CN204556619U - 三维多功能相似材料煤层开采模拟试验台 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种三维多功能相似材料煤层开采模拟试验台，包括栅格底板、设置在栅格底板底部的升降式支撑机构和通过升降式连接组件可升降连接在栅格底板上多个栅格位置处的多块圆角矩形的托板，以及可拆卸连接在栅格底板上长边两侧边沿处的多层长边围护板和可拆卸连接在栅格底板上短边两侧边沿处的多层短边围护板，每层长边围护板和短边围护板中相邻的两个长边围护板和短边围护板固定连接；升降式连接组件包括四组托板四角升降组件和托板中心升降组件。本实用新型的结构简单，实现方便且成本低，操作简便，能够按照实验需要随时进行快速组装或拆卸，容易控制，适应性强，提高了实验效率。

Description

三维多功能相似材料煤层开采模拟试验台

技术领域

本实用新型属于采矿及岩土工程相似材料模拟试验技术领域，具体涉及一种三维多功能相似材料煤层开采模拟试验台。

背景技术

相似材料模拟是采矿工程和岩土工程的主要试验研究方法，可用于模拟再现工程现场煤层开采开挖实况，并观测该条件下的围岩应力、应变与位移。相似材料模拟试验简单易行、形象直观，可以根据不同的开采方案进行反复试验，对研究采动过程的岩层运移、断裂规律具有显著的优势，在采矿工程问题研究过程中占据着不可替代的重要地位。因此，许多高等院校和科研单位的试验室都已普遍建有相似材料模拟试验装置。目前，相似材料模拟试验装置分为二维相似材料模拟试验装置和三维相似材料模拟试验装置两大类。

现有的三维相似模拟试验装置主要存在以下问题和不足：1、体型庞大笨重，结构不尽合理，机构冗杂，妨碍试验操作和观测，且固定式的焊接结构限制了其不可按照试验需要随时进行快速组装或拆卸，一旦建成便难以拆卸和挪移，长期占用大量宝贵的实验室空间资源；2、由于围护板不可拆卸，新铺装的相似材料晾干时间长，导致试验周期长、试验效率低；3、模拟煤层开采的劳动强度大，对相似模拟材料模型扰动大，难以科学地模拟煤层的采出，特别是难以在不破坏相似模拟材料模型边界的前提下实现模拟开挖煤层；4、受试验装置尺寸的限制，不适用于模拟大埋深煤层开采。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种三维多功能相似材料煤层开采模拟试验台，其结构简单，实现方便且成本低，操作简便，能够按照实验需要随时进行快速组装或拆卸，容易控制，适应性强，提高了实验效率。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种三维多功能相似材料煤层开采模拟试验台，其特征在于：包括矩形的栅格底板、设置在栅格底板底部的升降式支撑机构和通过升降式连接组件可升降连接在栅格底板上多个栅格位置处的多块圆角矩形的托板，以及可拆卸连接在栅格底板上长边两侧边沿处的多层长边围护板和可拆卸连接在栅格底板上短边两侧边沿处的多层短边围护板，每层所述长边围护板和短边围护板中相邻的两个长边围护板和短边围护板固定连接，多块托板位于由多层长边围护板和多层短边围护板围成的立方体空腔内底部；所述升降式连接组件包括分别设置在托板四角下部的四组托板四角升降组件和设置在托板中心下部的托板中心升降组件，所述托板四角升降组件包括下部穿到栅格底板底部的托板四角升降柱、连接在托板四角升降柱顶部的托板四角球铰接头和套装在托板四角升降柱下部且位于栅格底板底部的托板四角升降柱套筒，所述托板四角升降柱套筒上连接有用于固定托板四角升降柱在托板四角升降柱套筒内的位置的托板四角升降柱紧固螺栓；所述托板中心升降组件包括螺纹连接在栅格底板上的托板中心升降螺杆、连接在托板中心升降螺杆顶部的托板中心球铰接头和连接在托板中心升降螺杆底部的托板中心升降旋钮；所述栅格底板上设置有供托板四角升降柱穿过的托板四角升降柱插孔和用于螺纹连接中心升降螺杆的螺纹孔。

上述的三维多功能相似材料煤层开采模拟试验台，其特征在于：所述升降式支撑机构包括分别布设在栅格底板四个角正下方的四个液压缸和围成矩形的用于固定连接四个液压缸的四根液压缸连接杆，所述栅格底板四个角的底部均设置有套装在液压缸的活塞杆上的活塞杆套筒。

上述的三维多功能相似材料煤层开采模拟试验台，其特征在于：所述长边围护板的底部设置有长边围护板插头，所述栅格底板上长边两侧边沿处均设置有供长边围护板插头插入的栅格底板长边围护板插孔，所述长边围护板的顶部设置有供长边围护板插头插入的围护板长边围护板插孔；所述短边围护板的底部设置有短边围护板插头，所述栅格底板上短边两侧边沿处均设置有供短边围护板插头插入的栅格底板短边围护板插孔，所述短边围护板的顶部设置有供短边围护板插头插入的围护板短边围护板插孔。

上述的三维多功能相似材料煤层开采模拟试验台，其特征在于：每层所述长边围护板和短边围护板中相邻的两个长边围护板和短边围护板通过围护板紧固螺栓固定连接。

上述的三维多功能相似材料煤层开采模拟试验台，其特征在于：所述长边围护板的外侧面上设置有长边围护板抠手，所述短边围护板的外侧面上设置有短边围护板抠手。

上述的三维多功能相似材料煤层开采模拟试验台，其特征在于：所述托板四角球铰接头和托板中心球铰接头的结构相同且均包括球铰接上外壳和通过球铰接螺栓与球铰接上外壳连接的球铰接下外壳，以及连接在由球铰接上外壳和球铰接下外壳围成的球形空腔内的铰接球，所述球铰接上外壳和球铰接下外壳围成的球形空腔内设置有滚珠。

上述的三维多功能相似材料煤层开采模拟试验台，其特征在于：所述托板四角升降柱和托板中心升降螺杆上均设置有刻度。

本实用新型与现有技术相比具有以下优点：

1、本实用新型的结构简单，设计新颖合理，实现方便且成本低，能够解决现有技术中的三维相似材料模拟试验台体型庞大笨重、结构复杂、机构冗杂、难以真实有效地模拟煤层开采、固定式不可拆卸等实际问题。

2、本实用新型栅格底板是连接在升降式支撑机构上，且升降式支撑机构包括分别布设在栅格底板四个角正下方的四个液压缸，因此，具体实施时，能够将液压缸与手动液压泵连接，通过操作手动液压泵使液压缸的活塞杆伸出或缩回，以调节所述栅格底板四个角的高度，能够方便快捷、机动灵活地满足相似模拟材料模型装配阶段和实验阶段的不同高度要求，方便了试验操作，且操作简便，容易控制，适应性强。

3、本实用新型的栅格底板采用呈镂空的网格状的栅格底板，与现有技术中的三维相似模拟试验装置相比，底板耗材少、重量小，减轻了本实用新型的整体重量。

4、本实用新型的托板通过升降式连接组件可升降连接在栅格底板上栅格位置处，因此能够根据需要调节托板的高度和角度，能够真实地模拟波状起伏的煤层或地层。

5、本实用新型的托板四角升降柱和托板中心升降螺杆上均设置有刻度，因此能够根据需要精确地调节托板的高度和角度，能够准确地模拟地下煤层的开采，还能够根据升降高度差计算模拟的煤层的采出量。

6、本实用新型的长边围护板和短边围护板能够根据试验需要适时组装或拆卸，适应性强；在相似模拟材料装配阶段可以逐层组装，方便了相似模拟材料的装配；相似模拟材料装配完毕后可以拆卸下，使相似模拟材料模型四周均暴露在空气中，利于水分蒸发，缩短了相似模拟材料模型的晾干时间，提高了试验效率；试验过程中或试验完毕后可以拆去长边围护板和短边围护板，方便了观测相似模拟材料表面的移动变形情况和裂缝发育情况，还方便了解剖相似模拟材料模型，观察相似模拟材料模型内部的裂缝发育情况。

7、本实用新型通过设置长边围护板抠手和短边围护板抠手，既有利于抓提长边围护板和短边围护板，又有利于长边围护板和短边围护板拆卸后的集中堆放管理，同时能够使组装好的三维多功能相似材料煤层开采模拟试验台外观整齐，减少了外凸结构，不易误伤试验人员。

8、本实用新型的长边围护板在其上、下边界上有长边围护板插头限制其位移，在其左、右两端边界上有围护板紧固螺栓限制其位移；短边围护板在其上、下边界上有短边围护板插头限制其位移，在其左、右两端边界上有围护板紧固螺栓限制其位移；使其比传统的只有左右两端受固定约束的槽钢更不易发生变形，从而保证了相似模拟材料模型的装配效果。

9、本实用新型的液压缸、栅格底板、托板、长边围护板和短边围护板等均属于非固定式连接，可以方便快捷地进行组装、拆卸和运输，试验结束后，各组成部分拆卸后堆放整齐，为其它实验用地腾出了空间，既节约了大量宝贵而有限的实验室空间资源，同时又有利于实验器材的有效管理。

10、本实用新型降低了实验成本，使用效果好，便于推广使用。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型栅格底板的俯视图。

图3为本实用新型托板安装在栅格底板上后的俯视图。

图4为本发明栅格底板、升降式连接组件和托板的连接关系示意图。

图5为本发明托板四角升降组件的结构示意图。

图6为本发明托板中心升降组件的结构示意图。

图7为本发明长边围护板和短边围护板的连接关系示意图。

附图标记说明:

1—托板中心升降组件；   2—液压缸；            3—围护板长边围护板插孔；

4—活塞杆套筒；         5—液压缸连接杆；       6—栅格底板；

7—长边围护板；         8—短边围护板；    9—栅格底板长边围护板插孔；

10—长边围护板抠手；    11—围护板紧固螺栓；12—短边围护板插头；

13—栅格底板短边围护板插孔；       14—围护板短边围护板插孔；

15—短边围护板抠手；    16—滚珠；       17—托板四角升降柱插孔；

18—螺纹孔；            19—托板；             20—托板四角升降柱；

21—托板四角升降柱套筒；         22—托板四角升降柱紧固螺栓；

23—刻度；             24—铰接球；           25—球铰接下外壳；

26—球铰接上外壳；     27—球铰接螺栓；       28—托板中心升降螺杆；

29—托板中心升降旋钮；      30—长边围护板插头；

31—托板四角升降组件。

具体实施方式

如图1～图7所示，本实用新型包括矩形的栅格底板6、设置在栅格底板6底部的升降式支撑机构和通过升降式连接组件可升降连接在栅格底板6上多个栅格位置处的多块圆角矩形的托板19，以及可拆卸连接在栅格底板6上长边两侧边沿处的多层长边围护板7和可拆卸连接在栅格底板6上短边两侧边沿处的多层短边围护板8，每层所述长边围护板7和短边围护板8中相邻的两个长边围护板7和短边围护板8固定连接，多块托板19位于由多层长边围护板7和多层短边围护板8围成的立方体空腔内底部；所述升降式连接组件包括分别设置在托板19四角下部的四组托板四角升降组件31和设置在托板19中心下部的托板中心升降组件1，所述托板四角升降组件31包括下部穿到栅格底板6底部的托板四角升降柱20、连接在托板四角升降柱20顶部的托板四角球铰接头和套装在托板四角升降柱20下部且位于栅格底板6底部的托板四角升降柱套筒21，所述托板四角升降柱套筒21上连接有用于固定托板四角升降柱20在托板四角升降柱套筒21内的位置的托板四角升降柱紧固螺栓22；所述托板中心升降组件1包括螺纹连接在栅格底板6上的托板中心升降螺杆28、连接在托板中心升降螺杆28顶部的托板中心球铰接头和连接在托板中心升降螺杆28底部的托板中心升降旋钮29；所述栅格底板6上设置有供托板四角升降柱20穿过的托板四角升降柱插孔17和用于螺纹连接中心升降螺杆28的螺纹孔18。

本实施例中，每四个栅格上方连接有一块托板19，所述栅格底板6上每四个栅格的四个角上均设置有一个托板四角升降柱插孔17，所述栅格底板6上每四个栅格的中心均设置有一个螺纹孔18。

如图1所示，本实施例中，所述升降式支撑机构包括分别布设在栅格底板6四个角正下方的四个液压缸2和围成矩形的用于固定连接四个液压缸2的四根液压缸连接杆5，所述栅格底板6四个角的底部均设置有套装在液压缸2的活塞杆上的活塞杆套筒4。通过四根围成矩形的液压缸连接杆5固定连接四个液压缸2，能够保证所述升降式支撑机构结构的稳定性。

如图7所示，本实施例中，所述长边围护板7的底部设置有长边围护板插头30，所述栅格底板6上长边两侧边沿处均设置有供长边围护板插头30插入的栅格底板长边围护板插孔9，所述长边围护板7的顶部设置有供长边围护板插头30插入的围护板长边围护板插孔3；所述短边围护板8的底部设置有短边围护板插头12，所述栅格底板6上短边两侧边沿处均设置有供短边围护板插头12插入的栅格底板短边围护板插孔13，所述短边围护板8的顶部设置有供短边围护板插头12插入的围护板短边围护板插孔14。具体实施时，所述长边围护板7的长度为2040mm，宽度为100mm，厚度为20mm；所述短边围护板8的长度为2000mm，宽度为100mm，厚度为20mm；所述长边围护板插头30和短边围护板插头12的直径均为9mm，高度均为30mm；所述栅格底板长边围护板插孔9和围护板长边围护板插孔3，以及栅格底板短边围护板插孔13和围护板短边围护板插孔14的直径均为10mm，深度均为30mm。本实用新型的长边围护板7和短边围护板8能够根据试验需要适时组装或拆卸，适应性强；在相似模拟材料装配阶段可以逐层组装，方便了相似模拟材料的装配；相似模拟材料装配完毕后可以拆卸下，使相似模拟材料模型四周均暴露在空气中，利于水分蒸发，缩短了相似模拟材料模型的晾干时间，提高了试验效率；试验过程中或试验完毕后可以拆去长边围护板7和短边围护板8，方便了观测相似模拟材料表面的移动变形情况和裂缝发育情况，还方便了解剖相似模拟材料模型，观察相似模拟材料模型内部的裂缝发育情况。

如图1所示，本实施例中，每层所述长边围护板7和短边围护板8中相邻的两个长边围护板7和短边围护板8通过围护板紧固螺栓11固定连接。

如图1和图7所示，本实施例中，所述长边围护板7的外侧面上设置有长边围护板抠手10，所述短边围护板8的外侧面上设置有短边围护板抠手15。具体实施时，所述长边围护板抠手10和短边围护板抠手15的长度为100mm，外宽度为30mm，内宽度为60mm，深度为12mm。通过设置长边围护板抠手10和短边围护板抠手15，既有利于抓提长边围护板7和短边围护板8，又有利于长边围护板7和短边围护板8拆卸后的集中堆放管理，同时能够使组装好的三维多功能相似材料煤层开采模拟试验台外观整齐，减少了外凸结构，不易误伤试验人员。

如图5和图6所示，本实施例中，所述托板四角球铰接头和托板中心球铰接头的结构相同且均包括球铰接上外壳26和通过球铰接螺栓27与球铰接上外壳26连接的球铰接下外壳25，以及连接在由球铰接上外壳26和球铰接下外壳25围成的球形空腔内的铰接球24，所述球铰接上外壳26和球铰接下外壳25围成的球形空腔内设置有滚珠16。使用时，球铰接上外壳26与托板19固定连接。

如图5和图6所示，本实施例中，所述托板四角升降柱20和托板中心升降螺杆28上均设置有刻度23。

具体实施时，所述栅格底板6为正方形，所述栅格底板6的长度和宽度均为2240mm，所述栅格底板6的厚度为40mm，采用呈镂空的网格状的栅格底板6，与现有技术中的三维相似模拟试验装置相比，底板耗材少、重量小，减轻了本实用新型的整体重量。所述托板19为正方形，所述托板19的长度和宽度均为200mm，所述托板19的厚度为10mm；所述托板四角升降柱20和托板中心升降螺杆28的长度均为250mm，直径均为20mm；所述刻度23最大为100mm；这样的托板19、托板四角升降组件31和托板中心升降组件1，能够根据需要精确地调节托板19的高度和角度，能够真实地模拟波状起伏的煤层或地层，能够准确地模拟地下煤层的开采，还能够根据升降高度差计算模拟的煤层的采出量。

采用本实用新型进行相似材料煤层开采模拟试验时，包括以下步骤：

步骤一、组装模拟试验台：在升降式支撑机构上连接栅格底板6，在栅格底板6上多个栅格位置处通过升降式连接组件连接多块托板19，并在栅格底板6上长边两侧边沿处连接一层长边围护板7，在栅格底板6上短边两侧边沿处连接一层短边围护板8，且固定连接相邻的两个长边围护板7和短边围护板8；

步骤二、铺装相似模拟材料：在多块托板19顶部逐层铺装相似模拟材料，并在逐层铺装相似模拟材料的同时，逐层加装长边围护板7和短边围护板8，直至铺装的相似模拟材料的高度达到设计高度为止；

步骤三、模拟煤层开采：待步骤二中铺装的相似模拟材料干燥3～10天后，按照从左到右或从右到左的顺序，通过调节升降式连接组件调节多块托板19的高度和倾角，使多块托板19的高度按顺序降低，模拟煤矿井下工作面向前推进的煤层开采过程；托板19的高度降低后，与相似模拟材料之间形成了空隙，模拟煤矿井下煤层开采的采空区；随着多块托板19顺序被降低，相似模拟材料的悬露面积越来越大，各层相似模拟材料在自身重力和上层相似模拟材料压力的作用下依次向下发生挠曲、变形、破断、垮落，同时，各层相似模拟材料内也发育着不规则的裂缝，相似模拟材料的表面也发生了移动变形；

步骤四、现象观测：模拟煤层开采结束后，打开需观测位置的长边围护板7或短边围护板8，观测相似模拟材料表面的移动变形情况和裂缝发育情况。具体实施时，还可以拆去所有的长边围护板7或短边围护板8，解剖相似模拟材料模型，观察相似模拟材料模型内部的裂缝发育情况。

另外，由于栅格底板6是连接在升降式支撑机构上，且升降式支撑机构包括分别布设在栅格底板6四个角正下方的四个液压缸2，因此，具体实施时，还能够将连接在液压缸2上的安全阀1通过液压油管连接到手动液压泵上，通过操作手动液压泵使液压缸2的活塞杆伸出或缩回，以调节所述栅格底板6四个角的高度，满足试验过程中步骤二、步骤三和步骤四中试验不同阶段对模拟试验台不同高度的需要，方便了试验操作，且操作简便，容易控制，机动灵活，适应性强。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。

Claims (7)

1.一种三维多功能相似材料煤层开采模拟试验台，其特征在于：包括矩形的栅格底板(6)、设置在栅格底板(6)底部的升降式支撑机构和通过升降式连接组件可升降连接在栅格底板(6)上多个栅格位置处的多块圆角矩形的托板(19)，以及可拆卸连接在栅格底板(6)上长边两侧边沿处的多层长边围护板(7)和可拆卸连接在栅格底板(6)上短边两侧边沿处的多层短边围护板(8)，每层所述长边围护板(7)和短边围护板(8)中相邻的两个长边围护板(7)和短边围护板(8)固定连接，多块托板(19)位于由多层长边围护板(7)和多层短边围护板(8)围成的立方体空腔内底部；所述升降式连接组件包括分别设置在托板(19)四角下部的四组托板四角升降组件(31)和设置在托板(19)中心下部的托板中心升降组件(1)，所述托板四角升降组件(31)包括下部穿到栅格底板(6)底部的托板四角升降柱(20)、连接在托板四角升降柱(20)顶部的托板四角球铰接头和套装在托板四角升降柱(20)下部且位于栅格底板(6)底部的托板四角升降柱套筒(21)，所述托板四角升降柱套筒(21)上连接有用于固定托板四角升降柱(20)在托板四角升降柱套筒(21)内的位置的托板四角升降柱紧固螺栓(22)；所述托板中心升降组件(1)包括螺纹连接在栅格底板(6)上的托板中心升降螺杆(28)、连接在托板中心升降螺杆(28)顶部的托板中心球铰接头和连接在托板中心升降螺杆(28)底部的托板中心升降旋钮(29)；所述栅格底板(6)上设置有供托板四角升降柱(20)穿过的托板四角升降柱插孔(17)和用于螺纹连接中心升降螺杆(28)的螺纹孔(18)。

2.按照权利要求1所述的三维多功能相似材料煤层开采模拟试验台，其特征在于：所述升降式支撑机构包括分别布设在栅格底板(6)四个角正下方的四个液压缸(2)和围成矩形的用于固定连接四个液压缸(2)的四根液压缸连接杆(5)，所述栅格底板(6)四个角的底部均设置有套装在液压缸(2)的活塞杆上的活塞杆套筒(4)。

3.按照权利要求1所述的三维多功能相似材料煤层开采模拟试验台，其特征在于：所述长边围护板(7)的底部设置有长边围护板插头(30)，所述栅格底板(6)上长边两侧边沿处均设置有供长边围护板插头(30)插入的栅格底板长边围护板插孔(9)，所述长边围护板(7)的顶部设置有供长边围护板插头(30)插入的围护板长边围护板插孔(3)；所述短边围护板(8)的底部设置有短边围护板插头(12)，所述栅格底板(6)上短边两侧边沿处均设置有供短边围护板插头(12)插入的栅格底板短边围护板插孔(13)，所述短边围护板(8)的顶部设置有供短边围护板插头(12)插入的围护板短边围护板插孔(14)。

4.按照权利要求1所述的三维多功能相似材料煤层开采模拟试验台，其特征在于：每层所述长边围护板(7)和短边围护板(8)中相邻的两个长边围护板(7)和短边围护板(8)通过围护板紧固螺栓(11)固定连接。

5.按照权利要求1所述的三维多功能相似材料煤层开采模拟试验台，其特征在于：所述长边围护板(7)的外侧面上设置有长边围护板抠手(10)，所述短边围护板(8)的外侧面上设置有短边围护板抠手(15)。

6.按照权利要求1所述的三维多功能相似材料煤层开采模拟试验台，其特征在于：所述托板四角球铰接头和托板中心球铰接头的结构相同且均包括球铰接上外壳(26)和通过球铰接螺栓(27)与球铰接上外壳(26)连接的球铰接下外壳(25)，以及连接在由球铰接上外壳(26)和球铰接下外壳(25)围成的球形空腔内的铰接球(24)，所述球铰接上外壳(26)和球铰接下外壳(25)围成的球形空腔内设置有滚珠(16)。

7.按照权利要求1所述的三维多功能相似材料煤层开采模拟试验台，其特征在于：所述托板四角升降柱(20)和托板中心升降螺杆(28)上均设置有刻度(23)。