CN108615428A - 一种具有螺旋状含水层模拟系统的保水采煤模拟实验平台 - Google Patents

一种具有螺旋状含水层模拟系统的保水采煤模拟实验平台 Download PDF

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CN108615428A CN201810453894.8A CN201810453894A CN108615428A CN 108615428 A CN108615428 A CN 108615428A CN 201810453894 A CN201810453894 A CN 201810453894A CN 108615428 A CN108615428 A CN 108615428A
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Abstract

本发明公开了一种具有螺旋状含水层模拟系统的保水采煤模拟实验平台，包括模拟架(1)和设置在其中的煤层(2)和其他多个岩层，在所述煤层(2)上方设置有含水层(3)，在所述含水层(3)中设置有含水层模拟系统，所述含水层模拟系统包括一端相连并呈螺旋状布置的出水管(301)和进水管(302)，所述出水管(301)的另一端与第一智能控压水箱(303)相连，所述进水管(302)的另一端与第二智能控压水箱(304)相连，所述含水层模拟系统整体为椭圆形，在所述进水管(302)和所述出水管(301)的底部设置有喷水孔(305)，在所述喷水孔(305)上覆盖有塑胶贴纸。本发明装置具有实验稳定性和可靠性强，结构简单科学的优点。

Description

一种具有螺旋状含水层模拟系统的保水采煤模拟实验平台
技术领域
本发明涉及煤矿及教育领域，特别是涉及一种具有螺旋状含水层模拟系统的保水采煤模拟实验平台。
背景技术
相似模拟研究是一种重要的科学研究手段，是在实验室内按相似原理制作与原型相似的模型，借助测试仪表观测模型内力学参数及其分布规律，利用在模型上研究的结果，借以推断原型中可能发生的力学现象以及岩体压力分布的规律，从而解决岩体工程生产中的实际问题。三维物理模拟试验可以解决模型边界效应、加载及测试等问题，这对于具有含水层的矿区模拟更为直观，因为水的流动性较强，如果忽略边界效，那么对于实验结果的精度是个很大的损失，同时需要考虑含水层赋存、开采地质力学条件及煤岩体结构特征，目前很多学者和科研机构都对此展开了研究，但是很难突破含水层系统稳定性和高精度的特性，同时，对于整个实验过程中对于含水层的保护和使用的相关方法和结构等都没有过多的研究。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种具有螺旋状含水层模拟系统的保水采煤模拟实验平台。
一种具有螺旋状含水层模拟系统的保水采煤模拟实验平台，包括模拟架和设置在其中的煤层和其他多个岩层，在所述煤层上方设置有含水层，在所述含水层中设置有含水层模拟系统，所述含水层模拟系统包括一端相连并呈螺旋状布置的出水管和进水管，所述出水管的另一端与第一智能控压水箱相连，所述进水管的另一端与第二智能控压水箱相连，所述含水层模拟系统整体为椭圆形，在所述进水管和所述出水管的底部设置有喷水孔，在所述喷水孔上覆盖有塑胶贴纸。
本发明所述的具有螺旋状含水层模拟系统的保水采煤模拟实验平台，其中，所述喷水孔的设置方式为：在穿过椭圆中心的5条直线上，所有直线与所述进水管和所述出水管的相交处均设置有所述喷水孔，所述5条直线中，相邻的两条直线之间的角度均为36°。
本发明所述的具有螺旋状含水层模拟系统的保水采煤模拟实验平台，其中，所述第一智能控压水箱和所述第二智能控压水箱的控压区间为0-4MPa，压力最大控制精度为0.1MPa，控制方式为：初始时，所述第一智能控压水箱的压力比所述第二智能控压水箱的压力大0.3MPa，当采煤模拟系统推采超过500mm时，开始升压，保持所述第一智能控压水箱的压力比所述第二智能控压水箱的压力大1MPa以上；
所述椭圆形的左右方向最长边为1750mm，上下方向最长边为1500mm，所述出水管和所述进水管的最大间距为200mm，所述出水管和所述进水管的截面为正方形，边长为20mm，所述喷水孔的直径为1mm，所述塑胶贴纸的宽度为20mm，厚度为1-2mm。
本发明所述的具有螺旋状含水层模拟系统的保水采煤模拟实验平台，其中，在所述模拟架中设置有多个渗透距测量仪，所述渗透距测量仪包括电源、电源线和电阻杆，
所述电阻杆为中空结构，在其左端设置有一个通孔，所述电源线为两根，一端分别与所述电源相连，其中一个所述电源线的另一端与所述电阻杆的左端相连，另一个所述电源线的另一端穿过所述通孔与所述电阻杆的右端相连。
本发明所述的具有螺旋状含水层模拟系统的保水采煤模拟实验平台，其中，所述电阻杆的长度为2500mm，电阻为5kΩ，直径为18mm，电源为12V，所述渗透距测量仪的一端设置在所述模拟架左右方向的中心，从前至后总共设置有3排，排距为600mm，在竖直方向上，每排有4个，间距为150mm，位于最上部的所述渗透距测量仪距离所述含水层下方200mm处。
本发明所述的具有螺旋状含水层模拟系统的保水采煤模拟实验平台还包括自动抚平加压骨料装置，包括设置在所述模拟架上方的支撑杆，在所述支撑杆上活动连接液压支柱，所述液压支柱能够沿所述支撑杆在左右方向上自由滑动，在所述液压支柱的下端连接有抚平装置或压实板，所述抚平装置通过旋转轴固定在所述液压支柱的下端，所述抚平装置包括旋转杆和固定在其下端的抚平轮，所述抚平轮由多个弧形的钢制杆体构成，所述旋转轴包括从上至下依次连接的第一支柱卡槽、旋转电机和从动轴，所述旋转轴还包括传动杆，所述传动杆的上端设置在所述旋转电机的中部，下端设置在所述从动轴的底部；
在所述模拟架的两侧分别设置有一个固定支柱，在所述固定支柱上设置有升降装置，所述支撑杆的两端分别固定在两个所述升降装置上；
所述第一支柱卡槽固定在所述液压支柱的下端，所述从动轴的下部和所述旋转杆的上部设置有相互配合的螺纹结构，所述弧形的钢制杆体的数量为4个，所述抚平轮能够顺时针和逆时针旋转；
所述压实板为圆形，在所述压实板的上部设置有第二支柱卡槽，固定在所述液压支柱的下端。
本发明所述的具有螺旋状含水层模拟系统的保水采煤模拟实验平台，其中，所述固定支柱与所述模拟架之间的距离为2000mm，所述第一支柱卡槽的内径为60mm，外径为80mm，高度为50mm，所述旋转电机的直径为80mm，高度为50mm，所述传动杆的直径为15mm，长度为150mm，所述从动轴的直径为50mm，高度为50mm；所述抚平轮旋转形成的圆的直径为1800mm，所述旋转杆为中空结构，长度为400-600mm，内径为50mm；所述第二支柱卡槽的内径为60mm，所述压实板的直径和厚度分别为1700mm和8mm，材质为铁。
采用所述的自动抚平加压骨料装置进行三维相似模拟装置中的骨料铺设的方法，包括如下步骤：
步骤一、根据模型要求和相似比，确定每一层需要铺设的骨料的模拟厚度，进而确定所述升降装置的高度和所述液压支柱长度之间的关系，保证所述抚平轮与所述模拟架顶部之间的距离为：模拟岩层厚度/k，k为压实度，为94％；
步骤二、根据需求的模拟岩层厚度，确定每一分层的骨料量，按照20％的富余系数准备原材料；
步骤三、架设模型，固定所述升降装置和所述液压支柱的高度，保证所述抚平轮和所述模拟架底板距离为：第一模拟分层的高度/k，倒入搅拌机搅拌好的所述第一模拟分层的骨料，启动抚平轮，使其顺时针旋转，并在所述模拟架内来回移动1个回合，保证骨料基本铺设平实，再逆时针旋转所述抚平轮，在所述模拟架内来回移动1个回合，保证多余骨料排除到整个所述模拟架的周围，人工清理一下；
步骤四、卸下所述抚平装置，在所述液压支柱上安装所述压实板，压实到所述第一模拟分层的骨料上，压实压力为2000KN，压完之后升起，往前移动800mm，继续压实，直到压实完毕；
步骤五、倒入第二层模拟岩层的骨料，重复步骤三和步骤四中的铺设过程；
步骤六、铺设完最后一层后，卸下所述液压支柱上的所述压实板，在所述模拟架上方铺设若干铁块，在其上方再铺设一块铁板，所述铁板的长度、宽度和厚度分别为5500mm、1900mm和10mm，所述液压支柱压在所述铁板上，实现了上覆岩层的压力替换。
本发明所述的具有螺旋状含水层模拟系统的保水采煤模拟实验平台，其中，在所述煤层上方100mm，300mm，500mm处分别设置包括裂隙的第一裂隙带、第二裂隙带和第三裂隙带，长和宽尺寸依次为4000×1300mm、3500×1100mm和3000×900mm；
所述裂隙采用裂隙预制仪制作而成，所述裂隙预制仪包括固定盒和设置在其中的多个刀片驱动装置，所述刀片驱动装置包括固定套、伸缩杆、弹簧和裂隙刀片；
所述固定套为中空结构，套设在所述裂隙刀片的中部，所述固定套的上端的左侧固定在第一旋转轴上且能够绕其自由旋转，在所述固定套的上端的右侧设置有旋转装置，为采用橡胶制成的圆柱形结构，与所述裂隙刀片紧密接触，所述旋转装置与电机相连，
所述伸缩杆为能够伸缩的小型液压支柱，上端与第二旋转轴连接且能够绕其旋转，下端与所述固定套的中部相连；所述弹簧的下端与第三旋转轴相连且能够绕其旋转，上端与所述固定套的中部相连；
所述裂隙刀片和所述固定套倾斜设置，所述第二旋转轴和所述第三旋转轴分别设置在所述固定套的右上方和左下方，所述弹簧和所述伸缩杆均与所述固定套垂直设置，所述第一旋转轴、所述第二旋转轴和所述第三旋转轴均固定在所述固定盒的内部；
在所述固定盒内设置有控制单元，在所述固定盒的外部设置有多个操作按钮，与所述控制单元相连，所述控制单元与所述伸缩杆、所述电机和预制仪电源相连。
本发明所述的具有螺旋状含水层模拟系统的保水采煤模拟实验平台，其中，所述固定盒为底部敞口的长方体结构，长宽高分别为800mm、200mm和200mm，所述裂隙刀片能够伸出所述固定盒1-100mm，所述旋转装置的直径为15mm，长度为100mm；所述裂隙刀片的长度为200mm，宽度为120mm，厚度为2mm。
本发明所述的具有螺旋状含水层模拟系统的保水采煤模拟实验平台，其中，所述裂隙为平行状裂隙、倒V型裂隙或V型裂隙；
所述平行状裂隙的制作方法如下：
根据实验需要的角度和裂隙长度，先调节角度，通过控制所述固定盒的所述操作按钮，调节所述伸缩杆的长度，从而达到控制所述裂隙刀片的角度的目的，角度固定之后，调节所述电机，所述电机的正转和反转能够带动所述裂隙刀片的伸缩，将所述裂隙刀片缩回到所述固定盒内部，然后拿着整个所述固定盒按压在需要预制裂隙的骨料表面，按压完之后，保持不动，调节所述电机正转，伸长所述裂隙刀片到预定长度之后反转所述电机，缩回所述裂隙刀片；由于所述固定盒的长度有限，因此需要连续接替的在骨料界面预制裂隙，这样连续着预制裂隙即可形成平行状裂隙；
所述倒V型裂隙的制作方法如下：
根据实验需要的角度和裂隙长度，先调节角度，通过控制所述固定盒的所述操作按钮，调节所述伸缩杆的长度，从而达到控制所述裂隙刀片的角度的目的，角度固定之后，调节所述电机，所述电机的正转和反转能够带动所述裂隙刀片的伸缩，将所述裂隙刀片缩回到所述固定盒内部，然后拿着整个所述固定盒按压在需要预制裂隙的骨料表面，按压完之后，保持不动，调节所述电机正转，伸长所述裂隙刀片到预定长度之后反转所述电机，缩回所述裂隙刀片；这时不移动所述固定盒，而是调节所述裂隙刀片的角度，形成与上一个对称的角度，然后正转所述电机伸长所述裂隙刀片，然后反转所述电机缩回所述裂隙刀片，然后按照上面的步骤连续接替的在骨料界面预制裂隙，形成的是倒V型裂隙；
所述V型裂隙的制作方法如下：
根据实验需要的角度和裂隙长度，先调节角度，通过控制所述固定盒的所述操作按钮，调节所述伸缩杆的长度，从而达到控制所述裂隙刀片的角度的目的，角度固定之后，调节所述电机，所述电机的正转和反转能够带动所述裂隙刀片的伸缩，将所述裂隙刀片缩回到所述固定盒内部，然后拿着整个所述固定盒按压在需要预制裂隙的骨料表面，按压完之后，保持不动，调节所述电机正转，伸长所述裂隙刀片到预定长度之后反转所述电机，缩回所述裂隙刀片；这时不移动所述固定盒，而是调节所述裂隙刀片的角度，形成与上一个对称的角度，然后沿着第一次角度的方向整体偏移2Lcosα距离，与骨料平面角度为α，然后正转所述电机伸长所述裂隙刀片，然后反转所述电机缩回所述裂隙刀片，然后按照上面的步骤连续接替的在骨料界面预制裂隙，形成的是V型裂隙；如第一次所述裂隙刀片向右偏离，与骨料平面角度为α，则所述固定盒整体向右偏移2Lcosα距离。
本发明具有螺旋状含水层模拟系统的保水采煤模拟实验平台与现有技术不同之处在于：
本发明具有螺旋状含水层模拟系统的保水采煤模拟实验平台可以实现大尺度的三维相似模拟实验，这对于含水层模拟系统的相似研究效果明显；
本发明具有螺旋状含水层模拟系统的螺旋状模拟系统，其分布属于，中间区域突水多，突水口密集，且逐步往外，岩层垮落逐渐变小，突水口的数量也就越来越分散，这是与实际突水状况十分吻合的；
本发明具有螺旋状含水层模拟系统是相对精密的，在整个实验过程中，铺料、抚料以及压实过程中都设计了相关的结构和装置，充分保证实验系统的安全稳定可靠，且提高了实验效果和精度。
下面结合附图对本发明的具有螺旋状含水层模拟系统的保水采煤模拟实验平台作进一步说明。
附图说明
图1为本发明具有螺旋状含水层模拟系统的保水采煤模拟实验平台的结构示意图；
图2为本发明中含水层模拟系统的结构示意图；
图3为本发明中渗透距测量仪的结构示意图；
图4为本发明自动抚平加压骨料装置的结构示意图；
图5为本发明中旋转轴的结构示意图；
图6为本发明中抚平装置的仰视图；
图7为本发明中压实板的结构示意图；
图8为本发明中铺设过程中最后压实过程的结构示意图；
图9为本发明中裂隙预制仪的结构示意图；
图10为本发明中刀片驱动装置的结构示意图。
具体实施方式
如图1～图10所示，一种具有螺旋状含水层模拟系统的保水采煤模拟实验平台，包括模拟架1和设置在其中的煤层2和其他多个岩层，在煤层2上方设置有含水层3，在含水层3中设置有含水层模拟系统，含水层模拟系统包括一端相连并呈螺旋状布置的出水管301和进水管302，出水管301的另一端与第一智能控压水箱303相连，进水管302的另一端与第二智能控压水箱304相连，含水层模拟系统整体为椭圆形，在进水管302和出水管301的底部设置有喷水孔305，在喷水孔305上覆盖有塑胶贴纸。
喷水孔305的设置方式为：在穿过椭圆中心的5条直线上，所有直线与进水管302和出水管301的相交处均设置有喷水孔305，5条直线中，相邻的两条直线之间的角度均为36°。
第一智能控压水箱303和第二智能控压水箱304的控压区间为0-4MPa，压力最大控制精度为0.1MPa，控制方式为：初始时，第一智能控压水箱303的压力比第二智能控压水箱304的压力大0.3MPa，当采煤模拟系统推采超过500mm时，开始升压，保持第一智能控压水箱303的压力比第二智能控压水箱304的压力大1MPa以上；
椭圆形的左右方向最长边为1750mm，上下方向最长边为1500mm，出水管301和进水管302的最大间距为200mm，出水管301和进水管302的截面为正方形，边长为20mm，喷水孔305的直径为1mm，塑胶贴纸的宽度为20mm，厚度为1-2mm。
开始时，塑胶贴纸贴在进水管302和出水管301的底侧面上，当模拟开采之后，随着底板跨落后下沉，在水压作用下，塑胶贴纸与喷水孔305分离，塑胶贴纸与喷水孔305之间水压超过1MPa即可分离，这样充分模拟了真实情况下的含水层透水量，即垮落越充分，透水量越大。
在模拟架1中设置有多个渗透距测量仪4，渗透距测量仪4包括电源401、电源线402和电阻杆403，渗透距测量仪4主要作用为测量含水层3渗透影响范围；电阻杆403为中空结构，在其左端设置有一个通孔404，电源线402为两根，一端分别与电源401相连，其中一个电源线402的另一端与电阻杆403的左端相连，另一个电源线402的另一端穿过通孔404与电阻杆403的右端相连。
电阻杆403的长度为2500mm，电阻为5kΩ，直径为18mm，电源为12V，渗透距测量仪4的一端设置在模拟架1左右方向的中心，从前至后总共设置有3排，排距为600mm，在竖直方向上，每排有4个，间距为150mm，位于最上部的渗透距测量仪4距离含水层3下方200mm处。当一段电阻杆403表面土壤有水时，这段的电阻短路，电阻即约等于0，因此电阻阻值即可确定电阻杆403干燥段和湿润段的值，即可求出具体水的渗透半径。
本发明还包括自动抚平加压骨料装置，包括设置在模拟架1上方的支撑杆502，在支撑杆502上活动连接液压支柱503，液压支柱503能够沿支撑杆502在左右方向上自由滑动，在液压支柱503的下端连接有抚平装置504或压实板505，抚平装置504通过旋转轴506固定在液压支柱503的下端，抚平装置504包括旋转杆516和固定在其下端的抚平轮517，抚平轮517由多个弧形的钢制杆体构成，旋转轴506包括从上至下依次连接的第一支柱卡槽507、旋转电机508和从动轴509，旋转轴506还包括传动杆510，传动杆510的上端设置在旋转电机508的中部，下端设置在从动轴509的底部；
在模拟架1的两侧分别设置有一个固定支柱511，在固定支柱511上设置有升降装置512，支撑杆502的两端分别固定在两个升降装置512上；
第一支柱卡槽507固定在液压支柱503的下端，从动轴509的下部和旋转杆516的上部设置有相互配合的螺纹结构，弧形的钢制杆体的数量为4个，抚平轮517能够顺时针和逆时针旋转；
压实板505为圆形，在压实板505的上部设置有第二支柱卡槽513，固定在液压支柱503的下端。
固定支柱511与模拟架1之间的距离为2000mm，第一支柱卡槽507的内径为60mm，外径为80mm，高度为50mm，旋转电机508的直径为80mm，高度为50mm，传动杆510的直径为15mm，长度为150mm，从动轴509的直径为50mm，高度为50mm；抚平轮517旋转形成的圆的直径为1800mm，旋转杆516为中空结构，长度为400-600mm，内径为50mm；第二支柱卡槽513的内径为60mm，压实板505的直径和厚度分别为1700mm和8mm，材质为铁。
采用自动抚平加压骨料装置进行三维相似模拟装置中的骨料铺设的方法，包括如下步骤：
步骤一、根据模型要求和相似比，确定每一层需要铺设的骨料的模拟厚度，进而确定升降装置512的高度和液压支柱503长度之间的关系，保证抚平轮517与模拟架1顶部之间的距离为：模拟岩层厚度/k，k为压实度，为94％；
步骤二、根据需求的模拟岩层厚度，确定每一分层的骨料量，按照20％的富余系数准备原材料；
步骤三、架设模型，固定升降装置512和液压支柱503的高度，保证抚平轮517和模拟架1底板距离为：第一模拟分层的高度/k，倒入搅拌机搅拌好的第一模拟分层的骨料，启动抚平轮517，使其顺时针旋转，并在模拟架1内来回移动1个回合，保证骨料基本铺设平实，再逆时针旋转抚平轮517，在模拟架1内来回移动1个回合，保证多余骨料排除到整个模拟架1的周围，人工清理一下；
步骤四、卸下抚平装置504，在液压支柱503上安装压实板505，压实到第一模拟分层的骨料上，压实压力为2000KN，压完之后升起，往前移动800mm，继续压实，直到压实完毕；
步骤五、倒入第二层模拟岩层的骨料，重复步骤三和步骤四中的铺设过程；
步骤六、铺设完最后一层后，卸下液压支柱503上的压实板505，在模拟架1上方铺设若干铁块514，在其上方再铺设一块铁板515，铁板515的长度、宽度和厚度分别为5500mm、1900mm和10mm，液压支柱503压在铁板515上，实现了上覆岩层的压力替换。
在煤层2上方100mm，300mm，500mm处分别设置包括裂隙的第一裂隙带601、第二裂隙带602和第三裂隙带603，长和宽尺寸依次为4000×1300mm、3500×1100mm和3000×900mm；
裂隙采用裂隙预制仪7制作而成，裂隙预制仪7包括固定盒701和设置在其中的多个刀片驱动装置，刀片驱动装置包括固定套702、伸缩杆703、弹簧704和裂隙刀片705；
固定套702为中空结构，套设在裂隙刀片705的中部，固定套702的上端的左侧固定在第一旋转轴706上且能够绕其自由旋转，在固定套702的上端的右侧设置有旋转装置709，为采用橡胶制成的圆柱形结构，与裂隙刀片705紧密接触，旋转装置709与电机710相连，旋转即能带动裂隙刀片705滑动。
伸缩杆703为能够伸缩的小型液压支柱，上端与第二旋转轴707连接且能够绕其旋转，下端与固定套702的中部相连；伸缩杆703绕第二旋转轴707小范围旋转，下端与固定套702固定连接，伸缩杆伸缩703即可改变裂隙刀片705的角度；弹簧704的下端与第三旋转轴708相连且能够绕其旋转，上端与固定套702的中部相连；
裂隙刀片705和固定套702倾斜设置，第二旋转轴707和第三旋转轴708分别设置在固定套702的右上方和左下方，弹簧704和伸缩杆703均与固定套702垂直设置，第一旋转轴706、第二旋转轴707和第三旋转轴708均固定在固定盒701的内部；
伸缩杆703伸缩，弹簧704即随之伸缩，伸缩杆703与弹簧704二者共同改变裂隙刀片705的角度；当裂隙刀片705的角度改变时，二者均可与对应的旋转轴小范围旋转，保证裂隙刀片的角度固定和稳定。
在固定盒701内设置有控制单元，在固定盒701的外部设置有多个操作按钮，与控制单元相连，控制单元与伸缩杆703、电机710和预制仪电源相连。
固定盒701为底部敞口的长方体结构，长宽高分别为800mm、200mm和200mm，裂隙刀片705能够伸出固定盒7011-100mm，旋转装置709的直径为15mm，长度为100mm；裂隙刀片705的长度为200mm，宽度为120mm，厚度为2mm。
裂隙为平行状裂隙、倒V型裂隙或V型裂隙；
平行状裂隙的制作方法如下：
根据实验需要的角度和裂隙长度，先调节角度，通过控制固定盒701的操作按钮，调节伸缩杆703的长度，从而达到控制裂隙刀片705的角度的目的，角度固定之后，调节电机710，电机710的正转和反转能够带动裂隙刀片705的伸缩，将裂隙刀片705缩回到固定盒701内部，然后拿着整个固定盒701按压在需要预制裂隙的骨料表面，按压完之后，保持不动，调节电机710正转，伸长裂隙刀片705到预定长度之后反转电机710，缩回裂隙刀片705；由于固定盒701的长度有限，因此需要连续接替的在骨料界面预制裂隙，这样连续着预制裂隙即可形成平行状裂隙；
倒V型裂隙的制作方法如下：
根据实验需要的角度和裂隙长度，先调节角度，通过控制固定盒701的操作按钮，调节伸缩杆703的长度，从而达到控制裂隙刀片705的角度的目的，角度固定之后，调节电机710，电机710的正转和反转能够带动裂隙刀片705的伸缩，将裂隙刀片705缩回到固定盒701内部，然后拿着整个固定盒701按压在需要预制裂隙的骨料表面，按压完之后，保持不动，调节电机710正转，伸长裂隙刀片705到预定长度之后反转电机710，缩回裂隙刀片705；这时不移动固定盒701，而是调节裂隙刀片705的角度，形成与上一个对称的角度，然后正转电机710伸长裂隙刀片705，然后反转电机710缩回裂隙刀片705，然后按照上面的步骤连续接替的在骨料界面预制裂隙，形成的是倒V型裂隙；
V型裂隙的制作方法如下：
根据实验需要的角度和裂隙长度，先调节角度，通过控制固定盒701的操作按钮，调节伸缩杆703的长度，从而达到控制裂隙刀片705的角度的目的，角度固定之后，调节电机710，电机710的正转和反转能够带动裂隙刀片705的伸缩，将裂隙刀片705缩回到固定盒701内部，然后拿着整个固定盒701按压在需要预制裂隙的骨料表面，按压完之后，保持不动，调节电机710正转，伸长裂隙刀片705到预定长度之后反转电机710，缩回裂隙刀片705；这时不移动固定盒701，而是调节裂隙刀片705的角度，形成与上一个对称的角度，然后沿着第一次角度的方向整体偏移2Lcosα距离，与骨料平面角度为α，然后正转电机710伸长裂隙刀片705，然后反转电机710缩回裂隙刀片705，然后按照上面的步骤连续接替的在骨料界面预制裂隙，形成的是V型裂隙；如第一次裂隙刀片705向右偏离，与骨料平面角度为α，则固定盒701整体向右偏移2Lcosα距离。
以上所述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)

1.一种具有螺旋状含水层模拟系统的保水采煤模拟实验平台，其特征在于：包括模拟架(1)和设置在其中的煤层(2)和其他多个岩层，在所述煤层(2)上方设置有含水层(3)，在所述含水层(3)中设置有含水层模拟系统，所述含水层模拟系统包括一端相连并呈螺旋状布置的出水管(301)和进水管(302)，所述出水管(301)的另一端与第一智能控压水箱(303)相连，所述进水管(302)的另一端与第二智能控压水箱(304)相连，所述含水层模拟系统整体为椭圆形，在所述进水管(302)和所述出水管(301)的底部设置有喷水孔(305)，在所述喷水孔(305)上覆盖有塑胶贴纸。
2.根据权利要求1所述的具有螺旋状含水层模拟系统的保水采煤模拟实验平台，其特征在于：所述喷水孔(305)的设置方式为：在穿过椭圆中心的5条直线上，所有直线与所述进水管(302)和所述出水管(301)的相交处均设置有所述喷水孔(305)，所述5条直线中，相邻的两条直线之间的角度均为36°。
3.根据权利要求2所述的具有螺旋状含水层模拟系统的保水采煤模拟实验平台，其特征在于：所述第一智能控压水箱(303)和所述第二智能控压水箱(304)的控压区间为0-4MPa，压力最大控制精度为0.1MPa，控制方式为：初始时，所述第一智能控压水箱(303)的压力比所述第二智能控压水箱(304)的压力大0.3MPa，当采煤模拟系统推采超过500mm时，开始升压，保持所述第一智能控压水箱(303)的压力比所述第二智能控压水箱(304)的压力大1MPa以上；
所述椭圆形的左右方向最长边为1750mm，上下方向最长边为1500mm，所述出水管(301)和所述进水管(302)的最大间距为200mm，所述出水管(301)和所述进水管(302)的截面为正方形，边长为20mm，所述喷水孔(305)的直径为1mm，所述塑胶贴纸的宽度为20mm，厚度为1-2mm。
4.根据权利要求3所述的具有螺旋状含水层模拟系统的保水采煤模拟实验平台，其特征在于：在所述模拟架(1)中设置有多个渗透距测量仪(4)，所述渗透距测量仪(4)包括电源(401)、电源线(402)和电阻杆(403)，
所述电阻杆(403)为中空结构，在其左端设置有一个通孔(404)，所述电源线(402)为两根，一端分别与所述电源(401)相连，其中一个所述电源线(402)的另一端与所述电阻杆(403)的左端相连，另一个所述电源线(402)的另一端穿过所述通孔(404)与所述电阻杆(403)的右端相连。
5.根据权利要求4所述的具有螺旋状含水层模拟系统的保水采煤模拟实验平台，其特征在于：所述电阻杆(403)的长度为2500mm，电阻为5kΩ，直径为18mm，电源为12V，所述渗透距测量仪(4)的一端设置在所述模拟架(1)左右方向的中心，从前至后总共设置有3排，排距为600mm，在竖直方向上，每排有4个，间距为150mm，位于最上部的所述渗透距测量仪(4)距离所述含水层(3)下方200mm处。
6.根据权利要求5所述的具有螺旋状含水层模拟系统的保水采煤模拟实验平台，其特征在于：还包括自动抚平加压骨料装置，包括设置在所述模拟架(1)上方的支撑杆(502)，在所述支撑杆(502)上活动连接液压支柱(503)，所述液压支柱(503)能够沿所述支撑杆(502)在左右方向上自由滑动，在所述液压支柱(503)的下端连接有抚平装置(504)或压实板(505)，所述抚平装置(504)通过旋转轴(506)固定在所述液压支柱(503)的下端，所述抚平装置(504)包括旋转杆(516)和固定在其下端的抚平轮(517)，所述抚平轮(517)由多个弧形的钢制杆体构成，所述旋转轴(506)包括从上至下依次连接的第一支柱卡槽(507)、旋转电机(508)和从动轴(509)，所述旋转轴(506)还包括传动杆(510)，所述传动杆(510)的上端设置在所述旋转电机(508)的中部，下端设置在所述从动轴(509)的底部；
在所述模拟架(1)的两侧分别设置有一个固定支柱(511)，在所述固定支柱(511)上设置有升降装置(512)，所述支撑杆(502)的两端分别固定在两个所述升降装置(512)上；
所述第一支柱卡槽(507)固定在所述液压支柱(503)的下端，所述从动轴(509)的下部和所述旋转杆(516)的上部设置有相互配合的螺纹结构，所述弧形的钢制杆体的数量为4个，所述抚平轮(517)能够顺时针和逆时针旋转；
所述压实板(505)为圆形，在所述压实板(505)的上部设置有第二支柱卡槽(513)，固定在所述液压支柱(503)的下端。
7.根据权利要求6所述的具有螺旋状含水层模拟系统的保水采煤模拟实验平台，其特征在于：所述固定支柱(511)与所述模拟架(1)之间的距离为2000mm，所述第一支柱卡槽(507)的内径为60mm，外径为80mm，高度为50mm，所述旋转电机(508)的直径为80mm，高度为50mm，所述传动杆(510)的直径为15mm，长度为150mm，所述从动轴(509)的直径为50mm，高度为50mm；所述抚平轮(517)旋转形成的圆的直径为1800mm，所述旋转杆(516)为中空结构，长度为400-600mm，内径为50mm；所述第二支柱卡槽(513)的内径为60mm，所述压实板(505)的直径和厚度分别为1700mm和8mm，材质为铁；
采用所述的自动抚平加压骨料装置进行三维相似模拟装置中的骨料铺设的方法，包括如下步骤：
步骤一、根据模型要求和相似比，确定每一层需要铺设的骨料的模拟厚度，进而确定所述升降装置(512)的高度和所述液压支柱(503)长度之间的关系，保证所述抚平轮(517)与所述模拟架(1)顶部之间的距离为：模拟岩层厚度/k，k为压实度，为94％；
步骤二、根据需求的模拟岩层厚度，确定每一分层的骨料量，按照20％的富余系数准备原材料；
步骤三、架设模型，固定所述升降装置(512)和所述液压支柱(503)的高度，保证所述抚平轮(517)和所述模拟架(1)底板距离为：第一模拟分层的高度/k，倒入搅拌机搅拌好的所述第一模拟分层的骨料，启动抚平轮(517)，使其顺时针旋转，并在所述模拟架(1)内来回移动1个回合，保证骨料基本铺设平实，再逆时针旋转所述抚平轮(517)，在所述模拟架(1)内来回移动1个回合，保证多余骨料排除到整个所述模拟架(1)的周围，人工清理一下；
步骤四、卸下所述抚平装置(504)，在所述液压支柱(503)上安装所述压实板(505)，压实到所述第一模拟分层的骨料上，压实压力为2000KN，压完之后升起，往前移动800mm，继续压实，直到压实完毕；
步骤五、倒入第二层模拟岩层的骨料，重复步骤三和步骤四中的铺设过程；
步骤六、铺设完最后一层后，卸下所述液压支柱(503)上的所述压实板(505)，在所述模拟架(1)上方铺设若干铁块(514)，在其上方再铺设一块铁板(515)，所述铁板(515)的长度、宽度和厚度分别为5500mm、1900mm和10mm，所述液压支柱(503)压在所述铁板(515)上，实现了上覆岩层的压力替换。
8.根据权利要求7所述的具有螺旋状含水层模拟系统的保水采煤模拟实验平台，其特征在于：
在所述煤层(2)上方100mm，300mm，500mm处分别设置包括裂隙的第一裂隙带(601)、第二裂隙带(602)和第三裂隙带(603)，长和宽尺寸依次为4000×1300mm、3500×1100mm和3000×900mm；
所述裂隙采用裂隙预制仪(7)制作而成，所述裂隙预制仪(7)包括固定盒(701)和设置在其中的多个刀片驱动装置，所述刀片驱动装置包括固定套(702)、伸缩杆(703)、弹簧(704)和裂隙刀片(705)；
所述固定套(702)为中空结构，套设在所述裂隙刀片(705)的中部，所述固定套(702)的上端的左侧固定在第一旋转轴(706)上且能够绕其自由旋转，在所述固定套(702)的上端的右侧设置有旋转装置(709)，为采用橡胶制成的圆柱形结构，与所述裂隙刀片(705)紧密接触，所述旋转装置(709)与电机(710)相连，
所述伸缩杆(703)为能够伸缩的小型液压支柱，上端与第二旋转轴(707)连接且能够绕其旋转，下端与所述固定套(702)的中部相连；所述弹簧(704)的下端与第三旋转轴(708)相连且能够绕其旋转，上端与所述固定套(702)的中部相连；
所述裂隙刀片(705)和所述固定套(702)倾斜设置，所述第二旋转轴(707)和所述第三旋转轴(708)分别设置在所述固定套(702)的右上方和左下方，所述弹簧(704)和所述伸缩杆(703)均与所述固定套(702)垂直设置，所述第一旋转轴(706)、所述第二旋转轴(707)和所述第三旋转轴(708)均固定在所述固定盒(701)的内部；
在所述固定盒(701)内设置有控制单元，在所述固定盒(701)的外部设置有多个操作按钮，与所述控制单元相连，所述控制单元与所述伸缩杆(703)、所述电机(710)和预制仪电源相连。
9.根据权利要求8所述的具有螺旋状含水层模拟系统的保水采煤模拟实验平台，其特征在于：所述固定盒(701)为底部敞口的长方体结构，长宽高分别为800mm、200mm和200mm，所述裂隙刀片(705)能够伸出所述固定盒(701)1-100mm，所述旋转装置(709)的直径为15mm，长度为100mm；所述裂隙刀片(705)的长度为200mm，宽度为120mm，厚度为2mm。
10.根据权利要求9所述的具有螺旋状含水层模拟系统的保水采煤模拟实验平台，其特征在于：所述裂隙为平行状裂隙、倒V型裂隙或V型裂隙；
所述平行状裂隙的制作方法如下：
根据实验需要的角度和裂隙长度，先调节角度，通过控制所述固定盒(701)的所述操作按钮，调节所述伸缩杆(703)的长度，从而达到控制所述裂隙刀片(705)的角度的目的，角度固定之后，调节所述电机(710)，所述电机(710)的正转和反转能够带动所述裂隙刀片(705)的伸缩，将所述裂隙刀片(705)缩回到所述固定盒(701)内部，然后拿着整个所述固定盒(701)按压在需要预制裂隙的骨料表面，按压完之后，保持不动，调节所述电机(710)正转，伸长所述裂隙刀片(705)到预定长度之后反转所述电机(710)，缩回所述裂隙刀片(705)；由于所述固定盒(701)的长度有限，因此需要连续接替的在骨料界面预制裂隙，这样连续着预制裂隙即可形成平行状裂隙；
所述倒V型裂隙的制作方法如下：
根据实验需要的角度和裂隙长度，先调节角度，通过控制所述固定盒(701)的所述操作按钮，调节所述伸缩杆(703)的长度，从而达到控制所述裂隙刀片(705)的角度的目的，角度固定之后，调节所述电机(710)，所述电机(710)的正转和反转能够带动所述裂隙刀片(705)的伸缩，将所述裂隙刀片(705)缩回到所述固定盒(701)内部，然后拿着整个所述固定盒(701)按压在需要预制裂隙的骨料表面，按压完之后，保持不动，调节所述电机(710)正转，伸长所述裂隙刀片(705)到预定长度之后反转所述电机(710)，缩回所述裂隙刀片(705)；这时不移动所述固定盒(701)，而是调节所述裂隙刀片(705)的角度，形成与上一个对称的角度，然后正转所述电机(710)伸长所述裂隙刀片(705)，然后反转所述电机(710)缩回所述裂隙刀片(705)，然后按照上面的步骤连续接替的在骨料界面预制裂隙，形成的是倒V型裂隙；
所述V型裂隙的制作方法如下：
根据实验需要的角度和裂隙长度，先调节角度，通过控制所述固定盒(701)的所述操作按钮，调节所述伸缩杆(703)的长度，从而达到控制所述裂隙刀片(705)的角度的目的，角度固定之后，调节所述电机(710)，所述电机(710)的正转和反转能够带动所述裂隙刀片(705)的伸缩，将所述裂隙刀片(705)缩回到所述固定盒(701)内部，然后拿着整个所述固定盒(701)按压在需要预制裂隙的骨料表面，按压完之后，保持不动，调节所述电机(710)正转，伸长所述裂隙刀片(705)到预定长度之后反转所述电机(710)，缩回所述裂隙刀片(705)；这时不移动所述固定盒(701)，而是调节所述裂隙刀片(705)的角度，形成与上一个对称的角度，然后沿着第一次角度的方向整体偏移2Lcosα距离，与骨料平面角度为α，然后正转所述电机(710)伸长所述裂隙刀片(705)，然后反转所述电机(710)缩回所述裂隙刀片(705)，然后按照上面的步骤连续接替的在骨料界面预制裂隙，形成的是V型裂隙；如第一次所述裂隙刀片(705)向右偏离，与骨料平面角度为α，则所述固定盒(701)整体向右偏移2Lcosα距离。
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