CN211263462U - 一种三维相似模拟实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种三维相似模拟实验装置，其包括模型架和采煤模拟单元，所述模型架内部具有空腔，采煤模拟单元设于空腔的底部，所述模型架的空腔内填充有模拟岩层，模拟岩层的底部支撑于采煤模拟单元的顶部；其还包括加载机构，该加载机构作用于模拟岩层并给模拟岩层施加荷载；所述采煤模拟单元包括多个呈矩阵排布的单元块，各单元块的底部分别连接有升降器，各升降器分别带动对应的单元块下降以模拟采煤过程。本实用新型是在常规平面相似模拟装置在三维方向上的拓展，可以再现地层的层位关系，通过施加垂直应力，较为真实的反应了采场的实际状态，通过对煤层的开挖，可以研究采空区上方岩层的移动规律及应力变化状态。

Description

一种三维相似模拟实验装置

技术领域

本实用新型涉及相似模拟技术领域，尤其涉及一种三维相似模拟实验装置。

背景技术

矿井煤层开采后，上覆岩层随工作面的推进在采场垂直方向上形成垮落带、裂隙带、弯曲下沉带， “覆岩三带”的准确划分是“三下采煤”可行性研究和设计、覆岩离层充填技术研究和应用、突出矿井保护层选择和开采设计，以及上邻近层瓦斯抽放研究和实施的依据。同时，随着煤层工作面的推进，工作面前方的应力也在发生变化，掌握工作面前方应力分布对巷道支护具有重要意义。

目前，研究上覆岩层三带、工作面前方应力变化规律方面，技术手段很多，其中实验室相似模拟实验是一种重要手段。众多学者采用相似模拟实验取得了驱动重要研究成果（李树刚，2013，矿业安全与环保；刘秀英，2004，太原理工大学学报）。传统的相似模拟实验装置，是一种平面相似模拟装置，这在研究上覆岩层移动规律方面具有广泛的应用，但在研究采空区三带方面，传统的相似模拟装置就无能为力了。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种三维相似模拟实验装置，可以模拟煤层开采后，采空区上方压力的变化以及上覆岩层的变化规律，从而将平面模型推广到立体模型。

为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种三维相似模拟实验装置，包括模型架和采煤模拟单元，所述模型架内部具有空腔，采煤模拟单元设于空腔的底部，所述模型架的空腔内填充有模拟岩层，模拟岩层的底部支撑于采煤模拟单元的顶部；其还包括加载机构，该加载机构作用于模拟岩层并给模拟岩层施加荷载；所述采煤模拟单元包括多个呈矩阵排布的单元块，各单元块的底部分别连接有升降器，各升降器分别带动对应的单元块下降以模拟采煤过程。

所述加载机构包括加载器和加压板，所述加载器沿竖直方向固定在模型架的顶部，加压板固定在加载器的输出杆底部，加载器驱动压板伸缩，压板对模拟煤层施加荷载或卸载。

所述模型架包括支撑架和固定在支撑架顶部的多个侧板，多个侧板和支撑架围合形成空腔；所述空腔的顶部固定有横梁，所述加载器固定在横梁上。

所述单元块为长方体形状的金属块。

所述升降器为液压缸。

所述采煤模拟单元还包括采煤控制系统，采煤控制系统控制各升降器动作。

所述加载器为液压缸。

所述加载机构还包括液压控制系统，液压控制系统通过液压管路与加载器连接。

与现有技术相比，本实用新型具备以下有益效果：

本实用新型是在常规平面相似模拟装置在三维方向上的拓展，可以再现地层的层位关系，通过施加垂直应力，较为真实的反应了采场的实际状态，通过对煤层的开挖，可以研究采空区上方岩层的移动规律及应力变化状态。本实用新型利用金属块构成的层位模拟煤层，通过金属块的升降模拟煤层开挖，具有操作简单、结果真实可靠的优点。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步详细说明；

图1为本实用新型的剖视图。

图2为加载机构的简化图。

具体实施方式

如图1或图2所示，本实用新型一种三维相似模拟实验装置，包括模型架1和采煤模拟单元，所述模型架1内部具有空腔，采煤模拟单元设于空腔的底部，所述模型架1的空腔内填充有模拟岩层2，模拟岩层2的底部支撑于采煤模拟单元的顶部，其中通过河沙、碳酸钙、石膏、水的不同配比，模拟性质不同的岩层，进而填充到模型架1的空腔内。

所述采煤模拟单元包括多个呈矩阵排布的单元块3，各单元块3的底部分别连接有升降器4，各升降器4分别带动对应的单元块3下降以模拟采煤过程。其中，各单元块3为长方体形状的金属块，各金属块的大小对应割煤机一次割煤量的大小。另外，升降器4为液压缸，当然也可以为电动推杆或千斤顶等。采煤模拟单元还包括采煤控制系统（图中未示出），采煤控制系统控制各升降器4动作。

本实用新型还包括加载机构，该加载机构作用于模拟岩层2并给模拟岩层2施加荷载；优选的，加载机构具体包括加载器5和加压板6，所述加载器5沿竖直方向固定在模型架1的顶部，加压板6固定在加载器5的输出杆底部，加载器5驱动压板伸缩，压板对模拟煤层施加荷载或卸载。

所述模型架1包括支撑架11和固定在支撑架11顶部的多个侧板12，多个侧板12和支撑架11围合形成空腔；所述空腔的顶部固定有横梁13，所述加载器5固定在横梁上。

所述加载器5为液压缸。加载机构还包括液压控制系统7，液压控制系统7通过液压管路与加载器5连接。通过液压控制系统7控制加载器5的伸缩，进而实现对模拟岩层的加压或卸载。

本实用新型中通过控制采煤模拟机构中的各升降器4的下降，模拟采煤过程。加载系统用于给模拟岩层2施加垂直方向上的荷载，用以模拟所受的垂直应力。

本实用新型是在常规平面相似模拟装置在三维方向上的拓展，可以再现地层的层位关系，通过施加垂直应力，较为真实的反应了采场的实际状态，通过对煤层的开挖，可以研究采空区上方岩层的移动规律及应力变化状态。本实用新型利用金属块构成的层位模拟煤层，通过金属块的升降模拟煤层开挖，具有操作简单、结果真实可靠的优点。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种三维相似模拟实验装置，包括模型架和采煤模拟单元，所述模型架内部具有空腔，采煤模拟单元设于空腔的底部，所述模型架的空腔内填充有模拟岩层，模拟岩层的底部支撑于采煤模拟单元的顶部；其特征在于：其还包括加载机构，该加载机构作用于模拟岩层并给模拟岩层施加荷载；所述采煤模拟单元包括多个呈矩阵排布的单元块，各单元块的底部分别连接有升降器，各升降器分别带动对应的单元块下降以模拟采煤过程。

2.根据权利要求1所述的一种三维相似模拟实验装置，其特征在于：所述加载机构包括加载器和加压板，所述加载器沿竖直方向固定在模型架的顶部，加压板固定在加载器的输出杆底部，加载器驱动压板伸缩，压板对模拟煤层施加荷载或卸载。

3.根据权利要求2所述的一种三维相似模拟实验装置，其特征在于：所述模型架包括支撑架和固定在支撑架顶部的多个侧板，多个侧板和支撑架围合形成空腔；所述空腔的顶部固定有横梁，所述加载器固定在横梁上。

4.根据权利要求1所述的一种三维相似模拟实验装置，其特征在于：所述单元块为长方体形状的金属块。

5.根据权利要求1所述的一种三维相似模拟实验装置，其特征在于：所述升降器为液压缸。

6.根据权利要求1或4所述的一种三维相似模拟实验装置，其特征在于：所述采煤模拟单元还包括采煤控制系统，采煤控制系统控制各升降器动作。

7.根据权利要求2所述的一种三维相似模拟实验装置，其特征在于：所述加载器为液压缸。

8.根据权利要求7所述的一种三维相似模拟实验装置，其特征在于：所述加载机构还包括液压控制系统，液压控制系统通过液压管路与加载器连接。

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