CN108682261B - 一种土木工程中模拟煤层开采的实验教具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土木工程中模拟煤层开采的实验教具，包括模拟实验平台(1)、水库模拟系统(2)、智能均布加载系统、实时监测系统和智能骨料装载压实系统；所述模拟实验平台(1)包括所述水库模拟系统(2)和设置在所述水库模拟系统(2)上部和下部的若干岩层，所述水库模拟系统(2)包括坝体模拟系统(3)和设置在所述坝体模拟系统(3)内部的煤层模拟系统(4)，所述煤层模拟系统(4)由从左至右依次排列的n个煤层模拟水袋构成。本发明的设计不影响相似模拟研究的前提下具有封闭性质的水库坝体，可以对地下水库的库容和导水裂隙带发育等情况做更进一步的了解。

Description

一种土木工程中模拟煤层开采的实验教具

技术领域

本发明涉及矿山机械领域，特别是涉及一种土木工程中模拟煤层开采的实验教具。

背景技术

在传统三维相似模拟实验中，往往需要考虑边界效应，即周围需要留设煤柱，人工很难开挖内部的煤层模拟材料，特别对于地下水库的三维模拟，因为需要模拟水库坝体，因此为了保证水库坝体的完整性，整个工作面开挖的模拟都应该在一个相对封闭的情况下进行；其次，目前三维相似模拟试验中煤层开挖的模拟部分多半是粗放式的，即模拟一次性一刀煤的切割甚至一次性模拟整个工作面的采掘，这样对于煤层顶板的运移特性是严重不符合的，煤层在实际开采中应该是逐步逐步开采，煤层上方的顶板会逐步变化，应力会逐步二次平衡，这与一次性将一天的煤层或者一个工作面的煤层全部采完的应力变化规律是完全不符合的，因此如何模拟在一个相对封闭的情况下内部煤层开挖高度仿真的模拟是需要我们研究的重点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对地下水库的三维相似模拟，除针对封闭情况下煤层的开挖，更是需要研究地下水库的库容和导水裂隙带发育等情况，设计不影响相似模拟研究的前提下具有封闭性质的水库坝体，因此，设计出了一套土木工程中模拟煤层开采的实验教具。

一种土木工程中模拟煤层开采的实验教具，包括模拟实验平台、水库模拟系统、智能均布加载系统、实时监测系统和智能骨料装载压实系统；

所述模拟实验平台包括所述水库模拟系统和设置在所述水库模拟系统上部和下部的若干岩层，所述水库模拟系统包括坝体模拟系统和设置在所述坝体模拟系统内部的煤层模拟系统，所述煤层模拟系统由从左至右依次排列的n个煤层模拟水袋构成，每个所述煤层模拟水袋包括从前往后依次连接的多个日采煤模拟水袋，相邻两个所述日采煤模拟水袋之间由闭塞装置连接；在每个所述煤层模拟水袋的最前端的所述日采煤模拟水袋上设置有与水管连接的注水出水口；

所述日采煤模拟水袋包括水袋顶板、水袋底板和水袋侧护板，所述水袋顶板和水袋底板为有机板，所述水袋侧护板为高强度塑料薄膜，在左右两侧的高强度塑料薄膜的内侧固定有上下两个钛合金板，所述日采煤模拟水袋的水袋顶板能够在外力作用下上下自由活动，将所述日采煤模拟水袋的内部空间压缩或充满；

所述坝体模拟系统包括坝体底板和四个坝体侧护板，在位于前侧的坝体侧护板上设置有多个供所述水管穿过的通孔，所述通孔与所述水管之间密封连接。

本发明所述的土木工程中模拟煤层开采的实验教具，其中，第一个所述煤层模拟水袋中所述日采煤模拟水袋的水袋顶板的右侧设置有凹槽，第n个所述煤层模拟水袋中所述日采煤模拟水袋的水袋顶板的左侧设置有凸起，第2～第n-1个所述煤层模拟水袋中所述日采煤模拟水袋的水袋顶板的左侧设置有一个凸起，右侧设置有凹槽。

本发明所述的土木工程中模拟煤层开采的实验教具，其中，所述闭塞装置为长方体结构，包括圆柱形的闭合结构，所述闭合结构包括固定部和连接在其后端的支撑部，在所述支撑部的前端设置有锥形体，在所述固定部的后侧设置有用于容纳所述锥形体的圆锥形的空腔，所述固定部和所述锥形体之间通过滑杆连接，在所述固定部上缠绕有第一电线，在所述固定部和所述锥形体上缠绕有第二电线；

所述闭塞装置还包括线路通道，所述第一电线和所述第二电线的两端分别采用绝缘材料包裹后从所述线路通道中穿出，与外接电源相连。

本发明所述的土木工程中模拟煤层开采的实验教具，其中，所述闭塞装置的前半部分设置在前一个所述日采煤模拟水袋中，后半部分设置在后一个所述日采煤模拟水袋中；

所述滑杆数量为对称设置的两个，所述固定部和所述支撑部均为圆柱形，所述闭塞装置长为20mm，宽和高均为5mm，所述闭合结构的直径为5mm，长为20mm，所述锥形体的直径为5mm，长度为10mm，所述支撑部的长度为5mm，所述滑杆的最大拉伸长度为3mm。

本发明所述的土木工程中模拟煤层开采的实验教具，其中，所述智能均布加载系统包括液压系统、加压板和铁块，所述铁块的数量为多个，交错铺设在位于最上方的所述岩层的顶部，在所述铁块的顶部设置有四个所述加压板，所述液压系统包括两个分别设置在所述模拟实验平台左右两侧的支柱，所述支柱包括下支柱和与所述下支柱的上端活动连接的上支柱，所述上支柱的上端连接有两个水平杆的一端，所述水平杆的另一端分别连接有一个液压顶，每个所述液压顶分别连接一个所述加压板；

所述实时监测系统包括压力监测系统、光学钻孔窥视监测系统和正面影像分析系统；

所述压力监测系统为水压传感器，设置在位于左侧的所述坝体侧护板上；

所述光学钻孔窥视监测系统为光学钻孔窥视仪，设置在位于左侧的所述坝体侧护板上；

所述正面影像分析系统包括数码相机，设置在所述模拟实验平台的正前方。

本发明所述的土木工程中模拟煤层开采的实验教具，其中，所述智能骨料装载压实系统包括支撑杆、V型骨料喷射装置和压实滚轮；

所述支撑杆水平设置在所述模拟实验平台的上部，所述V型骨料喷射装置包括骨料仓、滚动棍和偏心棍，所述骨料仓由呈V字型设置的第一挡板和第二挡板构成，所述第一挡板的长度大于所述第二挡板的长度，所述第一挡板和第二挡板之间通过前侧板和后侧板连接，形成用于容纳骨料的仓体，在所述骨料仓的底部设置有缺口，在所述前侧板和所述后侧板之间固定有所述滚动棍，在所述滚动棍上均匀设置有多个凹槽，所述滚动棍设置为分别与所述第一挡板和所述第二挡板内切，在所述第二挡板的外侧设置有所述偏心棍，所述第一挡板的顶端与所述支撑杆活动连接。

本发明所述的土木工程中模拟煤层开采的实验教具，其中，所述支撑杆为前后两根；在所述前侧板的外侧设置有第一电机，所述第一电机与智能控速系统连接，所述第一电机的转动轴与所述滚动棍的转动轴之间通过皮带连接，所述第一电机的转动轴的直径为30mm，所述滚动棍的转动轴的直径为150mm；所述后侧板上固定有第二电机，所述第二电机的转动轴与所述偏心棍的转动轴之间通过皮带连接，所述第二电机的转动轴的直径为150mm，所述偏心棍的转动轴的直径为30mm。

本发明所述的土木工程中模拟煤层开采的实验教具，其中，所述模拟实验平台为长方体装置，长为8000mm，宽为2600mm，高为3800mm；所述模拟实验平台的底板和左右两侧的侧板均为钢板，前侧的侧板为透明材料制成，后侧的侧板由多个侧护板上下堆叠固定而成，所述侧护板包括板体和固定在所述板体上端和下端的支撑板，在所述板体的左右两侧采用螺丝固定；

所述坝体模拟系统的所述坝体底板和四个所述坝体侧护板均采用有机板制成，所述坝体底板的厚度为3mm，位于左侧的所述坝体侧护板的厚度为50mm，其他的所述坝体侧护板的厚度为4mm；所述坝体侧护板上的通孔的直径为7mm；在位于前侧的所述坝体侧护板上设置有直径为6mm的坝体注水出水口；

所述智能均布加载系统的支柱距离所述模拟实验平台的距离为1m，所述铁块的规格为长×宽×高＝160mm×52mm×20mm和长×宽×高＝80mm×52mm×20mm，所述加压板的压力值最大为1.2MPa；

在左右方向上，多个所述日采煤模拟水袋的总长度为2000mm，水袋顶板的厚度为4mm，水袋底板的厚度为2mm，所述钛合金板的厚度为2mm，所述水袋顶板和所述水袋底板的硬度要求HB＞20，所述钛合金板的硬度要求HB＞150；

所述注水出水口的直径为6mm，采用能够变形的塑胶制成；

所述煤层模拟水袋的数量为100个，总长6m，在第一个所述煤层模拟水袋的左侧和最后一个所述煤层模拟水袋的右侧1m范围内设置有采用骨料堆砌的煤柱；

所有的所述日采煤模拟水袋的内部空间连接起来用于模拟待开采的煤层；

所述坝体底板距离待开采的所述煤层的底板的距离为13mm；

所述水压传感器与所述坝体底板的下表面之间的距离为15mm；

所述正面影像分析系统设置在所述模拟实验平台的正前方3m处。

本发明所述的土木工程中模拟煤层开采的实验教具，其中，所述模拟实验平台的顶部四个角设置有4个固定柱，在所述固定柱上沿所述模拟实验平台的长度方向上固定有两个所述支撑杆，所述V型骨料喷射装置和所述压实滚轮的宽度均为2600mm，所述滚动棍为直径300mm的圆柱体，所述压实滚轮的尺寸为外径0.3m，内径0.29m，长度2595mm，铁质，重量：380kg；所述滚动棍上的所述凹槽左右长为20mm，前后宽为20mm，深为20mm，相邻的两个所述凹槽之间的边缘部分厚度为1mm。

本发明所述的土木工程中模拟煤层开采的实验教具的安装方法，包括如下步骤：

架设模拟实验平台的底板、左右两侧、前侧和后侧的侧板，其中，前侧的侧板先用和后侧的侧板相同的侧护板固定；

在所述模拟实验平台中铺设各个岩层、水库模拟系统、智能均布加载系统和实时监测系统；

所述岩层的铺设过程采用智能骨料装载压实系统，在使用时，压实滚轮在中间靠右的部分，V型骨料喷射装置以一定的喷射速率和一定的运移速度向右喷射骨料，达到中间位置时，停止喷射骨料和运移，将所述压实滚轮缓慢近乎匀速的移动到左边，然后所述V型骨料喷射装置重新开始喷射骨料和运移，完成骨料铺设后，继续将所述压实滚轮缓慢近乎匀速的从左边移到右边，然后所述V型骨料喷射装置又缓慢匀速地从右边移到左边，开始下一层铺设；

待整个模型做完风干后拆除所述模拟实验平台的前侧的侧板上的所述侧护板，安装上透明钢化玻璃；

当模拟采煤时，位于前侧的日采煤模拟水袋先出水，模拟煤层开挖顺序，这时候闭塞装置处于闭合状态，当按照模拟时间在一定的时间内模拟开挖完第一个日采煤模拟水袋的煤层时，即第一个日采煤模拟水袋里的水出完了，此时，打开第一个日采煤模拟水袋与第二个日采煤模拟水袋之间的闭塞装置，第二个日采煤模拟水袋里的水开始往外流，如此，第一个所述煤层模拟水袋模拟完毕，开始第二个所述煤层模拟水袋的模拟，直至结束；

当需要模拟充填时，整条所述煤层模拟水袋已经成为真空状态，当充满水后，关闭管口，同时关闭所述闭塞装置；

在最后水库模拟系统完全垮落之后，利用坝体注水出水口排除所述水库模拟系统内的所有的水，然后通过所述坝体注水出水口往内部注水，让内部水位从0开始上升，求得其水位和水量之间的关系，当通过压力监测系统和光学钻孔窥视监测系统确定所述水库模拟系统满时，能够求出注水量和水库总体积之间的比值，对于所述水库模拟系统的容许库容有了直接的判断。

本发明土木工程中模拟煤层开采的实验教具与现有技术不同之处在于：

1、本发明设计的针对地下水库的三维相似模拟，除针对封闭情况下煤层的开挖，更是对煤炭开采的高度仿真模拟；

2、研究地下水库的库容和导水裂隙带发育等情况，这个作用是目前没人做到的；

3、设计不影响相似模拟研究的前提下具有封闭性质的水库坝体，对地下水库的库容和导水裂隙带发育等情况做更进一步的了解；

4、智能骨料装载压实系统，实现了科学高效的相似模拟铺设流程。

下面结合附图对本发明的土木工程中模拟煤层开采的实验教具作进一步说明。

附图说明

图1为本发明中模拟实验平台以及智能均布加载系统的结构示意图；

图2为本发明中水库模拟系统的结构示意图；

图3为本发明中智能骨料装载压实系统的立体结构示意图；

图4为本发明中智能骨料装载压实系统的剖面结构示意图；

图5为本发明中水库模拟系统的俯视剖面；

图6为本发明中第一个煤层模拟水袋处于充满状态下的水库模拟系统的正视剖面图；

图7为本发明中第一个煤层模拟水袋处于半压缩状态下的水库模拟系统的正视剖面图；

图8为本发明中第一个煤层模拟水袋处于完全压缩状态下的水库模拟系统的正视剖面图；

图9为本发明中日采煤模拟水袋的剖面结构示意图；

图10为本发明中智能均布加载系统的剖面结构示意图；

图11为本发明中水库模拟系统在模拟实验平台中的位置示意图；

图12为本发明中闭塞装置的正面剖面结构示意图；

图13为本发明中闭塞装置的侧面剖面结构示意图。

具体实施方式

如图1～图13所示，一种土木工程中模拟煤层开采的实验教具，包括模拟实验平台1、水库模拟系统2、智能均布加载系统、实时监测系统和智能骨料装载压实系统；

模拟实验平台1包括水库模拟系统2和设置在水库模拟系统2上部和下部的若干岩层，水库模拟系统2包括坝体模拟系统3和设置在坝体模拟系统3内部的煤层模拟系统4，煤层模拟系统4由从左至右依次排列的n个煤层模拟水袋构成，每个煤层模拟水袋包括从前往后依次连接的多个日采煤模拟水袋5，相邻两个日采煤模拟水袋5之间由闭塞装置25连接；在每个煤层模拟水袋的最前端的日采煤模拟水袋5上设置有与水管连接的注水出水口26；

日采煤模拟水袋5包括水袋顶板、水袋底板和水袋侧护板，水袋顶板和水袋底板为有机板，水袋侧护板为高强度塑料薄膜6，在左右两侧的高强度塑料薄膜6的内侧固定有上下两个钛合金板7，日采煤模拟水袋5的水袋顶板能够在外力作用下上下自由活动，将日采煤模拟水袋5的内部空间压缩或充满；

坝体模拟系统3包括坝体底板和四个坝体侧护板，在位于前侧的坝体侧护板上设置有多个供水管穿过的通孔24，通孔24与水管之间密封连接，坝体不透水。

以下为优选技术方案：

第一个煤层模拟水袋中日采煤模拟水袋5的水袋顶板的右侧设置有凹槽，第n个煤层模拟水袋中日采煤模拟水袋5的水袋顶板的左侧设置有凸起，第2～第n-1个煤层模拟水袋中日采煤模拟水袋5的水袋顶板的左侧设置有一个凸起，右侧设置有凹槽。

闭塞装置25为长方体结构，截面为正方形，包括圆柱形的闭合结构28，闭合结构28包括固定部29和连接在其后端的支撑部30，在支撑部30的前端设置有锥形体31，在固定部29的后侧设置有用于容纳锥形体31的圆锥形的空腔，固定部29和锥形体31之间通过滑杆32连接，在固定部29上缠绕有第一电线，在固定部29和锥形体31上缠绕有第二电线；

闭塞装置25还包括线路通道33，第一电线和第二电线的两端分别采用绝缘材料包裹后从线路通道33中穿出，与外接电源相连。线路通道33由密封胶密封，保证密封效果完好。

闭塞装置25的前半部分设置在前一个日采煤模拟水袋5中，后半部分设置在后一个日采煤模拟水袋5中；

滑杆32数量为对称设置的两个，固定部29和支撑部30均为圆柱形，闭塞装置25长为20mm，宽和高均为5mm，闭合结构28的直径为5mm，长为20mm，锥形体31的直径为5mm，长度为10mm，支撑部30的长度为5mm，滑杆32的最大拉伸长度为3mm。滑杆32的结构为现有技术，为任意的能够实现本发明效果的结构。例如具有固定装置、杆体和限位装置的结构，杆体可以在一定范围内自由滑动。

闭合结构28内切于闭塞装置25的正方形内，正方形是为了可以使闭塞装置25与顶底板上下齐平稳定；圆形是方便缠绕电线产生磁场的作用，锥形体31是为了可以更好的密封和受力。尺寸的设计目的是极大增强密封性。

智能均布加载系统包括液压系统、加压板8和铁块9，铁块9的数量为多个，交错铺设在位于最上方的岩层的顶部，在铁块9的顶部设置有四个加压板8，用于均匀承受分布压力，为保证均匀加载，同时设计了四套加压板8，液压系统包括两个分别设置在模拟实验平台1左右两侧的支柱，支柱包括下支柱10和与下支柱10的上端活动连接的上支柱11，上支柱11的上端连接有两个水平杆12的一端，水平杆12的另一端分别连接有一个液压顶13，每个液压顶13分别连接一个加压板8；上支柱11可以旋转，可以上升与下降，不耽误铺设材料；当位置固定好之后，通过液压顶13提供精准动力，模拟上覆未模拟的岩层的自重；四套液压柱连接着智能控制系统，每块加压板8的压力可控制在相同固定值，最大值可达1.2MPa；

实时监测系统包括压力监测系统、光学钻孔窥视监测系统和正面影像分析系统；

压力监测系统为水压传感器14，设置在位于左侧的坝体侧护板上；

光学钻孔窥视监测系统为光学钻孔窥视仪27，设置在位于左侧的坝体侧护板上；

正面影像分析系统包括数码相机，设置在模拟实验平台的正前方，通过观测模型表面目标点在试验开采前后的数字图像，对开采前后图像进行分析，得出采场不同区域覆岩表面位移变化规律。

智能骨料装载压实系统包括支撑杆15、V型骨料喷射装置16和压实滚轮17；

支撑杆15水平设置在模拟实验平台1的上部，V型骨料喷射装置16包括骨料仓、滚动棍18和偏心棍19，骨料仓由呈V字型设置的第一挡板20和第二挡板21构成，装骨料，可由电脑控制以一定速率沿支撑杆15运移；第一挡板20的长度大于第二挡板21的长度，第一挡板20和第二挡板21之间通过前侧板和后侧板连接，形成用于容纳骨料的仓体，在骨料仓的底部设置有缺口22，在前侧板和后侧板之间固定有滚动棍18，在滚动棍18上均匀设置有多个凹槽，这样就细分了每次骨料的量，通过转速和移动速度，即可精确调节每一层岩层的高度；滚动棍18设置为分别与第一挡板20和第二挡板21内切，滚动棍18的转动，将滚动棍18上方的骨料装满，刮平，转动运送到滚动棍18以下；实现了骨料定量供应；在第二挡板21的外侧设置有偏心棍19，第一挡板20的顶端与支撑杆15活动连接。偏心棍19的震动造成骨料在前后平面上均匀平整，即模拟实验平台1宽的方向上，骨料均一；且震动造成滚动棍18骨料转动时，下方的骨料能掉落到模型中去；保证骨料不堆积，不凝结。

支撑杆15为前后两根；在前侧板的外侧设置有第一电机，第一电机与智能控速系统连接，第一电机的转动轴与滚动棍18的转动轴之间通过皮带连接，第一电机的转动轴的直径为30mm，滚动棍18的转动轴的直径为150mm；后侧板上固定有第二电机，第二电机的转动轴与偏心棍19的转动轴之间通过皮带连接，第二电机的转动轴的直径为150mm，偏心棍19的转动轴的直径为30mm。

这样的系统设计原因有2：首先三维模型面积大，人工铺设骨料不均匀，压实也不均匀，特别是面积大，造成了认为很难判断到底哪里高哪里低，哪里松哪里密实，而V型骨料喷射装置16以一定的出料速度，根据岩层厚度即可确定需要的运移速度，因此当V型骨料喷射装置16从左运移到右，控制住骨料刚好喷洒完全，保证喷洒骨料的均匀性，而通过缓慢近乎匀速的人工推动压实滚轮17也保证了压实的均匀性；其次，缓慢近乎匀速的人工推动压实滚轮17，对于日采煤模拟水袋5模拟地下水库非常重要，因为水的流动性，当以传统方式砸实铺设的骨料时，水的流动性会造成前面砸好的骨料反弹松散，效果适得其反，因此整个设计非常适合带水的相似模拟实验。

模拟实验平台1为长方体装置，长为8000mm，宽为2600mm，高为3800mm；这么设计的原因是，模拟按照100:1的缩放比设计的，因此以宽为设计核心，以200m工作面倾斜长为标准，两侧各30m煤柱，则宽定位2600mm，考虑到裂隙带的发育高度以煤层厚度10m计算，则至少要求1000mm以上的高度，又考虑到含水层距离煤层的关系不定，因此一般高度定的较大则模型运用范围越大，因此结合作业难度和造价成本考虑，设计在3800mm；而长度则是因为至少要保证煤层开挖模拟至少要超过大见方的3倍以上，以至少完成一次初次来压和两次周期来压，再结合作业难度和造价成本考虑因此设计为8000mm合适。

模拟实验平台1的底板和左右两侧的侧板均为钢板，前侧的侧板为透明材料制成，后侧的侧板由多个侧护板上下堆叠固定而成，侧护板包括板体和固定在板体上端和下端的支撑板，在板体的左右两侧采用螺丝固定；侧护板的整体结构类似于将工字钢沿中间纵向切成一半的结构，切的那面(板体)贴在模型架子上，两侧用螺丝固定，上下各有一个平面(支撑板)，主要作用是方便运移，抬，拉，同时上下支撑板之间接触，进一步密封。

模拟实验平台1的顶部四个角设置有4个固定柱，在固定柱上沿模拟实验平台1的长度方向上固定有两个支撑杆15，V型骨料喷射装置16和压实滚轮17的宽度均为2600mm，滚动棍18为直径300mm的圆柱体，压实滚轮17的尺寸为外径0.3m，内径0.29m，长度2595mm，铁质，重量：380kg，通过缓慢近乎匀速的推动，压实了模型骨料；滚动棍18上的凹槽左右长为20mm，前后宽为20mm，深为20mm，相邻的两个凹槽之间的边缘部分厚度为1mm。

坝体模拟系统3的坝体底板和四个坝体侧护板均采用有机板制成，坝体底板的厚度为3mm，位于左侧的坝体侧护板的厚度为50mm，其他的坝体侧护板的厚度为4mm；坝体侧护板上的通孔24的直径为7mm；在位于前侧的坝体侧护板上设置有直径为6mm的坝体注水出水口23；坝体注水出水口23是为了对坝体内部、水袋以外的空间中水的处理。

智能均布加载系统的支柱距离模拟实验平台1的距离为1m，铁块9的规格为长×宽×高＝160mm×52mm×20mm和长×宽×高＝80mm×52mm×20mm，加压板8的压力值最大为1.2MPa；

在左右方向上，多个日采煤模拟水袋5的总长度为2000mm，水袋顶板的厚度为4mm，水袋底板的厚度为2mm，钛合金板7的厚度为2mm，水袋顶板和水袋底板的硬度要求HB＞20，钛合金板7的硬度要求HB＞150；

注水出水口26的直径为6mm，采用能够变形的塑胶制成；

煤层模拟水袋的数量为100个，总长6m，在第一个煤层模拟水袋的左侧和最后一个煤层模拟水袋的右侧1m范围内设置有采用骨料堆砌的煤柱；

所有的日采煤模拟水袋5的内部空间连接起来用于模拟待开采的煤层；

坝体底板距离待开采的煤层的底板的距离为13mm；

水压传感器14与坝体底板的下表面之间的距离为15mm；

正面影像分析系统设置在模拟实验平台1的正前方3m处。

本发明的土木工程中模拟煤层开采的实验教具的安装方法，包括如下步骤：

架设模拟实验平台1的底板、左右两侧、前侧和后侧的侧板，其中，前侧的侧板先用和后侧的侧板相同的侧护板固定；

在模拟实验平台1中铺设各个岩层、水库模拟系统2、智能均布加载系统和实时监测系统；

岩层的铺设过程采用智能骨料装载压实系统，在使用时，压实滚轮17在中间靠右的部分，V型骨料喷射装置16以一定的喷射速率和一定的运移速度向右喷射骨料，达到中间位置时，停止喷射骨料和运移，将压实滚轮17缓慢近乎匀速的移动到左边，然后V型骨料喷射装置16重新开始喷射骨料和运移，完成骨料铺设后，继续将压实滚轮17缓慢近乎匀速的从左边移到右边，然后V型骨料喷射装置16又缓慢匀速地从右边移到左边，开始下一层铺设；

待整个模型做完风干后拆除模拟实验平台1的前侧的侧板上的侧护板，安装上透明钢化玻璃；

当模拟采煤时，位于前侧的日采煤模拟水袋5先出水，模拟煤层开挖顺序，这时候闭塞装置25处于闭合状态，当按照模拟时间在一定的时间内模拟开挖完第一个日采煤模拟水袋5的煤层时，即第一个日采煤模拟水袋5里的水出完了，此时，打开第一个日采煤模拟水袋5与第二个日采煤模拟水袋5之间的闭塞装置25，第二个日采煤模拟水袋5里的水开始往外流，如此，第一个煤层模拟水袋模拟完毕，开始第二个煤层模拟水袋的模拟，直至结束；

当需要模拟充填时，整条煤层模拟水袋已经成为真空状态，当充满水后，关闭管口，同时关闭闭塞装置25；

在最后水库模拟系统2完全垮落之后，利用坝体注水出水口23排除水库模拟系统2内的所有的水，然后通过坝体注水出水口23往内部注水，让内部水位从0开始上升，求得其水位和水量之间的关系，当通过压力监测系统和光学钻孔窥视监测系统确定水库模拟系统2满时，能够求出注水量和水库总体积之间的比值，对于水库模拟系统2的容许库容有了直接的判断。

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 (9)

1.一种土木工程中模拟煤层开采的实验教具，其特征在于：包括模拟实验平台(1)、水库模拟系统(2)、智能均布加载系统、实时监测系统和智能骨料装载压实系统；

所述模拟实验平台(1)包括所述水库模拟系统(2)和设置在所述水库模拟系统(2)上部和下部的若干岩层，所述水库模拟系统(2)包括坝体模拟系统(3)和设置在所述坝体模拟系统(3)内部的煤层模拟系统(4)，所述煤层模拟系统(4)由从左至右依次排列的n个煤层模拟水袋构成，每个所述煤层模拟水袋包括从前往后依次连接的多个日采煤模拟水袋(5)，相邻两个所述日采煤模拟水袋(5)之间由闭塞装置(25)连接；在每个所述煤层模拟水袋的最前端的所述日采煤模拟水袋(5)上设置有与水管连接的注水出水口(26)；

所述日采煤模拟水袋(5)包括水袋顶板、水袋底板和水袋侧护板，所述水袋顶板和水袋底板为有机板，所述水袋侧护板为高强度塑料薄膜(6)，在左右两侧的高强度塑料薄膜(6)的内侧固定有上下两个钛合金板(7)，所述日采煤模拟水袋(5)的水袋顶板能够在外力作用下上下自由活动，将所述日采煤模拟水袋(5)的内部空间压缩或充满；

所述坝体模拟系统(3)包括坝体底板和四个坝体侧护板，在位于前侧的坝体侧护板上设置有多个供所述水管穿过的通孔(24)，所述通孔(24)与所述水管之间密封连接；

所述智能均布加载系统包括液压系统、加压板(8)和铁块(9)，所述铁块(9)的数量为多个，交错铺设在位于最上方的所述岩层的顶部，在所述铁块(9)的顶部设置有四个所述加压板(8)，所述液压系统包括两个分别设置在所述模拟实验平台(1)左右两侧的支柱，所述支柱包括下支柱(10)和与所述下支柱(10)的上端活动连接的上支柱(11)，所述上支柱(11)的上端连接有两个水平杆(12)的一端，所述水平杆(12)的另一端分别连接有一个液压顶(13)，每个所述液压顶(13)分别连接一个所述加压板(8)；

所述实时监测系统包括压力监测系统、光学钻孔窥视监测系统和正面影像分析系统；

所述压力监测系统为水压传感器(14)，设置在位于左侧的所述坝体侧护板上；

所述光学钻孔窥视监测系统为光学钻孔窥视仪(27)，设置在位于左侧的所述坝体侧护板上；

所述正面影像分析系统包括数码相机，设置在所述模拟实验平台(1)的正前方。

2.根据权利要求1所述的土木工程中模拟煤层开采的实验教具，其特征在于：第一个所述煤层模拟水袋中所述日采煤模拟水袋(5)的水袋顶板的右侧设置有凹槽，第n个所述煤层模拟水袋中所述日采煤模拟水袋(5)的水袋顶板的左侧设置有凸起，第2～第n-1个所述煤层模拟水袋中所述日采煤模拟水袋(5)的水袋顶板的左侧设置有一个凸起，右侧设置有凹槽。

3.根据权利要求2所述的土木工程中模拟煤层开采的实验教具，其特征在于：所述闭塞装置(25)为长方体结构，包括圆柱形的闭合结构(28)，所述闭合结构(28)包括固定部(29)和连接在其后端的支撑部(30)，在所述支撑部(30)的前端设置有锥形体(31)，在所述固定部(29)的后侧设置有用于容纳所述锥形体(31)的圆锥形的空腔，所述固定部(29)和所述锥形体(31)之间通过滑杆(32)连接，在所述固定部(29)上缠绕有第一电线，在所述固定部(29)和所述锥形体(31)上缠绕有第二电线；

所述闭塞装置(25)还包括线路通道(33)，所述第一电线和所述第二电线的两端分别采用绝缘材料包裹后从所述线路通道(33)中穿出，与外接电源相连。

4.根据权利要求3所述的土木工程中模拟煤层开采的实验教具，其特征在于：所述闭塞装置(25)的前半部分设置在前一个所述日采煤模拟水袋(5)中，后半部分设置在后一个所述日采煤模拟水袋(5)中；

所述滑杆(32)数量为对称设置的两个，所述固定部(29)和所述支撑部(30)均为圆柱形，所述闭塞装置(25)长为20mm，宽和高均为5mm，所述闭合结构(28)的直径为5mm，长为20mm，所述锥形体(31)的直径为5mm，长度为10mm，所述支撑部(30)的长度为5mm，所述滑杆(32)的最大拉伸长度为3mm。

5.根据权利要求4所述的土木工程中模拟煤层开采的实验教具，其特征在于：所述智能骨料装载压实系统包括支撑杆(15)、V型骨料喷射装置(16)和压实滚轮(17)；

所述支撑杆(15)水平设置在所述模拟实验平台(1)的上部，所述V型骨料喷射装置(16)包括骨料仓、滚动棍(18)和偏心棍(19)，所述骨料仓由呈V字型设置的第一挡板(20)和第二挡板(21)构成，所述第一挡板(20)的长度大于所述第二挡板(21)的长度，所述第一挡板(20)和第二挡板(21)之间通过前侧板和后侧板连接，形成用于容纳骨料的仓体，在所述骨料仓的底部设置有缺口(22)，在所述前侧板和所述后侧板之间固定有所述滚动棍(18)，在所述滚动棍(18)上均匀设置有多个凹槽，所述滚动棍(18)设置为分别与所述第一挡板(20)和所述第二挡板(21)内切，在所述第二挡板(21)的外侧设置有所述偏心棍(19)，所述第一挡板(20)的顶端与所述支撑杆(15)活动连接。

6.根据权利要求5所述的土木工程中模拟煤层开采的实验教具，其特征在于：所述支撑杆(15)为前后两根；在所述前侧板的外侧设置有第一电机，所述第一电机与智能控速系统连接，所述第一电机的转动轴与所述滚动棍(18)的转动轴之间通过皮带连接，所述第一电机的转动轴的直径为30mm，所述滚动棍(18)的转动轴的直径为150mm；所述后侧板上固定有第二电机，所述第二电机的转动轴与所述偏心棍(19)的转动轴之间通过皮带连接，所述第二电机的转动轴的直径为150mm，所述偏心棍(19)的转动轴的直径为30mm。

7.根据权利要求6所述的土木工程中模拟煤层开采的实验教具，其特征在于：所述模拟实验平台(1)为长方体装置，长为8000mm，宽为2600mm，高为3800mm；所述模拟实验平台(1)的底板和左右两侧的侧板均为钢板，前侧的侧板为透明材料制成，后侧的侧板由多个侧护板上下堆叠固定而成，所述侧护板包括板体和固定在所述板体上端和下端的支撑板，在所述板体的左右两侧采用螺丝固定；

所述坝体模拟系统(3)的所述坝体底板和四个所述坝体侧护板均采用有机板制成，所述坝体底板的厚度为3mm，位于左侧的所述坝体侧护板的厚度为50mm，其他的所述坝体侧护板的厚度为4mm；所述坝体侧护板上的通孔(24)的直径为7mm；在位于前侧的所述坝体侧护板上设置有直径为6mm的坝体注水出水口(23)；

所述智能均布加载系统的支柱距离所述模拟实验平台(1)的距离为1m，所述铁块(9)的规格为长×宽×高＝160mm×52mm×20mm和长×宽×高＝80mm×52mm×20mm，所述加压板(8)的压力值最大为1.2MPa；

在左右方向上，多个所述日采煤模拟水袋(5)的总长度为2000mm，水袋顶板的厚度为4mm，水袋底板的厚度为2mm，所述钛合金板(7)的厚度为2mm，所述水袋顶板和所述水袋底板的硬度要求HB＞20，所述钛合金板(7)的硬度要求HB＞150；

所述注水出水口(26)的直径为6mm，采用能够变形的塑胶制成；

所述煤层模拟水袋的数量为100个，总长6m，在第一个所述煤层模拟水袋的左侧和最后一个所述煤层模拟水袋的右侧1m范围内设置有采用骨料堆砌的煤柱；

所有的所述日采煤模拟水袋(5)的内部空间连接起来用于模拟待开采的煤层；

所述坝体底板距离待开采的所述煤层的底板的距离为13mm；

所述水压传感器(14)与所述坝体底板的下表面之间的距离为15mm；

所述正面影像分析系统设置在所述模拟实验平台(1)的正前方3m处。

8.根据权利要求7所述的土木工程中模拟煤层开采的实验教具，其特征在于：所述模拟实验平台(1)的顶部四个角设置有4个固定柱，在所述固定柱上沿所述模拟实验平台(1)的长度方向上固定有两个所述支撑杆(15)，所述V型骨料喷射装置(16)和所述压实滚轮(17)的宽度均为2600mm，所述滚动棍(18)为直径300mm的圆柱体，所述压实滚轮(17)的尺寸为外径0.3m，内径0.29m，长度2595mm，铁质，重量：380kg；所述滚动棍(18)上的所述凹槽左右长为20mm，前后宽为20mm，深为20mm，相邻的两个所述凹槽之间的边缘部分厚度为1mm。

9.权利要求8所述的土木工程中模拟煤层开采的实验教具的安装方法，其特征在于：包括如下步骤：

架设模拟实验平台(1)的底板、左右两侧、前侧和后侧的侧板，其中，前侧的侧板先用和后侧的侧板相同的侧护板固定；

在所述模拟实验平台(1)中铺设各个岩层、水库模拟系统(2)、智能均布加载系统和实时监测系统；

所述岩层的铺设过程采用智能骨料装载压实系统，在使用时，压实滚轮(17)在中间靠右的部分，V型骨料喷射装置(16)以一定的喷射速率和一定的运移速度向右喷射骨料，达到中间位置时，停止喷射骨料和运移，将所述压实滚轮(17)缓慢近乎匀速的移动到左边，然后所述V型骨料喷射装置(16)重新开始喷射骨料和运移，完成骨料铺设后，继续将所述压实滚轮(17)缓慢近乎匀速的从左边移到右边，然后所述V型骨料喷射装置(16)又缓慢匀速地从右边移到左边，开始下一层铺设；

待整个模型做完风干后拆除所述模拟实验平台(1)的前侧的侧板上的所述侧护板，安装上透明钢化玻璃；

当模拟采煤时，位于前侧的日采煤模拟水袋(5)先出水，模拟煤层开挖顺序，这时候闭塞装置(25)处于闭合状态，当按照模拟时间在一定的时间内模拟开挖完第一个日采煤模拟水袋(5)的煤层时，即第一个日采煤模拟水袋(5)里的水出完了，此时，打开第一个日采煤模拟水袋(5)与第二个日采煤模拟水袋(5)之间的闭塞装置(25)，第二个日采煤模拟水袋(5)里的水开始往外流，如此，第一个所述煤层模拟水袋模拟完毕，开始第二个所述煤层模拟水袋的模拟，直至结束；

当需要模拟充填时，整条所述煤层模拟水袋已经成为真空状态，当充满水后，关闭管口，同时关闭所述闭塞装置(25)；

在最后水库模拟系统(2)完全垮落之后，利用坝体注水出水口(23)排除所述水库模拟系统(2)内的所有的水，然后通过所述坝体注水出水口(23)往内部注水，让内部水位从0开始上升，求得其水位和水量之间的关系，当通过压力监测系统和光学钻孔窥视监测系统确定所述水库模拟系统(2)满时，能够求出注水量和水库总体积之间的比值，对于所述水库模拟系统(2)的容许库容有了直接的判断。

Images