CN207798824U - 用于研究开采与地面沉陷关系的实验装置 - Google Patents
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Abstract
用于研究开采与地面沉陷关系的实验装置。解决目前没有针对于大采高浅埋煤层开采与地面沉陷关系研究的实验装置。本实用新型四个侧板设置在实验台上，实验台设置实验台滑轨，每个实验台滑轨上分别设置一个第一滑块，每个第一滑块上分别设置第一滑杆；每个第一滑杆上分别设置一个第二滑块；两个第二滑块分别连接第二滑竿的两端；第二滑竿上设有第三滑块，第三滑块朝向长方体框架的侧面上设置有滚动刀头驱动装置和滚动刀头，滚动刀头驱动装置驱动滚动刀头转动；一个第二滑块上设置第二驱动电机，第二驱动电机通过驱动丝杠转动实现第三滑块沿着第二滑竿移动。本实用新型适用于开采与地面沉陷关系研究的辅助仿真试验。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种地面沉陷研究的实验装置。
背景技术
地面沉陷是在人类工程经济活动影响下，由于地下松散地层固结压缩，导致地壳表面标高降低的一种局部的下降运动(或工程地质现象)。引起地面沉陷的一个重要因素就是固体矿产开采。矿山塌陷多分布在矿山的采空区，以采煤塌陷最为突出。中国有约20个省区发生采空塌陷，以黑龙江、山西、安徽、山东、河南等省最为严重。
由于煤矿开采造成的地面沉陷的现象已经影响到环境和生态，也影响到了沉陷区的居民住宅等生活活动。由于一般的煤矿的地质并不是均一的，地下条件相对相对，不能像研究实际的力学工件那样直接理想建模后进行力学分析。所以针对煤矿开采后的地面沉陷并不能仅仅通过常规的材料力学分析进行，必须通过相似模型进行验证，辅助仿真手段进行研究。
也正是由于以上原因，目前的关于煤矿开后的有的地区发生了较为严重的地面沉陷，有的地区发生不太严重的地面沉陷。而针对于不同深度每层开采的情况地面沉陷也不一样。由于深埋煤层的埋深较大，埋深较大的薄煤层开采对地面沉陷的影响较小。针对埋深较小的煤层开采对地面沉陷的影响却比较明显，还要依赖于实际的地质条件和煤层的采高，目前几乎没有针对于大采高浅埋煤层开采情况进行地面沉陷的研究，更没有一种针对大采高浅埋煤层研究的实验装置。
实用新型内容
本实用新型为了解决目前没有针对于大采高浅埋煤层开采与地面沉陷关系研究的实验装置。
用于研究开采与地面沉陷关系的实验装置，包括实验台、两条实验台滑轨和四个侧板；
所述的四个侧板围成一个长方体框架，四个侧板依次记为第一侧板至第四侧板；长方体框架设置在实验台上，在实验台上、长方体框架两侧分别设置实验台滑轨，每个实验台滑轨上分别设置一个第一滑块，每个第一滑块上分别设置第一滑杆，且第一滑杆垂直设置于第一滑块的上面；
两个第一滑块的侧面共同连接同步装置，同步装置连接第一驱动电机，第一驱动电机通过同步装置驱动两个第一滑块沿着实验台滑轨同步移动；
每个第一滑杆上分别设置一个第二滑块，第二滑块能够沿着第一滑杆移动，且能够通过紧固螺钉实现相对固定；
两个第二滑块分别连接第二滑竿的两端；第二滑竿上设有第三滑块，第三滑块朝向长方体框架的侧面上设置有滚动刀头驱动装置和滚动刀头，滚动刀头驱动装置驱动滚动刀头转动；
一个第二滑块上设置第二驱动电机，第二驱动电机连接丝杠的一端，能够驱动丝杠转动；丝杠的另一端通过转动轴连接到另一个第二滑块上，且能够相对转动；并且丝杠穿过第三滑块，丝杠与第三滑块螺纹配合；第二驱动电机通过驱动丝杠转动实现第三滑块沿着第二滑竿移动；
在第二侧板、第三侧板、第四侧板上，从上至下分别开有第一插槽和第二插槽，且第二侧板、第三侧板、第四侧板上的第一插槽位置对应，能够形成一条开采空隙；第二侧板、第三侧板、第四侧板上的第二插槽位置对应，能够形成一条开采空隙；第二侧板、第三侧板、第四侧板上的第一插槽内分别设有第一插槽插板；第二侧板、第三侧板、第四侧板上的第二插槽内分别设有第二插槽插板。
进一步地，第二侧板、第三侧板、第四侧板分别被第一插槽和第二插槽分成对应侧板的上板、中板、下板；上板、第一插槽、中板和第二插槽宽度比为(7～10)：(0.5～1)：(2～3)：(7～9)。
进一步地，上板、第一插槽、中板和第二插槽宽度比为10：0.5：2：7。
进一步地，所述的第一插槽插板在长度方向上的横断面为梯形，第二侧板、第三侧板、第四侧板上的第一插槽在长度方向上的横截面也为梯形，第一插槽与第一插槽插板横断面的梯形配合使用，且在第一插槽插板插入第一插槽内时，第一插槽插板横断面的梯形短边朝向四个侧板围成的长方体框架外侧，第一插槽插板横断面的梯形长边朝向四个侧板围成的长方体框架内侧；
第一插槽插板与第二插槽插板结构相同，第一插槽与第二插槽结构相同。
进一步地，所述的一种用于研究开采与地面沉陷关系的实验装置还包括一台测距仪，所述的测距仪设置在四个侧板围成的长方体框架上方；进行实验时，上位机通过测距仪测量四侧板内部的样品沉降位移变化。
进一步地，所述的测距仪为三维激光测距仪。
进一步地，所述的测距仪通过支架设置于四个侧板围成的长方体框架上方。
进一步地，所述的支架位于实验台上，且能够在实验台上移动。或者所述的支架通过滑道设置在实验台上，并能通过滑道在实验台上移动。
进一步地，所述的一种用于研究开采与地面沉陷关系的实验装置还包括滑动底板；所述的第四侧板的底部开有滑动底板出口，滑动底板能够从滑动底板出口插入；所述滑动底板对应滑动底板出口的侧面上连接有牵引绳，由第三驱动电机通过牵引绳牵引滑动底板移动。
本实用新型的有益效果：
在实际进行实验的过程中，可以根据煤矿的实际地质条件制作实验试样，并按照上板宽度：第一插槽宽度：中板宽度：第二插槽宽度的比例能够模拟90％以上的大采高浅埋煤层情况。然后再基于本实用新型的装置进行开采，并通过三维激光测距仪检测地面沉陷情况，通过计算机采集三维激光测距仪的数据，进行地面沉陷分析。
附图说明
图1为用于研究开采与地面沉陷关系的实验装置结构示意图；
图2为插槽内设有插槽插板时四个侧板框架示意图；
图3为插槽内拔出插槽插板时四个侧板框架示意图；
图4为插槽内设有插槽插板时对应侧板的结构示意图；
图5为滑杆部分结构示意图；
图6为滑杆部分及滚动刀头部分结构示意图；
图7为支架直接设置在实验台上时的结构示意图；
图8为支架通过滑道设置在实验台上时的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图6说明本实施方式，
用于研究开采与地面沉陷关系的实验装置，包括实验台10、两条实验台滑轨11和四个侧板；
如图1所示，所述的四个侧板围成一个长方体框架，四个侧板依次记为第一侧板1至第四侧板4；长方体框架设置在实验台10上，在实验台上、长方体框架两侧分别设置实验台滑轨11，每个实验台滑轨11上分别设置一个第一滑块12，每个第一滑块上分别设置第一滑杆13，且第一滑杆13垂直设置于第一滑块的上面；
两个第一滑块12的侧面共同连接同步装置14，同步装置14连接第一驱动电机，第一驱动电机通过同步装置14驱动两个第一滑块12沿着实验台滑轨11同步移动；
如图5和图6所示，每个第一滑杆13上分别设置一个第二滑块15，第二滑块15能够沿着第一滑杆13移动，且在需要第二滑块15与第一滑杆13相对固定时能够通过紧固螺钉实现相对固定；
两个第二滑块15分别连接第二滑竿16的两端，第二滑竿16的两端通过螺纹固定连接到第二滑块15上；第二滑竿16上设有第三滑块17，第三滑块17朝向长方体框架的侧面上设置有滚动刀头驱动装置和滚动刀头20，滚动刀头驱动装置驱动滚动刀头转动，以便对式样进行切削；
一个第二滑块15上设置第二驱动电机18，第二驱动电机18连接丝杠19的一端，能够驱动丝杠19转动；丝杠19的另一端通过转动轴(或其他转动装置)连接到另一个第二滑块15上，且能够相对转动；并且丝杠19穿过第三滑块17，丝杠19与第三滑块17螺纹配合；第二驱动电机18通过驱动丝杠19转动实现第三滑块17沿着第二滑竿16移动；由于第二滑竿、第三滑块以及丝杠的配合，使得第三滑块能够带动滚动刀头驱动装置和滚动刀头的切削过程稳定；
如图2和图4所示，在第二侧板2、第三侧板3、第四侧板4上，从上至下分别开有第一插槽51和第二插槽53，且第二侧板2、第三侧板3、第四侧板4上的第一插槽51位置对应，能够形成一条开采空隙，如图3所示；第二侧板2、第三侧板3、第四侧板4上的第二插槽53位置对应，能够形成一条开采空隙；第二侧板2、第三侧板3、第四侧板4上的第一插槽51内分别设有第一插槽插板52；第二侧板2、第三侧板3、第四侧板4上的第二插槽53内分别设有第二插槽插板54。
具体实施方式二：
本实施方式中，第二侧板2、第三侧板3、第四侧板4分别被第一插槽51和第二插槽53分成对应侧板的上板、中板、下板；上板、第一插槽、中板和第二插槽宽度比为(7～10)：(0.5～1)：(2～3)：(7～9)。以第三侧板3为例，第三侧板被第一插槽51和第二插槽53分成上板31、中板32、下板33；上板宽度：第一插槽宽度：中板宽度：第二插槽宽度＝(7～10)：(0.5～1)：(2～3)：(7～9)。
其他结构和参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：
本实施方式中，上板、第一插槽、中板和第二插槽宽度比为10：0.5：2：7。
其他结构和参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：
本实施方式所述的第一插槽插板52在长度方向上的横断面为梯形，第二侧板2、第三侧板3、第四侧板4上的第一插槽51在长度方向上的横截面也为梯形，第一插槽51与第一插槽插板52横断面的梯形配合使用，且在第一插槽插板52插入第一插槽51内时，第一插槽插板52横断面的梯形短边(梯形的上底)朝向四个侧板围成的长方体框架外侧，第一插槽插板52横断面的梯形长边(梯形的下底)朝向四个侧板围成的长方体框架内侧；
第一插槽插板52与第二插槽插板54结构相同，第一插槽51与第二插槽53结构相同。第一插槽插板52与第二插槽插板54的横截面为梯形时，上板、第一插槽、中板和第二插槽宽度比是在第二侧板2、第三侧板3、第四侧板4外侧表面上(在长方体框架外侧对应各个侧板的面上)对应的宽度比，即第二侧板2、第三侧板3、第四侧板4上板对应的梯形长边、第一插槽的梯形短边、中板对应的梯形长边、第二插槽梯形短边宽度之比为(7～10)：(0.5～1)：(2～3)：(7～9)。
由于第一插槽插板横断面的梯形短边朝向四个侧板围成的长方体框架外侧的结构，保证了装置能够承受试样制作时内侧产生了压力，而不轻易产生变形。同时基于以上结构，根据煤矿的实际地质条件制作实验试样时，不仅使得试样制作过程简单方便，且能够保证试样的规整性，从而尽量避免试样形状对沉陷的影响，尽量避免了除试样内部的应力和开采过程了能量释放产生的应力以外的避免其他条件的影响，使整个过程更接近真实情况。
其他结构和参数与具体实施方式一之三之一相同。
具体实施方式五：
本实施方式所述的用于研究开采与地面沉陷关系的实验装置，还包括一台测距仪100，所述的测距仪100设置在四个侧板围成的长方体框架上方；进行实验时，上位机通过测距仪100测量四侧板内部的样品沉降位移变化。
其他结构和参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：
本实施方式所述的测距仪100为三维激光测距仪。
其他结构和参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：
本实施方式所述的测距仪100通过支架101设置于四个侧板围成的长方体框架上方。
其他结构和参数与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：
本实施方式所述的支架101位于实验台10上，且能够在实验台10上移动，如图7所示。
其他结构和参数与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：
本实施方式所述的支架101通过滑道设置在实验台10上，并能通过滑道在实验台10上移动，如图8所示。
其他结构和参数与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式十：
本实施方式所述逇用于研究开采与地面沉陷关系的实验装置，还包括滑动底板62；所述的第四侧板4的底部开有滑动底板出口61，滑动底板62能够从滑动底板出口61插入；所述滑动底板62对应滑动底板出口61的侧面上连接有牵引绳，由第三驱动电机通过牵引绳牵引滑动底板62移动。
其他结构和参数与具体实施方式一至九之一相同。
在实际进行实验的过程中，可以根据煤矿的实际地质条件制作实验试样，并按照上板宽度：第一插槽宽度：中板宽度：第二插槽宽度的比例模拟大采高浅埋煤层。然后再基于本实用新型的装置进行开采，并通过三维激光测距仪检测地面沉陷情况，通过计算机采集三维激光测距仪的数据，进行地面沉陷分析。
Claims (10)
1.一种用于研究开采与地面沉陷关系的实验装置，其特征在于，包括实验台(10)、两条实验台滑轨(11)和四个侧板；
所述的四个侧板围成一个长方体框架，四个侧板依次记为第一侧板(1)至第四侧板(4)；长方体框架设置在实验台(10)上，在实验台上、长方体框架两侧分别设置实验台滑轨(11)，每个实验台滑轨(11)上分别设置一个第一滑块(12)，每个第一滑块上分别设置第一滑杆(13)，且第一滑杆(13)垂直设置于第一滑块的上面；
两个第一滑块(12)的侧面共同连接同步装置(14)，同步装置(14)连接第一驱动电机，第一驱动电机通过同步装置(14)驱动两个第一滑块(12)沿着实验台滑轨(11)同步移动；
每个第一滑杆(13)上分别设置一个第二滑块(15)，第二滑块(15)能够沿着第一滑杆(13)移动，且能够通过紧固螺钉实现相对固定；
两个第二滑块(15)分别连接第二滑竿(16)的两端；第二滑竿(16)上设有第三滑块(17)，第三滑块(17)朝向长方体框架的侧面上设置有滚动刀头驱动装置和滚动刀头(20)，滚动刀头驱动装置驱动滚动刀头转动；
一个第二滑块(15)上设置第二驱动电机(18)，第二驱动电机(18)连接丝杠(19)的一端，能够驱动丝杠(19)转动；丝杠(19)的另一端通过转动轴连接到另一个第二滑块(15)上，且能够相对转动；并且丝杠(19)穿过第三滑块(17)，丝杠(19)与第三滑块(17)螺纹配合；第二驱动电机(18)通过驱动丝杠(19)转动实现第三滑块(17)沿着第二滑竿(16)移动；
在第二侧板(2)、第三侧板(3)、第四侧板(4)上，从上至下分别开有第一插槽(51)和第二插槽(53)，且第二侧板(2)、第三侧板(3)、第四侧板(4)上的第一插槽(51)位置对应，能够形成一条开采空隙；第二侧板(2)、第三侧板(3)、第四侧板(4)上的第二插槽(53)位置对应，能够形成一条开采空隙；第二侧板(2)、第三侧板(3)、第四侧板(4)上的第一插槽(51)内分别设有第一插槽插板(52)；第二侧板(2)、第三侧板(3)、第四侧板(4)上的第二插槽(53)内分别设有第二插槽插板(54)。
2.根据权利要求1所述的一种用于研究开采与地面沉陷关系的实验装置，其特征在于，第二侧板(2)、第三侧板(3)、第四侧板(4)分别被第一插槽(51)和第二插槽(53)分成对应侧板的上板、中板、下板；上板、第一插槽、中板和第二插槽宽度比为(7～10)：(0.5～1)：(2～3)：(7～9)。
3.根据权利要求2所述的一种用于研究开采与地面沉陷关系的实验装置，其特征在于，上板、第一插槽、中板和第二插槽宽度比为10：0.5：2：7。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种用于研究开采与地面沉陷关系的实验装置，其特征在于，所述的第一插槽插板(52)在长度方向上的横断面为梯形，第二侧板(2)、第三侧板(3)、第四侧板(4)上的第一插槽(51)在长度方向上的横截面也为梯形，第一插槽(51)与第一插槽插板(52)横断面的梯形配合使用，且在第一插槽插板(52)插入第一插槽(51)内时，第一插槽插板(52)横断面的梯形短边朝向四个侧板围成的长方体框架外侧，第一插槽插板(52)横断面的梯形长边朝向四个侧板围成的长方体框架内侧；
第一插槽插板(52)与第二插槽插板(54)结构相同，第一插槽(51)与第二插槽(53)结构相同。
5.根据权利要求1所述的一种用于研究开采与地面沉陷关系的实验装置，其特征在于，还包括一台测距仪(100)，所述的测距仪(100)设置在四个侧板围成的长方体框架上方；进行实验时，上位机通过测距仪(100)测量四侧板内部的样品沉降位移变化。
6.根据权利要求5所述的一种用于研究开采与地面沉陷关系的实验装置，其特征在于，所述的测距仪(100)为三维激光测距仪。
7.根据权利要求5所述的一种用于研究开采与地面沉陷关系的实验装置，其特征在于，所述的测距仪(100)通过支架(101)设置于四个侧板围成的长方体框架上方。
8.根据权利要求7所述的一种用于研究开采与地面沉陷关系的实验装置，其特征在于，所述的支架(101)位于实验台(10)上，且能够在实验台(10)上移动。
9.根据权利要求7所述的一种用于研究开采与地面沉陷关系的实验装置，其特征在于，所述的支架(101)通过滑道设置在实验台(10)上，并能通过滑道在实验台(10)上移动。
10.根据权利要求1、2、3、5、6、7、8、9之一所述的一种用于研究开采与地面沉陷关系的实验装置，其特征在于，还包括滑动底板(62)；所述的第四侧板(4)的底部开有滑动底板出口(61)，滑动底板(62)能够从滑动底板出口(61)插入；所述滑动底板(62)对应滑动底板出口(61)的侧面上连接有牵引绳，由第三驱动电机通过牵引绳牵引滑动底板(62)移动。
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| CN107843717A (zh) * | 2017-12-22 | 2018-03-27 | 黑龙江科技大学 | 用于研究开采与地面沉陷关系的实验装置 |
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