CN110780039B - 一种煤炭开采生态破坏机理模拟试验系统 - Google Patents

一种煤炭开采生态破坏机理模拟试验系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种煤炭开采生态破坏机理模拟试验系统，包括实验平台、外围系统、以及位于实验平台外部的外框架，其特征在于：外框架上部固定有一个小框架，在外框架上部固定有滑动横梁，所述滑动横梁上安装有电葫芦，能够沿滑动横梁水平移动；外框架顶部边框上设有滑动轨道，滑动横梁能够沿滑动轨道水平移动；所述小框架顶部水管下面安装有喷淋喷头，在小框架顶部电线管路下面安装有氙气灯泡；所述实验平台两侧框架上设置有可水平移动的竖向钢梁，竖向钢梁两侧设置有加固槽钢，竖向钢梁和加固槽钢之间形成的空间用于填装模拟岩层、铝条和土壤层。本发明所述装置能够模拟地下多煤层及多工作面并行布设的开采条件，实现在地下多煤层及多工作面并行布设开采的覆岩破坏观测、自然光照及降雨模拟和地表植被生长状况观测。

Description

一种煤炭开采生态破坏机理模拟试验系统
技术领域
本发明属于矿山开采损害防治技术领域，具体涉及一种煤炭开采生态破坏机理模拟试验系统。
背景技术
现代综合机械化开采中，多个综采工作面并行布设，多个煤层重复采动，对地表的破坏规模较大。综采工作面相邻位置及多煤层重叠区地表塌陷裂缝数量多，规模大，以陕北侏罗纪煤田的浅埋煤层表现最为突出。
相似材料模拟实验可以对综采工作面回采过程中地表塌陷进行模拟。目前主要应用于采矿工程、安全工程方面，关于采煤巷道变形、岩层应力、塌陷裂缝发育等井下采矿安全和地质问题的实验模拟较多。现阶段缺少井下煤层开采与地表植被结合的模拟研究。煤炭开采生态破坏机理模拟系统根据现代化煤炭开采中综采工作面接续、及多煤层开采的生产实际，将井下综采工作面与地表土壤、植被、水体结合，设计出可在实验室观测采煤对地表生态环境影响的模拟试验系统，以探明煤炭开采对生态环境的破坏机理。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术中不足，提供一种煤炭开采生态破坏机理模拟试验系统，本发明设计新颖合理，可模拟不同尺寸相似材料模拟实验，同时能观测煤层开采过程中自然降雨及日光照射条件下地表植被生长状况，为研究现代综合机械化煤炭开采的地表生态环境影响提供实验基础。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种煤炭开采生态破坏机理模拟试验系统，包括实验平台、外围系统、以及位于实验平台外部的外框架，其特征在于：外框架上部固定有一个小框架，在外框架上部固定有滑动横梁，所述滑动横梁上安装有电葫芦，能够沿滑动横梁水平移动；外框架顶部边框上设有滑动轨道，滑动横梁能够沿滑动轨道水平移动；所述小框架顶部水管下面安装有喷淋喷头，在小框架顶部电线管路下面安装有氙气灯泡；
所述实验平台两侧框架上设置有可水平移动的竖向钢梁，竖向钢梁两侧设置有加固槽钢，竖向钢梁和加固槽钢之间形成的空间用于填装模拟岩层、铝条和土壤层；
所述实验平台底部设置有水量监测器；
所述实验平台底板由底部槽钢构成；
外围系统包括喷淋系统控制器、光亮照射系统控制器、地温控制器、雨量器、水箱、水泵和电磁水压控制器；喷淋系统控制器通过雨量器调节降雨量大小，通过电磁水压控制器分配给喷淋喷头，模拟降雨的雨量及时长；光亮照射系统控制器通过地温控制器控制氙气灯泡的光照时间与光照强度；水泵将水箱中的水通过电磁水压控制器分配给水管以及喷淋喷头。
上述的煤炭开采生态破坏机理模拟试验平台，其特征在于：所述模拟岩层填装过程中，铝条平行布设可模拟多个相邻综采工作面，铝条上下布设可模拟多个煤层，以抽动铝条的方式模拟多个煤层、多个相邻综采工作面接续采动的全过程。
上述的煤炭开采生态破坏机理模拟试验平台，其特征在于：根据实际模拟模型的煤层所在位置，提前埋设模拟煤层的铝条，铝条上部为模拟岩层及土壤层；在土壤层、模拟岩层、铝条填装完成之后，根据模拟原型地表植被情况，在土壤层上种植植物，观测植物在煤层采动过程中的生长状况，将井下采煤与地表植被变化相结合。
上述的煤炭开采生态破坏机理模拟试验系统，其特征在于：所述实验平台的底部槽钢为拼接结构，底部槽钢间的裂缝利于雨水下渗和收集。
上述的煤炭开采生态破坏机理模拟试验系统，其特征在于：所述水量监测器大小与实验平台底板边界尺寸一致；水量监测器下端设计为收口状，外侧标有刻度，方便读取水量，便于观测煤层采动过程中土壤水分的损失量。
上述的煤炭开采生态破坏机理模拟试验系统，其特征在于：竖向钢梁的数量根据模拟模型尺寸进行增减，能够模拟不同尺寸的模拟模型。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1.本发明的实验平台两侧框架上设置有可水平移动的竖向钢梁，竖向钢梁可根据模拟模型尺寸进行数量增减，能够模拟不同尺寸的模拟模型，可进行二维的相似材料模拟实验，也可进行三维的相似材料模拟实验，可做到“一台多用”，便于推广使用。
2.本发明试验系统能够有效的模拟煤层开采、大气降雨及日光照射对地表植被生长的影响，同时能够模拟煤层开采过程中覆岩破坏特征，将开采损害与环境影响结合在一起进行生态破坏机理研究。
3.本发明设计新颖合理，利用外框架、滑动轨道及电葫芦，能够在实验过程中起吊实验材料及槽钢，节约人力资源。
综上所述，本发明所述装置能够模拟地下多煤层及多工作面并行布设的开采条件，实现在地下多煤层及多工作面并行布设开采的煤层覆岩破坏观测，实现在地下多煤层及多工作面并行布设开采条件下的自然光照及降雨的模拟；实现在地下多煤层及多工作面并行布设开采条件下的地表植被生长状况观测。
附图说明
图1是本发明的斜视立体结构示意图。
图2是本发明的实验平台示意图。
图3是水量监测器结构示意图。
图4是本发明的模拟实验剖面图。
图5是本发明的喷淋与光照系统控制示意图。
附图标号：1-实验平台；2-外框架；3-喷淋喷头；4-氙气灯泡；5-滑动轨道；6-电葫芦；7-底部槽钢；8-水量监测器；9-加固槽钢；10-竖向钢梁；11-植物；12-土壤；13-模拟岩层；14-铝条；15-小框架；16-水管；17-电线管路；18-滑动横梁；19-地温控制器；20-雨量器；21-水箱；22-水泵；23-电磁水压控制器；24-挂钩。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明内容做进一步详细说明。
如图1所示，本发明包括实验平台1、外围系统、以及位于实验平台外部的外框架2，在外框架2上部固定有一个小框架15，在小框架15上竖向布设有水管16、横向布设有电线管路17；在外框架2上部固定有滑动横梁18，所述滑动横梁上安装有电葫芦6，能够沿滑动横梁水平移动；外框架2顶部边框上设有滑动轨道5，滑动横梁18能够沿滑动轨道5水平移动；所述小框架15顶部水管16下面安装有喷淋喷头3，在小框架15顶部电线管路17下面安装有氙气灯泡4。
所述实验平台1底部设置有水量监测器8；所述水量监测器8大小与实验平台底板边界尺寸一致；水量监测器下端设计为收口状，外侧标有刻度，方便读取雨水量，便于观测煤层采动过程中土壤水分的损失量。如图3所示。
所述实验平台1底板由底部槽钢7构成。
如图2所示，所述实验平台1两侧框架上设置有可水平移动的竖向钢梁10，竖向钢梁10两侧设置有加固槽钢9，竖向钢梁10和加固槽钢9之间形成的空间用于填装模拟岩层13、铝条14和土壤层12。
具体的，如图2所示，在实验操作中，可利用电葫芦6下方的挂钩24起吊竖向钢梁10及两侧的加固槽钢9，还可起吊实验材料(土壤层12、模拟岩层13、铝条14)，组合模拟多煤层、覆岩及土壤层。
具体的，如图4所示，在相似模拟材料填装过程中，可根据实际模拟模型的煤层所在位置，提前埋设模拟煤层的铝条14，铝条14上部为模拟岩层13及土壤层12。在实际实验过程中，将铝条14缓慢抽出，模拟综采工作面煤层开采过程，实现在实验室条件下观测煤层开采对地表生态环境的影响。
具体的，如图4所示，在实验材料(土壤层12、模拟岩层13、铝条14)填装完成之后，根据模拟原型地表植被情况，在土壤层12地表种植植物11。
具体的，如图5所示，外围系统包括喷淋系统控制器、光亮照射系统控制器、地温控制器19、雨量器20、水箱21、水泵22和电磁水压控制器23；喷淋系统控制器通过雨量器20调节降雨量大小，通过电磁水压控制器23分配给喷淋喷头3，模拟降雨的雨量及时长；光亮照射系统控制器通过地温控制器19控制氙气灯泡4的光照时间与光照强度；水泵22将水箱21中的水通过电磁水压控制器23分配给水管16以及喷淋喷头3。实现自然降水和光照条件下植物生长环境模拟。
需要说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换。
凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种煤炭开采生态破坏机理模拟试验系统，包括实验平台(1)、外围系统以及位于实验平台外部的外框架(2)，其特征在于：外框架(2)上部固定有一个小框架(15)，在小框架(15)上竖向布设有水管(16)、横向布设有电线管路(17)；在外框架(2)上部固定有滑动横梁(18)，所述滑动横梁上安装有电葫芦(6)，能够沿滑动横梁水平移动；外框架(2)顶部边框上设有滑动轨道(5)，滑动横梁(18)能够沿滑动轨道(5)水平移动；所述小框架(15)顶部水管(16)下面安装有喷淋喷头(3)，在小框架(15)顶部电线管路(17)下面安装有氙气灯泡(4)；
所述实验平台(1)底部设置有水量监测器(8)；
所述实验平台(1)底板由底部槽钢(7)构成；
所述实验平台(1)两侧框架上设置有可水平移动的竖向钢梁(10)，竖向钢梁(10)两侧设置有加固槽钢(9)，竖向钢梁(10)和加固槽钢(9)之间形成的空间用于填装铝条(14)、模拟岩层(13)和土壤层(12)；
外围系统包括喷淋系统控制器、光亮照射系统控制器、地温控制器(19)、雨量器(20)、水箱(21)、水泵(22)和电磁水压控制器(23)；喷淋系统控制器通过雨量器(20)调节降雨量大小，通过电磁水压控制器(23)分配给喷淋喷头(3)，模拟降雨的雨量及时长；光亮照射系统控制器通过地温控制器(19)控制氙气灯泡(4)的光照时间与光照强度；水泵(22)将水箱(21)中的水通过电磁水压控制器(23)分配给水管(16)以及喷淋喷头(3)。
2.根据权利要求1所述的煤炭开采生态破坏机理模拟试验系统，其特征在于：所述模拟岩层(13)填装过程中，铝条(14)平行布设可模拟多个相邻综采工作面，铝条(14)上下布设可模拟多个煤层，以抽动铝条(14)的方式模拟多个煤层、多个相邻综采工作面接续采动的全过程。
3.根据权利要求1所述的煤炭开采生态破坏机理模拟试验系统，其特征在于：根据实际模拟模型的煤层所在位置，提前埋设模拟煤层的铝条(14)，铝条(14)上部为模拟岩层(13)及土壤层(12)；在土壤层(12)、模拟岩层(13)、铝条(14)填装完成之后，根据模拟原型地表植被情况，在土壤层(12)上种植植物(11)，观测植物在煤层采动过程中的生长状况，将井下采煤与地表植被变化相结合。
4.根据权利要求1所述的煤炭开采生态破坏机理模拟试验系统，其特征在于：所述实验平台的底部槽钢(7)为拼接结构，底部槽钢(7)间的裂缝利于雨水下渗和收集。
5.根据权利要求1所述的煤炭开采生态破坏机理模拟试验系统，其特征在于：所述水量监测器(8)大小与实验平台底板边界尺寸一致；水量监测器下端设计为收口状，外侧标有刻度，方便读取水量，便于观测煤层采动过程中土壤水分的损失量。
6.根据权利要求1所述的煤炭开采生态破坏机理模拟试验系统，其特征在于：竖向钢梁(10)的数量根据模拟模型尺寸进行增减，能够模拟不同尺寸的模拟模型。
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