)、上箱体(402)、下管体(403)和下箱体(404)，所述上管体(401)的上端为管口，所述上管体(401)的上部为无刻度区，下部为有刻度区，所述下管体(403)的上部为有刻度区，下部为无刻度区，在所述有刻度区的管壁上设置有刻度；在所述水箱的底部设置有水箱出水口(405); 所述水箱由非透明材料制成，在所述上管体(401)和所述下管体(403)的一侧设置长条形的由透明材料制成的液位显示区(409)，在所述液位显示区(409)上设置刻度； 所述水箱为3个，所述水供应装置还包括接头(407)和压力表(408)，所述3个水箱的水箱出水口(405)分别通过管路与所述压力表(408)连接，所述接头(407)的一端通过管路与所述压力表(408)连接，另一端与第一个所述小水袋的入水口(7)连接，在每个水箱和所述压力表(408)之间的管路上设置有阀门(406)。6.根据权利要求5所述的承压水下开采煤炭的模拟试验装置，其特征在于:所述上管体(401)和所述下管体(403)的横截面为边长为80mm的正方形，所述上管体(401)的总高度为150mm，其中，上部的无刻度区高度为81.25mm，下部的有刻度区的高度为68.75mm，所述下管体(403)的总高度为1000mm，上部的有刻度区高度为900mm，下部的无刻度区高度为100mm ;所述上箱体(402)和下箱体(404)的横截面为边长为250mm的正方形，所述上箱体(402)的高度为160mm，所述下箱体(404)的高度为100mm ;所述水箱的有刻度区的刻度值由上至下依次增大。7.根据权利要求6所述的承压水下开采煤炭的模拟试验装置，其特征在于:所述应力计量器包括第一壳体(24)和设置在其内部的内柱(25)，所述内柱(25)可在所述第一壳体(24)内自由上下滑动，所述内柱(25)的顶部与所述顶板(22)固定连接，在所述第一壳体(24)的底端连接有应变膜(26)，并且所述应变膜(26)覆盖所述第一壳体(24)的底端，所述应变膜(26)、所述第一壳体(24)和所述内柱(25)之间形成气腔，在所述气腔内设置有气囊(27)，所述气囊(27)由塑胶膜密封而成，所述应变膜(26)通过数据线(28)与应变仪连接，所述应变仪与计算机连接； 所述第一壳体(24)的底端连接第二壳体(29)，所述第二壳体(29)的厚度小于所述第一壳体(24)的厚度，所述第二壳体(29)的底端连接支撑板(30); 所述内柱(25)、所述第一壳体(24)、所述第二壳体(29)均为圆柱形，所述数据线(28)的一端接头设置在所述第一壳体(24)的底端上的所述应变膜(26)上，所述第二壳体(29)上设置有通孔，所述数据线(28)的另一端从所述通孔中穿出，与所述应变仪相连；在所述第二壳体(29)上均匀设置有多个透气孔。8.根据权利要求7所述的承压水下开采煤炭的模拟试验装置，其特征在于:所述应力计量器还包括高度调节装置，所述高度调节装置由螺纹连接的外螺旋杆(31)和内螺旋杆(32)构成，所述内螺旋杆(32)的下端固定在所述底板(21)上，所述外螺旋杆(31)的上端与所述支撑板(30)相连，在所述支撑板(30)的边缘设置有卡槽(33)，所述外螺旋杆(31)的顶部固定有与所述卡槽(33)相配合的卡片(34)，所述卡片(34)设置在所述卡槽(33)内，并可在所述卡槽(33)内自由转动； 所述顶板(22)与水平面之间的角度为3°，所述顶板(22)的后端高于前端，所述挡板(23)与所述顶板(22)之间的角度为120°，所述内柱(25)的前端与所述顶板(22)的前端之间的距离为40mm，所述挡板(23)的底端距离所述底板(21)的后端之间的水平距离为15mm ； 在自由状态下，所述内柱(25)的顶端与所述第一壳体(24)的顶端之间的距离为7_，所述内柱(25)的直径为8mm，高度为15mm，所述第一壳体(24)的厚度为5mm，所述第二壳体(29)的厚度为1.5mm，外径与所述第一壳体(24)的外径一致，所述高度调节装置的高度为15_，所述底板(21)的长度为60_，所述顶板(22)的长度为70_，所述挡板(23)的长度为50mm，在所述底板(21)的底部设置有轮体，所述轮体与所述驱动装置相连。9.根据权利要求8所述的承压水下开采煤炭的模拟试验装置，其特征在于:所述采煤机模拟装置包括滚筒(35)、滚筒驱动装置、采煤机驱动装置，其中，所述滚筒(35)分为左右对称的两部分，中间为齿轮螺纹(36)，与所述滚筒驱动装置(37)相连，在所述滚筒(35)上设置有螺旋叶片(38)，在所述螺旋叶片(38)的边缘均匀设置有钉齿(39)，所述钉齿(39)具有锐利的尖部，且尖部方向向外设置，左右两部分滚筒(35)上的螺旋叶片(38)的旋转方向反向设置，即相对于所述齿轮螺纹(36)对称设置； 在所述滚筒(35)上均匀设置有多个煤刷(40)，所述煤刷(40)的长度同所述螺旋叶片(38)的高度长2mm ;所述采煤机模拟装置还包括轮体，所述轮体与所述采煤机驱动装置相连。10.根据权利要求1?9中任一项所述的承压水下开采煤炭的模拟试验装置的使用方法，其特征在于:包括所述承压含水层的准备和采煤支护模拟系统的准备； 所述承压含水层的准备包括如下步骤: ①准备好试验工具、材料，必要的仪器设备； ②第一次使用水箱时，需要进行水管空气排放过程，过程为:关闭水供应装置中第一个水箱的阀门，向水箱中注入干净水源，加水过程要平稳，水加到下箱体即将注满时停止，打开水箱阀门，水箱中的水会在压力下从水管流出，从而将初次使用的水箱水管中空气排出，然后关闭阀门；然后按照上述方法依次向第二个水箱和第三个水箱加水并进行排放空气过程；水箱加水之后，要拿干净的木板盖住水箱口 ； ③按照相似原理，分层铺设需要模拟的煤岩层，要保证铺设的煤岩层层面平直，在需要监测应力的岩层铺设应变片，将应变片数据线都引向一侧，从相似模拟装置两侧圆孔中穿出，同时安装侧护板，铺设到承压含水层时暂停，开始铺设小水袋； ④铺设承压含水层:将小水袋构成的承压含水层铺于岩层上，保证连接紧密，铺设紧凑、平直，将水流量传感器数据线都引向一侧； ⑤小水袋构成的承压含水层铺于岩层上之后，需要向进行排放空气过程后的水箱内加水，并要根据含水层实际的厚度向小水袋充水到模拟厚度，水箱加水之后，要拿干净的木板盖住水箱口，加水量及小水袋的充水方法如下: 当实际含水层厚度小于2m时，按照相似比100:1计算，小水袋需要达到的厚度小于20mm，则小水袋中总共需要的水量小于16200ml，使用一个水箱加水，方法为:将盖在水箱口的干净木板拿掉，对第一个水箱加水到刚好零刻度位置时，升高水箱位置，打开水箱阀门，利用水的自身重力，将水注入到小水袋中，最后刻度显示水箱注入的水的流量之和为810a ml时关闭阀门，a为含水层模拟高度，a = h/100，单位为mm，h为含水层实际高度，刻度值从下管体的有刻度区中读出； 当实际含水层厚度小于4m大于2m时，使用两个水箱，方法为:将盖在水箱口的干净木板拿掉，对第一个水箱和第二个水箱加水到刚好零刻度位置时，升高水箱位置，打开第一个水箱的阀门，利用水的自身重力，将水注入到小水袋中，水面下降到下管体有刻度区最后刻度时关闭第一个水箱的阀门，再打开第二个水箱的阀门，利用水的自身重力，将水注入到小水袋中，最后刻度显示水箱注入的水的流量之和为(810a-16200)ml时关闭第二个水箱的阀门，刻度值从下管体的有刻度区中读出； 当实际含水层厚度小于6m大于4m时，3个水箱水量刚好可以满足，方法为:将盖在水箱口的干净木板拿掉，对三个水箱分别加水到刚好零刻度位置，升高水箱位置，打开第一个水箱的阀门，利用水的自身重力，将水注入到小水袋中，水面下降到下管体有刻度区最后刻度时关闭第一个水箱的阀门；再打开第二水箱的阀门，利用水的自身重力，将水注入到小水袋中，水面下降到下管体有刻度区的最后刻度时关闭第二个水箱的阀门；再打开第三个水箱的阀门，利用水的自身重力，将水注入到小水袋中，当最后刻度显示水箱注入的水的流量之和为(810a-32400)ml时关闭第三个水箱的阀门，刻度值从下管体的有刻度区中读出； ⑥对小水袋充完水之后，在承压含水层上方水平压一块槽钢或铁板，持续3-5分钟，各个小水袋会逐步调整水量，直到各个高度一致；按照步骤②铺设方法，在承压含水层上方水平铺设上覆岩层； ⑦风干、养护模型一周，期间将相似模拟装置的部分侧护板卸下； ⑧补偿缺少的载荷，通过杠杆或者配重铁块，加于上覆岩层层面之上以补偿缺失的载荷； ⑨按照实际开采情况，进行相似比逐步开挖煤层，通过水流量传感器及铺在岩层中的应力传感器，在煤层开挖过程中，对承压含水层载荷传递规律、含水层移动变形规律及含水层内部随着工作面的推进水压补给规律及其流动规律的相似模拟； 所述采煤支护模拟系统的准备包括如下步骤: (A)准备好实验工具、材料和仪器设备； (B)按照相似原理，分层铺设需要模拟的煤岩层，要保证铺设的煤岩层层面平直，在需要监测应力的岩层铺设应变片，将所述应变片的数据线都引向一侧，从相似模拟装置两侧圆孔中穿出，同时安装侧护板； (C)风干、养护模型一周，期间将相似模拟装置的部分侧护板和煤层对应的两侧侧护板卸下； (D)补偿缺少的载荷，通过杠杆或者配重铁块，加于上覆岩层层面之上以补偿缺失的载荷； (E)在相似模拟装置上安装支撑架，所述支撑架与煤层底板平行，设置在所述煤层的两侧，两侧支撑架距离所述采煤支护模拟系统各15mm ; (F)人工开挖一个130mm长的切眼，安装整套装置，调整螺旋杆高度，使顶板液压支架模拟装置顶板与煤层顶板接触，根据煤矿实际开采速度，移架距离确定装置参数，连接数据线，接通电源，开挖模型； (G)开挖过程中，对顶板压力和顶板离层数据进行监测、储存并对结果进行最后分析。
【专利摘要】本发明公开了一种承压水下开采煤炭的模拟试验装置，包括架体、设置在所述架体上的承压含水层(41)、煤层(42)、设置在所述煤层(42)两侧的支撑杆、以及其他岩层；所述承压含水层由多个小水袋连接而成，所述小水袋是由水袋顶板(1)、水袋底板(2)、前侧壁(3)、后侧壁(4)、左侧壁(5)和右侧壁(6)围合而成的长方体结构，其内部为充水空间。本发明承压水下开采煤炭的模拟试验装置提高了相似模拟实验仿真度，确保实验数据科学可靠，可实现承压水下自动采煤和压力监测。
【IPC分类】G01N33/24
【公开号】CN105388266
【申请号】CN201510759881
【发明人】刘柳平
【申请人】刘柳平
【公开日】2016年3月9日
【申请日】2015年11月5日