CN114067659A - 一种用于模拟煤炭开采的三维试验平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于模拟煤炭开采的三维试验平台，包括：框架；设置于框架底部的开挖模拟系统，用于模拟煤炭开采后的煤层变形状态；岩土模拟单元，铺设于开挖模拟系统的上部；岩土模拟单元采用模拟岩土得到；设置于框架顶部的移动式加载系统，所述移动式加载系统包括多个加载模块；控制装置，根据煤矿实际岩土厚度以及岩土模拟单元的厚度，确定每一加载模块的施压值；向每一加载模块发送控制信号，控制加载模块向岩土模拟单元施加压力，使得加载模块施加的压力值与岩土模拟单元的自身重力值之和与煤矿实际岩土厚度所产生的压力值相匹配。以上方案，能够模拟各种深度煤层所承受的压力值，可以对深煤层的开采过程进行模拟。

Description

一种用于模拟煤炭开采的三维试验平台

技术领域

本发明涉及煤炭开采相似性模拟装置技术领域，特别涉及一种用于模拟煤炭开采的三维试验平台。

背景技术

煤炭在开采过程中，会导致煤层上方的岩层和地表发生裂隙、变形等，如果严重的情况下会出现坍塌等造成严重的安全事故。因此在煤炭开采之前对煤矿的实际情况以及煤炭开采计划进行模拟，预先估计煤炭开采对于岩层和地表的损伤程度是至关重要的。

在实际开采时，煤层的深度是随机的，有一些深煤层的矿井，煤层可能位于地表以下一千米左右甚至更深。而现有的模拟装置中，受到试验场地和试验装置尺寸的限制，其只能在模拟煤层的表面设置几米的岩层及地表，只能够模拟一百多米左右的浅煤层的开采情况。

因此，需要一种针对各种深度煤层开采情况均可以模拟的试验装置。

发明内容

本发明要解决的技术问题是现有煤炭开采模拟平台仅能模拟浅煤层开采情况导致的适用场景受限的问题，为此，本发明提出了一种用于模拟煤炭开采的三维试验平台。

针对上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

本发明实施例提供一种用于模拟煤炭开采的三维试验平台，包括：

框架；

设置于所述框架底部的开挖模拟系统，用于模拟煤炭开采后的煤层变形状态；

岩土模拟单元，铺设于所述开挖模拟系统的上部；所述岩土模拟单元采用模拟岩土得到，所述模拟岩土与现场采集的煤矿区域岩土相同；

设置于所述框架顶部的移动式加载系统，所述移动式加载系统包括多个加载模块；

控制装置，根据煤矿实际岩土厚度以及所述岩土模拟单元的厚度，确定每一所述加载模块的施压值；向每一所述加载模块发送控制信号，控制所述加载模块向所述岩土模拟单元施加压力，使得所述加载模块施加的压力值与所述岩土模拟单元的自身重力值之和与所述煤矿实际岩土厚度所产生的压力值相匹配。

本发明一些实施例中所述的用于模拟煤炭开采的三维试验平台：

所述移动式加载系统包括六组加载模块，每一所述加载模块对应于3-5吨的加载能力。

本发明一些实施例中所述的用于模拟煤炭开采的三维试验平台：

所述移动式加载系统包括设置于所述框架顶部的滑动轨道和沿所述滑动轨道滑动的条形架；六组所述加载模块依序设置于所述条形架内。

本发明一些实施例中所述的用于模拟煤炭开采的三维试验平台：

所述条形架包括第一横梁架和第二横梁架；

所述第一横梁架的两端分别设置有气缸，所述气缸的驱动端连接所述第二横梁架；

所述加载模块均设置于所述第二横梁架内。

本发明一些实施例中所述的用于模拟煤炭开采的三维试验平台：

所述加载模块为液压千斤顶，不同的所述加载模块的液压控制相互独立。

本发明一些实施例中所述的用于模拟煤炭开采的三维试验平台：

所述开挖模拟系统包括多行开挖单元，每一行中的开挖单元的个数为多个；

每一开挖单元配置有电动伸缩杆，所述电动伸缩杆的被控端与所述控制装置的输出端连接；

所述控制装置控制每一所述电动伸缩杆的伸缩量以使所有的开挖单元具有不同的高度，进而模拟所述煤炭开采后的所述煤层变形状态。

本发明一些实施例中所述的用于模拟煤炭开采的三维试验平台：

所述开挖模拟系统中包括14行开挖单元，每一行中的开挖单元的个数为20个；每一所述开挖单元的顶部为15cm边长的正方形截面。

本发明一些实施例中所述的用于模拟煤炭开采的三维试验平台：

所述框架由多个框架单元从下至上依次排列后形成，且每一所述框架单元均配置有可视化观察窗。

本发明一些实施例中所述的用于模拟煤炭开采的三维试验平台：

所述框架单元包括平行设置的两块第一固定板以及平行设置的两块第二固定板；

所述第一固定板上开设有滑道，所述第二固定板的两端分别设置于所述滑道内；通过滑动所述第二固定板以调节两块第二固定板之间的间距，进而调节所述框架单元的内部空间大小。

本发明一些实施例中所述的用于模拟煤炭开采的三维试验平台，还包括：

至少一个调斜千斤顶，所述调斜千斤顶设置于所述框架的底部边缘或边角位置，调节所述调斜千斤顶以调整所述框架的整体倾斜角度。

本发明的技术方案相对现有技术具有如下技术效果：

本发明提供的用于模拟煤炭开采的三维试验平台，包括框架，设置于所述框架底部的开挖模拟系统和设置于所述框架顶部的移动式加载系统，其中的开挖模拟系统用于模拟煤炭开采后的煤层变形状态，其开挖模拟系统上设置岩土模拟单元。控制装置根据煤矿实际岩土厚度以及岩土模拟单元的厚度，控制加载模块向岩土模拟单元施加压力，使得加载模块施加的压力值与岩土模拟单元的自身重力值之和与煤矿实际岩土厚度所产生的压力值相匹配。本发明的以上方案，通过设置了加载系统，能够模拟各种深度煤层所承受的压力值。当需要模拟浅煤层的情况时，可以直接调整岩土模拟单元的厚度，使其与浅煤层时的实际岩层厚度的压力值相对应，当需要模拟深煤层的情况时，由于框架高度有限，则根据框架高度设置岩土模拟单元的厚度之后，在根据实际煤层厚度的情况，确定加载模块的施压值，通过加载模块施加压力实现压力补偿。

附图说明

下面将通过附图详细描述本发明中优选实施例，将有助于理解本发明的目的和优点，其中:

图1为本发明一个实施例所述用于模拟煤炭开采的三维试验平台的整体结构示意图；

图2为本发明一个实施例所述移动式加载系统的结构示意图；

图3为本发明一个实施例所述模拟开挖系统的结构示意图；

图4为本发明一个实施例所述框架单元的结构示意图；

图5为本发明一个实施例所述框架支撑架的结构示意图；

图6为本发明一个实施例所述调斜千斤顶的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本实施例提供一种用于模拟煤炭开采的三维试验平台，如图1所示，所述三维试验平台包括框架以及设置于所述框架底部的开挖模拟系统2、设置于所述框架顶部的移动式加载系统，当需要对某一煤矿的开采过程进行模拟时，根据该煤矿的煤层深度以及煤层上部的岩土覆盖情况制备模拟岩土，将模拟岩土铺设在所述模拟开挖系统上部。因此，在具体模拟开采过程时，以上三维试验平台中还包括岩土模拟单元，铺设于所述开挖模拟系统的上部；所述岩土模拟单元采用模拟岩土得到，所述模拟岩土与现场采集的煤矿区域岩土相同。以上方案中，所述开挖模拟系统2用于模拟煤炭开采后的煤层变形状态；所述移动式加载系统包括多个加载模块。

所述三维试验平台还包括控制装置(可以选择计算机系统实现)，所述控制装置根据煤矿实际岩土厚度以及所述岩土模拟单元的厚度，确定每一所述加载模块的施压值；所述控制装置向每一所述加载模块发送控制信号，控制所述加载模块向所述岩土模拟单元施加压力，使得所述加载模块施加的压力值与所述岩土模拟单元的自身重力值之和与所述煤矿实际岩土厚度所产生的压力值相匹配。

以上方案中，框架的高度值最大可设置为两米，在框架的两侧可设置有梯架5供工作人员对框架顶部的移动式加载系统进行安装调整。在框架的顶部边缘还设置有围栏6用于起到保护作用。在实际操作过程中，针对岩土模拟单元的厚度与实际岩土厚度之间的对应关系可以通过标定试验的方式得到，例如在实际岩土厚度为100米的情况下，其对于煤层产生的压力值能够通过在煤层中安装压力传感器检测得到。之后在试验平台中，由于模拟开挖系统的高度是固定的，因此其上方的岩土单元的厚度与开挖系统高度之间的对应关系可能与实际岩土厚度与实际煤层高度之间的对应关系不能达到完全一致。在此情况下，可以按照理论上的对应关系设置岩土模拟单元的厚度，未实现的部分通过移动式加载系统施加压力来补偿，通过标定试验的方式确定每一百米的实际岩土厚度说对应的加载压力值即可。例如，假设以2米厚度的岩土单元进行试验来代替200米厚度的实际岩土厚度，那么当开采现场确认的煤层深度为800米时，剩余600米岩土厚度所产生的压力值直接利用加载系统来实现。

本实施例提供的以上方案，通过设置了加载系统，能够模拟各种深度煤层所承受的压力值。当需要模拟浅煤层的情况时，可以直接调整岩土模拟单元的厚度，使其与浅煤层时的实际岩层厚度的压力值相对应，当需要模拟深煤层的情况时，由于框架高度有限，则根据框架高度设置岩土模拟单元的厚度之后，在根据实际煤层厚度的情况，确定加载模块的施压值，通过加载模块施加压力实现压力补偿。

在一些实施例中，如图1所示，移动式加载系统的高度可以分为两个档位，图中第一档位调节梁7对应于移动式加载系统为2米高的情形下，第二档位调节梁8对应于移动式加载系统为1.5米高的情形下，可以通过将移动式加载系统对应安装以适应不同深度的煤炭开采模拟情况。

以上方案中的移动式加载系统的结构如图2所示，所述移动式加载系统包括六组加载模块83，标准面积0.15m×2.8m(可调节)，每一所述加载模块83可对应于3-5吨的加载能力，总的加载能力为18～30吨，六个加载模块呈线形布置，在具体实现时，如图所示，所述移动式加载系统包括设置于所述框架顶部的滑动轨道和沿所述滑动轨道滑动的条形架；六组所述加载模块依序设置于所述条形架内。在具体控制时，不同加载模块可单独或协同控制。加载模块83的底部可以安装多种规格的加载板，除了标准面积0.15m×2.8m之外还可以变换加载面板的尺寸。

另外，由于移动加载系统是对模型顶部压力补偿，所以加载过程还可以考虑被加载表面的裂缝发育可视化或集中应力观察等情况，可以在加载模块的下方布设网片和透明材质的加载板，从而实现加载过程的可视观测。由于移动式加载系统是可拆卸的，所以移动式加载系统不使用时可移至框架外，避免对框架内部模型铺设和监测产生遮挡等影响。

进一步地，所述条形架包括第一横梁架84和第二横梁架85；所述第一横梁架84的两端分别设置有气缸81，所述气缸81的驱动端连接所述第二横梁架85；所述加载模块83均设置于所述第二横梁架85内。在本方案中，还可以通过控制气缸81的伸缩来控制第一横梁架84和第二横梁架85之间的间距，从而控制加载模块83的高度，增加了加载模块83在施加压力过程中的行程。在一些实施例中，所述加载模块83为液压千斤顶，不同的所述加载模块83的液压控制相互独立。在本实施例提供的方案中，给出的移动式加载系统包括一行、六个加载模块，但是在实际应用时，可以根据煤炭开采对应的煤矿实际情况，设置多行加载系统的。优选地，所有加载模块83的底部加载板所连接形成的平面对应于岩土模拟单元的整体表面。

优选地，以上方案中，如图3所示，所述开挖模拟系统2包括多行开挖单元22，每一行中的开挖单元22的个数为多个；每一开挖单元22配置有电动伸缩杆21，所述电动伸缩杆21的被控端与所述控制装置的输出端连接；所述控制装置控制每一所述电动伸缩杆21的伸缩量以使所有的开挖单元22具有不同的高度，进而模拟所述煤炭开采后的所述煤层变形状态。如图3所示的情形为全部开挖单元22具有相同的高度，但是煤层表面的分布曲线是随机的，在实际模拟煤炭开采过程中，需要根据煤层表面的实际分布情况对每一个开挖单元22的高度进行设计。开挖单元22的高度降低后(例如降低至最底端，即电动伸缩杆21实现最大回收量)可以认为开挖单元22所对应的煤块被开采。在此情况下，可以通过对岩土模拟单元的裂隙变化、稳定性监测等，来得到煤炭开采时对煤层上方的实际岩土层的影响。

在具体实现时，通过在地面挖槽浇筑地基的方式设置模拟开挖系统，方便人员进入地基内部，通过螺栓固定模拟开挖系统中每一个电动伸缩杆21，人员进入地基内部可以便于对电动伸缩杆的伸缩高度进行检测或者对故障进行检修定，下沉式的布置方式不但使整个平台的外形更加美观，而且便于对液压部件的设置，实验台整体高度降低，也更便于实验的操作。

优选地，所述开挖模拟系统中包括14行开挖单元，每一行中的开挖单元的个数为20个；每一所述开挖单元的顶部为15cm边长的正方形截面。通过280个开挖单元的组合，能够更加准确地模拟煤层的实际形变情况，相比于现有技术中直接将一整行或者一整列作为一个开挖单元的方式来说，本方案中的模拟开挖单元的形变更接近于实际情况，从而可以模拟出更准确的开采结果。

进一步优选地，以上方案中，如图1和图4所示，所述框架由多个框架单元9从下至上依次排列后形成，且每一所述框架单元均配置有可视化观察窗。观察窗为透明材质的刚性板，通过观察窗能使工作人员对其内部的模拟开采情况进行观测。如图4，每一所述框架单元9包括平行设置的两块第一固定板91以及平行设置的两块第二固定板(92，93)；所述第一固定板91上开设有滑道，所述第二固定板(92，93)的两端分别设置于所述滑道内；通过滑动所述第二固定板(92，93)以调节两块第二固定板(92，93)之间的间距，进而调节所述框架单元9的内部空间大小。因为不同煤矿具有不同的容量，所以本方案中将框架的内部空间设置为可调节的，从而与实际被模拟的煤矿的容量相匹配。多个框架单元9排列后形成框架，在四个边角位置处设置支撑架4，确保框架的稳定性。

进一步地，如图1和图6所示，1模拟煤炭开采的三维试验平台还包括至少一个调斜千斤顶1，所述调斜千斤顶1设置于所述框架的底部边缘或边角位置，调节所述调斜千斤顶1以调整所述框架的整体倾斜角度。如图中所示的结构，调斜千斤顶1底部成型有圆孔，所述圆孔可以铰接地固定于旋转驱动座3上，通过调整调斜千斤顶1的旋转角度和伸缩量能够调整整个试验平台的倾斜角度，使模拟场景与实际的煤炭煤层分布情况更加贴合。

本发明的以上实施例中的方案，控制装置为计算机系统，其能够输出控制指令，控制电动伸缩杆的伸缩量，可以理解，本方案中的移动式加载系统既可以为手动移动，也可以为电控移动，在电控移动方式中，可以采用行车的控制模式对其进行控制。本发明提供以上方案，其关键点是提供了一种试验平台，在本试验平台的基础上能够根据实际模拟的煤炭开采情况进行相应的调节。例如：

可以设置辅助试验系统：辅助试验系统具备岩层水、土壤水(地表水)模拟功能，能够模拟开采对岩土层地下水的影响。为了实现模拟岩层水、地表水功能，在实验台前后左右预留注水通道，并配置注水泵、流量计等；另外，可以增加降雨系统、热风干燥系统(模拟沙漠半干旱气候)，以此来观测不投气候条件下开采后地表植被变化。

可以设置测采集控制系统可实时监测模型裂隙场、位移场、应力场、渗流场演化特征及模型内关键部位的应力、应变，可获取模型表面高清图像，能够实现试验过程的数据监测、数据采集、数据处理和数据分析。增加钻孔窥视仪、综合裂缝测试仪、超声波等仪器和手段，并配备常规离层仪、应力计、应变片等，实现模型裂隙场、位移场、应力场的观测；并配置高清摄像机，获取模型表面实验过程中的变化。

可以设置模型铺设系统：试验过程所需料仓、称重、混料搅拌、移动皮带输送、翻斗推车、铺设压实等各种辅助设备应配备齐全并能满足现场需要，保障模拟试验正常开展。通过研制或购置适用于本实验平台的模型铺设系统，提高模型材料制备速度，降低劳动强度，并提高安全性。模型铺设系统主要服务于试验平台的相似模拟，具有以下技术要求：料仓：根据相似材料种类，设计3-5个料仓，每个料仓容积≥3m³，总存储容量不少于9m3；设有进料口和下料口，进料口可与送料车连接，通过移动皮带输送机将散料充入料仓，设计操作简单，可靠方便。秤重配料：称重配料设备简单、可靠、耐用；粉体、颗粒物料预先放置在各自料仓内，通过控制系统模块输入相似材料配比，实现多种物料按精确配比混合加料，称量分辨率不大于0.5kg，称量好的材料通过下部的皮带输送机输送至搅拌机。搅拌混料：配比好的材料经过搅拌机充分搅拌混合后再按比例加水搅拌，单次搅拌能力500kg。材料输送：配比好的相似材料通过机械设备输送模型中，减少人工劳动强度，皮带运送长度不少于15m。铺料压实：配比好的相似材料通过机械设备抹平振实，如平板夯实，达到层状铺设效果。

诸如以上各模块，在实际试验过程中可以按需求增加。本发明提供的以上方案，可以克服由于采面大，推进速度快，生态变化显现周期长等因素，全面有效监测开采地表移动变化的全过程，研究地表生态损伤自修复理论与促进关键技术。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种用于模拟煤炭开采的三维试验平台，其特征在于，包括：

框架；

设置于所述框架底部的开挖模拟系统，用于模拟煤炭开采后的煤层变形状态；

岩土模拟单元，铺设于所述开挖模拟系统的上部；所述岩土模拟单元采用模拟岩土得到，所述模拟岩土与现场采集的煤矿区域岩土相同；

设置于所述框架顶部的移动式加载系统，所述移动式加载系统包括多个加载模块；

控制装置，根据煤矿实际岩土厚度以及所述岩土模拟单元的厚度，确定每一所述加载模块的施压值；向每一所述加载模块发送控制信号，控制所述加载模块向所述岩土模拟单元施加压力，使得所述加载模块施加的压力值与所述岩土模拟单元的自身重力值之和与所述煤矿实际岩土厚度所产生的压力值相匹配。

2.根据权利要求1所述的用于模拟煤炭开采的三维试验平台，其特征在于：

所述移动式加载系统包括六组加载模块，每一所述加载模块对应于3-5吨的加载能力。

3.根据权利要求2所述的用于模拟煤炭开采的三维试验平台，其特征在于：

所述移动式加载系统包括设置于所述框架顶部的滑动轨道和沿所述滑动轨道滑动的条形架；六组所述加载模块依序设置于所述条形架内。

4.根据权利要求3所述的用于模拟煤炭开采的三维试验平台，其特征在于：

所述条形架包括第一横梁架和第二横梁架；

所述第一横梁架的两端分别设置有气缸，所述气缸的驱动端连接所述第二横梁架；

所述加载模块均设置于所述第二横梁架内。

5.根据权利要求4所述的用于模拟煤炭开采的三维试验平台，其特征在于：

所述加载模块为液压千斤顶，不同的所述加载模块的液压控制相互独立。

6.根据权利要求1所述的用于模拟煤炭开采的三维试验平台，其特征在于：

所述开挖模拟系统包括多行开挖单元，每一行中的开挖单元的个数为多个；

每一开挖单元配置有电动伸缩杆，所述电动伸缩杆的被控端与所述控制装置的输出端连接；

所述控制装置控制每一所述电动伸缩杆的伸缩量以使所有的开挖单元具有不同的高度，进而模拟所述煤炭开采后的所述煤层变形状态。

7.根据权利要求6所述的用于模拟煤炭开采的三维试验平台，其特征在于：

所述开挖模拟系统中包括14行开挖单元，每一行中的开挖单元的个数为20个；每一所述开挖单元的顶部为15cm边长的正方形截面。

8.根据权利要求1所述的用于模拟煤炭开采的三维试验平台，其特征在于：

所述框架由多个框架单元从下至上依次排列后形成，且每一所述框架单元均配置有可视化观察窗。

9.根据权利要求8所述的用于模拟煤炭开采的三维试验平台，其特征在于：

所述框架单元包括平行设置的两块第一固定板以及平行设置的两块第二固定板；

所述第一固定板上开设有滑道，所述第二固定板的两端分别设置于所述滑道内；通过滑动所述第二固定板以调节两块第二固定板之间的间距，进而调节所述框架单元的内部空间大小。

10.根据权利要求1-9任一项所述的用于模拟煤炭开采的三维试验平台，其特征在于，还包括：

至少一个调斜千斤顶，所述调斜千斤顶设置于所述框架的底部边缘或边角位置，调节所述调斜千斤顶以调整所述框架的整体倾斜角度。

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