CN110491267A - 一种煤层顶板水害成灾机理与危险性的模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤层顶板水害成灾机理与危险性的模拟装置，包括支撑平台、固定在所述支撑平台上的支架、设置在所述支架远离所述支撑平台的端部的模拟单元以及设置在所述模拟单元的上方的上覆层；所述模拟单元包括控制组件、煤层和冒裂带；所述煤层设置在所述模拟单元靠近所述支架的端部，所述煤层与水平方向形成倾斜角度；所述控制组件设置在所述煤层靠近所述支架的表面；所述冒裂带设置在所述煤层远离所述支架的表面；所述上覆层设置在所述冒裂带的上方，并距离所述冒裂带预设距离；所述煤层能够在所述控制组件的驱动下在竖直方向上下移动，并带动所述冒裂带在竖直方向上下移动，使所述冒裂带导通或不导通所述上覆层。

Description

一种煤层顶板水害成灾机理与危险性的模拟装置

技术领域

本发明涉及煤炭开采技术领域，特别是指一种煤层顶板水害成灾机理与危险性的模拟装置。

背景技术

我国煤炭工业的可持续发展一直遭受矿井水害问题的制约与困扰。随着煤炭资源开采规模和开采强度的加大，我国矿井水害问题日益严重，对我国煤矿安全生产和建设造成了极大威胁，其中顶板水害问题尤为突出。近些年来，顶板水害问题逐渐受到了专家和科研人员的重视，我国学者开展了大量的相关研究工作，关于顶板水害的信息主要集中在理论方面，并不能通过直观的设备如仪器设备等来认识成灾机理，从而使得对于煤层开采中，水害的预防和水害后的救援修复具有很大的难度。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于提出一种能够直观的模拟顶板水害成灾机理与危险性的装置。

基于上述目的本发明提供的一种煤层顶板水害成灾机理与危险性的模拟装置，包括支撑平台、固定在所述支撑平台上的支架、设置在所述支架远离所述支撑平台的端部的模拟单元以及设置在所述模拟单元的上方的上覆层；

所述模拟单元包括控制组件、煤层和冒裂带；所述煤层设置在所述模拟单元靠近所述支架的端部，所述煤层与水平方向形成倾斜角度；所述控制组件设置在所述煤层靠近所述支架的表面；所述冒裂带设置在所述煤层远离所述支架的表面；所述上覆层设置在所述冒裂带的上方，并距离所述冒裂带预设距离；所述煤层能够在所述控制组件的驱动下在竖直方向上下移动，并带动所述冒裂带在竖直方向上下移动，使所述冒裂带导通或不导通所述上覆层，使所述上覆层的水位发生或不发生变化，并使所述冒裂带垮落，从而模拟煤层开采的工况。

在其中一个实施例中，所述模拟单元沿水平方向设置为多个，且多个所述模拟单元通过第一间隔件间隔；多个所述模拟单元与上覆层的距离不同，多个所述模拟单元分别用于模拟冒裂带发育的不同高度。

在其中一个实施例中，所述煤层与水平方向形成的倾斜角度大于1°、小于10°。

在其中一个实施例中，所述上覆层沿水平方向设置为多个，且多个所述上覆层通过第二间隔件间隔；多个所述上覆层的含水量不同；多个所述上覆层分别与多个所述模拟单元对应，用于模拟冒裂带发育的不同高度对应的不同的涌水和/或突水情况。

在其中一个实施例中，所述模拟单元设置为四个，包括第一模拟单元、第二模拟单元、第三模拟单元以及第四模拟单元，所述上覆层设置为三个，包括富水性强的含水层，富水性弱的含水层以及没有水的含水层；所述第一模拟单元与所述富水性强的含水层对应，所述第二模拟单元与所述富水性弱的含水层对应，所述第三模拟单元和所述第四模拟单元与所述没有水的含水层对应。

在其中一个实施例中，所述多个上覆层分别设置有电磁排水阀。

在其中一个实施例中，所述煤层为滑块，所述控制组件包括动力组件、链轮组件和控制开关，所述动力组件的输出轴与所述链轮组件相连，所述链轮组件包括第一链轮、链条和第二链轮，所述链条套设在所述第一链轮和所述第二链轮上，所述煤层在所述链轮组件的驱动下在竖直方向上下滑动。

在其中一个实施例中，还包括承接板，所述承接板设置在所述链条靠近所述煤层的一面，用于容纳冒落带碎块。

在其中一个实施例中，所述支撑平台包括底板以及设置在所述底板上的底座。

从上面所述可以看出，本发明提供的煤层顶板水害成灾机理与危险性的模拟装置，通过设置控制组件、煤层和冒裂带组成的模拟单元，以及在模拟单元的上方设置上覆层，煤层能够在控制组件的驱动下在竖直方向上下移动，并带动冒裂带在竖直方向上下移动，使所述冒裂带导通或不导通所述上覆层，使所述上覆层的水位发生或不发生变化，并使所述冒裂带垮落，从而模拟煤层开采的工况。具有结构简单，易于观察的优点，能够直观形象的模拟煤层开采过程中上覆的顶板水害成灾机理，利于灾后的救援和修复。

附图说明

图1为本发明实施例的顶板水害成灾机理与危险性模拟装置的主视图；

图2为本发明实施例的顶板水害成灾机理与危险性模拟装置的侧视图；

图3为本发明实施例的顶板水害成灾机理与危险性模拟装置的俯视图；

图4为本发明实施例的控制组件的链轮组件的示意图；

图5为本发明实施例的冒裂带的示意图；

图6为本发明实施例的冒裂带中的中部裂隙带的示意图。

底板100；底座200；支架300，支架主体310，支撑件320；模拟单元400，冒裂带410，上部裂隙带411、中部裂隙带412、冒落带413、煤层420，控制组件430，第一链轮431、链条432和第二链轮433、承接板434、电机435、减速机436、控制开关437、上覆层500，电磁排水阀501，富水性强的含水层510，富水性弱的含水层520，没有水的含水层530；水泵600；位置传感器700。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

请参阅图1及图2，本发明提供一种煤层顶板水害成灾机理与危险性的模拟装置，包括支撑平台、固定在所述支撑平台上的支架300、设置在所述支架300远离所述支撑平台的端部的模拟单400元以及设置在所述模拟单元400的上方的上覆层500；

所述模拟单元400包括控制组件430、煤层420和冒裂带410；所述煤层420设置在所述模拟单元400靠近所述支架300的端部，所述煤层420与水平方向形成倾斜角度；所述控制组件430设置在所述煤层420靠近所述支架300的表面；所述冒裂带410设置在所述煤层420远离所述支架300的表面；所述上覆层500设置在所述冒裂带410的上方，并距离所述冒裂带410预设距离；所述煤层420能够在所述控制组件430的驱动下在竖直方向上下移动，并带动所述冒裂带410在竖直方向上下移动，使所述冒裂带410导通或不导通所述上覆层500，使所述上覆层500的水位发生或不发生变化，并使所述冒裂带410垮落，从而模拟煤层420开采的工况。

应当说明的是，本发明提供的煤层顶板水害成灾机理与危险性的模拟装置还包括中央控制系统和电源等，通过中央控制系统来控制控制组件430和煤层420等的工作。导通，指的是，冒裂带410与上覆层500的下边缘相接触，并将上覆层500的下边缘捅破。

煤层420开采的工况包括如下四种工况：

工况一：煤层420开采形成的导水冒裂带410导通上覆层500，上覆层500富水性强，冒落带413垮落有大量水流通过。(含水层水位迅速下降)

工况二：煤层420开采形成的导水冒裂带410导通上覆层500，上覆层500富水性弱，冒落带413垮落并有细小水流通过。(含水层水位无明显变化)

工况三：煤层420开采形成的导水冒裂带410导通上覆水层500，但是上覆层500没有水，冒落带413垮落但没有水流通过。

工况四：煤层420开采形成的导水冒裂带410没有导通上覆层500，冒落带413垮落但没有水流通过。

请参阅图1及图2，可选地，支撑平台包括底板100以及设置在所述底板100上的底座200，以对支架300及其上部的模拟单元400和上覆层500起到更好的支撑保护作用。其中，底板100和底座200均设置为长方体，底座200的尺寸大于底板100的尺寸。具体地，底板100的尺寸可以为3.0mx1.5m(长x宽)。底座200的尺寸为1.5mx0.6m(长x宽)。支架300的尺寸可以与底座200的尺寸相同。整个实验仪器高度为1.1m，受力面积约为4.5m²，重量约为1.0t。

支架300包括支架主体310，支架主体310可以为板状结构，具有一定的厚度，支架主体310内部具有腔体。支架主体310上还设置有支撑件320，支撑件320在支架主体310的侧部，以使支架300起到更好的支撑作用。支架主体310的腔体内设置有供水箱和水泵600。水泵600与上覆层500之间设置有管道，水泵600能够将供水箱中的水抽至管道中，并将水沿管道输送至上覆层500中。

应当说明的是，模拟单元400设置有边框，边框围设模拟单元400，以将模拟单元400形成封闭的空间。

优选地，所述模拟单元400沿水平方向设置为多个，且多个所述模拟单元400通过第一间隔件间隔；多个所述模拟单元400与上覆层500的距离不同，多个所述模拟单元400分别用于模拟冒裂带410发育的不同高度。

所述煤层420对应设置为多个；所述冒裂带410对应设置为多个，多个所述冒裂带410分别对应设置在多个所述煤层420远离所述支架300的表面；所述控制组件430对应设置为多个，多个所述控制组件430分别对应设置在多个所述煤层420远离所述支架300的表面。

所述上覆层500沿水平方向设置为多个，且多个所述上覆层500通过第二间隔件间隔；多个所述上覆层500的含水量不同；多个所述上覆层500分别与多个所述模拟单元400对应，用于模拟冒裂带410发育的不同高度对应的不同的涌(突)水情况，即煤层420开采时的不同的工况。

具体地，所述上覆层500为长方形结构，为由透明玻璃板构成的封闭空间。透明玻璃板上设置有刻度。

具体地，所述模拟单元400沿底板100的长度方向设置为四个，包括第一模拟单元400、第二模拟单元400、第三模拟单元400以及第四模拟单元400。所述上覆层500设置为三个，包括富水性强的含水层510，富水性弱的含水层520以及没有水的含水层530；所述第一模拟单元400与所述富水性强的含水层510对应，所述第二模拟单元400与所述富水性弱的含水层520对应，所述第三模拟单元400和所述第四模拟单元400与所述没有水的含水层530对应。富水性强的含水层510，富水性弱的含水层520和没有水的含水层530中均设置有电磁排水阀501，电磁排水阀501能够调节出水量。

应当说明的是，此处的富水性强的含水层510指的是当导水冒落带410导通该富水性强的含水层510后，会有大量水流通过冒落带，具体可以表现为该富水性强的含水层510水位迅速下降。富水性弱的含水层520指的是当导水冒落带410导通该富水性弱的含水层520后，只有细小水流通过冒落带，具体可以表现为该富水性弱的含水层520水位无明显变化。

所述煤层420对应设置为四个，且四个所述煤层420分别对应设置在四个模拟单元400内。所述第一模拟单元中，为第一煤层；所述第二模拟单元中，为第二煤层，所述第三模拟单元中，为第三煤层，所述第四模拟单元中，为第四煤层。所述第一煤层、所述第二煤层、所述第三煤层和所述第四煤层能够在控制组件的驱动下，沿模拟实验仪的高度方向上顺时针上下移动。所述第一煤层移动后，能够导通富水性强的含水层510，使富水性强的含水层510中出水量较大，富水性强的含水层510水位发生变化，第一冒裂带垮落，从而模拟工况一；所述第二煤层移动后能够导通富水性弱的含水层，富水性弱的含水层520水位基本不发生变化，第二冒裂带垮落，富水性弱的含水层520水位基本无变化，从而模拟工况二；所述第三煤层能够导通没有水的含水层530，第三冒裂带垮落，从而模拟工况三；所述第四煤层不能导通没有水的含水层530，第四冒裂带垮落，从而模拟工况四。

较佳地，第一模拟单元设置有导流通道，导流通道用于连接富水性强的含水层510和支架300。当富水性强的含水层510水位下降后，水沿导流通道流入支架主体310内的供水箱中循环使用。

优选地，所述第一煤层、所述第二煤层、所述第三煤层和所述第四煤层移动后，与水平方向形成的倾斜角度相同，所述倾斜角度大于1°、小于10°。较佳地，倾斜角度可以设置为8°。倾斜角度的设置，有利于顶板水害成灾机理与危险性的模拟，也便于观察。如果倾斜角度过大，一方面会提高整个模拟实验仪的高度。另一方面进行模拟时，会延长冒落带413垮落的时间，也就是说会提高每种工况模拟时间，且冒落带413落到承接板434的声音较大，对于承接板434的损坏也较大。

请参阅图3和图4，所述第一煤层、所述第二煤层、所述第三煤层和所述第四煤层均为滑块。对应地，用于间隔四个模拟单元的第一间隔件上，设置有滑轨结构，滑块能够沿滑轨结构上下移动。滑轨结构上设置有限位开关，可以控制滑块的移动和停止，并避免滑块的脱落。

所述控制组件430包括动力组件、链轮组件和控制开关437，所述动力组件的输出轴与所述链轮组件相连，所述链轮组件包括第一链轮431、链条432和第二链轮433，所述链条432套设在所述第一链轮431和所述第二链轮433上，所述煤层420在所述链轮组件的驱动下在竖直方向上下滑动。应该说明的是，链轮组件由不透明的钢板遮挡，因此，在仪器外观上表现为不可见。动力组件和控制开关437分别设置在不透明钢板的两个外侧，两个外侧指的是沿底板100的宽度方向的两个外侧。

可选地，模拟装置还包括承接板434，所述承接板434设置在所述链条432靠近所述煤层420的一面，用于容纳冒落带413碎块，从而避免碎块跨落到链条432上。

所述动力组件包括高性能电机435和减速机436，减速机436设置在高性能电机435与链轮组件之间。可选地，高性能电机435和减速机436与控制开关437设置在控制组件430的沿宽度方向的两侧。

请参阅图5，本发明实施例提供的冒裂带410包括自上而下层叠的上部裂隙带411、中部裂隙带412和冒落带413。冒裂带410发生跨落后，只有冒落带413垮落为碎块，上部裂隙带411和中部裂隙带412仅形成裂缝。具体地，冒落带413包括多个铝合金碎块。垮落之前，冒落带413均为整体，垮落之后形成多个碎块。每个铝合金碎块上均设置有不同的标记，垮落之后可以根据标记将冒落带413还原，拼接为整体。冒落带413在制作时，为将一块形状规则的铝合金切割之后形成多个小碎块，切割方式随机，不固定，对碎块切割大小和角度均无具体要求。

请参阅图6，为中部裂隙带412的示意图。中部裂隙带412主要起到支撑上部裂隙带411的作用。工况发生之前，中部裂隙带412为整体，工况发生之后，中部裂隙带412会形成裂缝，但不会垮落。沿底板100的长度方向，在第二间隔件两侧设有用于固定中部裂隙带412位置的限位块。工况发生之后，也就是冒落带413垮落后，中间裂隙带的两个侧边最终会停在限位块上。在四个模拟单元400中，各限位块分别位于控制系统内部靠近链轮下部的位置，且各限位块距离链轮的距离相同。

本发明的煤层顶板水害成灾机理与危险性的模拟装置在使用时，通过调节四个模拟单元400对应的四个控制开关437，使四个控制组件430的链轮组件分别驱动对应的煤层420沿模拟实验仪的高度方向上顺时针上下移动。当第一模拟单元中第一冒裂带的高度到达富水性强的含水层510的下边缘时，即控制与第一模拟单元对应的电机435停止工作。此时，富水性强的含水层510的水流经第一模拟单元，且出水量较大，富水性强的含水层510水位发生变化，第一冒落带垮落。当第二模拟单元中第二冒裂带410的高度到达富水性弱的含水层520的下边缘时，即控制与第二模拟单元对应的电机435停止工作。此时，富水性弱的含水层520的水流经第二模拟单元，但出水量较小，富水性弱的含水层520水位基本不发生变化，第二冒落带垮落。当第三模拟单元中第三冒裂带的高度到达没有水的含水层530的下边缘时，即控制与第三模拟单元对应的电机435停止工作。此时，没有水流经第三模拟单元，第三冒裂带垮落。而第四模拟单元中第四冒裂带的高度无法到达没有水的含水层530的下边缘，当第四冒裂带垮落时，即控制与第四模拟单元对应的电机435停止工作。从而模拟四种不同的工况。在使用时，各模拟单元单独运行，可以同时启动，同时模拟四种工况，也可以分别启动，单独模拟一种工况。具有结构简单，易于观察的优点。

需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本发明难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本发明难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本发明的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本发明的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本发明。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。

尽管已经结合了本发明的具体实施例对本发明进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。

本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种煤层顶板水害成灾机理与危险性的模拟装置，其特征在于，包括支撑平台、固定在所述支撑平台上的支架、设置在所述支架远离所述支撑平台的端部的模拟单元以及设置在所述模拟单元的上方的上覆层；

所述模拟单元包括控制组件、煤层和冒裂带；所述煤层设置在所述模拟单元靠近所述支架的端部，所述煤层与水平方向形成倾斜角度；所述控制组件设置在所述煤层靠近所述支架的表面；所述冒裂带设置在所述煤层远离所述支架的表面；所述上覆层设置在所述冒裂带的上方，并距离所述冒裂带预设距离；所述煤层能够在所述控制组件的驱动下在竖直方向上下移动，并带动所述冒裂带在竖直方向上下移动，使所述冒裂带导通或不导通所述上覆层，使所述上覆层的水位发生或不发生变化，并使所述冒裂带垮落，从而模拟煤层开采的工况。

2.根据权利要求1所述的模拟装置，其特征在于，所述模拟单元沿水平方向设置为多个，且多个所述模拟单元通过第一间隔件间隔；多个所述模拟单元与上覆层的距离不同，多个所述模拟单元分别用于模拟冒裂带发育的不同高度。

3.根据权利要求2所述的模拟装置，其特征在于，所述煤层与水平方向形成的倾斜角度大于1°、小于10°。

4.根据权利要求3所述的模拟装置，其特征在于，所述上覆层沿水平方向设置为多个，且多个所述上覆层通过第二间隔件间隔；多个所述上覆层的含水量不同；多个所述上覆层分别与多个所述模拟单元对应，用于模拟冒裂带发育的不同高度对应的不同的涌水和/或突水情况。

5.根据权利要求4所述的模拟装置，其特征在于，所述模拟单元设置为四个，包括第一模拟单元、第二模拟单元、第三模拟单元以及第四模拟单元，所述上覆层设置为三个，包括富水性强的含水层，富水性弱的含水层以及没有水的含水层；所述第一模拟单元与所述富水性强的含水层对应，所述第二模拟单元与所述富水性弱的含水层对应，所述第三模拟单元和所述第四模拟单元与所述没有水的含水层对应。

6.根据权利要求4所述的模拟装置，其特征在于，所述多个上覆层分别设置有电磁排水阀。

7.根据权利要求1所述的模拟装置，其特征在于，所述煤层为滑块，所述控制组件包括动力组件、链轮组件和控制开关，所述动力组件的输出轴与所述链轮组件相连，所述链轮组件包括第一链轮、链条和第二链轮，所述链条套设在所述第一链轮和所述第二链轮上，所述煤层在所述链轮组件的驱动下在竖直方向上下滑动。

8.根据权利要求7所述的模拟装置，其特征在于，还包括承接板，所述承接板设置在所述链条靠近所述煤层的一面，用于承接冒落带碎块。

9.根据权利要求1所述的模拟装置，其特征在于，所述支撑平台包括底板以及设置在所述底板上的底座。