CN108896732A - 一种三维相似模拟试验中采煤高仿真模拟系统 - Google Patents

一种三维相似模拟试验中采煤高仿真模拟系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三维相似模拟试验中采煤高仿真模拟系统，包括三维相似模拟实验平台(1)，其中设置有采煤模拟系统(2)和其他岩层；所述三维相似模拟实验平台(1)为长方体，其后侧的侧板上水平设置有长条形通孔，所述采煤模拟系统(2)包括煤层模拟系统和开采模拟系统，所述煤层模拟系统由多个煤层模拟杆从右到左排列而成，所述煤层模拟杆包括杆体(3)和连接在其后端的螺纹杆(4)，在所述煤层模拟杆的后侧套设有煤柱模拟框(5)。本发明三维相似模拟试验中采煤高仿真模拟系统实现了煤层开采的原位模拟，即严格按照开采的速度开采。

Description

一种三维相似模拟试验中采煤高仿真模拟系统
技术领域
本发明涉及矿山机械领域，特别是涉及一种三维相似模拟试验中采煤高仿真模拟系统。
背景技术
煤炭开采会打破围岩岩层原有的力学平衡,引起岩体发生相对移动、错动甚至断裂,并重复、持续组建新的力学平衡,由于地质条件各异性，很多时候在开采之前我们需要通过一系列的实验来预测岩层的破坏特征，为此，相似模拟实验是针对此类问题最好手段之一；
相似模拟目前存在的问题主要是大部分针对的是二维相似模拟，三维相似模拟实验的相似度不高，很少考虑到边界效应，没有考虑到开采速度等；因此会对实验质量造成很大影响；
目前主要的对比文件为：201610257972.8，油囊式固体充填采煤三维物理相似模拟实验装置及方法和申请号：201510274306.0，采场密闭空间煤层回采三维物理相似模拟实验装置及方法；这两种方法体现了现在解决三维相似模拟实验封闭空间内煤层模拟开采的思路，
但是，本文提供的是一个新的思路，既考虑边界效应，又考虑推进速度，并且充分考虑到减小工人强度，实现智能化和精确化的实验过程；
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、操作简便的三维相似模拟试验中采煤高仿真模拟系统。本发明三维相似模拟试验中采煤高仿真模拟系统实现了煤层开采的原位模拟，即严格按照开采的速度开采。
一种三维相似模拟试验中采煤高仿真模拟系统，包括三维相似模拟实验平台，其中设置有采煤模拟系统和其他岩层；
所述三维相似模拟实验平台为长方体，其后侧的侧板上水平设置有长条形通孔，所述采煤模拟系统包括煤层模拟系统和开采模拟系统，所述煤层模拟系统由多个煤层模拟杆从右到左排列而成，所述煤层模拟杆包括杆体和连接在其后端的螺纹杆，在所述煤层模拟杆的后侧套设有煤柱模拟框。
本发明所述的三维相似模拟试验中采煤高仿真模拟系统，其中，所述杆体的横截面为正方形，所述螺纹杆的横截面为圆柱形，在所述螺纹杆上设置有螺纹结构，所述煤柱模拟框为横截面为正方形的管状结构。
本发明所述的三维相似模拟试验中采煤高仿真模拟系统，其中，所述开采模拟系统为智能稳速拉力仪，包括螺纹管和箱体，在所述箱体中设置有滑杆和与其相连的驱动装置，所述螺纹管设置在所述箱体的外部，通过钢丝与所述滑杆相连，在所述箱体上设置有供所述钢丝穿过的圆形通孔。
本发明所述的三维相似模拟试验中采煤高仿真模拟系统，其中，在所述箱体的底部设置有轮体和能够调节所述箱体的高度并起到固定作用的固定爪。
本发明所述的三维相似模拟试验中采煤高仿真模拟系统，其中，所述螺纹管为中空的圆柱体，在其内壁上设置有与所述螺纹杆相配合的螺纹结构。
本发明所述的三维相似模拟试验中采煤高仿真模拟系统，其中，所述煤层模拟系统的材质为铁。
本发明所述的三维相似模拟试验中采煤高仿真模拟系统，其中，所述三维相似模拟实验平台的长宽高分别为6000mm、2800mm和3000mm；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。
本发明所述的三维相似模拟试验中采煤高仿真模拟系统，其中，所述杆体的长度为2200mm，螺纹杆的长度为400mm，所述煤柱模拟框的长度为300mm，壁厚为10-15mm，所述螺纹杆的后端从所述煤柱模拟框中穿出，并且距离所述煤柱模拟框的后端之间的距离为100mm；
所述杆体和所述螺纹杆的中心轴重合，且所述杆体的宽度比所述螺纹杆的直径大16mm，所述螺纹管的壁厚小于8mm。
本发明所述的三维相似模拟试验中采煤高仿真模拟系统，其中，在所述杆体的上部和下部分别铺设有顶板模拟层和底板模拟层，所述杆体与所述顶板模拟层和所述底板模拟层之间铺设有云母片。
本发明所述的三维相似模拟试验中采煤高仿真模拟系统，其中，煤层模拟系统距离所述三维相似模拟实验平台的前侧壁、左侧壁和右侧壁之间具有300mm的空隙，在所述空隙采用骨料填充，形成边界煤柱模拟层。
本发明三维相似模拟试验中采煤高仿真模拟系统与现有技术不同之处在于：
本发明三维相似模拟试验中采煤高仿真模拟系统实现了煤层开采的原位模拟，即严格按照开采的速度开采，铁杆的抽出速度即为采煤机在工作面的采煤速度，铁杆的宽度也代表了采煤机的截齿长度，严格模拟每天开采的进度，实现了智能化和精细化的实验过程；
其次；本发明三维相似模拟试验中采煤高仿真模拟系统实现了边界全封闭采煤模拟，考虑了四周煤柱的边界效应；
第三：铁杆能够充分保证在骨料铺设过程中，不反弹，不震动，实现了顶层骨料的稳定可靠铺设，为实验的精确度打下良好基础；
下面结合附图对本发明的三维相似模拟试验中采煤高仿真模拟系统作进一步说明。
附图说明
图1为本发明中采煤模拟系统的位置示意图；
图2为本发明中采煤模拟系统的俯视剖面结构示意图；
图3为本发明中煤层模拟杆的结构示意图；
图4为本发明中开采模拟系统的结构示意图。
具体实施方式
如图1～图4所示，一种三维相似模拟试验中采煤高仿真模拟系统，包括三维相似模拟实验平台1，其中设置有采煤模拟系统2和其他岩层；
三维相似模拟实验平台1为长方体，其后侧的侧板上水平设置有长条形通孔，采煤模拟系统2包括煤层模拟系统和开采模拟系统，煤层模拟系统由多个煤层模拟杆从右到左排列而成，煤层模拟杆包括杆体3和连接在其后端的螺纹杆4，在煤层模拟杆的后侧套设有煤柱模拟框5。
以下为优选方案：
杆体3的横截面为正方形，螺纹杆4的横截面为圆柱形，在螺纹杆4上设置有螺纹结构，煤柱模拟框5为横截面为正方形的管状结构，内部尺寸略大于杆体3，模拟一侧的煤柱。
开采模拟系统为智能稳速拉力仪，主要为可以缓慢稳定拉动螺纹杆的仪器，具体拉动速度与拉力可调节控制，包括螺纹管6和箱体9，在箱体9中设置有滑杆7和与其相连的驱动装置8，驱动装置8为电机，由电力驱动带动电机旋转，减小震动，螺纹管6设置在箱体9的外部，通过钢丝12与滑杆7相连，在箱体9上设置有供钢丝12穿过的圆形通孔13。此设计可以保证滑杆7方向与螺纹杆4轴向之间有角度(例如5°)的偏差，以减小侧向力对模拟杆的影响。在箱体9的底部设置有轮体10和能够调节箱体9的高度并起到固定作用的固定爪11。螺纹管6为中空的圆柱体，在其内壁上设置有与螺纹杆4相配合的螺纹结构。煤层模拟系统的材质为铁。
三维相似模拟实验平台1的长宽高分别为6000mm、2800mm和3000mm；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220m工作面倾斜长为标准，两侧各30m煤柱，则宽定位2800mm，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3000mm；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6000mm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。在安装时，前侧的侧板也像后侧的侧板一样由多个侧护板上下堆叠固定而成，用侧护板上紧保护，待风干拆除前侧侧护板之后，前侧安装上透明钢化玻璃，用于观察岩层变化情况。
杆体3的长度为2200mm，杆体3模拟煤层，高度与煤层模拟高度等高，螺纹杆4的长度为400mm，煤柱模拟框5的长度为300mm，壁厚为10-15mm，以保证有足够的强度；螺纹杆4的后端从煤柱模拟框5中穿出，主要用于与螺纹管6旋紧，并且距离煤柱模拟框5的后端之间的距离为100mm；
杆体3和螺纹杆4的中心轴重合，且杆体3的宽度比螺纹杆4的直径大16mm，螺纹管6的壁厚小于8mm，由智能稳速拉力仪稳速拉动煤层模拟杆，以模拟煤层的逐步采出过程。在杆体3的上部和下部分别铺设有顶板模拟层和底板模拟层，杆体3与顶板模拟层和底板模拟层之间铺设有云母片。使用时，放下固定爪11，固定爪11可以调节高度，调节支柱高度保持滑杆7高度和煤层模拟杆的高度一致，调整仪器的方向，以使仪器拉动的方向与煤层模拟杆在同一直线上，最大能力降低侧向力对煤层模拟杆的影响，在铺设顶底板时，铺设云母片，减小拉拔时顶底板与煤层模拟杆之间的摩擦。煤层模拟系统距离三维相似模拟实验平台1的前侧壁、左侧壁和右侧壁之间具有300mm的空隙，在空隙采用骨料填充，形成边界煤柱模拟层。
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)

1.一种三维相似模拟试验中采煤高仿真模拟系统，其特征在于：包括三维相似模拟实验平台(1)，其中设置有采煤模拟系统(2)和其他岩层；
所述三维相似模拟实验平台(1)为长方体，其后侧的侧板上水平设置有长条形通孔，所述采煤模拟系统(2)包括煤层模拟系统和开采模拟系统，所述煤层模拟系统由多个煤层模拟杆从右到左排列而成，所述煤层模拟杆包括杆体(3)和连接在其后端的螺纹杆(4)，在所述煤层模拟杆的后侧套设有煤柱模拟框(5)。
2.根据权利要求1所述的三维相似模拟试验中采煤高仿真模拟系统，其特征在于：所述杆体(3)的横截面为正方形，所述螺纹杆(4)的横截面为圆柱形，在所述螺纹杆(4)上设置有螺纹结构，所述煤柱模拟框(5)为横截面为正方形的管状结构。
3.根据权利要求2所述的三维相似模拟试验中采煤高仿真模拟系统，其特征在于：所述开采模拟系统为智能稳速拉力仪，包括螺纹管(6)和箱体(9)，在所述箱体(9)中设置有滑杆(7)和与其相连的驱动装置(8)，所述螺纹管(6)设置在所述箱体(9)的外部，通过钢丝(12)与所述滑杆(7)相连，在所述箱体(9)上设置有供所述钢丝(12)穿过的圆形通孔(13)。
4.根据权利要求3所述的三维相似模拟试验中采煤高仿真模拟系统，其特征在于：在所述箱体(9)的底部设置有轮体(10)和能够调节所述箱体(9)的高度并起到固定作用的固定爪(11)。
5.根据权利要求4所述的三维相似模拟试验中采煤高仿真模拟系统，其特征在于：所述螺纹管(6)为中空的圆柱体，在其内壁上设置有与所述螺纹杆(4)相配合的螺纹结构。
6.根据权利要求5所述的三维相似模拟试验中采煤高仿真模拟系统，其特征在于：所述煤层模拟系统的材质为铁。
7.根据权利要求6所述的三维相似模拟试验中采煤高仿真模拟系统，其特征在于：所述三维相似模拟实验平台(1)的长宽高分别为6000mm、2800mm和3000mm；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。
8.根据权利要求7所述的三维相似模拟试验中采煤高仿真模拟系统，其特征在于：所述杆体(3)的长度为2200mm，螺纹杆(4)的长度为400mm，所述煤柱模拟框(5)的长度为300mm，壁厚为10-15mm，所述螺纹杆(4)的后端从所述煤柱模拟框(5)中穿出，并且距离所述煤柱模拟框(5)的后端之间的距离为100mm；
所述杆体(3)和所述螺纹杆(4)的中心轴重合，且所述杆体(3)的宽度比所述螺纹杆(4)的直径大16mm，所述螺纹管(6)的壁厚小于8mm。
9.根据权利要求8所述的三维相似模拟试验中采煤高仿真模拟系统，其特征在于：在所述杆体(3)的上部和下部分别铺设有顶板模拟层和底板模拟层，所述杆体(3)与所述顶板模拟层和所述底板模拟层之间铺设有云母片。
10.根据权利要求9所述的三维相似模拟试验中采煤高仿真模拟系统，其特征在于：所述煤层模拟系统距离所述三维相似模拟实验平台(1)的前侧壁、左侧壁和右侧壁之间具有300mm的空隙，在所述空隙采用骨料填充，形成边界煤柱模拟层。
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