一种角度可调的等效煤层开采三维物理模拟装置及方法

技术领域

本发明涉及物理模拟系统技术领域，特别是涉及一种角度可调的等效煤层开采三维物理模拟装置及方法。

背景技术

物理相似材料模拟实验实质是采用与工程原型力学性质相似的材料按照一定的几何相似比缩制成物理模拟实验模型，根据研究区域地质资料、覆岩力学性质及相似原理确定相似材料配比号，根据配比号确定各分层质量后逐层铺装相似材料，相似材料一般选取河沙、石膏、石灰粉，分层材料为云母粉。目前，三维立体物理模拟实验装置存在3方面技术难题：一是三维模型倾向尺寸比平面模型大，煤层开挖困难；二是铺装倾斜煤层劳动强度大，铺装质量差；三是实验方案一旦确定，模型开挖后不能调整方案，灵活性差。现有的三维物理模拟实验装置通过抽取预先埋设的木条、钢板、铝条等模拟煤层开挖，抽取过程中对顶、底板的扰动大，顶、底板损伤严重，影响实验可靠性，且不能进行密封实验装置，不能实现保水开采物理模拟。同时，对于煤层倾角的模拟，主要依靠人工铺装不同倾角煤层，难度大，效果差。因此，三维物理模拟实验装置必须解决煤层开采、不同倾角煤层的铺装、保水开采等技术难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种角度可调的等效煤层开采三维物理模拟装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，有效模拟工程原型的某一个立体空间区域，实现准确、灵活、方便、低劳动强度的三维物理模拟实验。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种角度可调的等效煤层开采三维物理模拟装置，包括底座，所述底座顶部设有框架，所述框架顶部设有加载架，所述底座与所述框架之间设有角度调整装置，所述框架底部固定有限位板，所述限位板上穿设有升降组合模块，所述升降组合模块包括若干升降件，所述升降件包括螺栓，所述螺栓贯穿所述限位板且与所述限位板螺纹连接，所述螺栓位于所述框架内的一端转动连接有垫块。

进一步的，所述螺栓上螺纹连接有加厚螺母，所述加厚螺母与所述限位板的下端面固接。

进一步的，所述角度调整装置包括液压缸，所述液压缸底端与所述底座转动连接，所述液压缸输出端与所述限位板固定连接，所述框架远离所述液压缸的一端与所述底座轴接。

进一步的，所述底座两侧分别转动连接有短杆，所述短杆固定连接有螺纹筒，所述螺纹筒内穿设有螺杆，所述螺杆顶端转动连接有固定块，两个所述固定块之间固定有横杆，所述框架底部开设有限位槽，所述横杆与所述限位槽相适配。

进一步的，所述框架包括四根立柱，所述限位板与所述立柱固定连接，相邻两根所述立柱与所述底座转动连接，另外两根立柱与所述底座可拆卸连接，相邻两根所述立柱之间可拆卸连接有强化有机玻璃或调高槽钢。

进一步的，所述立柱、强化有机玻璃和调高槽钢上均开设有若干通孔，所述立柱与强化有机玻璃和调高槽钢通过螺栓可拆卸连接，所述螺栓贯穿所述通孔。

进一步的，所述加载架与所述框架滑动连接。

一种角度可调的等效煤层开采三维物理模拟方法，具体步骤如下：

步骤一：先组装底座和框架，然后将螺栓贯穿限位板，使每个垫块位于限位板顶部；

步骤二：依次顺时针旋转每个螺栓，垫块随螺栓上升一定高度，使若干垫块组合成一个平面，上升高度与需要模拟的等效煤层厚度一致；

步骤三：根据相似材料配比，在垫块顶部依次铺装上覆岩层，覆岩铺装高度与需要模拟煤层埋深一致，放置风干；

步骤四：风干结束后，调整角度调整装置，使框架保持与要模拟的等效煤层角度一致；

步骤五：根据实验设计方案，依次逆时针旋转每个螺栓，使垫块脱离覆岩层，等效模拟煤层开采。

本发明公开了以下技术效果：

现有技术采用抽取预先埋设的木条、钢板、铝条等模拟煤层开挖，抽取过程中对顶、底板的扰动大，顶、底板损伤严重，影响实验可靠性，本发明在模拟工程实际煤层时，运用独立可升降垫块等效煤层开采模块，等效替代煤层，每个垫块作为一个采煤单元相互独立，可以垂直升降，互不影响，垫块上方铺装上覆岩层，模拟工程实际地质条件，对顶、底板的无扰动，实验模拟可靠性高。由于每个垫块是相互独立的，可以单独垂直升降，能够根据实验方案灵活的调整采煤工作面的开采方式、巷道布置和煤柱留设，与现有技术的整条抽取相比，更加符合采煤工作面的实际开采情况。同时，根据实验需求，本发明可在垫块之间、框架四周涂抹凡士林等非亲水性密封剂，使各垫块构成一个密封的平台，平台与框架构成密封防水空间，克服现有技术无法模拟保水开采技术难题，实现了多工况情况下的等效煤层开采三维物理模拟。

本发明设置角度调整装置，通过操作角度调整装置使框架升起倾斜，实现不同倾角煤层的物理模拟实验。

本发明既能够解决现有三维物理模拟装置煤层开挖和倾斜煤层模拟技术难题，模拟不同工作面布置和开采方式，又可以进行保水开采物理模拟。有效模拟不同工程原型的某一个立体空间区域，实现准确、灵活、方便、低劳动强度的三维物理模拟实验。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为角度可调的等效煤层开采三维物理模拟装置的结构示意图；

图2为角度可调的等效煤层开采三维物理模拟装置的左视图；

图3为升降件的结构示意图；

图4为升降件排列图；

图中：底座1、框架2、加载架3、升降组合模块4、限位板5、调高槽钢6、螺栓7、垫块8、加厚螺母9、液压缸10、短杆11、螺纹筒12、螺杆13、固定块14、横杆15、限位槽16、立柱17、通孔18、强化有机玻璃19。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、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发明作进一步详细的说明。

本发明提供一种角度可调的等效煤层开采三维物理模拟装置，包括底座1，所述底座1顶部设有框架2，所述底座1与所述框架2之间设有角度调整装置，所述框架2底部固定有限位板5，所述限位板5上穿设有升降组合模块4，所述升降组合模块4包括若干升降件，所述升降件包括螺栓7，所述螺栓7贯穿所述限位板5且与所述限位板5螺纹连接，所述螺栓7位于所述框架2内的一端转动连接有垫块8，所述垫块8优选为铝块。

使用时，具体步骤如下：

步骤一：先组装底座1和框架2，然后将螺栓7贯穿限位板5，使垫块8位于限位板5顶部；

步骤二：依次顺时针旋转每个螺栓7，垫块8随螺栓7上升一定高度，使若干垫块8组合成一个平面，上升高度与需要模拟的等效煤层厚度一致；

步骤三：根据相似材料配比，在垫块8顶部依次铺装上覆岩层，覆岩铺装高度与需要模拟的煤层埋深一致，放置风干；

步骤四：风干结束后，调整角度调整装置，使框架2保持与要模拟的等效煤层角度一致；

步骤五：根据实验设计方案，依次逆时针旋转每个螺栓7，使垫块8脱离覆岩层，等效模拟煤层开采。

进一步优化方案，所述螺栓7上螺纹连接有加厚螺母9，所述加厚螺母9与所述限位板5的下端面固接，限位板5和加厚螺母9都与螺栓7螺纹连接，增大螺栓7与限位板5和加厚螺母9接触面积，增强螺栓7与限位板5之间的稳定性。

进一步优化方案，所述角度调整装置包括液压缸10，所述液压缸10底端与所述底座1转动连接，所述液压缸10输出端与所述限位板5固定连接，所述框架2远离所述液压缸10的一端与所述底座1轴接，在进行煤层倾角实验时，液压缸10将框架2顶起，可模拟倾角范围为0～50°。

进一步优化方案，所述底座1两侧分别转动连接有短杆11，所述短杆11固定连接有螺纹筒12，所述螺纹筒12内穿设有螺杆13，所述螺杆13顶端转动连接有固定块14，两固定块之间固定有横杆15，所述框架2底部开设有限位槽16，所述横杆15与所述限位槽16相适配，待框架2升到实验预定位置时，将螺杆13支起，使横杆15嵌入限位槽16内，提高实验安全性。

进一步优化方案，所述框架2包括四根立柱17，所述限位板5与所述立柱17固定连接，相邻两根所述立柱17与所述底座1转动连接，另外两根立柱17与所述底座1可拆卸连接，相邻两根所述立柱17之间可拆卸连接有强化有机玻璃19或调高槽钢6，框架2上可安装1-3面为强化有机玻璃19，也可安装1-3面为调高槽钢6，可根据实验观测需要灵活调整安装方式。

进一步优化方案，所述立柱17、强化有机玻璃19和调高槽钢6上均开设有若干通孔18，所述立柱17与强化有机玻璃19和调高槽钢6通过螺栓可拆卸连接，所述螺栓贯穿所述通孔18。有机玻璃19在实验过程中可实现可视化观测功能，调高槽钢6能够方便三维物理模型铺装。

进一步优化方案，所述框架2顶部设有加载架3，所述加载架3与所述框架2滑动连接，加载架3可上、下、左、右调节，从而实现不同位置的加载实验。

实施例一

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以某矿综采工作面开采为例，该工作面设计采高6.8m，工作面宽度160m，煤层埋深平均110m，倾角1°左右，为近水平煤层。根据研究区域地质资料、覆岩力学性质及相似原理确定相似材料配比号，采用的几何相似比为1:200。因此，三维物理模拟尺寸为：长×宽×高＝1500mm×1000mm×550mm。为消除边界效应，工作面前后各留设100mm宽的边界煤柱，工作面停采线至模型右侧留设200mm边界煤柱，等效煤层尺寸为：长×宽×高＝1300mm×800mm×34mm，煤层厚度34mm。底座1和框架2主要由25#b槽钢、10#槽钢、8#槽钢、20#b工字钢、16#b工字钢配合高强度螺栓组合而成。装置整体结构可以拆卸，便于后期移动和维修。四根立柱17为四根竖向槽钢，立柱17上每隔100mm设计直径为

垫块8的升降范围为0～100mm，每个垫块8的尺寸为：长×宽×高＝50mm×50mm×100mm，螺栓7尺寸为M10×270～360mm。共由600个螺栓7和垫块8构成升降组合模块4，为方便实验操作，升降组合模块4中升降件由外向内，螺栓7长度依次增加，每往内一圈，螺栓长度增加10mm，升降件在限位板5最外一圈为1#升降件，螺栓长度270mm，最里面一圈为10#升降件，螺栓7长度360mm，其中，1#升降件共96个，螺栓7长270mm；2#升降件共88个，螺栓7长280mm；3#升降件共80个，螺栓7长290mm；4#升降件共72个，螺栓7长300mm；5#升降件共64个，螺栓7长310mm；6#升降件共56个，螺栓7长320mm；7#升降件共48个，螺栓7长330mm；8#升降件共40个，螺栓7长340mm；9#升降件共32个，螺栓7长350mm；10#升降件共24个，螺栓7长360mm。

限位板5尺寸为：长×宽×厚＝1800×1000×30mm，在限位板5上钻取直径为10mm的螺栓孔，孔间排距为50mm×50mm，共600个螺栓孔，每个螺栓孔底部焊接8.8级M10的加厚螺母9，厚度30mm。将1#～10#升降件(共600个)通过螺栓孔和加厚螺母9固定在限位板5上，通过拧动螺栓7可实现每个升降件独立升降，而不影响其他升降件。螺栓7拧动一圈，高强度垫块上升或下降1.5mm。

应用本装置可实现该工作面三维立体模拟，与工作面现场开采条件较为相似，实施步骤如下：

(1)通过M10扳手，将600个升降件调平，使600个垫块8保持在同一平面；

(2)装置前、后两排1#升降件和2#升降件(宽度各100mm)、右侧1#升降件至4#升降件(宽度200mm)，共184个升降件高度保持不变；

(3)依次将其它416个升降件旋进22.7圈，每个垫块8升高34mm，这416个升降件组合的长度为1300mm，宽度为800mm，升高的34mm为模拟工作面煤层的采高，与需要模拟的等效煤层厚度一致；

(4)根据相似材料配比号计算模拟煤层材料，铺装在装置前、后两排1#升降件和2#升降件、右侧1#升降件至4#升降件的垫块8上，铺装高度34mm，与等效煤层厚度一致，模拟前、后100mm边界煤柱和停采线至模型右侧200mm边界煤柱；

(5)根据相似材料配比号，依次铺装上覆岩层至地表，覆岩铺装高度516mm，最终的三维物理模拟尺寸为：长×宽×高＝1500mm×1000mm×550mm，模型铺装结束，自然风干；

(6)风干结束后启动液压缸10，将框架2倾角调整为1°，将2根螺杆13支起，使横杆15嵌入限位槽16内，提高实验安全性；

(7)角度调整完毕后，开始进行实验，根据实验设计方案，依次旋退每个升降件22.7圈，每个组合模块降低34mm，降低距离与等效煤层厚度一致，等效模拟煤层开采。

由于旋退每个升降件较容易，有效解决了三维物理模拟煤层开挖技术难题；同时，升降件对顶板扰动甚微，提高了实验的准确性和可靠性；最后，可升降件相互独立，实验过程中可根据实际需要灵活调整实验方案，模拟不同工作面布置方式和开采方式的实验需求，解决了传统的物理模拟灵活性差的技术难题。同时，根据实验需求，本发明可在垫块8之间、框架2四周涂抹凡士林等非亲水性密封剂，使各垫块8构成一个密封的平台，平台与框架2构成密封防水空间，克服现有技术无法模拟保水开采技术难题，实现了多工况情况下的等效煤层开采三维物理模拟。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。