CN114994287A - 一种三维物理模型煤层自动化开采装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于借助于测试材料的物理性质来测试或分析材料技术领域，具体涉及一种三维物理模型煤层自动化开采装置及试验方法。三维物理模型煤层自动化开采装置包括试验工作台、方形煤岩层模型和抽条开采装置，试验工作台的台面设置有框架系统，框架系统形成有容置空间；方形煤岩层模型设置在容置空间内；抽条开采装置固定在框架系统上，并位于方形煤岩层模型的一侧，用于模拟煤层的开采。本发明的装置可进行模拟煤矿110工法工作面回采，可以实现多种厚度煤层和工作面长度组合下工作面回采模拟，普适性强，且有助于准确预知巷道开挖过程中即将面对的地层结构和地质问题。

Description

一种三维物理模型煤层自动化开采装置及试验方法

技术领域

本发明属于借助于测试材料的物理性质来测试或分析材料技术领域，具体涉及一种三维物理模型煤层自动化开采装置及试验方法。

背景技术

我国煤炭生产主要为井工开采，每年需要开掘大量的巷道，其中煤巷占据了巷道掘进总量的80%左右。随着当前各类煤炭工程建设的飞速发展，岩石巷道及矿山巷道等工程大量出现，且有逐步向深部转移的态势。但煤巷的岩层条件复杂多变，地应力、岩层物理力学参数及矿井设计千差万别，致使煤巷支护与煤层开采难度高、安全性差。为了探究煤层开采过程中采场围岩压力变形特征以及上覆岩层得运移规律，除了进行现场实测以外，物理模型试验是研究该问题得有效手段。因为现有的物理相似模型试验装置系统存在完整度不高等问题，无法开展煤层得自动化开采全过程模拟，导致了采场应力、应变及运移特征与实际存在差距，尤其在三维物理模型系统中，由于尺寸得增大，无法自动化开采给开挖得模拟带来诸多困难。

因此，开展三维物理模型煤层自动化开采，对巷道工程安全稳定施工具有重大的理论意义和工程价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三维物理模型煤层自动化开采装置及试验方法，以解决或缓解现有技术中存在的问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种三维物理模型煤层自动化开采装置，所述三维物理模型煤层自动化开采装置包括：

试验工作台，所述试验工作台的台面设置有框架系统，所述框架系统形成有容置空间；

方形煤岩层模型，所述方形煤岩层模型设置在所述容置空间内；

抽条开采装置，所述抽条开采装置固定在所述框架系统上，并位于所述方形煤岩层模型的一侧，用于模拟煤层的开采。

可选地，所述框架系统包括底座、设置在所述底座上的立壁和框架，所述底座固定在试验工作台的台面上，所述框架内形成有所述容置空间；

所述方形煤岩层模型固定在所述底座朝向所述容置空间的表面，所述方形煤岩层模型内设置有抽条模块，所述抽条模块设置有穿设孔；

所述抽条开采装置包括伺服液压千斤顶和可嫁接式拉伸杆，所述伺服液压千斤顶固定安装在所述立壁上，所述可嫁接式拉伸杆固定连接于所述伺服液压千斤顶的输出轴，所述可嫁接式拉伸杆背离所述伺服液压千斤顶的端部嵌入所述穿设孔内；

所述伺服液压千斤顶可驱动所述可嫁接式拉伸杆移动，并抽拉所述抽条模块，以模拟煤层的开采。

可选地，所述立壁上设置有移动槽，所述抽条开采装置还包括固定结构，所述伺服液压千斤顶通过所述固定结构固定于所述移动槽内。

可选地，所述固定结构包括两个导轨体和一个托底支架，两个所述导轨体间隔设置于所述伺服液压千斤顶的一侧，并均固定于所述移动槽内，所述托底支架固定在所述伺服液压千斤顶的底部。

可选地，所述抽条模块由多个方形套管拼接而成，每一个所述方形套管均设置有所述穿设孔，所述可嫁接式拉伸杆背离所述伺服液压千斤顶的端部可选择地嵌入其中一个穿设孔内，以抽拉相应的方形套管。

可选地，所述伺服液压千斤顶的行程大于所述方形套管的长度。

可选地，所述抽条开采装置还包括试验堵板，所述试验堵板固定在所述框架朝向所述立壁的表面，所述试验堵板上对应所述抽条模块设置有让位孔，所述让位孔的尺寸大于所述抽条模块的尺寸，并连通所述容置空间，所述可嫁接式拉伸杆可穿过所述让位孔并伸入所述抽条模块的穿设孔内；

所述伺服液压千斤顶可驱动所述可嫁接式拉伸杆移动，并抽拉所述抽条模块，以将所述抽条模块穿过所述让位孔并抽出。

可选地，所述框架的顶部和所述底座位于所述容置空间的表面均设置有多个加载气缸，多个所述加载气缸的活塞杆均朝向所述容置空间内延伸，用于对所述方形煤岩层模型进行固定限位。

可选地，所述方形煤岩层模型由两种规格的模块错落相间排放组成。

本发明还提供了一种如上所述的三维物理模型煤层自动化开采装置的试验方法，所述试验方法包括以下步骤：

步骤一，基于模型试验设计要求，预制方形煤岩层模型，并将预制好的方形煤岩层模型放置在试验工作台上框架系统内的容置空间内；

步骤二，将抽条开采装置固定在框架系统上，并利用抽条开采装置以抽拉的方式模拟煤层将抽拉模块从方形煤岩层模型中抽出，模拟煤层的开采；

步骤三，观察模拟结果，处理试验数据。

有益效果：

本发明的三维物理模型煤层自动化开采装置，包括试验工作台、方形煤层开采装置和抽条开采装置，试验工作台的台面设置有框架系统，框架系统形成有容置空间；方形煤岩层模型设置在容置空间内；抽条开采装置固定在框架系统上，并位于方形煤岩层模型的一侧，如此的结构设计，可进行模拟煤矿110工法工作面回采，可以实现多种厚度煤层和工作面长度组合下工作面回采模拟，普适性强，且有助于准确预知巷道开挖过程中即将面对的地层结构和地质问题。本发明的装置结构设计简单，整个试验过程快速、简便、成本较低，易于工程现场应用，实现了现场试验的经济性、可靠性和可操作性。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性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。其中：

图1为本发明三维物理模型煤层自动化开采装置一实施例的结构示意图；

图2为图1中抽条开采装置的结构示意图；

图3为图2中伺服液压千斤顶的结构示意图；

图4为图1中方形煤岩层模型的结构示意图；

图5为图2中抽条模块的结构示意图；

图6为图5中单个方形套管的结构示意图。

图中标号：1-底座；2-立壁；3-框架；3a-容置空间；4-抽条开采装置；41-伺服液压千斤顶；411-千斤顶顶座；412-千斤顶底座；413-固定立柱；414-连接丝母；415-千斤顶缸体；42-可嫁接式拉伸杆；44-导轨体；45-托底支架；46-试验堵板；5-方形煤岩层模型；51-抽条模块；511-方形套管；51a-穿设孔；6-加载气缸。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面将结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种三维物理模型煤层自动化开采装置，旨在可进行模拟煤矿110工法工作面回采，可以实现多种厚度煤层和工作面长度组合下工作面回采模拟，普适性强，且有助于准确预知巷道开挖过程中即将面对的地层结构和地质问题。

如图1所示，三维物理模型煤层自动化开采装置包括试验工作台、方形煤岩层模型5和抽条开采装置4，试验工作台的台面设置有框架系统，框架系统形成有容置空间3a；方形煤岩层模型5设置在容置空间3a内；抽条开采装置4固定在框架系统上，并位于方形煤岩层模型5的一侧，用于模拟煤层的开采。

本发明的装置结构设计简单，整个试验过程快速、简便、成本较低，易于工程现场应用，实现了现场试验的经济性、可靠性和可操作性。

如图1和图2所示，在本发明的一个实施例中，框架3系统包括底座1、设置在底座1上的立壁2和框架3，底座1固定在试验工作台的台面上，框架3内形成有容置空间3a；方形煤岩层模型5固定在底座1朝向容置空间3a的表面，方形煤岩层模型5内设置有抽条模块51，抽条模块51设置有穿设孔51a；抽条开采装置4包括伺服液压千斤顶41和可嫁接式拉伸杆42，伺服液压千斤顶41固定安装在立壁2上，可嫁接式拉伸杆42固定连接于伺服液压千斤顶41的输出轴，可嫁接式拉伸杆42背离伺服液压千斤顶41的端部可选择性地嵌入一个穿设孔51a内；伺服液压千斤顶41可驱动可嫁接式拉伸杆42移动，并抽拉抽条模块51，以模拟煤层的开采。

本实施例中，框架3为n型结构，其内部形成两相对面开口的容置空间3a，立壁2位于框架3的一侧，底座1、立壁2和框架3均为钢板制作而成，其中，底座1为减震底座1，减震底座1可直接焊接在试验工作台的上部台面上，立壁2和框架3可直接焊接固定在底座1上，框架3系统整体采用钢板焊接结构，刚性满足10GN/M的要求，其设计采用反力架结构，对基础没有加载载荷。本实施例的抽条开采装置4工作时，启动伺服液压千斤顶41，在伺服液压千斤顶41的驱动下，可嫁接式拉伸杆42可沿其长度方向进行移动，进而抽拉抽条模块51，如此可以模拟煤矿110工法工作面回采。

需要说明的是，方形煤岩层模型5内设置有抽条模块51，抽条模块51即为一个平面煤层，煤层的上下是岩层，岩层采用相似材料填充而成，模拟的岩层可以根据实际情况来进行埋置，也即是，方形煤岩层模型5的内部为抽条模块51和岩层。

如图3所示，本发明具体实施例中，伺服液压千斤顶41包括千斤顶顶座411、千斤顶底座412、固定立柱413、连接丝母414和千斤顶缸体415，其中，千斤顶顶座411和千斤顶底座412相对设置，且对应均开设有固定孔（未标示），固定立柱413的两端分别穿设在千斤顶顶座411和千斤顶底座412相应的固定孔内，并外露于千斤顶顶座411和千斤顶底座412，其外露端均采用连接丝母414进行连接固定，其中，千斤顶顶座411和千斤顶底座412均为方形板状，固定孔分别设置四个，分别位于四角位置，固定立柱413对应设置四个，连接丝母414对应设置八个，如此的结构设计构成了本发明的伺服液压千斤顶41。

需要说明的是，千斤顶缸体415是中空结构，可嫁接式拉伸杆42穿设固定于其内部，这样可以在伺服液压千斤顶41的驱动下发生移动。

本发明具体实施例中，立壁2上设置有移动槽（未标示），抽条开采装置4还包括固定结构，伺服液压千斤顶41通过固定结构固定于移动槽内。具体地，伺服液压千斤顶41的千斤顶顶座411通过固定结构固定在移动槽内。

本发明具体实施例中，固定结构包括两个导轨体44和一个托底支架45，两个导轨体44间隔设置于伺服液压千斤顶41的一侧，并均固定于移动槽内，托底支架45固定在伺服液压千斤顶41的底部。具体地，两个导轨体44的一端均固定连接于千斤顶顶座411，另一端均固定于移动槽内，且两个导轨体44间隔设置，托底支架45固定在伺服液压千斤顶41的底部固定柱。如此的结构设计，可以保证伺服液压千斤顶41更加牢固地固定在立壁2上，从而保证其煤层开采模拟过程的可靠性和稳定性。

如图5和图6所述，抽条模块51由多个方形套管511拼接而成，每一个方形套管511均设置有穿设孔51a，可嫁接式拉伸杆42背离伺服液压千斤顶41的端部可选择地嵌入其中一个穿设孔51a内，以抽拉相应的方形套管511。如此的设计，可以重复抽拉拆卸方形套管511来实现模块化模拟试验。需要说明的是，多个方形套管511中相邻两个方向套管15之间的连接为可拆卸连接，比如插接、卡接等。

本发明实施例中，伺服液压千斤顶41的行程大于方形套管511的长度，以将方形套管511顺利地从方形煤岩层模型5内抽拉出来。

可以理解的，在模拟开采抽条模块51所在的煤层时，可嫁接式拉伸杆42背离伺服液压千斤顶41的端部可选择地嵌入抽条模块51中任意一个方形套管511的穿设孔51a内，伺服液压千斤顶41抽拉可嫁接式拉伸杆42便可将该方形套管511抽拉出，如此的操作，抽一次拆卸一次，从而实现模块化模拟试验。

进一步地，抽条开采装置4还包括试验堵板46，试验堵板46固定在框架3朝向立壁2的表面，试验堵板46上对应抽条模块51设置有让位孔（未标示），让位孔的尺寸大于抽条模块51的尺寸，连通于容置空间3a，可嫁接式拉伸杆42可穿过让位孔并伸入抽条模块51的穿设孔51a内；伺服液压千斤顶41可驱动可嫁接式拉伸杆42移动，并抽拉抽条模块51，以将抽条模块51穿过让位孔并抽出。

本实施例中，让位孔是横向长条孔，正对于抽条模块51，让位孔的尺寸略大于抽条模块51的尺寸，以使得抽条模块51能够顺利地穿过让位孔，并且，让位孔可以起到对方形套管511进行限位的作用，防止方形套管511抽拉过程中发生偏移偏移；同时试验堵板46还起到了防止方形煤岩层模型5内模型材料外漏的作用。

如图1所示，框架3的顶部和底座1位于容置空间3a的表面均设置有多个加载气缸6，多个加载气缸6的活塞杆均朝向容置空间3a内延伸，用于对方形煤岩层模型5进行固定限位。即，在试验前期准备时，通过上下的加载气缸6可将方形煤岩层模型5有效地固定限位在某一适当位置，并且能够保证方形煤岩层模型5的设置稳固性，避免方形煤岩层模型5在抽拉抽条模块51时发生晃动。

如图4所示，方形煤岩层模型5由两种规格的模块错落相间排放组成，如此的设计，可以近似还原真实的煤层结构，可以模拟模块范围内任意高度的煤层开采。

本发明还提供了一种如上所述的三维物理模型煤层自动化开采装置的试验方法，所述试验方法包括以下步骤：

步骤一，基于模型试验设计要求，预制方形煤岩层模型5，并将预制好的方形煤岩层模型5放置在试验工作台上框架3系统内的容置空间3a内。

步骤一具体为：根据现场工程地质条件，基于相似理论，确定需要模拟模型的尺寸、相似材料以及抽条模块51（相当于煤层），即预制方形煤岩层模型5，预制好的方形煤岩层模型5内放置有抽条模块51和岩层，并将预制好的方形煤岩层模型5放置在试验工作台上框架3系统内的容置空间3a内。

步骤二，将抽条开采装置4固定在框架3系统上，并利用抽条开采装置4以抽拉的方式模拟煤层将抽拉模块从方形煤岩层模型5中抽出，模拟煤层的开采。

步骤二具体为，将抽条开采装置4中已经安装好可嫁接式拉伸杆42的伺服液压千斤顶41通过固定结构固定在框架3系统的立壁2的移动槽内，并移动至适当位置，然后将可嫁接式拉伸杆42的端部对应嵌入抽条模块51的穿设孔内，之后设定伺服液压千斤顶41的推拉压力值，利用抽条开采装置4以抽拉的方式模拟煤层将抽条模块51从方形煤岩层模型5中抽出，以完成煤矿110工法工作面回采的模拟。

步骤三，观察模拟结果，处理试验数据。

需要说明的是，本实施例中，方形煤岩层模型5的材料包括有限单元板、石膏板或砂纸等。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种三维物理模型煤层自动化开采装置，其特征在于，所述三维物理模型煤层自动化开采装置包括：

试验工作台，所述试验工作台的台面设置有框架系统，所述框架系统形成有容置空间；

方形煤岩层模型，所述方形煤岩层模型设置在所述容置空间内；

抽条开采装置，所述抽条开采装置固定在所述框架系统上，并位于所述方形煤岩层模型的一侧，用于模拟煤层的开采。

2.如权利要求1所述的三维物理模型煤层自动化开采装置，其特征在于，所述框架系统包括底座、设置在所述底座上的立壁和框架，所述底座固定在试验工作台的台面上，所述框架内形成有所述容置空间；

所述方形煤岩层模型固定在所述底座朝向所述容置空间的表面，所述方形煤岩层模型内设置有抽条模块，所述抽条模块设置有穿设孔；

所述抽条开采装置包括伺服液压千斤顶和可嫁接式拉伸杆，所述伺服液压千斤顶固定安装在所述立壁上，所述可嫁接式拉伸杆固定连接于所述伺服液压千斤顶的输出轴，所述可嫁接式拉伸杆背离所述伺服液压千斤顶的端部嵌入所述穿设孔内；

所述伺服液压千斤顶可驱动所述可嫁接式拉伸杆移动，并抽拉所述抽条模块，以模拟煤层的开采。

3.如权利要求2所述的三维物理模型煤层自动化开采装置，其特征在于，所述立壁上设置有移动槽，所述抽条开采装置还包括固定结构，所述伺服液压千斤顶通过所述固定结构固定于所述移动槽内。

4.如权利要求3所述的三维物理模型煤层自动化开采装置，其特征在于，所述固定结构包括两个导轨体和一个托底支架，两个所述导轨体间隔设置于所述伺服液压千斤顶的一侧，并均固定于所述移动槽内，所述托底支架固定在所述伺服液压千斤顶的底部。

5.如权利要求2所述的三维物理模型煤层自动化开采装置，其特征在于，所述抽条模块由多个方形套管拼接而成，每一个所述方形套管均设置有所述穿设孔，所述可嫁接式拉伸杆背离所述伺服液压千斤顶的端部可选择地嵌入其中一个穿设孔内，以抽拉相应的方形套管。

6.如权利要求5所述的三维物理模型煤层自动化开采装置，其特征在于，所述伺服液压千斤顶的行程大于所述方形套管的长度。

7.如权利要求2所述的三维物理模型煤层自动化开采装置，其特征在于，所述抽条开采装置还包括试验堵板，所述试验堵板固定在所述框架朝向所述立壁的表面，所述试验堵板上对应所述抽条模块设置有让位孔，所述让位孔的尺寸大于所述抽条模块的尺寸，并连通所述容置空间，所述可嫁接式拉伸杆可穿过所述让位孔并伸入所述抽条模块的穿设孔内；

所述伺服液压千斤顶可驱动所述可嫁接式拉伸杆移动，并抽拉所述抽条模块，以将所述抽条模块穿过所述让位孔并抽出。

8.如权利要求2所述的三维物理模型煤层自动化开采装置，其特征在于，所述框架的顶部和所述底座位于所述容置空间的表面均设置有多个加载气缸，多个所述加载气缸的活塞杆均朝向所述容置空间内延伸，用于对所述方形煤岩层模型进行固定限位。

9.如权利要求2所述的三维物理模型煤层自动化开采装置，其特征在于，所述方形煤岩层模型由两种规格的模块错落相间排放组成。

10.一种如权利要求1-9中任一项所述的三维物理模型煤层自动化开采装置的试验方法，其特征在于，所述试验方法包括以下步骤：

步骤一，基于模型试验设计要求，预制方形煤岩层模型，并将预制好的方形煤岩层模型放置在试验工作台上框架系统内的容置空间内；

步骤二，将抽条开采装置固定在框架系统上，并利用抽条开采装置以抽拉的方式模拟煤层将抽拉模块从方形煤岩层模型中抽出，模拟煤层的开采；

步骤三，观察模拟结果，处理试验数据。

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