CN205538954U - 一种煤层群开采三维相似模拟装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种煤层群开采三维相似模拟装置，包括三维模拟试验台架、铺设在试验台架内的试验用相似配比岩土层、设置在试验台架上的地表移动观测装置，试验用岩土层自上而下依次包括风积沙松散层、含水层、隔水层、基岩层、上煤层和最下层煤，上煤层由液压枕单元替代，最下层煤由顶升千斤顶单元替代，液压枕单元与设置在试验台架外侧的侧拉动力装置连接，用于拉动液压枕单元。本实用新型结构简单，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。

Description

一种煤层群开采三维相似模拟装置

【技术领域】

本实用新型属于采矿工程试验研究技术领域，具体涉及一种煤层群开采三维相似模拟装置。

【背景技术】

煤矿本身就是一块很大的公里级别的地质体，且煤矿井下巷道围岩环境复杂，煤层群开采三维相似模拟装置能够将很大的地质体通过相似比例缩小为室内小型三维模型体，并通过开挖获取岩土层的移动、破坏、裂隙等规律，从而为煤矿安全提供技术指导。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单一平面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。现有的单一平面两维固相模拟装置不能模拟区域三维开采的顶板破坏、顶板问题，多煤层开采时不能准确把握上层煤和最下层煤走向和倾向支承压力分布规律，而三维相似模拟试验装置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，提供一种煤层群开采三维相似模拟装置，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，有效模拟区域范围多煤层开采三维顶板动态移动、破坏、裂隙等规律。

本实用新型采用以下技术方案：

一种煤层群开采三维相似模拟装置，包括试验台架、铺设在试验台架内的试验用岩土层、设置在试验台架上的地表移动观测装置，试验用岩土层的上煤层和下煤层以液压枕结构和/或顶升千斤顶结构替代，所述液压枕结构通过设置在所述试验台架外侧的侧拉动力装置实现模拟煤层的开采。

进一步地，液压枕结构为多个液压枕串联而成，每个所述液压枕用收紧螺丝通过液压枕截面上下的螺丝孔将所有液压枕串联起来，每个所述液压枕的高度为试验所替代煤层的厚度。

进一步地，所述液压枕截面的螺丝孔沿着截面垂直方向布置。

进一步地，所述顶升千斤顶结构包括底座连为一体的多个千斤顶立柱、顶梁和设置于顶梁表面的液压传感器，所述千斤顶立柱升降的高度即是最下层煤的厚度，所述传感器设置于所述顶梁表面的安装槽内。

进一步地，所述顶升千斤顶结构的传感器直径与安装槽的直径相同但小于顶梁宽度，所述安装槽的深度为传感器高度的一半。

进一步地，所述千斤顶顶梁的宽度与千斤顶底座的宽度相同，均与替代上煤层的千斤顶结构或液压枕结构宽度和长度相同；所述千斤顶底座的长度与试验台长度相同，以保障每排千斤 顶的稳定，使用时只需升降立柱并由顶梁支撑即可。

进一步地，试验用岩土层自下而上依次为：替代下煤层的顶升千斤顶结构或液压枕结构、基岩层、替代上煤层的液压枕结构或顶升千斤顶结构、基岩层、隔水层、含水层、风积沙松散层。

进一步地，含水层主要由粗粒沙、石膏、大白粉铺设而成，隔水层主要由粘性土、细沙、石膏、大白粉和食用油铺设而成，基岩层主要由石膏、大白粉、细沙铺设而成。

进一步地，基岩层内按照20cm间距等分排布有多个长方形传感器。

进一步地，所述地表移动观测装置包括设置在所述试验台架上部的固定架、位移百分表及接触件；所述固定架上等分排布有多个所述位移百分表，所述位移百分表固定在固定架上；所述接触件一端连接位移百分表，另一端触及试验用岩土层表面。

进一步地，试验台架外部一侧设置有调节试验台架角度的可调角度装置，可调角度装置包括设置在底座一端的角度滑轮、顶端设有固定支撑滑轮且竖直设置的支撑立柱，以及拉伸千斤顶和钢丝绳，钢丝绳一端固定在底座的一端，另一端依次经过角度滑轮和固定支撑滑轮与拉伸千斤顶连接。

进一步地，试验台架包括四个立柱、多个侧挡板、多个前挡板、底座和可视玻璃后挡板，立柱、侧挡板、前挡板均为槽钢板。

与现有技术相比，本实用新型至少具有以下有益效果：本实用新型结构简单，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。

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为本实用新型结构示意图；

图2为本实用新型试验台架示意图；

图3为本实用新型调节角度装置示意图；

图4为本实用新型两侧挡板示意图；

图5为本实用新型前挡板示意图；

图6为本实用新型可视玻璃后挡板示意图。

其中：1.试验台架；2.侧挡板；3.前挡板；4.后挡板；5.螺丝孔；6.玻璃板螺丝孔；7.风积沙松散层；8.含水层；9.隔水层；10.隔水材料；11.基岩层；12.液压枕结构；13.顶升千斤顶结构；14.侧拉动力装置；15.传感器；16.位移百分表；17.接触件；18.固定架；19.角度滑轮；20.支撑立柱；21.固定支撑滑轮；22.拉伸千斤顶。

【具体实施方式】

请参阅图1和图2所示，本实用新型公开了一种煤层群开采三维相似模拟装置，包括试验台架1、铺设在试验台架1内的试验用模拟岩土层、设置在试验台架1上用于观测岩土层下沉变化的地表移动观测装置，铺装在试验台架内的模拟岩土层包括风积沙松散层7、含水层8、隔水层9、基岩层11以及上层煤和最下层煤，其铺设顺序自下而上为：代替最下层煤铺设顶升千斤顶结构13、基岩层11、代替上层煤铺设的液压枕结构12、基岩层11、隔水层9、含水层8、风积沙松散层7。液压枕单元12与设置在试验台架1外侧的侧拉动力装置14连接，用于拉动液压枕单元12。

试验台架1包括四个立柱、多个左右侧挡板、前挡板、底座和可视玻璃后挡板，请参阅图4、图5和图6所示，除了可视玻璃板后挡板外，其它挡板和立柱均采用槽钢，槽钢两侧开有槽钢螺丝孔5，用螺丝固定，槽钢长度与试验台架1的整体宽度一致，可视玻璃板后挡板用于观察煤层开采中各岩层的下沉变化与裂隙发展情况，尺寸与试验台架1设计的长度和高度相同，两侧开设固定孔，孔径与槽钢螺丝孔5一致，可视玻璃板后挡板通过玻璃板螺丝孔与两侧 槽钢挡板固定。

液压枕单元12包括多个液压枕，选用普通液压枕，在液压枕上下沿着截面垂直方向上各加工两对螺丝孔5，在铺设上层煤时，上层煤全部由液压枕来代替，用收紧螺丝通过液压枕截面设计的上下两对螺丝孔5将每个液压枕串联起来，液压枕的宽度和长度根据模型煤层的开采进尺确定，液压枕的高度根据所替代煤层的厚度来设计，通过侧拉动力装置14在试验台架侧面向外拉动每个液压枕来模拟上层煤开采，拉出一块液压枕代表开采了一块液压枕长度的煤体。

顶升千斤顶单元13包括底座连为一体的多个千斤顶立柱、顶梁和设置于顶梁表面的圆形液压传感器15，主要用来替代最下层煤及开采过程，通过升降千斤顶来代替最下层煤开采，升降的高度即是最下层煤的厚度，顶梁的设计宽度与底座宽度相同，也与替代上层煤铺装的液压枕设计宽度和长度相同，千斤顶底座设计成一体，即长度和试验台架长度相当，可保障每排千斤顶底座的稳定，使用时只需升降立柱并由顶梁支撑即可，千斤顶顶梁和底座均由一定厚度的钢板加工而成；顶梁表面的压力传感器15，主要用来实时传递上部岩层开采的移动压力，传感器形状为圆形，直径小于顶梁宽度，安装时紧紧的卡在顶梁表面预先设计的圆形浅槽内。圆形浅槽的直径与传感器直径相当，圆形浅槽深度为传感器高度的一半。

含水层8按照一定级配的粗粒沙、石膏、大白粉铺设而成，隔水层9按照一定级配的粘性土、细沙、石膏、大白粉和食用油铺设而成，基岩层11按照一定级配的石膏、大白粉、细沙铺设而成。

基岩层11内按照20cm间距等分排布有多个长方形传感器15。

所述地表移动观测装置包括设置在所述试验台架1上部的固定架18、位移百分表16及接触件17；所述固定架18上按照20cm间距等分排布有多个所述位移百分表16，所述位移百分表16固定在固定架18上，位移百分表16具有弹性收缩功能；所述接触件17一端连接位移百 分表16，另一端触及模型表面，当模型表面岩层下沉后，接触件17随之下沉，位移百分表16指针在弹性能作用下发生同步变化，变化量即是模型表面下沉量。

请参阅图3所示，试验台架1外部一侧的底座上对应设置有两组可调角度装置，每组可调角度装置包括设置与底座一端的角度滑轮19、顶端设有固定支撑滑轮21竖直设置的支撑立柱20、拉伸千斤顶22和钢丝绳，钢丝绳一端固定在底座的一端，依次经过角度滑轮19、固定支撑滑轮21和拉伸千斤顶22与地面连接组成等边三角形。

以下针对本实用新型监测系统的安装方法予以说明：

步骤1、首先将试验台架四周立柱和底座连接，由螺丝拧紧固定，然后在试验台四周各固定前挡板和两侧挡板，进一步固定可视玻璃板后挡板，形成试验台初始框架；

步骤2、铺设代替最下层煤的顶升千斤顶结构13，将顶升千斤顶以及顶梁圆槽中的传感器按照顺序一排一排的铺设，根据顶升千斤顶的宽度，直到铺满试验台架长度为止；

步骤3、岩土层材料配比制作，含水层8铺装的材料以粗粒沙、石膏、大白粉按照一定级配铺设而成；隔水层9用粘性土、细沙、石膏、大白粉及食用油按一定级配铺设；基岩层11，以石膏、大白粉、细沙按一定级配铺设而成；

步骤4、铺设岩土层，除了预先铺好的代替最下层煤的顶升千斤顶结构13，其它岩土层自下而上铺设顺序依次为基岩层11、代替上层煤铺设的液压枕结构12、基岩层11、隔水材料10、隔水层9、含水层8、风积沙松散层7；每铺设一个侧挡板宽度的岩层高度，需增加一排侧挡板，直到铺设至风积沙松散层7，即岩土层铺设完毕；

步骤5、在铺设基岩层时，在基岩层中安装长方形传感器15，长方形传感器15类型为普通传感器，间排距按照20cm等分设计；

步骤6、在铺设液压枕结构12时，将每排液压枕用收紧螺丝拧紧串联起来，根据液压枕的宽度，直到铺满试验台架长度为止；

步骤7、将侧拉动力装置14等辅助设施准备到位，以便随时使用；

步骤9、在铺设好的风积沙松散层7表面布设地表移动观测装置，将固定架18与试验台架体1固定，先后由接触件17连接位移百分表16和固定架18，将位移固定百分表固定并保持垂直稳定，将位移百分表16按照20cm的间排距等分设计；

步骤10、在试验台架体外侧的底座下方布置可调角度装置，将拉伸钢丝绳固定在试验台架体一侧底座的两端，拉伸钢丝绳通过角度滑轮19，然后再经过固定支撑滑轮21，由拉伸千斤顶22提供试验台架体的角度旋转拉力，支撑立柱20提供可调角度装置的重心稳定性；

本实用新型一种煤层群开采三维相似模拟装置，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。具体包括以下优点：

1、本实用新型三维试验架设计为三维模型架，通过相似比例将大型地质体缩小为室内小型三维模型体，并通过试验获取岩土层的三维移动、破坏、裂隙、渗流等规律。

2、本实用新型三维试验架内设置有代替上层煤及开采的液压枕结构和替代最下层煤及开采的顶升千斤顶结构，可准确把握上层煤和最下层煤开采后的走向和倾向支承压力分布规律；

液压枕结构由一个一个相同尺寸的液压枕串联组成，液压枕的厚度也即是上层煤厚度，通过侧拉动力装置每拉出一块液压枕，相当于开采了一个液压枕长度的煤层。同时，未拉出的液压枕可起到监测上部岩土层采动荷载的作用；

顶升千斤顶装置表面设置有液压传感器组成，主要用来替代最下层煤的铺设、最下层煤的开采以及支承压力监测，通过升降千斤顶来代替最下层煤开采，升降的高度即是最下层煤的厚度。

3、本实用新型在试验架内的基岩层中安设小型传感器，可方便监测基岩层荷载动态变化情况。

4、本实用新型采用非固定式连接，可以方便快捷地进行组装、拆卸和运输，后挡板采用玻璃材质，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。

5、本实用新型采用非固定式连接，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。

6、本实用新型降低了实验成本，使用效果好，便于推广使用。

Claims (9)

1.一种煤层群开采三维相似模拟装置，其特征在于：包括试验台架(1)、铺设在试验台架(1)内的试验用岩土层、设置在试验台架(1)上的地表移动观测装置，试验用岩土层的上煤层和下煤层以液压枕结构(12)和/或顶升千斤顶结构替代，所述液压枕结构(12)通过设置在所述试验台架(1)外侧的侧拉动力装置(14)实现模拟煤层的开采。

2.根据权利要求1所述的一种煤层群开采三维相似模拟装置，其特征在于：所述液压枕结构(12)为多个液压枕串联而成，每个所述液压枕用收紧螺丝通过液压枕截面上下的螺丝孔将所有液压枕串联起来，每一个所述液压枕的高度为试验所替代煤层的厚度。

3.根据权利要求2所述的一种煤层群开采三维相似模拟装置，其特征在于：所述液压枕截面的螺丝孔沿着截面垂直方向布置。

4.根据权利要求1所述的一种煤层群开采三维相似模拟装置，其特征在于：所述顶升千斤顶结构(13)包括底座连为一体的多个千斤顶立柱、顶梁和设置于顶梁表面的液压传感器，所述千斤顶立柱升降的高度即是最下层煤的厚度，所述传感器设置于所述顶梁表面的安装槽内。

5.根据权利要求4所述的一种煤层群开采三维相似模拟装置，其特征在于：所述顶升千斤顶结构(13)的传感器直径与安装槽的直径相同但小于顶梁宽度，所述安装槽的深度为传感器高度的一半。

6.根据权利要求4所述的一种煤层群开采三维相似模拟装置，其特征在于：所述千斤顶顶梁的宽度与千斤顶底座的宽度相同，均与替代上煤层的千斤顶结构或液压枕结构宽度和长度相同；所述千斤顶底座的长度与试验台长度相同，以保障每排千斤顶的稳定，使用时只需升降立柱并由顶梁支撑即可。

7.根据权利要求1所述的一种煤层群开采三维相似模拟装置，其特征在于：所述试验用岩土层自下而上依次为：替代下煤层的顶升千斤顶结构(13)或液压枕结构(12)、基岩层(11)、替代上煤层的液压枕结构(12)或顶升千斤顶结构(13)、基岩层(11)、隔水层(9)、含水层 (8)、风积沙松散层(7)。

8.根据权利要求1所述的一种煤层群开采三维相似模拟装置，其特征在于：所述地表移动观测装置包括设置在所述试验台架(1)上部的固定架(18)、位移百分表(16)及接触件(17)；所述固定架(18)上等分排布有多个所述位移百分表(16)，所述位移百分表(16)固定在固定架(18)上；所述接触件(17)一端连接位移百分表(16)，另一端触及试验用岩土层表面。

9.根据权利要求1所述的一种煤层群开采三维相似模拟装置，其特征在于：所述试验台架(1)外部一侧设置有调节试验台架的可调角度装置，所述可调角度装置包括设置在底座一端的角度滑轮(19)、顶端设有固定支撑滑轮(21)且竖直设置的支撑立柱(20)，以及拉伸千斤顶(22)和钢丝绳，所述钢丝绳一端固定在所述底座的一端，另一端依次经过角度滑轮(19)和固定支撑滑轮(21)与拉伸千斤顶(22)连接而成。