CN111381014A - 一种用于研究煤层-覆岩-地表的采动-运动-移动一体化的真三维相似材料模拟试验装置 - Google Patents

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徐良骥
叶伟
张坤
卢克东
王明达
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Anhui University of Science and Technology
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/24—Earth materials

Abstract

本发明公开了一种用于研究煤层‑覆岩‑地表的采动‑运动‑移动一体化的真三维相似材料模拟试验装置，其包括一对可移动框架、可沿倾向方向拉伸和转动的支撑底板、一对可升降的液压支架、多个可拆卸可调节长度支护板。支撑底板通过两根转轴连接在一对可移动框架之间，通过调节两根转轴的相对高度来调节支撑底板的倾角以模拟倾斜煤层，支撑底板两端转轴通过螺母进行固定，通过调节液压支架高度改变支撑底板高度以模拟不同埋深煤层。每块支护板两端通过螺丝和螺母固定在框架支柱之间，逐一累加的支护板用作堆叠的三维相似材料模型成型。本发明的优点在于：可探寻任意倾角、采厚、埋深煤层真实采矿条件下煤层‑覆岩‑地表真三维状态下的运移规律。

Description

一种用于研究煤层-覆岩-地表的采动-运动-移动一体化的真 三维相似材料模拟试验装置
技术领域
本发明涉及一种矿山开采沉陷领域用的相似材料模拟试验装置，尤其涉及一种用于研究煤层-覆岩-地表的采动-运动-移动一体化的真三维相似材料模拟试验装置。
背景技术
相似材料模拟试验的本质是根据相似原理，将矿山上煤层、覆岩、地表岩层按照一定的比例缩小，根据试验原型选择合适的相似材料制作矿山模型，在模型达到预期状态后，采出模型中煤层，观测并记录煤层开采后上覆岩层和地表岩层的运移情况，据此探究现实开采过程中工作面上方岩层的移动变形规律、岩层破坏情况以及地表移动变形规律。目前的相似材料模拟试验局限于通过一个煤层-覆岩-地表剖面的采动-运动-移动情况来研究真实工作面开采引起的覆岩运动损伤和地表移动变形规律，但二维相似材料模型能够模拟的条件较为单一。设计一种用于研究煤层-覆岩-地表的采动-运动-移动一体化的真三维相似材料模拟试验装置，模拟任意倾角、采深、采厚条件下、不同厚度松散层、有无含水层条件下的三维工作面开采引发的三维覆岩运动和损伤、地表移动变形规律、裂缝动态发育规律、导水裂隙发育高度、岩层应力和应变动态变化规律等。通过一体化三维相似材料模型研究煤层-覆岩-地表的采动-运动-移动规律可以为煤矿开采带来的各种问题的研究提供一种矿山原型相似比例微缩模型试验装置。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种用于研究煤层-覆岩-地表的采动-运动-移动一体化的真三维相似材料模拟试验装置，用于模拟任意倾角、采深、采厚、不同厚度松散层、有无含水层条件下的三维工作面开采引发的覆岩运动和损伤、地表移动变形规律、裂缝动态发育规律、导水裂隙带发育高度以及岩层应力和应变动态变化规律等。
本发明是这样实现的，一种用于研究煤层-覆岩-地表的采动-运动-移动一体化的真三维相似材料模拟试验装置，其包括一对可移动框架、可沿倾向方向拉伸和转动的支撑底板、一对可升降的液压支架、多个可拆卸可调节长度支护板。
所述一对可移动框架由两个独立的可移动二维相似模拟试验平台构成，在传统二维相似材料模拟试验平台基础上在两端底座上安置承压滚轮，方便更改工作面的长度，在两端竖直支架中间分别开凿一条滚动轴槽，用于安装支撑底板两端的转动轴。
所述支撑底板通过两根转动轴连接在一对可移动框架之间，通过调节两根转轴的相对高度来调节支撑底板的倾角以模拟不同倾角的煤层，支撑底板两端转轴通过螺母进行固定，支撑底板为塔式结构，可进行拉伸，进而模拟不同长度的工作面。
所述液压支架，其作用在于：在支撑底板基本结构底部走向方向两侧边缘分别与一对液压支架通过铰链相接。通过调节液压支架高度改变支撑底板高度以模拟不同埋深煤层。
所述多个可拆卸可调节长度支护板，主要是伴随着在支撑底板上堆叠模型材料时逐渐安装支护板，通过将塔式结构的支护板长度调节至一对可移动框架走向方向内表面之间的宽度(此处的宽度为模拟工作面的宽度)，并将其通过螺丝和螺母在框架两端进行固定，同时通过将塔式结构的支护板长度调节至一对可移动框架倾向方向内表面之间的长度(此处的长度为模拟工作面的长度)，并将其通过螺丝和螺母在框架两端进行固定。
附图说明
图1为一种用于研究煤层-覆岩-地表的采动-运动-移动一体化的真三维相似材料模拟试验装置主体框架结构示意图。
图2为一种用于研究煤层-覆岩-地表的采动-运动-移动一体化的真三维相似材料模拟试验装置主体框架结构左视图。
图3为可拆卸可调节长度支护板。
具体实施方式
为了使发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对一种用于研究煤层-覆岩-地表的采动-运动-移动一体化的真三维相似材料模拟试验装置进行进一步详细说明。
请一并参阅图1、图2及图3，一种用于研究煤层-覆岩-地表的采动-运动-移动一体化的真三维相似材料模拟试验装置包括①承压滚轮、②二维相似材料模拟试验平台、③基础液压支架、④二段液压支架、⑤三段液压支架、⑥铰链、⑦转动轴、⑧固定螺母、⑨滚动轴槽、⑩二段支撑底板、
Figure BDA0002421853030000021
基础支撑底板、
Figure BDA0002421853030000022
液压支架底盘、
Figure BDA0002421853030000023
基础支护板、
Figure BDA0002421853030000024
固定螺丝孔、
Figure BDA0002421853030000025
塔式结构固定栓、
Figure BDA0002421853030000026
二段支护板。
1.基本模型框架
4个①承压滚轮和一对②二维相似材料模拟试验平台构成一种用于研究煤层-覆岩-地表的采动-运动-移动一体化的真三维相似材料模拟试验装置基本模型框架。
2.支撑底板
⑩二段支撑底板、
Figure BDA0002421853030000027
基础支撑底板、⑦转动轴共同构成支撑底板，其中⑩和
Figure BDA0002421853030000028
按照塔式结构组合，衔接处通过塔式结构固定栓进行固定。两端的⑦转动轴分别安装在两端⑨滚动轴槽内，通过调节好倾角后利用⑧固定螺母进行固定。
3.液压支架
③基础液压支架、④二段液压支架、⑤三段液压支架按照塔式结构组成液压支架，通过调节④、⑤来控制支撑底板的高度，从而模拟不同埋深的煤层。液压支架与支撑底板之间通过⑥铰链相连接。
4.支护板
Figure BDA0002421853030000029
基础支护板、
Figure BDA00024218530300000210
二段支护板按照塔式结构组成支护板，支护板两侧均有固定板，固定板几何中心设置有
Figure BDA00024218530300000211
固定螺丝孔，在
Figure BDA00024218530300000212
和
Figure BDA00024218530300000213
衔接处通过
Figure BDA00024218530300000214
塔式结构固定栓进行固定。伴随着在支撑底板上堆叠模型材料时逐渐安装支护板，通过将塔式结构的支护板长度调节至一对可移动框架走向方向内表面之间的宽度(此处的宽度为模拟工作面的宽度)，并将其通过螺丝和螺母在框架两端进行固定，同时通过将塔式结构的支护板长度调节至一对可移动框架倾向方向内表面之间的长度(此处的长度为模拟工作面的长度)，并将其通过螺丝和螺母在框架两端进行固定。

Claims (5)

1.一种用于研究煤层-覆岩-地表的采动-运动-移动一体化的真三维相似材料模拟试验装置，其特征在于：其包括一对可移动框架、可沿倾向方向拉伸和转动的支撑底板、一对可升降的液压支架、多个可拆卸可调节长度支护板。
2.如权利要求1所述的一对可移动框架，其特征在于：由两个独立的可移动二维相似模拟试验平台构成，在传统二维相似材料模拟试验平台基础上在两端底座上安置承压滚轮，方便更改工作面的长度，在两端竖直支架中间分别开凿一条滚动轴槽，用于安装支撑底板两端的转动轴。
3.如权利要求1所述的支撑底板，其特征在于：该支撑底板通过两根转动轴连接在一对可移动框架之间，通过调节两根转轴的相对高度来调节支撑底板的倾角以模拟不同倾角的煤层，支撑底板两端转轴通过螺母进行固定，支撑底板为塔式结构，可进行拉伸，进而模拟不同长度的工作面。
4.如权利要求1所述的液压支架，其特征在于：在支撑底板基本结构底部走向方向两侧边缘分别与一对液压支架通过铰链相接。通过调节液压支架高度改变支撑底板高度以模拟不同埋深煤层。
5.如权利要求1所述的多个可拆卸可调节长度支护板，其特征在于：主要是伴随着在支撑底板上堆叠模型材料时逐渐安装支护板，通过将塔式结构的支护板长度调节至一对可移动框架走向方向内表面之间的宽度(此处的宽度为模拟工作面的宽度)，并将其通过螺丝和螺母在框架两端进行固定，同时通过将塔式结构的支护板长度调节至一对可移动框架倾向方向内表面之间的长度(此处的长度为模拟工作面的长度)，并将其通过螺丝和螺母在框架两端进行固定。
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