一种相似材料煤层开采模拟试验台及试验方法
【技术领域】
[0001]本发明属于采矿及岩土工程相似材料模拟试验技术领域，具体涉及一种相似材料煤层开采模拟试验台及试验方法。
【背景技术】
[0002]相似材料模拟是采矿工程和岩土工程的主要试验研宄方法，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，对研宄采动过程的岩层运移、断裂规律具有显著的优势，在采矿工程问题研宄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。
[0003]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。
【发明内容】
[0004]本发明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。
[0005]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:一种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。
[0006]上述的一种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。
[0007]上述的一种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。
[0008]上述的一种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。
[0009]上述的一种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。
[0010]上述的一种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。
[0011]上述的一种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。
[0012]本发明还提供了一种方法步骤简单、煤层开采模拟的真实性强、准确度高、试验效率高的相似材料煤层开采模拟试验方法，其特征在于该方法包括以下步骤:
[0013]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，在栅格底板上多个栅格位置处通过升降式连接组件连接多块托板，并在栅格底板上长边两侧边沿处连接一层长边围护板，在栅格底板上短边两侧边沿处连接一层短边围护板，且固定连接相邻的两个长边围护板和短边围护板；
[0014]步骤二、铺装相似模拟材料:在多块托板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和短边围护板，直至铺装的相似模拟材料的高度达到设计高度为止；
[0015]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的高度和倾角，使多块托板的高度按顺序降低，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；
[0016]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或短边围护板，观测相似模拟材料表面的移动变形情况和裂缝发育情况。
[0017]本发明与现有技术相比具有以下优点:
[0018]1、本发明相似材料煤层开采模拟试验台的结构简单，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。
[0019]2、本发明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。
[0020]3、本发明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，减轻了本发明相似材料煤层开采模拟试验台的整体重量。
[0021]4、本发明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。
[0022]5、本发明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。
[0023]6、本发明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。
[0024]7、本发明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。
[0025]8、本发明的长边围护板在