CN113188908A - 一种预支撑精准卸压感知煤层回采模拟试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种预支撑精准卸压感知煤层回采模拟试验装置及方法，包括：模型箱：由多个箱壁拼接构成，用于放置试样模型；回采机构：用于埋设在试样模型内部，包括平行设置的上承载板和下承载板，上承载板和下承载板之间设有用于调节其距离的调节机构，上承载板安装有应变监测元件；加载机构：用于设置在模型箱顶部，对试样模型施加竖向荷载。模型制作过程中，通过调节机构预先将上承载板支撑至指定高度，回采模拟过程中，通过调节机构降低上承载板高度，从而使上承载板卸压脱离顶板岩层，方便取出回采机构,采用本发明的试验装置操作方便，可模拟煤矿现场多煤层回采，并可调节模拟煤层厚度，并监测顶板岩层的压力演化规律。

Description

一种预支撑精准卸压感知煤层回采模拟试验装置及方法

技术领域

本发明涉及模拟试验设备技术领域，具体涉及一种预支撑精准卸压感知煤层回采模拟试验装置及方法。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

煤矿回采过程中，随着工作面的推进，采空区原有力学平衡状态遭到破坏，失去支撑的上覆岩层发生变形位移，直至破坏垮落。为了准确认识顶板岩层变形破坏过程，保证煤矿安全开采，因此，对回采过程中物理力学参数以及变形破坏机理的认识至关重要。但是目前工作面及采空区现场试验存在诸多限制与安全隐患，无法开展准确的现场监测试验。物理模拟试验作为研究煤层回采过程顶板变形破坏的主要手段之一，具有方便、快捷、可重复的优势。为了更准确获取物理模拟试验数据，必须尽可能提高模拟试验与现场的相似性。此类物理模拟试验的技术难点在于如何在顶板岩层存在条件下准确模拟煤层回采过程，并尽可能考虑煤层厚度、回采方向、回采速度等因素，使其产生与实际工况相近的地质力学现象，进而监测回采过程中顶板岩层压力的演化规律。

为此，目前已研发多种用于物理模拟试验中煤层回采模拟试验装置，例如：

现有技术中存在一种煤矿开采三维模拟试验装置，能再现模拟综采工作面开采、采空区充填、充填物料压实等具体过程，但发明人发现，该装置无法监测回采过程中顶板岩层的压力的演化规律，需要在顶板岩层额外布设压力传感器，对试验模型造成损坏，影响试验结构的准确性。

现有技术中还存在一种深部煤层条带开采模拟试验系统，该试验系统的模拟煤层由若干个受载气囊排布而成，通过控制气囊中气体量的抽放来模拟不同采高的煤层开采，通过抽放不同间隔的位置的受载气囊来模拟不同采宽的煤层开采。然而发明人发现，实际操作工程中面临气囊漏气、模型制作过程中气囊刚度小，受压变形大导致上覆岩层压实不均匀、气囊泄气速度不可控等影响试验的情况，且无法监测回采过程中顶板岩层压力的演化规律。

现有技术中还存在一种可模拟倾斜岩层的全自动相似模拟试验装置及方法，该试验装置的开挖锯条导轨可沿开挖装置支撑架滑动。但是发明人发现，该方法无法适应不同厚度的煤层回采要求，实际操作中面临渣土清运困难、可靠性差等问题，且无法监测回采过程中顶板岩层压力的演化规律。

综上，现有煤层回采模拟装置各有特点，但主要局限性如下：

(1)操作过程复杂，对试验模型整体性影响大，造成模拟试验结果不准确；

(2)模型回采过程产生的渣土清运困难，阻碍回采模拟过程；

(3)需要在模型中额外埋设压力传感器，用于监测顶板岩层的压力，进一步影响了试验模型的整体性与应力场演化规律。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供了一种预支撑精准卸压感知煤层回采模拟试验装置，操作简单，能够监测回采过程中顶板岩层压力的演化规律。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明的实施例提供了一种预支撑精准卸压感知煤层回采模拟试验装置，包括：

模型箱：由多个箱壁拼接构成，箱壁由多个钢梁沿竖向可拆卸连接构成；

回采机构：用于埋设在试样模型内部，包括平行设置的上承载板和下承载板，上承载板和下承载板之间设有用于调节其距离的调节机构，上承载板安装有应变监测元件。

加载机构：用于设置在模型箱顶部，对模型箱内的试样模型施加竖向荷载。

可选的，所述调节机构包括两个分别设置在上承载板和下承载板之间两端的移动块，所述移动块为楔形块，两个移动块的相向或远离运动能够带动上承载板和下承载板做相应的远离或相向运动。

可选的，上承载板和下承载板为梯形板，上承载板和下承载板的腰所在的侧面能够分别与移动块的上下侧面面接触；

相应的移动块与上承载板和下承载板在面接触位置处通过滑槽和滑条滑动连接。

可选的，所述第一移动块和第二移动块与驱动件连接，能够在驱动件的作用下做同步的相向或远离运动。

可选的，所述驱动件采用调整杆，所述调整杆两端具有旋向相反的第一螺纹段和第二螺纹段，第一螺纹段与其中一个移动块螺纹连接，第二螺纹段与另一个移动块螺纹连接。

可选的，所述下承载板上固定有固定板，固定板顶面设有限位槽，固定板通过限位槽及调整杆开始的环形槽卡接，固定板用于限制调整杆沿其轴线方向的运动。

可选的，所述上承载板和下承载板之间还设置有至少一个限位螺杆，所述限位螺杆底端与下承载板固定连接，限位螺杆顶部设有能够与上承载板接触的限位螺帽。

可选的，所述应变监测元件采用粘贴固定在上承载板下表面的应变片。

第二方面，本发明的实施例提供了一种第一方面所述的预支撑精准卸压感知模拟煤层回采试验装置的工作方法，包括以下步骤：

浇注试样模型，模型箱的箱壁随同试样模型的浇注进行组装；

当试样模型浇注至设定高度后，在需模拟煤层的位置安装至少一组回采机构，每组包括多个并排设置的回采机构；

试样模型浇注完成后，安装加载机构；

加载机构施加竖向荷载，用于模拟顶板岩层压力，拆下回采机构对应位置的一侧箱壁的钢梁，设定的回采机构的调节机构调节上承载板和下承载板距离减小，依次取出设定的回采机构，模拟煤层的回采过程，未取出的其他回采机构利用应变监测元件实时监测上承载板变形，通过变形及上承载板的刚度计算得到回采区所受顶板岩层压力演化规律。

可选的，试样模型浇注过程中，在不同高度埋设回采机构，用于模拟煤矿现场多煤层回采。

本发明的有益效果：

1.本发明的试验装置，能够利用调节机构调节上承载板和下承载板之间的距离，通过拆除其一侧的钢梁，即可方便的将回采机构取出，模拟回采过程，操作方便，对试样模型的整体影响性小，而且回采机构为整个取出，不会残留废渣，避免了对试样模型的变形破坏产生影响，而且省去了渣土清运过程。

2.本发明的试验装置，上承载板上安装有应变监测元件，而且实验时，每组具有多个并排设置的回采机构，无需在试样模型中另外埋设压力监测元件，精简了监测设备，避免了影响影响了试验模型的整体性与应力场演化规律，而且能够通过应变监测元件及上承载板刚度计算得到回采机构上承载板的变形，进而得到回采过程中顶板岩层压力演化情况。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1为本发明实施例1整体结构主视图；

图2为本发明实施例1上承载板和下承载板距离最大时回采机构示意图一；

图3为本发明实施例1上承载板和下承载板距离最大时回采机构示意图二；

图4为本发明实施例1上承载板和下承载板距离最大时回采机构主视图；

图5为本发明实施例1上承载板和下承载板距离最小时回采机构示意图一；

图6为本发明实施例1上承载板和下承载板距离最小时回采机构示意图二；

图7为本发明实施例1上承载板和下承载板距离最小时回采机构主视图；

图8为本发明实施例1下承载板俯视图；

图9为本发明实施例1移动块结构示意图；

图10为本发明实施例1调节杆结构示意图；

其中，1.底座，2.箱壁，3.顶板岩层，4.回采机构，5.上承载板，6.下承载板，7.移动块，8.调节杆，9.限位螺杆，10.第一螺纹段，11.螺纹孔，12.阶梯通孔，13.应变片，14.滑槽，15.L型板，16.限位槽，17.环形槽，18.第二螺纹段，19.液压千斤顶，20.滑条。

具体实施方式

实施例1

本实施例公开了一种预支撑精准卸压感知煤层回采模拟试验装置，如图1所示，包括模型箱、加载机构及多个回采机构，本实施例中，模型箱采用立方体的箱体结构，用于放置试验模型，包括底座1及固定在底座的四个箱壁2，定义试验人员操作时所作的模型箱的一侧为模型箱的前侧，对侧为模型箱的后侧，另外两侧为模型箱的左右两侧，则四个箱壁分别为前侧箱壁、后侧箱壁、左侧箱壁及右侧箱壁。

所述箱壁由沿竖向设置的多个钢梁可拆卸连接构成，钢梁的两端能够与相邻箱壁的钢梁的端部可拆卸连接。当选择一个钢梁拆除时，不会影响其他钢梁的固定。

可以理解的是，钢梁之间可采用螺栓或螺钉实现可拆卸连接，也可通过卡扣的方式实现可拆卸连接。

如图2-图8所示，所述回采机构用于埋设在试样模型中，用于模拟待回采的煤层，回采机构从试样模型的取出过程即可以用于回采过程的模拟。

所述回采机构4包括平行设置的上承载板5和下承载板6，所述上承载板和下承载板的长度等于前侧箱壁和后侧箱壁之间的距离，使得上承载板和下承载板的两端能够分别与前侧箱壁和后侧箱壁的内侧面贴合接触。

上承载板和下承载板之间设置有调节机构，用于调节上承载板和下承载板之间的距离。

所述调节机构包括移动块7、驱动件等元件，具体的，所述上承载板和下承载板之间的两端均设置有一个移动块，移动块与上承载板、下承载板的配合被配置为：

两个移动块能够做同步的相向或远离运动，移动块能够带动上承载板和下承载板座同步的远离或相向运动。

即当两个移动块做同步的相向运动时，上承载板和下承载板的距离增大，当两个移动块做同步的相互远离运动时，上承载板和下承载板的距离减小。

如图9所示，本实施例中，两个移动块均采用楔形块，所述楔形块为一种梯形结构，包括上底面、下底面和两个腰面，定义与上承载板和下承载板平行的方向为设定方向，则上底面和下底面为与设定方向垂直的面，且上底面为面积较小的面，两个腰面则为与设定方向呈夹角的面。

所述移动块的两个腰面分别与上承载板和下承载板接触，由于采用此种设置，因此当移动块相向或远离运动时，能够使得上承载板和下承载板之间的距离发生变化。

本实施例中，所述上承载板和下承载板均采用梯形板，为梯形结构，上承载板中，面积较小的上底面朝下设置，下承载板中，面积较小的上底面朝上设置，所述上承载板和下承载板一侧的腰面分别与其中一个移动块的上下两个腰面贴合，上承载板和下承载板另一侧的腰面分别与另一个移动块上下两个腰面贴合。

为了防止两个移动块产生错动，保证其与上承载板和下承载板的相对滑动平稳，在上承载板和下承载板的腰面上开设滑槽14，相应的，在移动块的腰面上设置滑条20，移动块通过滑条和滑槽与上承载板和下承载板滑动连接。

两个移动块与驱动件连接，驱动件能够带动两个移动块做同步的相向或远离运动。

如图10所示，本实施例中，所述驱动件采用调节杆8，调节杆轴线沿设定的方向设置，所述调节杆的两端分别设有第一螺纹段10和第二螺纹段18，所述第一螺纹段和第二螺纹段的旋向相反，第一螺纹段与其中一个移动块螺纹连接，第二螺纹段与另一个移动块螺纹连接。

由于第一螺纹段和第二螺纹段旋向相反，因此调节杆转动时，能够带动两个移动块做同步的方向相反的运动。

本实施例中，所述第一螺纹段和/或第二螺纹段的外侧端部为外六方结构，方便试验工作人员转动调节杆。

在其他一些实施例中，所述第一螺纹段和/或第二螺纹段的外侧端部也可采用内六方结构或其他形状结构，方便试验工作人员利用工具转动调节杆即可。

所述下承载板上固定有固定板，本实施例中，所述固定板采用L型板15，包括垂直设置的第一固定部和第二固定部，第一固定部通过螺栓固定在下承载板上，第二固定部顶部开设有限位槽16，限位槽为敞口式设置，所述调节杆的中部位置开设有环形槽17，形成直径较小的限位部，所述限位部卡入限位槽中，从而通过限位槽限制调节杆沿其轴线方向的运动。

本实施例中限位槽为敞口式，方便安装时调节杆穿过，限位槽不限制调节杆的竖向运动，使得调节杆具有上下活动的空间，满足移动块相向或远离运动时调节杆升降的需求。

所述上承载板和下承载板之间还设置有两组限位螺杆9，每个移动块的内侧设置一组限位螺杆，每组具有两个限位螺杆，两个限位螺杆相对于调节杆的轴线对称设置。

所述限位螺杆的底端与下承载板通过螺纹孔11螺纹固定连接，所述限位螺杆的顶端固定有限位螺帽，相应的，所述上承载板上开设有阶梯通孔12，包括上下设置的第一孔部和第二孔部，所述第一孔部的直径大于第二孔部的直径，第一孔部的直径还大于限位螺帽的直径，第二孔部的直径大于限位螺杆的直径小于限位螺帽的直径，限位螺杆顶端穿过第二孔部，并且限位螺帽设置在第一孔部内部，第一孔部的长度大于限位螺帽的厚度，使得上承载板具有上下运动的空间。限位螺帽能够与第一孔部和第二孔部形成的阶梯面接触，从而限制上承载板远离下承载板的运动。

本实施例中，将限位螺帽设置在第一孔部内部，使得限位螺母不会凸出与上承载板设置，避免了对试样模型的影响。

所述上承载板的下表面中部位置还固定有应变监测元件，本实施例中，所述应变监测元件采用应变片13，所述应变片粘贴固定在上承载板的下表面，应变片能够与外部控制系统连接，当上承载板上方试验模型进行应力加载时，上承载板将发生变形，应变片也将对应发生变形，产生不同的电压信号，便可以通过信号采集系统获取电压信号的变化，由于上承载板的刚度一定，从而上承载板受到的压力与产生的变形呈线性关系，进而可得电压信号的变化与上承载板的变形呈线性关系，便可以通过校准，利用电压信号获取上承载板变形数据，通过上承载板的变形数据和刚度，可计算得到上承载板的压力数据。

本实施例中，在应变片上涂抹一层弹性胶，防止实验过程中应变片的损坏。

所述加载机构包括反力梁，所述反力梁能够与箱壁的顶部通过螺栓可拆卸固定连接，所述反力梁上固定有多个加载件，本实施例中，所述加载件采用液压千斤顶19，所述液压千斤顶伸缩部端部固定有加载板，液压千斤顶通过加载板对试样模型施加竖向荷载，用于模拟顶板岩层3的压力

实施例2：

本实施例公开了一种实施例1所述的预支撑精准卸压感知煤层回采模拟试验装置的工作方法，包括以下步骤：

在模型箱内浇注模型试样，浇注模型试样时，同步对模型箱的箱壁的钢梁进行组装，使得箱壁与模型试样同步升高。

当模型试样浇注至设定高度后，在模型试样上放置三组回采机构，每组具有多个并排设置的回采机构，回采机构的上承载板和下承载板的两端与前侧箱壁和后侧箱壁的钢梁贴合，并且通过调节杆调节上承载板和下承载板之间的距离，使其满足试验所需煤层厚度的需求。

回采机构放置完成后，继续浇注模型试样直至达到设定高度，然后安装加载机构。

待模型试样干燥后，启动液压千斤顶，对模型试样施加竖向荷载，模拟顶板岩层压力。

取下回采机构对应位置的前侧箱壁的钢梁，使得回采机构暴露在外，试验工作人员通过外六方结构转动调节杆，使得上承载板朝向下承载板运动，然后将设定的回采机构依次取出，模拟回采过程。

同时读取未取出的其他回采机构的应变片采集的信息，得到所受的顶板岩层的压力的演化规律。

本实施例中，可以在不同高度处设置回采机构，进而模拟不同高度煤层的回采，还可以预先调节上承载板和下承载板之间的距离，模拟不同厚度煤层的回采，通过使用不同宽度的回采机构，模拟不同步距煤层的回采。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种预支撑精准卸压感知煤层回采模拟试验装置，其特征在于，包括：

模型箱：由多个箱壁拼接构成，箱壁由多个钢梁沿竖向可拆卸连接构成；

回采机构：用于埋设在试样模型内部，包括平行设置的上承载板和下承载板，上承载板和下承载板之间设有用于调节其距离的调节机构，上承载板安装有应变监测元件；

加载机构：用于设置在模型箱顶部，对模型箱内的试样模型施加竖向荷载。

2.如权利要求1所述的一种预支撑精准卸压感知煤层回采模拟试验装置，其特征在于，所述调节机构包括两个分别设置在上承载板和下承载板之间两端的移动块，所述移动块为楔形块，两个移动块的相向或远离运动能够带动上承载板和下承载板做相应的远离或相向运动。

3.如权利要求2所述的一种预支撑精准卸压感知煤层回采模拟试验装置，其特征在于，上承载板和下承载板为梯形板，上承载板和下承载板的腰所在的侧面能够分别与移动块的上下侧面面接触；

相应的，移动块与上承载板和下承载板在面接触位置处通过滑槽和滑条滑动连接。

4.如权利要求2所述的一种预支撑精准卸压感知煤层回采模拟试验装置，其特征在于，所述移动块与驱动件连接，能够在驱动件的作用下做同步的相向或远离运动。

5.如权利要求4所述的一种预支撑精准卸压感知煤层回采模拟试验装置，其特征在于，所述驱动件采用调整杆，所述调整杆两端具有旋向相反的第一螺纹段和第二螺纹段，第一螺纹段与其中一个移动块螺纹连接，第二螺纹段与另一个移动块螺纹连接。

6.如权利要求5所述的一种预支撑精准卸压感知煤层回采模拟试验装置，其特征在于，所述下承载板上固定有固定板，固定板顶面设有限位槽，固定板通过限位槽及调整杆开始的环形槽卡接，固定板用于限制调整杆沿其轴线方向的运动。

7.如权利要求1所述的一种预支撑精准卸压感知煤层回采模拟试验装置，其特征在于，所述上承载板和下承载板之间还设置有至少一个限位螺杆，所述限位螺杆底端与下承载板固定连接，限位螺杆顶部设有能够与上承载板接触的限位螺帽。

8.如权利要求1所述的一种预支撑精准卸压感知煤层回采模拟试验装置，其特征在于，所述应变监测元件采用粘贴固定在上承载板下表面的应变片。

9.一种权利要求1-8任一项所述的预支撑精准卸压感知煤层回采模拟试验装置的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

浇注试样模型，模型箱的箱壁随同试样模型的浇注进行组装；

当试样模型浇注至设定高度后，在需模拟煤层的位置安装至少一组回采机构，每组包括多个并排设置的回采机构；

试样模型浇注完成后，安装加载机构；

加载机构施加竖向荷载，用于模拟顶板岩层压力，拆下回采机构对应位置的一侧箱壁的钢梁，设定的回采机构的调节机构调节上承载板和下承载板距离减小，依次取出设定的回采机构，模拟煤层的回采过程，未取出的其他回采机构利用应变监测元件实时监测上承载板变形，通过变形及上承载板的刚度计算得到回采区所受顶板岩层压力演化规律。

10.如权利要求9所述的预支撑精准卸压感知煤层回采模拟试验装置的工作方法，其特征在于，试样模型浇注过程中，在不同高度埋设所述回采机构。

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