CN108922293B - 一种用于采矿教学和实验室试验的多功能模拟架 - Google Patents

一种用于采矿教学和实验室试验的多功能模拟架 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于采矿教学和实验室试验的多功能模拟架，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的通孔(6)，所述采煤模拟系统(2)由多个圆柱体组件从右到左排列而成，所述圆柱体组件包括从右到左依次排列的多个直径相同的圆柱体(3)，位于最左侧的所述圆柱体(3)为空心圆柱体，其他的为实心圆柱体。本发明所述用于采矿教学和实验室试验的多功能模拟架可以实现煤层开采的原位模拟，并具有采空区观测系统。

Description

一种用于采矿教学和实验室试验的多功能模拟架
技术领域
本发明涉及矿山机械领域，特别是涉及一种用于采矿教学和实验室试验的多功能模拟架。
背景技术
煤炭开采会打破围岩岩层原有的力学平衡,因此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，三维相似模拟实验是针对此类问题最好手段之一；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；
现有技术是利用油腔作为煤炭的模拟材料，后来发现油腔的操作相对复杂，边界效应也是没有考虑到的，后来发展到胶结易溶充填体模拟煤层，但是融化时间的相对难以控制，因此需要一个新的思路，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可以实现煤层开采的原位模拟，并具有采空区观测系统的用于采矿教学和实验室试验的多功能模拟架。
一种用于采矿教学和实验室试验的多功能模拟架，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的通孔，所述采煤模拟系统由多个圆柱体组件从右到左排列而成，所述圆柱体组件包括从右到左依次排列的多个直径相同的圆柱体，多个所述圆柱体的前端距离所述三维相似模拟实验平台的前侧板的距离相等，后端从所述通孔穿出，多个所述圆柱体的长度从右到左依次减少，位于最左侧的所述圆柱体为空心圆柱体，其他的为实心圆柱体。
本发明所述的用于采矿教学和实验室试验的多功能模拟架，其中，在所述空心圆柱体中设置有光学钻孔窥视监测传感器，并在其所在位置的所述空心圆柱体的右侧设置有长条形的观测孔，所述观测孔采用有机玻璃覆盖。
本发明所述的用于采矿教学和实验室试验的多功能模拟架，其中，所述圆柱体组件中所述圆柱体的个数为4个。
本发明所述的用于采矿教学和实验室试验的多功能模拟架，其中，相邻两个所述圆柱体中，位于右侧的所述圆柱体比位于左侧的所述圆柱体长100mm，所述圆柱体组件中，最右侧的所述圆柱体的长度为2700mm。
本发明所述的用于采矿教学和实验室试验的多功能模拟架，其中，所述空心圆柱体的壁厚大于150mm。
本发明所述的用于采矿教学和实验室试验的多功能模拟架，其中，所述光学钻孔窥视监测传感器通过线缆与主机相连。
本发明所述的用于采矿教学和实验室试验的多功能模拟架，其中，在所述圆柱体上，距离其前端300mm处设置有停采线标记。
本发明所述的用于采矿教学和实验室试验的多功能模拟架，其中，所述圆柱体组件与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采用骨料填充。
本发明所述的用于采矿教学和实验室试验的多功能模拟架，其中，所述三维相似模拟实验平台的长宽高分别为8000mm、2600mm和3800mm。
本发明所述的用于采矿教学和实验室试验的多功能模拟架，其中，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。
本发明用于采矿教学和实验室试验的多功能模拟架与现有技术不同之处在于：本发明用于采矿教学和实验室试验的多功能模拟架的设计采用重复使用光学钻孔窥视监测仪，研究采空区顶板垮落，底板压实和裂隙发育等一些列问题，完全还原模拟煤层开采场景以及对顶底板造成的规律影响研究，实现了煤层开采的原位模拟，即严格按照开采的速度开采；本发明还设计有采空区观测系统，利用采煤观测系统，安全可靠的观测采空区内随着煤层开采的变化特征。
下面结合附图对本发明的用于采矿教学和实验室试验的多功能模拟架作进一步说明。
附图说明
图1为本发明整体装置的结构示意图；
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为本发明装置的后视图。
具体实施方式
如图1～图3所示，一种用于采矿教学和实验室试验的多功能模拟架，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的通孔6，采煤模拟系统2由多个圆柱体组件从右到左排列而成，圆柱体组件包括从右到左依次排列的多个直径相同的圆柱体3，直径与煤层模拟高度相同，多个圆柱体3的前端距离三维相似模拟实验平台1的前侧板的距离相等，后端从通孔6穿出，多个圆柱体3的长度从右到左依次减少，位于最左侧的圆柱体3为空心圆柱体，其他的为实心圆柱体。
横截面为圆柱形的目的在于顶板压力太大，如果采用正方形的话，会对顶板和底板带来很大的摩擦力，这样对顶底板的破坏就很大，煤层从右到左开采。
以下为优选方案：
在空心圆柱体中设置有光学钻孔窥视监测传感器4，并在其所在位置的空心圆柱体的右侧设置有长条形的观测孔5，观测孔5采用有机玻璃覆盖，用于布置光学钻孔窥视监测传感器4观察采空区情况，实心圆柱体主要作用是承压，空心圆柱体主要作用是布置光学钻孔窥视监测传感器4。
圆柱体组件中圆柱体3的个数为4个，相邻两个圆柱体3中，位于右侧的圆柱体3比位于左侧的圆柱体3长100mm，圆柱体组件中，最右侧的圆柱体3的长度为2700mm，即4个圆柱体3从右至左的长度依次为2700mm、2600mm、2500mm、2400mm，方便拉力系统有很大的作用区域，保证拉出钢棍(即圆柱体3)时稳定可靠。
空心圆柱体的壁厚大于150mm，要求高强度，光学钻孔窥视监测传感器4通过线缆与主机相连。在圆柱体3上，距离其前端300mm处设置有停采线标记，表示的是钢柱抽到这个地方停止，表示煤层一侧留有煤柱。圆柱体组件与三维相似模拟实验平台1的前侧壁、左侧壁和右侧壁之间采用骨料填充。
三维相似模拟实验平台1的长宽高分别为8000mm、2600mm和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。实际安装过程中，前侧的侧板先采用同后侧板一样的设计，采用多个侧护板上下堆叠固定而成，待风干后，拆除前侧的侧护板之后，安装上透明钢化玻璃，用于观察岩层变化情况。
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)

1.一种用于采矿教学和实验室试验的多功能模拟架，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的通孔(6)，所述采煤模拟系统(2)由多个圆柱体组件从右到左排列而成，所述圆柱体组件包括从右到左依次排列的多个直径相同的圆柱体(3)，多个所述圆柱体(3)的前端距离所述三维相似模拟实验平台(1)的前侧板的距离相等，后端从所述通孔(6)穿出，多个所述圆柱体(3)的长度从右到左依次减少，位于最左侧的所述圆柱体(3)为空心圆柱体，其他的为实心圆柱体；
在所述空心圆柱体中设置有光学钻孔窥视监测传感器(4)，并在其所在位置的所述空心圆柱体的右侧设置有长条形的观测孔(5)，所述观测孔(5)采用有机玻璃覆盖。
2.根据权利要求1所述的用于采矿教学和实验室试验的多功能模拟架，其特征在于：所述圆柱体组件中所述圆柱体(3)的个数为4个。
3.根据权利要求2所述的用于采矿教学和实验室试验的多功能模拟架，其特征在于：相邻两个所述圆柱体(3)中，位于右侧的所述圆柱体(3)比位于左侧的所述圆柱体(3)长100mm，所述圆柱体组件中，最右侧的所述圆柱体(3)的长度为2700mm。
4.根据权利要求3所述的用于采矿教学和实验室试验的多功能模拟架，其特征在于：所述空心圆柱体的壁厚大于150mm。
5.根据权利要求4所述的用于采矿教学和实验室试验的多功能模拟架，其特征在于：所述光学钻孔窥视监测传感器(4)通过线缆与主机相连。
6.根据权利要求5所述的用于采矿教学和实验室试验的多功能模拟架，其特征在于：在所述圆柱体(3)上，距离其前端300mm处设置有停采线标记。
7.根据权利要求6所述的用于采矿教学和实验室试验的多功能模拟架，其特征在于：所述圆柱体组件与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采用骨料填充。
8.根据权利要求7所述的用于采矿教学和实验室试验的多功能模拟架，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8000mm、2600mm和3800mm。
9.根据权利要求8所述的用于采矿教学和实验室试验的多功能模拟架，其特征在于：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。
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