CN108877465A - 一种模拟煤矿采空区顶板岩层运动规律的教学三维模型 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟煤矿采空区顶板岩层运动规律的教学三维模型，包括长方体框架、水袋、块体模块、承压组件、磁性体、发光源。长方体框架用来起固定作用，块体模块用于模拟采空区顶板，块体模块内放置磁性体和光源，光源用来标示相同岩性岩层，磁性体用来模拟岩体内部的内聚力，在箱体顶部放置水袋。通过升降承压组件模拟工作面开采，可观察到三维状况下工作面推进过程中采空区上覆岩层的运动情况，本发明满足了采矿三维模型中无法看见内部结构的需要，通过模型的演示,可以直观的观察到覆岩的“三带（垮落带、冒落带和弯曲下沉带）”分布,帮助学生认识和理解采空区上覆岩层的“三带”理论。

Description

一种模拟煤矿采空区顶板岩层运动规律的教学三维模型

技术领域

本发明属于煤矿教学技术领域，特别是涉及一种模拟煤矿采空区顶板岩层运动规律的教学三维模型。

背景技术

在煤矿地下开采的《矿山压力与岩层控制》课程中，采空区顶板岩层的运动规律是学习者必上的一堂模型课，而模型表达的形式，则直接影响着学习者对采场顶板运动规律的理解及思维。众所周知，煤层的上覆岩层由直接顶和老顶及老顶之上的多层复合顶及表土层组成；在煤层开采之前，这些顶板及表土层都是以板状或散体状形态存在；当煤层采出后，老顶和复合顶顶板都是以块状的形态向下垮落；特别是直接顶之上一定范围内的老顶，则以砌体梁的形态自然搭载在煤壁及采空区已垮落的矸石上。如何将采场顶板的动态变化情况，在教学模型上演示出来，使初学者一目了然，是当前的教学模型还未解决的一个难题。

以前的二维教学模型的做法是：先在模型的底部铺上一层煤层，再在煤层上面铺上一层由碎石组成的弱强度相似材料层，用来替代直接顶（易垮落的碎岩石），再在其上铺设一层同一规格的长方体硬质塑料，用来替代老顶（不易垮落，但有原生裂隙的岩体）；然后在老顶相似材料之上用不同规格的硬质塑料，多层放置在上面，用来替代老顶之上的多层复合层及表土层；最后在模型的最上面施加一定的压力。

当进行模型演示时，人工挖掉一部分最下层的煤层，模拟煤层开采；煤层上面的直接顶，即成碎块散落在采空区内，位于直接顶之上的老顶及复合顶则以带压状态下的垮落模式向下垮落。理论上讲，此时的老顶应是以弯曲状或砌体梁咬合状跨落在采空区内，但以前的模型实现不了这一点；这是因为模型中用来模拟老顶及老顶之上的复合顶用的长方体硬质塑料砌块之间没有咬合力，导致各自下沉垮落，这不符合理论及现场观测到的实际情况；实际情况是砌块之间尽管有裂隙存在，但在周边水平应力挤压的条件下，存在很大的摩擦力，保持岩块不会单独垮落，应该形成缓慢咬合下沉的砌体梁结构。另外，以前的教学用采场矿压模型都属于二维模型；而现有的三维模型，只能用来研究矿压引起的应力分布情况，而不能用于教学目的；这是因为模型中用的相似材料都是不透明的，且没有各层顶板的分别显色功能，对于各层顶板在开采过程中的形态变化，学生们无法用肉眼看清楚。因此，应开发出一种能够模拟顶板运动的轨迹，使观察者能直观的看出顶板岩层及表土层的动态变化情况，同时满足教师方便进行操作和讲解的教学三维模型。

要实现老顶及老顶以上的复合顶块体模块不会单独掉落的最佳方法是在模型周边水平方向进行强力加压，但这在小型的三维立体模型上难以实现，且强力加压会导致块体模块变形及破坏，不宜在教学模型上实施。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，一是在三维模型上使老顶模拟层模块及 复合顶模拟层模块在不进行水平加压的情况下，保持一定的咬合力，促成砌体梁形成；二是实现三维模型的动态可视化，使观察者可以方便看到岩层的运动轨迹；三是设计能够演示直接顶模拟层的碎胀特征，且便于恢复的直接顶模拟层，适合在试验教学过程中进行演示。

为解决上述技术问题，本发明的一种模拟煤矿采空区顶板岩层运动规律的教学三维模型，包括一个上端敞开的长方体框架、设置于长方体框架下部的长方形底板，在长方体框架的四个外侧面上安装有透明板，长方形底板的下方设置有与其平行的长方形安装板，安装板短边方向的一端对称设置有基座，安装板短边方向的一端与基座相铰接，安装板短边方向的另一端下方设有角度调节装置，安装板短边方向的中间设置有角度显示装置，底板的中间位置设置有开采区，开采区的底板上开设有多个沿纵向、横向排列的开孔，每个开孔内及与开孔相对应的安装板处设置有用来模拟煤层开采和直接顶垮落的可伸缩承压组件，开采区周边的底板上设置有煤层保留层及位于煤层保留层之上的直接顶保留层，开采区的可伸缩承压组件和直接顶保留层之上设置有老顶模拟层，老顶模拟层之上设置有复合顶模拟层，复合顶模拟层之上设置有表土层模拟层，表土层模拟层之上设置有可控水量的水袋，长方体框架之外设置有水袋水量控制系统。

所述老顶模拟层由内置有磁性体和发光源的大块体模块多层叠加组成，所述复合顶模拟层由内置有磁性体和发光源的中块体模块多层叠加组成，所述表土层模拟层由内置有发光源的小块体模块多层叠加组成。

所述角度调节装置为千斤顶，安装板短边方向的一端通过销轴与基座进行铰接。

所述角度显示装置为数显角度显示仪。

所述煤层保留层和直接顶保留层均由透明或半透明材料制成。

所述可伸缩承压组件包括用作支撑主件的电动推杆，电动推杆固定在安装板或底板上，其伸缩杆穿过开孔且端部固定安装有水平设置的下支撑垫片，下支撑垫片上固定安装有弹簧，弹簧的上端固定安装有水平设置的上支撑垫片，且上支撑垫片与直接顶保留层在同一水平面上；所述的支撑主件还可用电动螺旋千斤顶或油压千斤顶或涡轮丝杆升降机构替代。

所述电动推杆的伸缩杆和弹簧外表面均包裹可伸缩尼龙布，可伸缩尼龙布的表面均涂覆有显色涂料，且电动推杆伸缩杆上的可伸缩尼龙布与弹簧外表面的可伸缩尼龙布所涂覆的显色涂料的颜色不相同。

所述大块体模块的四个侧板上镶嵌有矩形磁铁，大块体模块的上顶板和下顶板上镶嵌有圆柱形磁铁，大块体模块内安装有LED灯；所述中块体模块的四个侧板上镶嵌有矩形磁铁，中块体模块的上顶板和下顶板上镶嵌有圆柱形磁铁，中块体模块内安装有LED灯；小块体模块内安装有LED灯；所述中块体模块的体积是大块体模块的体积的80%，小块体模块的体积是大块体模块的体积的60%，大块体模块、中块体模块、小块体模块均由透明材料制成，且大块体模块的棱角处、中块体模块的棱角处和小块体模块的棱角处均为倒圆角设置。

所述的大块体模块、中块体模块和小块体模块内安装的LED灯的电源为无线遥控控制的独立电源，或为外部控制的有线供电电源。

所述的水袋水量控制系统包括储水箱、水泵，储水箱与水泵通过吸水管路相连通，水泵与水袋通过上水管路相连通，水袋与储水箱通过排水管路相连通；所述的排水管路上设置有阀门，上水管路上设置有流量计。

所述透明板由多个呈条板状的有机玻璃板竖直叠加而成，且有机玻璃板通过紧固螺栓固定在长方体框架的四个侧面上；在实施中，为了防止框架最上部的水袋注水后挤坏有机玻璃板，水袋周边的有机玻璃板可用铝板或其它较高强度的条状板代替。

本发明相对于现有技术，其创新点及有益效果在于：

（1）模型顶部的加压装置，采用可控水量的水袋，实现了软加压，更加符合煤层上覆岩层载荷连续分布，且载荷随岩层下沉持续加载的现场实际情况；同时，用最简单的调节水量的方法实现载荷大小的随意控制，更适应于教学模型模拟演示的特点。

（2）当模拟煤层开采时，电动推杆的伸缩杆开始下降，弹簧也跟随发生伸胀，充填进由于电动推杆下降而留下的自由空间，可演示直接顶垮落后在采空区形成的碎胀状态，更接近现场的实际情况。

（3）大块体模块和中块体模块之间采用磁铁进行磁力连接后，可模拟老顶和复合顶岩块之间的咬合力，形成砌体梁结构的连续下沉效果；小块体模块内不设磁铁，可形成散体状下沉的效果，增加视觉感；且各模拟层的下沉及恢复不用手工操作，

（4）大块体模块、中块体模块和小块体模块内部都设有发光源，不同的岩层可以采用不同颜色的灯光进行标识，可以清楚的观察各岩层下沉情况，当模拟煤层开挖后，可以实时观看顶板各岩层内部下沉运动规律。

（5）模型演示一次开采过程，到最终恢复原始状态，人工操作简单快捷，符合教学模型的必备特征。

附图说明

图1为本发明实施例中的教学三维模型的结构示意图；

图2为本发明实施例中的长方体框架及开采区内电动推杆布置立体示意图；

图3为本发明实施例中的电动推杆排列平面示意图；

图4为本发明实施例中大块体模块的内部结构立体示意图；

图5为本发明实施例中大块体模块的内部结构主视示意图；

图6为本发明实施例中有机玻璃板与框架安装俯视图。

附图标记

1、销轴；2、电动推杆；3、弹簧；4、安装板；5、数显角度显示仪；6、开采区；7、千斤顶；8、底板；9、煤层保留层；10、直接顶保留层；11、大块体模块；12、LED灯；13、老顶模拟层；14、复合顶模拟层；15、中块体模块；16、小块体模块；17、表土模拟层；18、水袋；19、阀门；20、上水管路；21、流量计；22、水泵；23、吸水管路；24、储水箱；25、排水管路；26、上支撑垫片；27、下支撑垫片；28、长方体框架；29、矩形磁铁；30、圆柱形磁铁；31、倒圆角；32、角钢；33、有机玻璃板；34、紧固螺栓；35、基座。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面结合附图对本发明实施方式作进一步详细描述。

如图1所示，本发明所述的一种模拟煤矿采空区顶板岩层运动规律的教学三维模型，包括一个上端敞开的长方体框架28、设置于长方体框架28下部的长方形底板8、设置于底板8下部的长方形安装板4、底板8中间的开采区6、煤层保留层9、直接顶保留层10、模拟煤层开采及直接顶垮落的承压组件、老顶模拟层13、复合顶模拟层14、表土层模拟层17、水袋水量控制系统。

如图1、图2、图6所示，所述上端敞开的长方体框架28为一钢构结构，由焊接在底板8四角的四条角钢32组成；长方体框架28的长度为2.0米，宽度为1.6米，高度为1.8米；长方体框架28的四个侧面用紧固螺栓34固定有透明板，该实施例中透明板采用条板状可拆卸的有机玻璃板33，顶部敞开，实施中为了防止水袋18注水后挤坏条板状可拆卸的有机玻璃板33，可将水袋18两边的条板状可拆卸的有机玻璃板33用同尺寸的铝板或其它较高强度的条状板代替。长方体框架28的底部设置有长方形底板8，底板8的长、宽尺寸与长方体框架28的长、宽相等，底板8的下方设置有与其平行的长方形安装板4，安装板4的短边方向的左端安装有对称设置的基座35，基座35与安装板4的左端通过销轴铰接，安装板4的短边方向右端设置有角度调节千斤顶7，安装板4的中间安装有数显角度显示仪5，通过调节角度调节千斤顶7使模型架在0°～8°的范围内调整，而模型架的角度调节度数通过数显角度仪5直观的读出。

如图1、图2所示，所述底板8的中间设置有煤层开采区6，其长度为1.4米，宽度为1米，高度为30厘米；开采区6的周边设置有煤层保留层9，其厚度为15厘米，煤层保留层9由半透明树脂组成；煤层保留层9之上设置有直接顶保留层10，其厚度为15厘米，直接顶保留层10由透明树脂组成。

如图1、图2、图3所示，所述开采区6的底板8上开设有多个沿纵、横向排列的开孔，每个开孔内及开孔相对应的安装板4处均设置有用来模拟煤层开采及直接顶垮落的可伸缩承压组件，该实施例中的可伸缩承压组件由电动推杆2及弹簧3组成。所述的电动推杆2固定在开采区6处底板8的下端面及安装板4的上端面上，电动推杆 2的伸缩杆穿过开采区6处底板8上的开孔，且在伸缩杆的上端部固定安装有水平设置的下支撑片27，下支撑片27之上固定安装有弹簧3，弹簧3的上端固定安装有水平设置的上支撑片26，且上支撑垫片26的上端面在弹簧3压缩后与直接顶保留层10的上端面处于同一水平。所述的电动推杆2的伸缩杆和弹簧3的外表面均包裹涂有显色涂料的可伸缩尼龙布；其中，电动推杆 2伸缩杆上尼龙布涂的显色涂料的颜色为黑色，弹簧3上尼龙布涂的显色涂料的颜色为蓝色。

如图1所示，所述上支撑垫片26的上端面和直接顶保留层10的上端面之上设置有老顶模拟层13，老顶模拟层13由多层沿模型纵向、横方向排列的大块体模块11叠加组成。如图4、图5所示，所述大块体模块11的棱和角均为倒圆角31设置的长方体，由透明有机玻璃材料制成；其长度为10厘米，宽度为8厘米，厚度为6厘米；大块体模块的前、后、左、右四个面上分别镶嵌有同一规格的矩形磁铁29，矩形磁铁29的尺寸为：长4厘米，宽2厘米，厚0.6厘米；大块体模块11的顶、底面上分别镶嵌同一规格的圆柱形磁铁30，圆柱形磁铁30的直径为1.5厘米，厚度为0.6厘米。大块体模块11的内部安装有自带电源或有线供电电源且可无线遥控的红色LED灯12。

老顶模拟层13之上设置复合顶模拟层14，复合顶模拟层14由多层沿模型纵、横方向排列的中块体模块15叠加组成；中块体模块15的外形形状、磁铁设置形式及材质构成均与大块体模块11相同，中块体模块15的体积参数及磁铁尺寸为大块体模块11的80%，中块体模块15的内部安装有自带电源或有线供电电源且可无线遥控的黄色LED灯。

复合顶模拟层14之上设置表土层模拟层17，表土层模拟层17由多层沿模型纵向、横方向排列的小块体模块16叠加组成，小块体模块16的外形形状及材质均与大块体模块11相同，小块体模块16的体积参数为大块体模块11的60%，小块体模块16的内部安装有有线供电电源且可无线遥控的绿色LED灯，不安装磁铁。

如图1所示，所述的水袋水量控制系统，包括放置于表土层模拟层17之上的水袋18及设置于长方体框架28外部的储水箱24、水泵22；储水箱24与水泵22之间通过吸水管路23相连通，水泵22与水袋18通过上水管路20相连通，水袋18与储水箱24通过排水管路25相连通；所述的排水管路25上设置有阀门19，便于对由水袋18内回流至储水箱24内的水量进行控制，上水管路20上设置有流量计21，便于通过流量计21的读数能够清晰地知道流入水袋18内的水量多少。

该实施例中老顶模拟层13中的大块体模块11内的磁场强度最强，其矩形磁铁29的磁场强度为500高斯～1000高斯，圆柱形磁铁30的磁场强度为300高斯～500高斯。复合顶模拟层14的中块体模块15的磁场强度次之，且复合顶模拟层14的中块体模块15内的磁场强度由下层到上层逐次减弱，其矩形磁铁的磁场强度为300高斯～500高斯，圆柱形磁铁的磁场强度为200高斯～300高斯。

本实施例的准备和教学演示过程，包括以下步骤：

第一步：调节千斤顶7，根据数显角度仪5的读数将模型架的角度调整为与水平方向呈6°的夹角；

第二步：通过计算得出水袋18内所需水量，开动水泵22，将储水池24内的水抽入水袋18内，通过流量计21观察水袋18内的水量达到设定值以后停止注水；

第三步：在模型的长边方向，从任一边开始依次逐排开启电动推杆2，使其伸缩杆成排逐渐降低，模拟煤层的开挖；弹簧3及上支撑垫片26随着下沉，由于弹簧3释放压力后伸长，可充填煤层开挖的采空区及其自身原位置的部分空间，用来表现直接顶垮落后的碎胀性；此过程中，煤层保留层9及直接顶保留层10作为煤柱不发生动态变化，而模拟煤层开采的电动推杆2伸缩杆上外包裹的黑色尼龙布则下降，同时，模拟直接顶垮落及碎胀的弹簧3外包裹的蓝色尼龙布则下部下降、上部上升；

第四步：在电动推杆2伸缩杆成排下降的初期，由于下降空间较小，老顶模拟层13上的大块体模块11和复合顶模拟层14上的中块体模块15以及表土模拟层17上的小块体模块16还可以保持稳定，不产生下沉；

第五步：随着成排电动推杆2伸缩杆的陆续下降，开采区6的空间逐渐变大，老顶模拟层13上的大块体模块11和复合顶模拟层14上的中块体模块15开始呈咬合力学结构形态下沉，表土模拟层17上的小块体模块16开始呈散体结构形态下沉，最终形成稳定结构；

第六步：在演示顶板下沉的过程中，可同时或分别遥控打开老顶模拟层13、复合顶模拟层14、表土层模拟层17块体模块内的光源，使它们的下沉轨迹显示出来，使观察者可以通过有机玻璃板直观地看到各个模拟层的运动变化过程及最终下沉稳定状态；

第八步：模型复原时，打开排水管路25上的阀门19，将水袋18内的水放至储水池24内，启动全部电动推杆2并将其向上升至最大高度，使老顶模拟层13、复合顶模拟层14、表土模拟层17均恢复至初始位置，即可重复进行下一次模拟演示。

上述为本发明较佳的实施例，但本发明的实施方式并不受实施例内容的限制，其构件的形状、所取名称等可以不同，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种模拟煤矿采空区顶板岩层运动规律的教学三维模型，包括一个上端敞开的长方体框架、设置于长方体框架下部的长方形底板，其特征在于：在长方体框架的四个外侧面上安装有透明板，长方形底板的下方设置有与其平行的长方形安装板，安装板短边方向的一端对称设置有基座，安装板短边方向的一端与基座相铰接，安装板短边方向的另一端下方设有角度调节装置，安装板短边方向的中间设置有角度显示装置，底板的中间位置设置有开采区，开采区的底板上开设有多个沿纵向、横向排列的开孔，每个开孔内及与开孔相对应的安装板处设置有用来模拟煤层开采和直接顶垮落的可伸缩承压组件，开采区周边的底板上设置有煤层保留层及位于煤层保留层之上的直接顶保留层，开采区的可伸缩承压组件和直接顶保留层之上设置有老顶模拟层，老顶模拟层之上设置有复合顶模拟层，复合顶模拟层之上设置有表土层模拟层，表土层模拟层之上设置有可控水量的水袋，长方体框架之外设置有水袋水量控制系统；

所述老顶模拟层由内置有磁性体和发光源的大块体模块多层叠加组成，所述复合顶模拟层由内置有磁性体和发光源的中块体模块多层叠加组成，所述表土层模拟层由内置有发光源的小块体模块多层叠加组成。

2.根据权利要求1所述的一种模拟煤矿采空区顶板岩层运动规律的教学三维模型，其特征在于：所述角度调节装置为千斤顶，安装板短边方向的一端通过销轴与基座进行铰接。

3.根据权利要求1或2所述的一种模拟煤矿采空区顶板岩层运动规律的教学三维模型，其特征在于：所述角度显示装置为数显角度显示仪。

4.根据权利要求1所述的一种模拟煤矿采空区顶板岩层运动规律的教学三维模型，其特征在于：所述煤层保留层和直接顶保留层均由透明或半透明材料制成。

5.根据权利要求1所述的一种模拟煤矿采空区顶板岩层运动规律的教学三维模型，其特征在于：所述可伸缩承压组件包括用作支撑主件的电动推杆，电动推杆固定在安装板或底板上，其伸缩杆穿过开孔且端部固定安装有水平设置的下支撑垫片，下支撑垫片上固定安装有弹簧，弹簧的上端固定安装有水平设置的上支撑垫片，且上支撑垫片与直接顶保留层在同一水平面上；所述的支撑主件还可用电动螺旋千斤顶或油压千斤顶或涡轮丝杆升降机构替代。

6.根据权利要求5所述的一种模拟煤矿采空区顶板岩层运动规律的教学三维模型，其特征在于：所述电动推杆的伸缩杆和弹簧的外表面均包裹有可伸缩尼龙布，可伸缩尼龙布的表面均涂覆有显色涂料，且电动推杆伸缩杆上的可伸缩尼龙布与弹簧外表面的可伸缩尼龙布所涂覆的显色涂料的颜色不相同。

7.根据权利要求1所述的一种模拟煤矿采空区顶板岩层运动规律的教学三维模型，其特征在于：所述大块体模块的四个侧板上镶嵌有矩形磁铁，大块体模块的上端顶板和下端底板上镶嵌有圆柱形磁铁，大块体模块内安装有LED灯；所述中块体模块的四个侧板上镶嵌有矩形磁铁，中块体模块的上端顶板和下端底板上镶嵌有圆柱形磁铁，中块体模块内安装有LED灯；小块体模块内安装有LED灯；所述中块体模块的体积是大块体模块的体积的80%，小块体模块的体积是大块体模块的体积的60%，大块体模块、中块体模块、小块体模块均由透明材料制成，且大块体模块的棱角处、中块体模块的棱角处和小块体模块的棱角处均为倒圆角设置。

8.根据权利要求1所述的一种模拟煤矿采空区顶板岩层运动规律的教学三维模型，其特征在于：所述的水袋水量控制系统包括储水箱、水泵，储水箱与水泵通过吸水管路相连通，水泵与水袋通过上水管路相连通，水袋与储水箱通过排水管路相连通；所述的排水管路上设置有阀门，上水管路上设置有流量计。

9.根据权利要求1所述的 一种模拟煤矿采空区顶板岩层运动规律的教学三维模型，其特征在于：所述透明板由多个呈条板状的有机玻璃板竖直叠加而成，且有机玻璃板通过紧固螺栓固定在长方体框架的四个侧面上。