位置开有一排固定销孔8，用于固定调整好角度的滑动面2。

滑动面框架是由四根角铁焊制而成的矩形框架(1200*1500mm)，为保证平台足够的强度，矩形框架中间加有一根加强筋3，框架四周每隔10cm留有直径10mm的小孔，用于固定滑动面2。

材料挡板1直接焊接在滑动面框架的底边上，始终与滑动面框架保持垂直，随滑动面2前后移动，与滑动面2始终保持90°夹角，用于防止模型材料沿着滑动面2下滑。

滑动面2为模型直接铺设的平面，由一块亚克力板裁制而成的透明矩形平面板，通过螺栓连接在滑动面框架上，选用亚克力板是为了方便观察实验现象。

底座7是由角铁焊制而成的六面体加梁框架，与平台架分离，离地高度50cm，实验时将平台架放置在底座7上，便于从滑动面2下面观察记录实验现象。固定销钉9用于固定调整好角度的滑动面2；滚轮10安装在滑动面框架四角，通过轴固定在角铁上，便于滑动面2在轨槽6里滚动。

为保证滑动面2始终保持为一个平面，所述滑动面框架中间的加强筋3为焊接的一根5cm宽、1.5m长的角铁。

为保证滑动面2足够的强度、刚度和便于观察实验现象，滑动面2由厚度为10cm的透明亚克力板制成。

为保证模拟材料不沿滑动面2下滑，所述材料挡板1为在焊制在滑动面框架底边的厚2mm或者4mm，高60cm的铁板。

一种可变角度的物理相似模拟实验平台的应用方法，包括如下步骤：

S1在进行模型铺设前，先根据模拟煤岩层的地质资料确定煤岩层角度及各分层的厚度，确定好比例关系，计算出模型各分层的材料配比以及铺设厚度；

S2清理好可调角度实验平台，取出固定销钉9，将平台滑动面2推至所要模拟的角度位置，插入固定销钉9，即完成了实验前的准备工作；

S3在平台面上按照实验要求逐层铺设模型材料，直至整个模型铺设完成，等模型自然风干后，即可按照实验要求进行实验；

S4由于受模型尺寸的限制，模型铺设不可能模拟至地表，所以补足未模拟岩层的作用力，具体如下：

实验开始前对模型所要施加的静载荷进行计算，根据自重应力计算公式

式中，σ为上覆岩层自重应力，γ为岩体容重，H为岩层厚度，

计算出上覆岩层的自重应力，等模型自然风干后，在其顶板放置一块尺寸与模型表面相当的铁板，根据算出的自重应力及每块铁砖的压强，确定需要加载的铁砖数量，按顺序依次加铺铁砖即完成加载过程。

S5当模型彻底风干后，做好一切准备工作就可进行模型开挖：

模型上边界和下边界需留出20cm的煤柱作为边界条件；利用锯条或者其他模拟切割工具进行采煤，分别开挖出区段回风平巷17和运输平巷18(见图5)，在回风平巷17与运输平巷18之间开切眼，工作面初采从回风平巷17与切眼相交处开始，沿伪斜方向向下推进，随着工作面推进，开切眼自上而下逐段报废，当推进至工作面长度与伪斜角达到设计要求时(为方便行人和溜煤，伪斜角一般取30～35°)初采工作结束(见图5)；

S6工作面沿伪斜方向推进至工作面长度和伪斜角达到设计要求时，开始进行正常的回采：

俯伪斜开采传统方法采用爆破落煤，随着机械化采煤技术的不断发展，综合机械化俯伪斜走向(倾向)长壁采煤法已得到实现。利用锯条等切割工具模拟采煤机割煤，沿着伪斜工作面自下而上分段割煤，往返一次割一刀，伪斜工作面沿着煤层走向不断推进直至完成整个回采工作。

S7工作面运煤采用自溜运输，割落煤块在自身重力作用下沿伪斜工作面下滑至区段运输平巷18，再由平巷清理出模型体。

本发明可变角度的物理相似模拟实验平台需满足相似条件，几何相似常数,应力相似常数,时间相似常数均相似：

l_i＝L_i

d_i＝D_i

式中，L_i为模拟工作面长度,D_i为煤层厚度，d_i为实际模型铺设厚度，l_i为工作面长度。

本发明L1为模型架宽度，L1＝1500mm，即最大模型铺设宽度为1500mm；立柱高L2＝1300mm，能够保证平面实现最大70°角度调整；平面长L3＝1200mm，即模型最大铺设长度为1300mm；挡板高L4＝600mm，模型高度应控制在500mm以内；10#槽钢宽L5＝100mm；加强筋角铁宽L6＝50mm。本发明其余参数计算方法如下：

L7+L8+L9＝1200mm

其中L7＝40.37cm，L8＝63.19cm，L9＝16.14cm；L8为底座轨槽长度，该长度等于固定孔长度之和，具体关系如下式：

L8＝L10+L11+L12+L13+L14+L15+L16+L17

其中L10＝9.7cm；L11＝9.31cm；L12＝8.86cm；L13＝8.34cm；L14＝7.76cm；L15＝7.12cm；L16＝6.42cm；L17＝5.68cm。

L18＝8.8cm；L19＝8.27cm；L20＝7.68cm；L21＝7.03cm；L22＝6.32cm；L23＝5.57cm；L24＝4.78cm；L25＝3.95cm。L18～L25为立柱开槽长度，共计52.39cm；L26为滑动面与水平面夹角，图中为最小值30°(图3)。

请参见图4，图4为本发明的一个具体实施方法。本例中模型煤岩层角度定为45°。实验前滑动面固定为30°夹角位置，取下固定销钉9，将平面沿滑动轨槽向前推进至45°位置，即第四个销钉孔位置，对准孔眼插入销钉即完成平面固定工作。

模型铺设直接在亚克力板上进行，按照材料配比、分层厚度逐层铺设直至完成整个模型的铺设工作。等模型晾干后就可以按照实验要求进行实验。

请参见图7。实验监测主要对开采后工作面支架受载以及围岩的位移变化进行监测。根据大倾角俯伪斜工作面的特征，特别研发一种平行四边形支架，该支架组合起来刚好与伪斜工作面形状契合。应力监测采用压力盒代替应力传感器，在支架顶梁与顶板接触处夹放压力盒可以对支架工作阻力进行实时监测；位移监测采用光纤光栅应变监测仪进行监测，在模型铺设时提前在预定位置埋设好光纤传感器，煤层开采后，就可通过传感器监测到的数据分析采场围岩的变形破坏情况。

大倾角煤层俯伪斜采煤法工作面实际倾角与一般工作面相比，能够降低工作面的倾斜角度。如图6所示，H为煤层厚度，∠1为煤层的真倾角，∠2为俯伪斜工作面的伪斜角，L为一般工作面长度，S为俯伪斜工作面的伪斜角。根据以下公式：

S×sin∠2＝H

故 L×sin∠1＝S×sin∠2

因为 S＞L

所以 ∠2＜∠1

即俯伪斜工作面的伪斜角小于一般工作面的真实倾角，工作面倾角减小减缓煤、矸下滑速度，有利于防止煤、矸冲倒支架、砸伤人员。

通过以上步骤，成功的实现了大倾角煤层物理相似模拟实验立体模型的铺设难题，提高了相似模拟实验对工程实际环境模拟的相似性和实验结果的准确度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的前提下，还可以对本发明做出的若干改进和补充，这些改进和补充，也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种可变角度的物理相似模拟实验平台的应用方法，可变角度的物理相似模拟实验平台，包括平台架、滑动面框架、材料挡板、滑动面和底座：

平台架为由槽钢焊接制成的T型架构，平台架的底座和立柱固定位置刻有轨槽，为滑动面滑动提供导轨；平台架的底座和立柱的固定位置开有一排固定销孔；

滑动面框架是由四根角铁焊制而成的矩形框架，矩形框架中间加有一根加强筋，框架四周每隔10cm留有直径10mm的小孔，用于固定滑动面；

材料挡板直接焊接在滑动面框架的底边上，始终与滑动面框架保持垂直，随滑动面前后移动，用于防止模型材料沿着滑动面下滑；

滑动面为模型直接铺设的平面，由一块亚克力板裁制而成的透明矩形平面板，通过螺栓连接在滑动面框架上；

底座是由角铁焊制而成的六面体加梁框架，与平台架分离，实验时将平台架放置在底座上，便于观察实验现象,其特征在于，包括如下步骤：

S1在进行模型铺设前，先根据模拟煤岩层的地质资料确定煤岩层角度及各分层的厚度，确定好比例关系，计算出模型各分层的材料配比以及铺设厚度；

S2清理好可调角度实验平台，取出固定销钉，将平台滑动面推至所要模拟的角度位置，插入固定销钉，即完成了实验前的准备工作；

S3在平台面上按照实验要求逐层铺设模型材料，直至整个模型铺设完成，等模型自然风干后，即可按照实验要求进行实验；

S4由于受模型尺寸的限制，模型铺设不可能模拟至地表，所以补足未模拟岩层的作用力；

S5当模型彻底风干后，做好一切准备工作就可进行模型开挖：

模型上边界和下边界需留出20cm的煤柱作为边界条件；利用模拟切割工具进行采煤，分别开挖出区段回风平巷和运输平巷，在回风平巷与运输平巷之间开切眼，工作面初采从回风平巷与切眼相交处开始，沿伪斜方向向下推进，随着工作面推进，开切眼自上而下逐段报废，当推进至工作面长度与伪斜角达到设计要求时初采工作结束；

S6工作面沿伪斜方向推进至工作面长度和伪斜角达到设计要求时，开始进行正常的回采：

俯伪斜开采，利用切割工具模拟采煤机割煤，沿着伪斜工作面自下而上分段割煤，往返一次割一刀，伪斜工作面沿着煤层走向不断推进直至完成整个回采工作；

S7工作面运煤采用自溜运输，割落煤块在自身重力作用下沿伪斜工作面下滑至区段运输平巷，再由平巷清理出模型体。

2.根据权利要求1所述的一种可变角度的物理相似模拟实验平台的应用方法，其特征在于，实验过程中，可变角度的物理相似模拟实验平台满足相似条件，几何相似常数,应力相似常数,时间相似常数均相似：

l_i＝L_i

d_i＝D_i

式中，L_i为模拟工作面长度,D_i为煤层厚度，d_i为实际模型铺设厚度，l_i为工作面长度。

3.根据权利要求1所述的一种可变角度的物理相似模拟实验平台的应用方法，其特征在于，所述步骤S4中，补足未模拟岩层的作用力的具体步骤为：

实验开始前对模型所要施加的静载荷进行计算，根据自重应力计算公式

σ＝γH

式中，σ为上覆岩层自重应力，γ为岩体容重，H为岩层厚度，

计算出上覆岩层的自重应力，等模型自然风干后，在其顶板放置一块尺寸与模型表面相当的铁板，根据算出的自重应力及每块铁砖的压强，确定需要加载的铁砖数量，按顺序依次加铺铁砖即完成加载过程。