一种大倾角煤层支架与围岩系统四维物理模拟实验平台的制作方法

本发明涉及一种矿山煤层开采实验装置，特别是一种大倾角煤层支架与围岩系统四维物理模拟实验平台。

背景技术

众所周知，大倾角煤层走向长壁工作面围岩应力分布的复杂性导致了“支架-围岩”系统由“稳态”系统成了“非稳态”系统，将一般意义上的支架通过工作阻力对顶板的控制延伸到了支架既需要通过工作阻力对顶底板进行控制，又需要通过工作阻力与结构特性的有机结合对自身及“支架-围岩”系统的稳定性进行控制。不仅如此，在大倾角伪俯斜工作面，支架受到采空区矸石沿伪俯斜方向的作用，同时支架与前方煤壁接触，使“支架-围岩”系统稳定性更加复杂，导致了大倾角工作面支架稳定性难以控制。

技术实现要素：

为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种大倾角煤层“支架-围岩”系统四维物理模拟实验平台，该平台可模拟大倾角煤层四维“支架-围岩”系统中的支架的工作状况与失稳状态。为有效研究大倾角工作面四维“支架-围岩”系统稳定性提供了有力条件。对于研究大倾角煤层安全高效开采有很大的促进作用。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

一种大倾角煤层支架与围岩系统四维物理模拟实验平台，包括外固定框架和设在外固定框架中部的固定框架横梁，以及设在外固定框架底部并支撑加载框架转动的转动支座和转动油缸；在加载框架中铺设有模拟煤层，在加载框架顶部设若干排角度左右可调、加载到模拟煤层上的顶板加载油缸，在模拟煤层的右方分别设若干个角度上下可调的上端头加载油缸和支架加载油缸，左边设移动采场位置油缸；

在外固定框架上设有弧形导轨，通过转动油缸对加载框架施力，通过加载框架沿外固定框架0～60°范围变化实现稳定转动；通过调节和移动采场位置油缸，使得顶板加载油缸在加载框架0～60°范围变化时始终保持竖直方向加载。

对于上述技术方案，本发明还有进一步优选的方案：

进一步，所述顶板加载油缸通过承压板施加在模拟煤层上方的顶板上，顶板下方还设有若干支架，若干支架沿顶板垂直间隔平行分布，模拟煤层和支架下方设有底板，底板沿加载框架内框底部呈倾斜角度分布。

进一步，所述顶板加载油缸通过承压板直接施加在模拟煤层上，承压板下方的若干支架沿承压板垂直间隔平行分布，支架直接放置在加载框架内框底部。

进一步，在加载框架内框顶部设有若干排顶板加载油缸，加载框架右侧设有与每排顶板加载油缸对应的上端头加载油缸和支架加载油缸；每个加载油缸与各排顶板加载油缸连接的顶板或支架相接，支架加载油缸上铰接有支架后方的油缸承压板。

进一步，所述设在外固定框架中部的固定框架横梁在上下四个方向各分布有一根，外固定框架由上部带有倾斜板的框架梁构成，由外固定框架和固定框架横梁共同构成实验平台框架。

进一步，在所述外固定框架上设有两个弧形导轨，在加载框架两个相对边框上设有对应的导轨滚轴，加载框架导轨滚轴沿弧形导轨移动。

本发明的有益效果在于：

本发明装置真实模拟了大倾角煤层综采工作面支架的受载特征，为研究“顶板-支架-底板”和“矸石-支架-煤壁”两个方向上支架失稳的动态过程创造了条件，为揭示大倾角煤层综采工作面“支架-围岩”四维作用机理提供保障。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1为本发明主视图；

图2(a)-图2(c)分别为图1的b、c、e、d、f处的局部放大图；

图3为图1的侧视图。

图中：1、外固定框架；2、固定框架横梁；3、转动支座；4、转动油缸；5、转动导轨；6、导轨滚轴；7、加载框架；8、上端头加载油缸；9、顶板加载油缸；10、承载板；11、顶板；12、支架；13、采场位置油缸；14、底板；15、油缸承载板；16、支架加载油缸；17、模拟煤层。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

如图1、2(a)-(c)、图3所示，本发明大倾角煤层支架与围岩系统四维物理模拟实验平台，包括外固定框架1，设在外固定框架1中部的固定框架横梁2，设在外固定框架1中部的固定框架横梁2在上下四个方向各分布有一根，外固定框架1由上部带有倾斜板的框架梁构成，由外固定框架1和固定框架横梁2共同构成实验平台框架。在外固定框架1上设有两个弧形导轨5，在加载框架7两个相对边框上设有对应的导轨滚轴6，加载框架7导轨滚轴6沿弧形导轨5移动。

还包括设在外固定框架1底部并支撑加载框架7转动的转动支座3和转动油缸4，在加载框架7中铺设有模拟煤层17，在加载框架7顶部设若干排角度左右可调、加载到模拟煤层17上的顶板加载油缸9，在模拟煤层17的右方分别设若干个角度上下可调的上端头加载油缸8和支架加载油缸16，左边设移动采场位置油缸13；在外固定框架1上设有两个弧形导轨5，在加载框架7两个相对边框上设有三对导轨滚轴6，通过转动油缸4对加载框架7施力，通过加载框架7沿外固定框架0～60°范围变化实现稳定转动；通过调节和移动采场位置油缸13，使得顶板加载油缸9在加载框架7在0～60°范围变化时始终保持竖直方向加载。

如图1所示，在加载框架7内框顶部设有3排角度左右可调的顶板加载油缸9，每排15个，顶板加载油缸9下方设有承压板10，承压板10下方人工铺设有顶板11，顶板加载油缸9通过承压板10施加在模拟煤层17上方的顶板11上，顶板11下方还设有若干支架12，若干支架12沿顶板11垂直间隔平行分布；支架12下部为人工铺设的底板14；底板14沿加载框架7内框底部呈倾斜角度分布。加载框架7右侧设有3个角度上下可调的上端头加载油缸8和支架加载油缸16，左侧设有移动采场位置油缸13；每个加载油缸8与各排顶板加载油缸9连接的顶板11相接，支架加载油缸16上铰接有支架后方的油缸承压板15，由顶板11与支架12和底板14构成采场空间。

实施方式：

进行实验时，加载框架7水平放置，人工铺设顶板11和底板14以及模拟煤层17，铺设完成后，将加载框架7转到需要的角度，通过采场位置油缸13调整顶板加载油缸9的加载角度，使其保持竖直加载。

开挖煤层，将支架12布置在采场中，既可真斜布置，也可伪斜布置。通过顶板加载油缸9、上端头加载油缸8和支架加载油缸16进行加载，也可不铺设顶板11和底板14，上述顶板加载油缸9通过承压板10直接作用在模拟煤层17上，支架12直接放置在加载框架7内框底部。

下面给出一个通过具体结构原理来进一步说明本发明。

(1)内部采场空间

采场空间为长方体箱体，箱体前方由2～3个等长窄板拼接而成，便于模拟材料的装填和工作面推进等工作的进行。

采场沿工作面推进方向实际应达到30cm(工作面推进3～5个循环，单次进深为60～100mm)，沿倾斜方向达到90cm(约10～15架支架)，采场的高度应在10～15cm范围。内部采场空间尺寸：90×30×75cm；

(2)加载框架

顶板加载油缸布置初步设计为3排，单排15个，共计45个。工作面上端头加载油缸3个；支架加载油缸；移动采场位置油缸1个；加载油缸角度均可调，保证顶板加载油缸在实验架角度为0～60°范围变化时可始终保持竖直方向加载。保证上端头加载油缸在实验架角度为0～60°范围变化时可始终保持与底板平行方向加载。采空区采场位置油缸在工作面推过后，可在与底板平行平面内对支架施加作用，并且油缸角度在0～60°范围变化,通过伸缩传力杆与可转动施力矩形板连接，模拟采空区矸石对支架的作用。顶板加载时可采用集中、单独控制方式，可模拟实现顶板来压。

工作面上端头3个加载油缸既可同时加载，也可实现单一加载，可控制实现顶板来压。上端头加载油缸利用t形板传力(图2(b)所示)，既有约束的作用，又可向内传力。油缸加载力可达到0.125mpa。内框架加载框架尺寸：长*宽*高＝1.65m*0.5m*1.05m。

(3)固定框架

实验架角度在0～60°范围内无级可调，具有稳定控制系统，需便于测试及人员操作。内固定外框架在角度旋转过程中由转动导轨保证内加载框架稳定。外固定框架还应具备观测辅助设备，如：用于人员观测的阶梯、平台等。外固定框架尺寸：长*宽*高＝2m*0.8m*2m。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。