CN113866385A - 一种残煤复采三维相似模拟实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种残煤复采三维相似模拟实验装置及方法，该装置主要由台式试验模型箱体、模拟岩层、开采支护装置和监测监控系统构成；方框形台式试验模型箱体的四周挡板可以随意拆卸，方便模拟实验的操作与观察；开采支护装置中的多功能智能机车可以更换机头，从而实现拍摄、打木垛、打锚杆、喷雾、喷浆、采煤、运煤等操作，大大简化实验方式；监测监控系统能实时监测上覆岩层内的压力变化情况，并利用计算机形象模拟，从而真实的反应现场情况。残煤复采三维相似模拟实验装置既能再现前期小煤窑开采过程，又能在此基础上实现治理后的残留煤炭资源复采，使实验模拟更加客观、真实，操作简单，数据采集方便，实验结果更有助于指导工程实践。

Description

一种残煤复采三维相似模拟实验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种残煤复采三维相似模拟实验装置及方法，具体涉及小煤窑旧采空区残留煤炭资源复采的实验装置及方法。

背景技术

在采矿工程中，以前小煤窑的不规范开采造成煤炭资源的大量浪费，随着煤炭资源的整合，残煤浪费现象严重，残煤复采亦越发受到关注，针对残煤复采研究的方法多种多样。相似模拟是其中的重要方法之一，我们可以借助相似模型，利用在模型上研究的结果，推断出原型中可能发生的现象，从而解决工程生产中的实际问题。

相似模型反映实际情况的准确程度很大程度上取决于模型实现的相似程度。当前，较多的实验采用二维模型进行模拟，其结果与三维实际问题存在很大差异，而三维模型又由于模型体积大，在煤层的开采和巷道开挖过程中不易操作，也不易观察开采所带来的矿压显现等情况，实施困难。同时，残煤复采较传统相似模拟增加了小煤窑开采环节，现实情况更加复杂，所以研发一种适用于残煤复采的三维相似模拟实验装置和方法变得至关重要。

因此，本发明提供了一种附带多功能智能机车的残煤复采三维相似模拟实验装置和方法，有助于实验操作和实验现象的观察，操作简单且更加接近实际情况，实验结果更有参考价值。

发明内容

本发明旨在提供一种结构简单、操作方便、相似模拟可靠性强、数据准确、模拟效果好的残煤复采三维相似模拟实验装置及方法。

本发明的残煤复采三维相似模拟实验装置，包括箱体、岩层模拟系统、开采充填系统和监测监控系统。

所述箱体由角钢、螺栓、底板、顶板、护板、滑动槽组成；

所述岩层模拟系统由底板岩层、煤层、上覆岩层、方形片状加压水袋组成；

所述开采支护装置由多功能智能机车和辅助操作平台组成；

所述监测监控系统由小型无线压力传感器和计算机系统组成；

所述箱体四周的长方形护板均为U型钢板，煤层处可用带滑动槽的抗压玻璃板组合来代替护板，各护板与角钢用螺栓固定；所述底板为钢材料，其四个角上有螺纹孔，并与角钢通过螺栓固定连接。

所述岩层模拟系统中的底板岩层、煤层、上覆岩层由砂子、石膏、石灰等配料按不同的相似比配成，所述煤层中的旧式开采巷道位置处采用橡胶块体代替，所述的方形片状加压水袋的对角两端连接有进水软管和出水软管，两条软管的另一端连接到同一台水泵上，进水软管上安装有水压表和止水阀门，出水软管上仅安装有止水阀门。

所述的开采支护装置的主要部分为多功能智能机车，所述的多功能智能机车包括车体、底座、旋转台、底卸式翻斗、支杆转轴、行走机构、支杆、伸缩杆转轴、液压伸缩杆、微转轴、夹持机构、感应装置、电源装置、动力装置、通孔、监控装置组成。

所述的多功能智能机车的车体为长方体结构，由具有抗压能力的硬质板制成，其外部固定能运煤的底卸式翻斗和支杆转轴；支杆转轴与伸缩杆转轴均由伺服电机控制转动和自锁，并由支杆连接传动；液压伸缩杆两端分别与伸缩杆转轴和微转轴连接，微转轴连接控制夹持机构；车体内部装有感应装置、电源装置、动力装置；扁平状的感应装置位于车体的内侧上方，与计算机无线连接；内部装有蓄电池的电源装置位于感应装置的下方；动力装置位于电源装置的下方和车体底板内侧上方，车体内的部件通过导线穿过通孔与外部连接；监测装置位于车体的上方，由微型摄像头和小灯源组成，与计算机无线连接；多功能智能机车的底座为钢材料，其与车体通过旋转台连接；行走机构由具有自锁功能的车轮组成，与底座连接并位于底座的左右两侧，由动力装置提供动力；动力装置为电机组，由若干个电机组成，电机为各个机构提供动力；感应装置为温度、湿度和瓦斯传感器组合而成，用于获取除实际图像外的环境信息。

所述的伸缩杆转轴可实现人工拆卸和安装，其中，第二个伸缩杆转轴处可根据实验需要更换机头，实现机车多功能化；所述的多功能智能机车由辅助操作平台控制；所述的多功能智能机车通过更换不同的机头来实现打木垛、打锚杆、喷雾、喷浆、采煤、运煤等操作。

所述监测监控系统中的小型无线压力传感器的量程选取0～0.6MPa、0.6MPa～1MPa、1MPa～10MPa、10MPa～60MPa、60MPa～200MPa中的一种；该传感器体积足够小，具有足够的承压能力，且传感器与计算机之间无线连接，信号通过无线接收器收集后传输给计算机。本发明的残煤复采三维相似模拟实验方法，包括如下步骤：

a．由实际数据根据各相似比计算实验参数，得出实验材料配比表，并配置材料；

b．组装箱体，同时将步骤a配置的材料在箱体内自下而上逐层铺设模型，并在铺设过程中将小型无线压力盒埋在设定位置；其中，在铺设煤层时，用细线连接的橡胶块体按巷道方向布置代替小煤窑开采巷道；

c．模型铺设完毕后，在其上方通过加压水袋施加上覆等效载荷；

d．待模型晾干稳定后，通过细线牵引将橡胶块体缓慢拉出，形成小煤窑开采后形成的巷道状态，以模拟小煤窑巷道开采；

e．多功能智能机车通过小煤窑巷道进去模型内部，根据实验设定向已形成巷道通入水汽，水汽的温度、湿度均能调节，通过水汽的温度、湿度和通入时间来模拟小煤窑开采后经受的淋水、风化情况；

f．多功能智能机车驶入步骤d形成的巷道，拍摄观察巷道的情况，根据小型无线压力盒传输的信号和监测装置反馈在计算机的图像，判断煤壁的破碎程度；

g．利用多功能智能机车进行开采支护作业，根据采空区情况进行木垛支护、锚杆支护、锚喷支护或喷浆充填支护，支护操作完毕后，将智能机车退出；

h．更换机车机头，利用多功能智能机车进行工作面开采模拟，直至工作面开采完毕；

i．实验结束，记录实验数据，整理实验装置。

本发明的有益效果：

（1）本发明的模型架挡板可以任意拆卸，并可更换为带滑槽的组合抗压玻璃板，方便相似模拟实验的操作与实验现象的观察；

（2）本发明的残煤复采三维相似模拟实验装置既能实现前期小煤窑开采，又能实现后期治理后残煤的开采，使实验模拟更加接近现实情况，更加客观、真实，对实际工程操作具有重要的指导意义；

（3）本发明的多功能智能机车可以更换机头，从而实现拍摄、打木垛、打锚杆、喷雾、喷浆、采煤、运煤等操作，大大简化实验方式，诸多人工难以实现的实验操作均可由多功能机车代替；

（4）本发明的无线信息采集系统能实时监测上覆岩层内的压力变化情况，并利用计算机形象模拟，得到大量科学、准确的数据，进而真实地反应现场情况。

附图说明

图1是残煤复采三维相似模拟实验装置示意图。

图2是多功能智能机车示意图。

图3是滑动槽示意图。

图4是伸缩杆转轴处的结构示意图。

图5是多功能智能机车的夹持机构局部放大示意图。

图中：1—角钢；2—螺栓；3—底板；4—顶板；5—护板；6—滑动槽；7—底板岩层；8—煤层；9—上覆岩层；10—加压水袋；11—底卸式翻斗；12—伺服电机；13—小型无线压力传感器；14—进水软管；15—车体；16—机车底座；17—旋转台；18—支杆转轴；19—行走机构；20—支杆；21—伸缩杆转轴；22—液压伸缩杆；23—夹持机构；24—感应装置；25—电源装置；26—动力装置；27—通孔；28—监测装置；29—微转轴；30—出水软管；31—水泵；32—水压表；33—止水阀门。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述，但不局限于以下实施例。

如图1所示，本发明的残煤复采三维相似模拟实验装置，包括箱体、岩层模拟系统、开采充填系统和监测监控系统。

所述箱体由角钢1、螺栓2、底板3、顶板4、护板5、滑动槽6组成；

所述岩层模拟系统由底板岩层7、煤层8、上覆岩层9、方形片状加压水袋10组成；

所述开采支护装置由多功能智能机车和辅助操作平台组成；

所述监测监控系统由小型无线压力传感器13和计算机系统组成；

所述箱体四周的长方形护板5均为U型钢板，煤层处可用带滑动槽6的抗压玻璃板组合来代替护板5，各护板5与角钢1用螺栓2固定；所述底板3为钢材料，其四个角上有螺纹孔，并与角钢1通过螺栓2固定连接。

所述岩层模拟系统中的底板岩层7、煤层8、上覆岩层9由砂子、石膏、石灰等配料按不同的相似比配成，所述煤层8中的旧式开采巷道位置处采用橡胶块体代替，如图1所示，所述的方形片状加压水袋（10）的对角两端连接有进水软管（14）和出水软管（30），两条软管的另一端连接到同一台水泵（31）上，进水软管（14）上安装有水压表（32）和止水阀门（33），出水软管（30）上安装有止水阀门（33）。

如图2所示，所述的开采支护装置的主要部分为多功能智能机车，所述的多功能智能机车包括车体15、底座16、旋转台17、底卸式翻斗11、支杆转轴18、行走机构19、支杆20、伸缩杆转轴21、液压伸缩杆22、微转轴29、夹持机构23、感应装置24、电源装置25、动力装置26、通孔27、监控装置28组成。

所述的多功能智能机车的车体15为长方体结构，由具有抗压能力的硬质板制成，其外部固定能运煤的底卸式翻斗30和支杆转轴18；支杆转轴18与伸缩杆转轴21均由伺服电机12控制转动和自锁，并由支杆20连接传动；液压伸缩杆22两端分别与伸缩杆转轴21和微转轴29连接，微转轴29连接控制夹持机构23；车体15内部装有感应装置24、电源装置25、动力装置26；扁平状的感应装置24位于车体15的内侧上方，与计算机无线连接；内部装有蓄电池的电源装置25位于感应装置24的下方；动力装置26位于电源装置25的下方和车体15底板内侧上方，车体内的部件通过导线穿过通孔27与外部连接；监测装置28位于车体15的上方，由微型摄像头和小灯源组成，与计算机无线连接；多功能智能机车的底座16为钢材料，其与车体15通过旋转台17连接；行走机构19由具有自锁功能的车轮组成，与底座16连接并位于底座16的左右两侧，由动力装置26提供动力；动力装置26为电机组，由若干个电机组成，电机为各个机构提供动力；感应装置为温度、湿度和瓦斯传感器组合而成，用于获取除实际图像外的环境信息。

如图5所示，所述的伸缩杆转轴21可实现人工拆卸和安装，其中，支架21转轴处可根据实验需要更换机头，实现机车多功能化；所述的多功能智能机车由辅助操作平台控制；所述的多功能智能机车通过更换不同的机头来实现打木垛、打锚杆、喷雾、喷浆、采煤、运煤等操作。

所述监测系统中的小型无线压力传感器13的量程选取0～0.6MPa、0.6MPa～1MPa、1MPa～10MPa、10MPa～60MPa、60MPa～200MPa中的一种；该传感器体积足够小，具有足够的承压能力，且传感器与计算机之间无线连接，信号通过无线接收器收集后传输给计算机。本实验中小型无线压力传感器13一般使用的都是0~0.6Mpa的量程，建筑类的或者地铁类的大型土工现场实验采用大量程的。

如图所示，本发明的残煤复采三维相似模拟实验方法，包括如下步骤：

a．由实际数据根据各相似比计算实验参数，得出实验材料配比表，并配置材料；

b．组装箱体，同时将步骤a配置的材料在箱体内自下而上逐层铺设模型，并在铺设过程中将小型无线压力盒13埋在设定位置；其中，在铺设煤层时，用细线连接的橡胶块体按巷道方向布置代替小煤窑开采巷道；

c．模型铺设完毕后，在其上方通过加压水袋10施加上覆等效载荷；

d．待模型晾干稳定后，通过细线牵引将橡胶块体缓慢拉出，形成小煤窑开采后形成的巷道状态，以模拟小煤窑巷道开采；

e．多功能智能机车通过小煤窑巷道进去模型内部，根据实验设定向已形成巷道通入水汽，水汽的温度、湿度均能调节，通过水汽的温度、湿度和通入时间来模拟小煤窑开采后经受的淋水、风化情况；

f．多功能智能机车驶入步骤d形成的巷道，拍摄观察巷道的情况，根据小型无线压力盒13传输的信号和监测装置28反馈在计算机的图像，判断煤壁的破碎程度；

g．利用多功能智能机车进行开采支护作业，根据采空区情况进行木垛支护、锚杆支护、锚喷支护或喷浆充填支护，支护操作完毕后，将智能机车退出；

h．更换机车机头，利用多功能智能机车进行工作面开采模拟，直至工作面开采完毕；

i．实验结束，记录实验数据，整理实验装置。

Claims (7)

1.一种残煤复采三维相似模拟实验装置，其特征在于：包括箱体、模拟岩层、开采支护装置和监测监控装置；

所述箱体由角钢（1）、螺栓（2）、底板（3）、顶板（4）、护板（5）、滑动槽（6）组成，底板（3）与顶板（4）通过角钢（1）、螺栓（2）连接成一个整体，组成箱体的框架，横向设置的护板（5）与滑动槽（6）通过螺栓（2）连接在角钢（1）上，构成箱体的四壁；

所述模拟岩层包括底板岩层（7）、煤层（8）、上覆岩层（9）、方形片状加压水袋（10），底板岩层（7）、煤层（8）和上覆岩层（9）按照相似模拟的地质原型由下到上分层铺设于箱体内，方形片状加压水带安装在上覆岩层（9）与顶板（4）之间；

所述开采支护装置由多功能智能机车和辅助操作平台组成，多功能智能机车在模型内部所模拟的小煤窑巷道内工作，辅助操作平台设置在箱体外部5~10m范围内，利用无线传输技术实现对多功能智能机车的控制；

所述监测监控系统由小型无线压力传感器（13）和计算机组成，小型无线压力传感器（13）安设在模型内部，计算机设置在箱体外部5~10m范围内，通过无线传输技术来采集小型无线压力传感器（13）监测到的数据；

所述的模拟岩层、开采支护装置中的多功能智能机车和监测监控系统中的小型无线压力传感器（13）均安装在箱体内部，开采支护装置中的辅助操作平台和监测监控系统中的计算机设置在箱体外部5~10m范围内。

2.根据权利要求1所述的一种残煤复采三维相似模拟实验装置，其特征在于：所述箱体四周的长方形护板（5）均为槽型钢板，煤层（8）外围用带可滑动玻璃板的槽型钢板（6）代替护板（5），各护板（5）与角钢（1）通过螺栓（2）固定；所述底板（3）为钢材料，其四个角上有螺纹孔，并与角钢（1）通过螺栓（2）固定连接。

3.根据权利要求1所述的一种残煤复采三维相似模拟实验装置，其特征在于：所述模拟岩层中的底板岩层（7）、煤层（8）、上覆岩层（9）由砂子、石膏、石灰配料按不同的相似比配成，所述煤层（8）中的小煤窑开采巷道位置处采用橡胶块体代替，所述的方形片状加压水袋（10）的对角两端连接有进水软管（14）和出水软管（30），两条软管的另一端连接到同一台水泵（31）上，进水软管（14）上安装有水压表（32）和止水阀门（33），出水软管（30）上安装有止水阀门（33）。

4.根据权利要求1所述的一种残煤复采三维相似模拟实验装置，其特征在于：所述的开采支护装置包括多功能智能机车，多功能智能机车包括车体（15）、底座（16）、旋转台（17）、底卸式翻斗（11）、支杆转轴（18）、行走机构（19）、支杆（20）、伸缩杆转轴（21）、液压伸缩杆（22）、微转轴（29）、夹持机构（23）、感应装置（24）、电源装置（25）、动力装置（26）、通孔（27）、监测装置（28）组成；

所述的多功能智能机车的车体（15）为长方体结构，由具有抗压能力的硬质板制成，其外部固定能运煤的底卸式翻斗（30）和支杆转轴（18）；支杆转轴（18）与伸缩杆转轴（21）均由伺服电机（12）控制转动和自锁，并由支杆（20）连接传动；液压伸缩杆（22）两端分别与伸缩杆转轴（21）和微转轴（29）连接，微转轴（29）连接控制夹持机构（23）；车体（15）内部装有感应装置（24）、电源装置（25）、动力装置（26）；扁平状的感应装置（24）位于车体（15）的内侧上方，与计算机无线连接；内部装有蓄电池的电源装置（25）位于感应装置（24）的下方；动力装置（26）位于电源装置（25）的下方和车体（15）底板内侧上方，车体内的部件通过导线穿过通孔（27）与外部连接；监测装置（28）位于车体（15）的上方，由微型摄像头和小灯源组成，与计算机无线连接；多功能智能机车的底座（16）为钢材料，其与车体（15）通过旋转台（17）连接；行走机构（19）由具有自锁功能的车轮组成，与底座（16）连接并位于底座（16）的左右两侧，由动力装置（26）提供动力；动力装置（26）为电机组，由若干个电机组成，电机为各个机构提供动力；感应装置为温度、湿度和瓦斯传感器组合而成，用于获取除实际图像外的环境信息。

5.根据权利要求4所述的一种残煤复采三维相似模拟实验装置，其特征在于：所述的伸缩杆转轴（21）能人工拆卸和安装，其中，伸缩杆转轴（21）处能根据实验需要更换机头，实现机车多功能化；所述的多功能智能机车由辅助操作平台控制，多功能智能机车通过更换不同的机头来实现打木垛、打锚杆、喷雾、喷浆、采煤、运煤的操作。

6.根据权利要求1所述的一种残煤复采三维相似模拟实验装置，其特征在于：所述监测监控系统中的小型无线压力传感器（13）的量程选取0～0.6MPa、0.6MPa～1MPa、1MPa～10MPa、10MPa～60MPa、60MPa～200MPa中的一种；该传感器体积足够小，具有足够的承压能力，且传感器与计算机之间无线连接，信号通过无线接收器收集后传输给计算机。

7.一种残煤复采三维相似模拟实验方法，采用权利要求1~6任一项所述的一种残煤复采三维相似模拟实验装置，其特征在于：包括如下步骤：

a．由实际数据根据各相似比计算实验参数，得出实验材料配比表，并配置材料；

b．组装箱体，同时将步骤a配置的材料在箱体内自下而上逐层铺设模型，并在铺设过程中将小型无线压力传感器（13）埋在设定位置；其中，在铺设煤层时，用细线连接的橡胶块体按巷道方向布置代替小煤窑开采巷道；

c．模型铺设完毕后，在其上方通过加压水袋（10）施加上覆等效载荷；

d．待模型晾干稳定后，通过细线牵引将橡胶块体缓慢拉出，形成小煤窑开采后形成的巷道状态，以模拟小煤窑巷道开采；

e．多功能智能机车通过小煤窑巷道进去模型内部，根据实验设定向已形成巷道通入水汽，水汽的温度、湿度均能调节，通过水汽的温度、湿度和通入时间来模拟小煤窑开采后经受的淋水、风化情况；

f．多功能智能机车驶入步骤d形成的巷道，拍摄观察巷道的情况，根据小型无线压力传感器（13）传输的信号和监测装置（28）反馈在计算机的图像，判断煤壁的破碎程度；

g．利用多功能智能机车进行开采支护作业，根据采空区情况进行木垛支护、锚杆支护、锚喷支护或喷浆充填支护，支护操作完毕后，将多功能智能机车退出；

h．更换机车机头，利用多功能智能机车进行工作面开采模拟，直至工作面开采完毕；

i．实验结束，记录实验数据，整理实验装置。

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