CN204101517U - 一种采煤工作面相似模拟实验台 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种采煤工作面相似模拟实验台，适用于工作面“围岩-支护”关系的测试、顶底板裂隙发育程度，及液压支架架型选取。包括底座、加载实验平台、液压支架、岩石、信号采集系统以及信号处理系统。本实用新型采用液压加载方式，利用压力采集器连接液压缸和支架活柱，采集的信号经压力传感器，由压力示波器接收，可实时监测工作面顶板和支架活柱受力，通过改变底座结构，模拟不同倾角工作面，黏贴于岩石上的声信号传感器，经放大器，将声信号传给声波波形分析器，根据液压支架结构特点，选择合适架型；从而实现了在一种实验平台上，模拟不同采场环境下多种架型的支护实验，判断“围岩-支护”关系，从微观角度上分析了采场顶底板稳定性。

Description

一种采煤工作面相似模拟实验台

技术领域：

本实用新型涉及一种采煤工作面相似模拟实验台，其适用于测试工作面“围岩-支护”关系、及顶底板裂隙发育程度，以及选取液压支架架型。 

背景技术：

矿山井下冲击地压、瓦斯喷出、工作面压架等煤岩动力灾害，给国家财产和矿工人身安全带来极大威胁，而这些灾害事故的孕育与发生，均与煤岩体的破裂失稳密切相关。岩石材料在承受荷载时，其内部将产生局部应力集中，当达到其临界破裂强度时，会发生煤岩体的损伤破裂，与此同时，破裂引起的弹性波在周围岩体中快速传播，这种现象为声发射。通过对声发射信号的采集与分析，可以预测煤岩体的失稳破坏。 

声发射现象是岩石破裂失稳的前兆信息，研究科学合理的岩石破裂声发射实验方法，在实验基础上探讨声发射信号与岩石破裂演化过程的关系，得出符合实际的岩石剪切破裂声发射预测方法，对于采用声发射监测技术预防灾害事故的发生具有重要理论意义。将采煤工作面相似模拟实验台与声发射测试装置以及压力测试系统相结合，能够测试加载过程中采煤工作面顶底板的岩石破裂声信号，预测顶底板岩石损伤破裂的演化规律；研究加载过程中“围岩-支护”之间的相互作用关系；并根据不同架型液压支架的测试结果，选择适合的液压支架。目前的采煤工作面相似模拟实验台，存在以下的不足： 

①没有充分考虑围岩内部破坏的机理，即裂隙发育对围岩稳定性影响； 

②无法及时调整模拟工作面的倾角； 

③无法针对不同采煤工作面条件选择合适架型的液压支架； 

因此，需要对上述采煤工作面相似模拟实验台进行改进。 

发明内容：

本实用新型提出了一种采煤工作面相似模拟实验台，是为了解决国内现有的支护模拟实验台的结构简单、无法动态的监测采场顶底板岩石破裂演化规律和“围岩-支护”相互作用关系，以及无法对液压支架的架型进行选取工作等问题。 

解决以上弊端采用了如下技术方案。本实用新型包括底座、加载实验平台、液压支架、岩石、信号采集系统以及信号处理系统，其中：所述底座包括相互铰接的底板、承压板和底座前后连杆，通过改变相互之间铰接位置，模拟常见的三种类型采煤工作面，即水平工作面、倾斜工作面、急倾斜工作面；所述加载实验平台放置在底座上，包括两根穿孔加载立柱、加载顶梁、布置在加载顶梁下的加载液压缸、以及布置在加载液压缸下的垫板，所述加载顶梁 与穿孔加载立柱是通过螺母和螺杆铰接在一起，可以上下移动；所述液压支架放置在垫板下方，包括相互铰接的底梁、顶梁、掩护梁、活柱及前后连杆，通过变换相互间的铰接方式，模拟井下常用架型的液压支架，即支撑式液压支架、掩护式液压支架、支撑掩护式液压支架；所述岩石放置在液压支架顶梁上方和液压支架底梁下方，根据实际工况选择相应的岩石模拟采煤工作面的顶底板；所述信号采集系统包括黏贴在岩石外侧的声信号传感器、放大器，以及连接在加载液压缸和液压支架活柱上的压力采集器和压力传感器；所述信号处理系统包括声波波形分析器、压力示波器；所述液压支架的活柱下部、加载液压缸与垫板的作用面之间都连接了压力采集器；所述压力采集器、压力传感器和压力示波器是依次连接在一起；所述声信号传感器、放大器、声波波形分析器是依次连接在一起。 

本实用新型具有的优点和积极效果是：本实用新型采用液压加载方式，利用压力采集器连接液压缸和支架活柱，采集的信号经压力传感器，由压力示波器接收，可实时监测工作面顶板和支架活柱受力，通过改变底座结构，模拟不同倾角工作面，黏贴于岩石上的声信号传感器，经放大器，将声信号传给声波波形分析器，根据液压支架结构特点，选择合适架型；从而实现了在一种实验平台上，模拟不同采场环境下多种架型支架的支护实验，判断“围岩-支护”关系，从微观角度上分析了采场顶底板稳定性。 

附图说明：

图1为本实用新型主视图； 

图2(a)加载实验平台图； 

图2(b)加载实验平台侧视图； 

图3液压支架及其零部件图； 

图4 60°底座图； 

图5 30°底座图； 

图6底座零部件图； 

图中：1-加载实验平台；2-加载顶板；3-加载液压缸；4-垫板；5-压力传感器；6-压力示波器；7-穿孔加载立柱；8-螺杆和螺母；9-液压支架；10-支架顶梁；11-支架活柱；12-支架掩护梁；13-支架前后连杆；14-支架底梁；15-岩石；16-声信号传感器；17-底座；18(a)-底板；18(b)-承压板；19-底座前后连杆；20-声信号放大器；21-波形分析处理器；22-压力采集器。 

具体实施方式：

为能进一步了解本实用新型的内容、特点及功效，下面结合附图和具体实施方式对本发 明作进一步详细的说明。 

本实用新型是一种根据相似模拟原理和真实采煤工作面的环境设计的，利用信号采集系统和信号处理系统，能够实时监测“支架-围岩”相互作用关系、动态观察工作面顶底板内部裂隙发育、并了解不同架型液压支架在不同采场环境下支护效果的实验平台。 

该实验平台可进行如下实验：1)模拟不同埋深和倾角的工作面，以及不同岩性的顶底板，分析埋深和倾角对“围岩-支护”关系稳定性和顶底板岩石破裂情况的影响；2)模拟和观察不同架型的支架对工作面进行支护的效果，进而对液压支架的架型进行初选。 

上述4项实验需要完成的基本的工序是：首先进行加载和组装测试实验：将加载实验平台7放置在底座18上，根据液压支架9的高度调整液压加载装置1的合适位置，利用布置在加载顶梁2下的加载液压缸3，以及布置在加载液压缸3下的加载垫板4，对放置在加载垫板下方的液压支架进行加载，其中模拟工作面顶底板岩石15放置在液压支架顶梁10上方和支架底板14下方；接着进行信号采集和处理：将声信号传感器16黏贴在岩石15的外侧，放大器21放大声信号，压力采集器23采集加载液压缸3和液压支架活柱11的压力信号，传输给压力传感器5，再由压力示波器接收和显示压力传感器传输的压力值，声波波形分析器22分析放大器21传输的声信号，并生成一些列的相关图：应力-能量相关图、能量-时间相关图，应力-时间相关图等，同时动态监测岩石内部的裂隙分布和发育。 

在上述基本工序完成的基础上各项实验通过控制不同的单因素条件而完成，分别为： 

实验1)：控制加载实验平台1的加载力大小模拟不同埋深条件，以及通过变换底座角度模拟不同倾角的工作面，再由不同材料岩石15模拟不同岩性的采场顶底板，对比分析不同采场条件下液压支架9的稳定性和顶底板岩石裂隙分布；实验2)：通过变换液压支架9的顶梁10、掩护梁12、底板14、活柱11及支架前后连杆13的两两铰接位置，模拟井下常用的三种架型液压支架，即支撑式液压支架、掩护式液压支架、以及支撑掩护式液压支架，然后进行加载实验，并通过信号采集和处理系统分析不同架型的支架适应性。 

Claims (4)

1.一种采煤工作面相似模拟实验台，其特征在于，包括底座、加载实验平台、液压支架、岩石、信号采集系统以及信号处理系统，其中：所述底座包括相互铰接的底板、承压板和底座前后连杆，通过改变底座前后连杆与底板、承压板之间铰接位置，模拟常见的三种类型采煤工作面，即水平工作面、倾斜工作面、急倾斜工作面；

所述加载实验平台放置在底座上，包括两根穿孔加载立柱、加载顶梁、布置在加载顶梁下的加载液压缸、以及布置在加载液压缸下的垫板，所述加载顶梁与穿孔加载立柱是通过螺母和螺杆铰接在一起，可以上下移动；

所述液压支架放置在垫板下方，包括相互铰接的底板、顶板、掩护板、活柱及前后连杆，通过变换相互间的铰接方式，模拟井下常用架型的液压支架，即支撑式液压支架、掩护式液压支架、支撑掩护式液压支架；

所述岩石放置在液压支架顶板上方和液压支架底板下方，根据实际工况选择相应的材料模拟采煤工作面的顶底板；

所述信号采集系统包括黏贴在岩石外侧的声信号传感器、放大器，以及连接在加载液压缸和液压支架活柱上的压力采集器和压力传感器；

所述信号处理系统包括声波波形分析器、压力示波器。

2.根据权利要求1所述一种采煤工作面相似模拟实验台，其特征在于：所述液压支架的活柱下部、加载液压缸与垫板的作用面之间都连接了压力采集器。

3.根据权利要求1所述一种采煤工作面相似模拟实验台，其特征在于：所述压力采集器、压力传感器和压力示波器是依次连接在一起。

4.根据权利要求1所述一种采煤工作面相似模拟实验台，其特征在于：所述声信号传感器、放大器、声波波形分析器是依次连接在一起。