一种煤层开采相似模拟三维试验装置

本实用新型涉及煤炭开采模拟试验技术领域，特别是涉及一种煤层开采相似模拟三维试验装置。

背景技术：

随着社会的发展，能源消耗量持续上升，其中煤炭消耗量占据了绝对的优势，在煤炭开采的过程中，安全、绿色始终作为永恒的主题，利用相似模拟试验能直观地对煤炭开采后引发的顶板破断、上覆岩层运移以及地表变形进行观测；然而现阶段使用的模拟试验台条件单一、边界条件模拟适用情况较低。因此亟需一种新型的煤层开采相似模拟三维试验装置。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种煤层开采相似模拟三维试验装置，以解决上述现有技术存在的问题，使得一个试验装置能够满足测量多种不同条件下的煤层开采模拟试验。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：

本实用新型提供一种煤层开采相似模拟三维试验装置，包括：试验台本体和开采高度限制板；所述试验台本体上设有煤层模拟部，所述煤层模拟部的上方用于填设各岩石或土体层；所述煤层模拟部包括多个模拟板，各所述模拟板并排设置且相邻的两个模拟板之间不存在间隙，任意一所述模拟板均能够沿其长度方向滑动，所述开采高度限制板平行于所述煤层模拟部设置且位于所述煤层模拟部的下方，所述开采高度限制板的高度可调节。

优选的，所述试验台本体上还设有煤柱模拟部，所述煤柱模拟部包括若干条煤柱模拟带，各所述煤柱模拟带均可拆卸设置，各所述煤柱模拟带均平行于各所述模拟板且均位于所述煤层模拟部上表面。

优选的，所述试验台本体包括底座和岩层框体；所述岩层框体为一个立方体形壳体，所述岩层框体的上下均敞口设置，所述岩层框体的下开口朝向所述底座并可拆卸固定设置于所述底座上，所述煤层模拟部中的两边缘的两个所述模拟板均沿所述模拟板的长度方向滑动连接于所述底座上，任意相邻的两个所述模拟板均沿其长度方向滑动连接，且滑动各所述模拟板能够将所述岩层框体的下开口密封，所述岩层框体用于盛装岩层和土层。

优选的，所述开采高度限制板通过若干个高度控制液压缸来控制其上下移动。

优选的，所述开采高度限制板通过四个所述高度控制液压缸来控制，四个所述高度控制液压缸均布于所述开采高度限制板的下方，且各所述高度控制液压缸的驱动端顶紧于各所述开采高度限制板下表面。

优选的，还包括边界框，所述边界框设有一个与所述岩层框体的下开口大小相同、形状一致的开口，所述边界框可拆卸固定设置于所述底座上且所述边界框的开口正对于所述岩层框体的下开口；各所述煤柱模拟带的两端分别可拆卸固定设置于所述边界框中开口的相对的两端，形成所述煤柱模拟部。

优选的，还包括抽气装置和密封板，所述底座为一上敞口的壳体，所述岩层框体的下开口对应于所述底座的上开口设置，所述煤层模拟部滑动连接于所述底座的上开口的边沿上，所述密封板设置于所述壳体上开口并能够将所述底座不对应于所述岩层框体的部分上开口密封，所述抽气装置的抽气端连通于所述壳体内部。

优选的，所述煤层模拟部中两侧的两个模拟板朝向底座的一侧均设置有一沿所述模拟板长度方向的边滑条，所述底座的上开口沿所述模拟板宽度方向的两侧的边沿上分别设置有一边滑槽，各所述边滑条分别能够滑动卡接于各所述边滑槽内；任意两个相邻的所述模拟板相对的两侧分别设置有一个中滑条和一个中滑槽，相邻的所述中滑条能够滑动卡接于所述中滑槽内。

优选的，包括多个推进液压缸，各所述推进液压缸分别对应于各所述模拟板，多个所述推进液压缸的输出端分别铰接于多个所述模拟板的一端，各所述模拟板的另一端均设置有一沿所述模拟板宽度方向的卡条，所述底座的上开口远离所述推进液压缸的边沿上设置有一沿所述模拟板宽度方向的卡槽，各所述卡条均能够卡进所述卡槽内，各所述推进液压缸的底端分别铰接于所述底座上。

优选的，所述岩层框体为透明框体。

本实用新型相对于现有技术取得了以下技术效果：

本实用新型提供了一种煤层开采相似模拟三维试验装置，其中，煤层模拟部包括多个模拟板，各模拟板并排设置，且任意一模拟板均能够沿其长度方向滑动，因此，工作人员可通过抽拉不同的模拟板组合来分别进行首采工作面模拟试验、邻空工作面模拟试验以及孤岛工作面模拟试验；另外，煤层的开采高度的高低也会影响煤层上覆地层的运移状态的不同，因此，本装置还设置有开采高度限制板，开采高度限制板上表面至模拟板上表面的垂直高度即视为煤层开采高度，且开采高度限制板的高度可调节，因此，本试验装置能够进行不同煤层开采高度下的模拟试验；本实用新型提供的煤层开采相似模拟三维试验装置能够满足测量多种不同条件下的煤层开采模拟试验。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型提供的煤层开采相似模拟三维试验装置的爆炸图；

图2为本实用新型提供的煤层开采相似模拟三维试验装置中的底座内的各部分的结构示意图；

图3为本实用新型提供的煤层开采相似模拟三维试验装置中的底座的结构示意图；

图4为本实用新型提供的煤层开采相似模拟三维试验装置中的边模拟板的结构示意图；

图5为本实用新型提供的煤层开采相似模拟三维试验装置中的两个边模拟板之间的模拟板的结构示意图；

图6为本实用新型提供的煤层开采相似模拟三维试验装置中的边界框以及密封板的结构示意图。

图中：1-底座、2-密封板、3-边界框、4-煤层模拟部、5-抽气装置、6-岩层框体、7-推进液压缸、8-高度控制液压缸、9-开采高度限制板、10-卡槽、11-边滑槽、12-边模拟板、13-卡条、14-边滑条、15-中模拟板、16-中滑条、17-煤柱模拟带、18-销钉。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的目的是提供一种煤层开采相似模拟三维试验装置，以解决现有技术存在的问题，使得一个试验装置能够满足测量多种不同条件下的煤层开采模拟试验。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

本实用新型提供一种煤层开采相似模拟三维试验装置，如图1～6所示，包括：试验台本体和开采高度限制板9；试验台本体上设有煤层模拟部4，煤层模拟部4的上方用于填设各岩石或土体层；煤层模拟部4包括多个模拟板，各模拟板并排设置且相邻的两个模拟板之间不存在间隙，任意一模拟板均能够沿其长度方向滑动，开采高度限制板9平行于煤层模拟部4设置且位于煤层模拟部4的下方，开采高度限制板9的高度可调节；

因此，在进行模拟试验时，工作人员可通过抽拉不同的模拟板组合来分别进行首采工作面模拟试验、邻空工作面模拟试验以及孤岛工作面模拟试验；另外，煤层的开采高度的高低也会影响煤层上覆地层的运移状态的改变，因此，本装置还设置有开采高度限制板9，开采高度限制板9上表面至模拟板上表面的垂直高度即视为开采高度，且开采高度限制板9的高度可调节，因此，本试验装置能够进行不同开采高度下的模拟试验；因此，本实用新型提供的煤层开采相似模拟三维试验装置能够满足测量多种不同条件下的煤层开采模拟试验。

进一步的，在实际对地下煤炭进行开采时，为了防止煤层上覆土层塌陷而预留有部分煤柱来支撑煤层上覆岩石层或土层，因此，在本装置中的试验台本体上还设有煤柱模拟部，煤柱模拟部包括若干条煤柱模拟带17，优选为三条煤柱模拟带17，各煤柱模拟带17均可拆卸设置，各煤柱模拟带17均平行于各模拟板且均位于煤层模拟部4上表面，通过改变不同的煤柱模拟带17组合来模拟在不同煤柱支撑下的上覆岩石层或土层的运移情况。

进一步的，试验台本体包括底座1和岩层框体6；岩层框体6为一个立方体形壳体，岩层框体6的上下均敞口设置，岩层框体6的下开口朝向底座1并可拆卸固定设置于底座1上，煤层模拟部4中的两边缘的两个模拟板均沿模拟板的长度方向滑动连接于底座1上，任意相邻的两个模拟板均沿其长度方向滑动连接，且滑动各模拟板能够将岩层框体6的下开口密封，密封后在岩层框体6内从下至上分层浇筑顶板、上覆岩层和表土层，待晾置一段时间后即可进行相似模拟试验；另外，相似模拟材料胶结性很差，一般用河沙、石膏、石灰按16：1：1质量比配合，加干重8％的水，搅拌后成散装夯实，胶结性很差，就算直接浇筑于模拟板上，在后续进行试验时抽拉模拟板也不会受到影响。

进一步的，开采高度限制板9通过若干个高度控制液压缸8来控制其上下移动。

进一步的，开采高度限制板9通过四个高度控制液压缸8来控制，四个高度控制液压缸8均布于开采高度限制板9的下方，且各高度控制液压缸8的驱动端顶紧于各开采高度限制板9下表面，各高度控制液压缸8同步控制开采高度限制板9的上下移动，防止其倾斜而影响后续试验。

进一步的，还包括边界框3，边界框3设有一个与岩层框体6的下开口大小相同、形状一致的开口，边界框3可拆卸固定设置于底座1上且边界框3的开口正对于岩层框体6的下开口；各煤柱模拟带17的两端分别可拆卸固定设置于边界框3中开口的相对的两端，形成煤柱模拟部，各煤柱模拟带17优选为钢带，各煤柱模拟带17的两端分别通过两个销钉18固定于边界框3上，钢带的厚度尽量做薄，且做薄的同时需要保证其刚度较好。

进一步的，为了进行顶板破断试验，本装置还包括抽气装置5和密封板2，底座1为一上敞口的壳体，岩层框体6的下开口对应于底座1的上开口设置，煤层模拟部4滑动连接于底座1的上开口的边沿上，密封板2设置于壳体上开口并能够将底座1不对应于岩层框体6的部分上开口密封，密封板2与边界框3一体化设置，抽气装置5的抽气端连通于壳体内部，在进行顶板破断试验时，仅需要在岩层框体6内浇筑一层顶板层即可，且为了增强密封效果，工作人员可在浇筑完毕后的顶板上铺设一层密封透明膜，在浇筑顶板并密封完毕后，打开抽气装置5将底座1内的空气抽出，以使得底座1内呈负压状态，且岩层框体6的下开口与底座1内部连通，因此，当底座1内为负压时，岩层框体6内的顶板会受到向下的吸力，此吸力能够均匀的作用于顶板上，促使顶板断裂，相比于传统的直接采用液压缸作用于顶板上的方法，本装置采用负压加载作用力的方法使得顶板受力均匀，符合实际地层中顶板的受力情况，因此，采用本申请技术方案进行的相似模拟试验更加真实，试验结果的可信度更高。

进一步的，煤层模拟部4中两侧的两个模拟板为边模拟板12，两个边模拟板12之间的其余的模拟板均为中模拟板15，各边模拟板12朝向底座1的一侧均设置有一沿模拟板长度方向的边滑条14，底座1的上开口沿模拟板宽度方向的两侧的边沿上分别设置有一边滑槽11，各边滑条14分别能够滑动卡接于各边滑槽11内；任意两个相邻的模拟板相对的两侧分别设置有一个中滑条16和一个中滑槽，相邻的中滑条16能够滑动卡接于中滑槽内。

进一步的，包括多个推进液压缸7，各推进液压缸7均位于底座1内，各推进液压缸7分别对应于各模拟板，多个推进液压缸7的输出端分别铰接于多个模拟板的一端，各模拟板的另一端均设置有一沿模拟板宽度方向的卡条13，底座1的上开口远离推进液压缸7的边沿上设置有一沿模拟板宽度方向的卡槽10，各卡条13均能够卡进卡槽10内，增强煤层模拟部4的结构强度，各推进液压缸7的底端分别铰接于底座1上。

进一步的，岩层框体6为透明框体，在进行试验时便于工作人员观察与记录上覆岩层和土层的运移情况。

具体地使用本装置进行试验的操作步骤如下：

一、首采工作面全地层模拟实验

1.调节开采高度限制板的高度使开采高度限制板的上表面与煤层插板上表面垂直高度为模拟的开采高度；

2.将模拟板推至最前方，完全将岩层框体的下开口密封；

3.根据工程地质概况从上至下依次分层浇筑顶板、上覆岩层和表土层；

4.根据模拟实验需求，取若干个模拟板为一个中部模拟板组，将中部模拟板组同步缓慢后撤；

5.观测岩层箱体中顶板、上覆岩层和地表的变形情况。

二、邻空工作面全地层模拟实验

1.调节开采高度限制板的高度使开采高度限制板的上表面与煤层插板上表面垂直高度为模拟的开采高度；

2.将模拟煤层插板推至最前方，完全将岩层框体的下开口密封；

3.将中部的煤柱模拟带用销钉固定于边界框的销口上；

4.根据工程地质概况分层浇筑顶板、上覆岩层和表土层；

5.将煤层模拟部中的各模拟板依次分为三组，先将一侧模拟板组撤出；

6.等待上覆岩层稳定；

7.同步缓慢撤出另一侧模拟板组；

8.观测岩层箱体中顶板、上覆岩层和地表的变形情况。

三、孤岛工作面全地层模拟实验

1.调节开采高度限制板的高度使开采高度限制板的上表面与煤层插板上表面垂直高度为模拟的开采高度；

2.将模拟煤层插板推至最前方，完全将岩层框体的下开口密封；

3.将两边的煤柱模拟带用销钉固定于边界框的销口上；

4.根据工程地质概况分层浇筑顶板、上覆岩层和表土层；

5.将煤层模拟部中的各模拟板依次分为三组，先将两侧模拟板组撤出；

6.等待上覆岩层稳定；

7.同步缓慢撤出中间模拟板组；

8.观测岩层箱体中顶板、上覆岩层和地表的变形情况。

四、工作面顶板破断模拟实验

1.调节开采高度限制板的高度使开采高度限制板的上表面与煤层插板上表面垂直高度为模拟的开采高度；

2.将模拟煤层插板推至最前方，完全将岩层框体的下开口密封；

3.根据工程地质概况分层浇筑顶板；

4.根据模拟实验需求设置边界条件，对边界框上的煤柱模拟带的数量和位置进行调整；

5.顶板上方盖密封透明膜，打开底座中的抽气装置，利用负压对顶板施加均匀载荷；

7.同步缓慢撤出对应煤层插板；

8.观测岩层箱体中顶板的变形情况。

本实用新型中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。