CN110954671B - 一种基于应力发光材料的综放开采模拟实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于应力发光材料的综放开采模拟实验装置及方法，包括透明亚克力板框架、模拟放煤支架、放料仓、分离仓、烘干仓、应力发光顶煤模拟颗粒、矸石模拟颗粒、颗粒应力实时监测分析系统、支架顶梁受力监测系统、活动板；模拟放煤支架位于透明亚克力板框架中部，放料仓、分离仓、烘干仓依次位于模拟放煤支架下方；应力发光顶煤模拟颗粒和矸石模拟颗粒依次填充在模拟放煤支架上方；颗粒应力实时监测分析系统用来实时监测放煤过程中应力发光顶煤模拟颗粒受到的应力大小；支架顶梁受力监测系统用来监测放煤过程中支架顶梁受力变化情况。本发明可直观地实时监测顶煤颗粒放煤过程中受力大小及分布，有利于深入揭示顶煤放出力学机理。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于应力发光材料的综放开采模拟实验装置及方法，属于矿山工程技术领域。
背景技术
放顶煤开采技术自引入我国以来，无论在技术方法上，还是在理论上都有了丰富的成果。放顶煤技术中顶煤放出规律是其研究的重要内容之一，目前主要以室内放煤实验和数值模拟为主，且以往对顶煤放出规律的研究，大多还是处于比较浅的规律描述分析，对产生这一规律的内在力学机理研究较少，因此针对这一现象，急需要设计一种可以观测顶煤颗粒在放煤过程中受力情况的设备装置。调研发现，现有的放煤过程中顶煤颗粒受力情况观测技术中，对放煤过程的应力观测是借助外置平行光源、偏振片、四分之一波片进行的【ZL201810145167.5】，这种方法操作过程复杂，受操作误差影响大，且可观测范围受四分之一波片大小的限制。进而提出了一种采用弹性应力发光材料对综放开采放煤过程颗粒受力情况进行直接观测的装置和方法，弹性应力发光材料是一种应力发光强度与施加的机械应力成正比的新型材料，尽管目前国内外对弹性应力发光材料的研究仍处于起步阶段，但已取得许多有益结果，该材料可以将机械能转化为光能，进而可以直接进行捕捉处理，结合该材料的特性，开发基于应力发光材料的综放开采模拟实验装置进行放顶煤开采室内模拟，可以直观地实时监测顶煤放出过程中顶煤颗粒受力大小及分布情况，进而对顶煤放出力学机理进行深入研究。
发明内容
本发明提出一种基于应力发光材料的综放开采模拟实验装置及方法，该实验装置可以直接观察不同煤层赋存状态、不同块度级配和形状条件下顶煤颗粒受力大小及分布情况，可以观察自然堆积状态下散体颗粒堆内部颗粒力链形态，同时实现了顶煤模拟颗粒和矸石模拟颗粒的自动分离，大大减少了实验者的工作量。
本发明采用如下技术方案：
本发明包括透明亚克力板框架、模拟放煤支架、放料仓、分离仓、烘干仓、应力发光顶煤模拟颗粒、矸石模拟颗粒、颗粒应力实时监测分析系统、支架顶梁受力监测系统、活动板；所述的模拟放煤支架位于所述的透明亚克力板框架中部，所述的放料仓、分离仓、烘干仓依次位于所述的模拟放煤支架下方；所述的应力发光顶煤模拟颗粒和所述的矸石模拟颗粒依次填充在所述的模拟放煤支架上方；所述的颗粒应力实时监测分析系统用来实时监测放煤过程中所述的应力发光顶煤模拟颗粒受到的应力大小；所述的支架顶梁受力监测系统安装在所述的模拟放煤支架顶梁上，用来监测放煤过程中所述的模拟放煤支架顶梁受力变化情况。
所述的颗粒应力实时监测分析系统包括高清摄像机、中心分析处理系统、应力显示输出设备；所述的高清摄像机用来拍摄所述的应力发光顶煤模拟颗粒发光强弱，所述的中心分析处理系统用来将光能对应转换为机械能，所述的应力显示输出设备用来实时显示颗粒受力大小。
所述的应力发光顶煤模拟颗粒可以将机械能转化为光能，在放煤过程中，所述的应力发光顶煤模拟颗粒受力越大发光越强，由此可以直观地看出放煤过程中应力分布情况；通过所述的颗粒应力实时监测分析系统可以实时显示出颗粒受力大小及分布情况。
所述的应力发光顶煤模拟颗粒通过所述的模拟放煤支架后流入所述的放料仓形成散体颗粒堆，可以测量所述应力发光顶煤模拟颗粒的自然安息角；通过所述的颗粒应力实时监测分析系统可以统计分析散体颗粒堆内部的受力分布情况。
所述的放料仓、分离仓以及烘干仓的顶底板都由可抽拉的所述活动板组成；所述的放料仓顶板随着所述模拟放煤支架的移架而配套移动；所述的分离仓中部安装有所述的活动板，用于隔开分离后的所述应力发光顶煤模拟颗粒和所述的矸石模拟颗粒。
所述的分离仓中设有一个进液口，两个出液口，通过进液口输入密度处于所述应力发光顶煤模拟颗粒和所述矸石模拟颗粒之间的液体物质，用于快速分离放煤后混合到一块的颗粒物质，通过两个出液口放出用于分离所述的应力发光顶煤模拟颗粒和所述的矸石模拟颗粒的液体。
所述的烘干仓用于将分离开的所述应力发光顶煤模拟颗粒和所述矸石模拟颗粒进行烘干存放，以便下次实验使用。
所述的支架顶梁受力监测系统可监测不同顶煤颗粒块度级配及形状条件下所述模拟放煤支架顶梁受力大小F实，由此可得顶煤颗粒卸载系数，如式(1)所示：
式中，F实为所述的支架顶梁受力监测系统监测所得的力，N；G为所述的模拟放煤支架顶梁上方所述应力发光顶煤模拟颗粒和所述矸石模拟颗粒的总重力，N；η为顶煤颗粒卸载系数。
其实验步骤如下：
步骤a、实验前对实验装置各零部件进行调整，并进行安全检查排除隐患，安装实验装置至实验要求状态；
步骤b、按照实验要求选取粒径大小合适的所述应力发光顶煤模拟颗粒和所述矸石模拟颗粒，按厚度比例依次铺设在所述模拟放煤支架上；
步骤c、模拟颗粒铺设完毕后，打开所述的颗粒应力实时监测分析系统和所述的支架顶梁受力监测系统，进行应力监测；
步骤d、打开所述模拟放煤支架放煤口进行放煤操作，当看到第一颗矸石模拟颗粒流出放煤口后停止放煤；
步骤e、测量记录所述放料仓内散体颗粒堆自然安息角，以及其内部力链网络；
步骤f、将所述模拟放煤支架进行移架，重复步骤d-e；
步骤g、关闭所述的颗粒应力实时监测分析系统和所述的支架顶梁受力监测系统，将所述的模拟放煤支架上部未放出的单一的矸石模拟颗粒和放料仓放出的单一的应力发光顶煤模拟颗粒小心取出；
步骤h、打开所述的放料仓底板，将剩余混合到一起的所述应力发光顶煤模拟颗粒和所述矸石模拟颗粒由放煤口直接放出到所述分离仓进行分离；
步骤i、先后将分离开的所述矸石模拟颗粒和所述应力发光顶煤模拟颗粒进行烘干操作，取出模拟颗粒放回原位置以便进行下次放煤实验，至此完成整个实验。
本发明的有益效果是：
本发明利用弹性应力发光材料的性质特征，可将顶煤颗粒的受力状态转化为发光强弱状态，进而通过颗粒应力实时监测分析系统实现直观地实时监测顶煤颗粒受力状态的功能；通过支架顶梁受力监测系统可实时监测支架顶梁受力，同时可以求出不同顶煤颗粒条件下卸载系数；利用应力发光顶煤模拟颗粒和矸石模拟颗粒密度相差较明显的特点，通过液体分离法可快速分离顶煤模拟颗粒和矸石模拟颗粒，即便于下次放煤实验，又大大减轻了实验人员工作强度。
附图说明
当结合附图考虑时，能够更完整更好地理解本发明。此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例中一种基于应力发光材料的综放开采模拟实验装置示意图。
图2为本发明实施例中一种基于应力发光材料的综放开采模拟实验装置中支架顶梁受力监测系统示意图。
图3为本发明实施例中一种基于应力发光材料的综放开采模拟实验放煤前后放料仓顶板，以及应力发光顶煤模拟颗粒和矸石模拟颗粒下沉状态示意图。
图4为本发明实施例中一种基于应力发光材料的综放开采模拟实验放煤后应力发光顶煤模拟颗粒和矸石模拟颗粒分离前后示意图。
图5为本发明实施例中一种基于应力发光材料的综放开采模拟实验放煤后应力发光顶煤模拟颗粒自然安息角测量示意图。
图6为本发明实施例中一种基于应力发光材料的综放开采模拟实验放煤过程中颗粒应力实时监测分析系统显示的应力大小状态示意图。
附图中的标记符号说明：
1-透明亚克力板框架、2-模拟放煤支架、3-放料仓、4-分离仓、5-烘干仓、6-应力发光顶煤模拟颗粒、7-矸石模拟颗粒、8-颗粒应力实时监测分析系统、81-高清摄像机、82-中心分析处理系统、83-应力显示输出设备、9-支架顶梁受力监测系统、10-活动板。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
一种基于应力发光材料的综放开采模拟实验装置及方法，包括透明亚克力板框架1、模拟放煤支架2、放料仓3、分离仓4、烘干仓5、应力发光顶煤模拟颗粒6、矸石模拟颗粒7、颗粒应力实时监测分析系统8、支架顶梁受力监测系统9、活动板10。
如图1-6所示，本综放开采模拟实验装置中模拟放煤支架2位于透明亚克力板框架1中部，放料仓3、分离仓4、烘干仓5依次位于模拟放煤支架2下方；应力发光顶煤模拟颗粒6和矸石模拟颗粒7依次填充在模拟放煤支架2上方；颗粒应力实时监测分析系统8用来实时监测放煤过程中应力发光顶煤模拟颗粒6受到的应力大小；支架顶梁受力监测系统9安装在模拟放煤支架2顶梁上，用来监测放煤过程中模拟放煤支架2顶梁受力变化情况。
其实验步骤如下：
a、实验前对实验装置各零部件进行调整，并进行安全检查排除隐患，安装实验装置至实验要求状态；
b、按照实验要求选取粒径大小合适的应力发光顶煤模拟颗粒6和矸石模拟颗粒7，按厚度比例依次铺设在模拟放煤支架2上；
c、模拟颗粒铺设完毕后，打开颗粒应力实时监测分析系统8和支架顶梁受力监测系统9，进行应力监测；
d、打开模拟放煤支架2放煤口进行放煤操作，当看到第一颗矸石模拟颗粒7流出放煤口后停止放煤；
e、测量记录放料仓3内散体颗粒堆自然安息角，以及其内部力链网络；
f、将模拟放煤支架2进行移架，重复步骤d-e；
g、关闭颗粒应力实时监测分析系统8和支架顶梁受力监测系统9，将模拟放煤支架2上部未放出的单一的矸石模拟颗粒7和放料仓3放出的单一的应力发光顶煤模拟颗粒6小心取出；
h、打开放料仓3底板，将剩余混合到一起的应力发光顶煤模拟颗粒6和矸石模拟颗粒7由放煤口直接放出到分离仓4进行分离；
i、先后将分离开的矸石模拟颗粒7和应力发光顶煤模拟颗粒6进行烘干操作，取出模拟颗粒放回原位置以便进行下次放煤实验，至此完成整个实验。
当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替换、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。
Claims (3)
1.一种基于应力发光材料的综放开采模拟实验装置，其特征在于，包括透明亚克力板框架、模拟放煤支架、放料仓、分离仓、烘干仓、应力发光顶煤模拟颗粒、矸石模拟颗粒、颗粒应力实时监测分析系统、支架顶梁受力监测系统、活动板；所述的模拟放煤支架位于所述的透明亚克力板框架中部，所述的放料仓、分离仓、烘干仓依次位于所述的模拟放煤支架下方；所述的应力发光顶煤模拟颗粒和所述的矸石模拟颗粒依次填充在所述的模拟放煤支架上方；所述的颗粒应力实时监测分析系统用来实时监测放煤过程中所述的应力发光顶煤模拟颗粒受到的应力大小；所述的支架顶梁受力监测系统安装在所述的模拟放煤支架顶梁上，用来监测放煤过程中所述的模拟放煤支架顶梁受力变化情况，所述的颗粒应力实时监测分析系统包括高清摄像机、中心分析处理系统、应力显示输出设备；所述的高清摄像机用来拍摄所述的应力发光顶煤模拟颗粒发光强弱，所述的中心分析处理系统用来将光能对应转换为机械能，所述的应力显示输出设备用来实时显示颗粒受力大小，所述的应力发光顶煤模拟颗粒可以将机械能转化为光能，在放煤过程中，所述的应力发光顶煤模拟颗粒受力越大发光越强，由此可以直观地看出放煤过程中应力分布情况；通过所述的颗粒应力实时监测分析系统可以实时显示出颗粒受力大小及分布情况，所述的应力发光顶煤模拟颗粒通过所述的模拟放煤支架后流入所述的放料仓形成散体颗粒堆，可以测量所述应力发光顶煤模拟颗粒的自然安息角；通过所述的颗粒应力实时监测分析系统可以统计分析散体颗粒堆内部的受力分布情况，所述的放料仓、分离仓以及烘干仓的顶底板都由可抽拉的所述活动板组成；所述的放料仓顶板随着所述模拟放煤支架的移架而配套移动；所述的分离仓中部安装有所述的活动板，用于隔开分离后的所述应力发光顶煤模拟颗粒和所述的矸石模拟颗粒，所述的分离仓中设有一个进液口，两个出液口，通过进液口输入密度处于所述应力发光顶煤模拟颗粒和所述矸石模拟颗粒之间的液体物质，用于快速分离放煤后混合到一块的颗粒物质，通过两个出液口放出用于分离所述的应力发光顶煤模拟颗粒和所述的矸石模拟颗粒的液体，所述的烘干仓用于将分离开的所述应力发光顶煤模拟颗粒和所述矸石模拟颗粒进行烘干存放，以便下次实验使用。
2.根据权利要求1所述的一种基于应力发光材料的综放开采模拟实验装置，其特征在于，所述的支架顶梁受力监测系统可监测不同顶煤颗粒块度级配及形状条件下所述模拟放煤支架顶梁受力大小F实，由此可得顶煤颗粒卸载系数，如式(1)所示：
式中，F实为所述的支架顶梁受力监测系统监测所得的力，N；G为所述的模拟放煤支架顶梁上方所述应力发光顶煤模拟颗粒和所述矸石模拟颗粒的总重力，N；η为顶煤颗粒卸载系数。
3.根据权利要求1所述的一种基于应力发光材料的综放开采模拟实验装置，其特征在于其实验步骤如下：
步骤a、实验前对实验装置各零部件进行调整，并进行安全检查排除隐患，安装实验装置至实验要求状态；
步骤b、按照实验要求选取粒径大小合适的所述应力发光顶煤模拟颗粒和所述矸石模拟颗粒，按厚度比例依次铺设在所述模拟放煤支架上；
步骤c、模拟颗粒铺设完毕后，打开所述的颗粒应力实时监测分析系统和所述的支架顶梁受力监测系统，进行应力监测；
步骤d、打开所述模拟放煤支架放煤口进行放煤操作，当看到第一颗矸石模拟颗粒流出放煤口后停止放煤；
步骤e、测量记录所述放料仓内散体颗粒堆自然安息角，以及其内部力链网络；
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