本发明属于煤矿教学技术领域，特别是涉及一种模拟煤矿采空区顶板运动状态的教学二维模型及方法。
背景技术
在煤矿类院校采矿专业的教学课程中，《矿山压力与岩层控制》是采矿专业学生的一门重要专业课，其主要内容介绍的是采场顶板在开采过程中的运动变化规律。由于煤矿开采在地下深部进行，顶板的运动规律无法在现场看到，只能通过教学演示模型反映出来，所以反映采场顶板运动规律的演示模型课也是采矿专业学生必看的一个环节。
在现有技术的该类教学演示二维模型中，大致可分为两类，第一类模型是用相似模拟方法制作的模拟填充层来替代煤层及部分上覆岩层，且在岩层最上部放置加载铁块来模拟剩余上覆岩层的重量，模型最下部采用人工开挖空间的方法来模拟煤层的开采；目前改进型的该类模型是在岩层的最上部用油压或手动千斤顶加压来替代加载铁块；该类模型的优点是比较直观地看到岩层及顶板活动后的情况，但它用于教学演示模型还有不足之处，原因有三点：
一是模型最上部用来模拟岩层重量的加压装置存在局限性，千斤顶或加载铁块都属于定位、定点加压装置，在模型下部的煤层没有开挖时，可以起到给模型上覆岩层稳定加压的效果；当模型下部的煤层开挖后，采空区内上覆岩层随着煤层逐步开挖而失去稳定性，采用千斤顶或铁块的加载模式也会失去加载效果，实现不了载荷随顶板下沉的状况，也就是说达不到顶板总是承受连续载荷的目的，与实际情况不符。
二是模型下部的煤层采用手动开挖，其速度和进度难以精确掌控，也就造成了每次进行顶板运动规律演示时各有差异，且动态变化过程难以在演示中看到，学生只能看到最终状态的大致情况。
三是该类模型每次组建都很困难，单是相似材料的填充及晾干大约需十五天左右的时间，且材料不能重复使用；同时，由于整个模型所占用试验场地相对较小，实验同时所能容纳的人数有限，下次实验所需等待的周期较长，时间和材料等成本花费较高，故作为教学演示模型还有它的局限性。
第二类是模型内用横向排列的塑料模块替代上履岩层，塑料模块之间用牵引绳串联，模型最下部采用活动长方体来模拟煤层，移出活动长方体来模拟煤层开挖。该类模型的优点是造价便宜，演示后复原容易，但也存在以下不足之处：一是顶板岩层上方没有加载重物，由于顶板是由绳子连接的块体塑料模块组成，如果没有加载重物，上覆岩层的塑料模块在下沉后会形成较大范围的离层，不能反映大多数采场的实际情况；二是煤层的开挖方式不是按顺序逐步开挖，带来顶板下沉规律差异很大；三是岩体断裂成岩块后，岩块之间应当存在咬合力；模型中采用塑料模块替代顶板断裂后形成的岩块，而塑料模块之间采用一般牵引绳连接，无法定量调节其松紧程度，也就无法显示岩块之间存在的咬合力，带来顶板下沉量不确定；四是无直接顶和老顶模拟层，也就无法演示老顶、直接顶和煤层共同组成的力学结构对采空区上覆岩层运动状态的影响；故该类模型只能用来表示采场顶板运动的最后形态，不能用来演示顶板岩层的下沉过程及下沉规律。
因此，目前还没有合适的造价低廉、容易恢复、能将采场顶板的动态变化演示出来，且适合学生观看及动手操作的教学二维模型。
技术实现要素：
本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种模拟煤矿采空区顶板运动状态的教学二维模型，设计有反映碎胀特性的直接顶模拟层，模型上部的加载重物具有向下部岩块传递均布载荷的性能；模型演示时既能够控制模拟煤层的开挖速度，又能模拟出顶板岩块下沉变化时相邻岩块之间的咬合情况。
本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种模拟煤矿采空区顶板运动状态的教学示范方法，能够直观的反映煤矿采空区顶板运动状态的变化，有利于学生更好的掌握煤矿采空区上方顶板运动方面的知识。
为解决上述第一个技术问题，本发明的一种模拟煤矿采空区顶板运动状态的教学二维模型，包括底座，底座上固定安装有开口朝上的u形框架，其特征在于：u形框架的两侧板之间设置有透明板，u形框架的两侧板下端对应设置有预留开口，u形框架的两侧板上沿侧板的延伸方向设置有至少两列平行穿绳通孔，u形框架的底面上设置有与预留开口相匹配的可移动承载体，可移动承载体的一端或底部设置有牵引机构，可移动承载体之上设置有直接顶模拟层，直接顶模拟层的上端面和下端面分别设置有上层柔性垫片和下层柔性垫片，上层柔性垫片之上设置有老顶模拟层，老顶模拟层之上设置有上覆岩层模拟层，上覆岩层模拟层之上设置有可控制水量的水袋，u形框架之外设置有水袋水量的控制系统。
所述的老顶模拟层由多层大矩形模块叠加而成，大矩形模块中横向方向设置有至少两个连接通孔，每层大矩形模块均由横向设置的弹性绳通过连接通孔串接在一起，所述的上覆岩层模拟层由多层小矩形模块叠加而成，小矩形模块中横向方向设置有至少两个连接通孔，每层小矩形模块均由横向设置的弹性绳通过连接通孔串接在一起，所有弹性绳的两端分别穿过u形框架两侧板上的平行穿绳通孔绑定在外侧面上，且至少有一端安装有松紧调节装置。
所述的水袋水量的控制系统包括储水箱、水泵，储水箱与水泵通过吸水管路相连通，水泵与水袋通过上水管路相连通，水袋与储水箱通过排水管路相连通；所述的排水管路上设置有阀门，上水管路上设置有流量计。
所述的大矩形模块和小矩形模块均由塑料或树脂材料制成，小矩形模块的横向长度为大矩形模块横向长度的1/2，小矩形模块和大矩形模块的厚度和宽度相同。
所述的牵引机构由安装于可移动承载体一端且位于u形框架之外的电动螺杆组成，或由安装于可移动承载体底部的直线电机运动机构组成，或由安装于可移动承载体底部的步进电机运动机构组成。
所述的可移动承载体由上、下两层硬质橡胶组成，远离电动螺杆的一端为三角体形状，且上层硬质橡胶内安装有多个与外部数据处理装置相连的压力传感器。
所述的u形框架的两侧板之间设置的透明板由多块呈条板状的有机玻璃板横向安装而成，且有机玻璃板通过紧固螺栓固定在u形框架上；在实施中，为了防止框架最上部的水袋注水后挤坏有机玻璃板，水袋两边的有机玻璃板可用同尺寸的铝板或其它较高强度的条状板代替。
所述的上层柔性垫片和下层柔性垫片均由高分子材料制成，上层柔性垫片和下层柔性垫片的两端均设置有牵引绳，两端的牵引绳分别穿过u形框架两侧板上的平行穿绳通孔绑定在外侧面上，且远离电动螺杆一侧设置有松紧调节装置。
所述的直接顶模拟层由可压缩且能复原的散体或块体状的泡沫塑料或泡沫橡胶或泡沫高分子材料组成。
所述的u形框架的底面上沿其横向延伸方向设置有滑槽，可移动承载体的底部设置有与滑槽配合使用的凸台，或u形框架的底面上沿其横向延伸方向设置有滑轨，可移动承载体的底部设置有与滑轨配合使用的滑轮。
以上描述中：所述的横向，均与u形框架的长边方向相一致；所述的宽度，均与u形框架的短边方向相一致；所述的厚度，均与u形框架的高度方向相一致。
利用一种模拟煤矿采空区顶板运动状态的教学二维模型的模拟教学方法，包括以下步骤：
第一步：在u形框架的旁边放置电脑，并将每个压力传感器通过汇集排线与电脑相连接。
第二步：开动电动螺杆，驱动可移动承载体沿滑槽向远离电动螺杆的方向驱动进采空区的空间，当可移动承载体端部的三角体位于u形框架的外侧时，关闭电动螺杆。
第三步：通过计算得出水袋内模拟上覆岩层重量所需的水量，打开水泵，将储水箱内的水抽入水袋内，通过流量计观察水袋内的水量达到设定值以后停止向水袋内注水。
第四步：通过弹性绳上的松紧调节装置调节老顶模拟层上的大矩形模块以及上覆岩层模拟层上的小矩形模块之间的咬合力，使其满足模拟所需要求，同时放开上层柔性垫片和下层柔性垫片上的牵引绳。
第五步：开动电动螺杆，驱动可移动承载体沿滑槽向安装电动螺杆的一端移动，模拟煤层的开采，当可移动承载体端部的三角体接近电动螺杆一侧的u形框架侧板时，关闭电动螺杆；在此过程中，直接顶模拟层随着可移动承载体的缓慢移动而下沉，充填采空区的空间；随着直接顶模拟层的下沉，在原位置腾出自由空间，随后老顶模拟层所包含的大矩形模块呈咬合状态下沉，填充直接顶模拟层下沉后留下的自由空间，上覆岩层模拟层所包含的小矩形模块则以散体状结构下沉；观察者可通过透明板清晰的看到直接顶模拟层、老顶模拟层、上覆岩层模拟层在整个过程中的运动变化轨迹及最终下沉状态。
第六步：通过电脑收集可移动承载体内的压力传感器反馈回来的压力变化数据，并对数据进行分析归纳，得出模拟开采过程中煤层内的压力变化曲线。
第七步：打开排水管上的阀门，将水袋内的水放空，通过小矩形模块、大矩形模块上弹性绳的松紧调节装置及上层柔性垫片、下层柔性垫片上牵引绳的松紧调节装置，从上至下依次将上覆岩层模拟层上的小矩形模块、老顶模拟层上的大矩形模块、上层柔性垫片、直接顶模拟层、下层柔性垫片拉平，开动电动螺杆，将可移动承载体驱动至初始位置，以便进行下一次模拟演示。
本发明相对于现有技术，其创新点及有益效果在于：
（1）上覆岩层模拟层之上的加压装置采用可控水量的水袋，实现了软加压，更加符合煤层上覆岩层载荷连续分布，且载荷随岩层下沉持续加载的现场实际情况；同时，用最简单的调节水量的方法实现载荷大小的随意控制，更适应于教学模型模拟演示的特点。
（2）煤层的模拟开挖与恢复，通过可双向受力的电动螺杆驱动可移动承载体来实现，使煤层的模拟开挖步距更易掌握，相比于之前的一次开挖更加的科学合理与便捷。
（3）煤层上方增设了由可压缩且能复原的材料组成的直接顶模拟层，煤层开挖以后可更加逼真的演示直接顶垮落后在采空区所形成的碎胀状态，更加接近现场的实际情况。
（4）老顶模拟层中的大矩形模块之间和上覆岩层模拟层中的小矩形模块之间均通过弹性绳相串接，老顶模拟层和上覆岩层模拟层的下沉及恢复不需要手工操作，并且用弹性绳串接后大矩形模块之间可模拟老顶岩块之间的咬合力，小矩形模块之间可模拟上覆岩层岩块之间的咬合力，形成连续下沉效果，增加视觉感。
（5）通过可移动承载体内设置的压力传感器将煤层模拟开采时的压力变化数据传递并记录在电脑上，并且能将压力变化情况用曲线即时显示出来，与教学内容相衔接。
（6）模型一次演示后，恢复至原始状态简单快捷，符合教学模型的必备特征。
附图说明
图1为本发明教学二维模型实施例的整体结构示意图；
图2为本发明实施例中的底座及u形框架侧板上的设置示意图；
图3为本发明实施例中的矩形模块结构示意图；
图4为本发明实施例中的可移动承载体组成及压力传感器排列主视示意图；
图5为本发明实施例中的可移动承载体俯视及压力传感器连接示意图；
图6为本发明实施例中的u形框架与透明板安装结构示意图。
附图标记
1、u形框架；2、滑槽；3、底座；4、可移动承载体；5、压力传感器；6、采空区；7、下层柔性垫片；8、上层柔性垫片；9、松紧调节装置；10、水泵；11、吸水管路；12、储水箱；13、流量计；14、排水管路；15、上水管路；16、阀门；17、水袋；18、上覆岩层模拟层；19、小矩形模块；20、弹性绳；21、老顶模拟层；22、大矩形模块；23、直接顶模拟层；24、电动螺杆；25、预留开口；26、穿绳通孔；27、上层硬质橡胶；28、下层硬质橡胶；29、凸台；30、汇集排线；31、电脑；32、连接通孔；33、有机玻璃板；34、紧固螺栓。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面结合附图对本发明实施方式作进一步详细描述。
如图1、图6所示，本发明的一种模拟煤矿采空区顶板运动状态的教学二维模型，包括底座3、u形框架1、模拟煤层开挖的可移动承载体4、用来驱动可移动承载体4的电动螺杆24、下层柔性垫片7、直接顶模拟层23、上层柔性垫片8、老顶模拟层21、上覆岩层模拟层18、模拟岩层重量的水袋17及控制系统、有机玻璃板33组成。
如图1、图2所示，所述的u形框架1焊接在底座3上，由三条开口朝外的槽钢焊接而成；其长度为2.2米，宽度为20厘米，高度为1.8米；u形框架1的两侧板上沿侧板的延伸方向设置有两列平行穿绳通孔26；u形框架1两侧面的下端对应设置有预留开口25，u形框架1的底面上设置有与预留开口25相匹配的可移动承载体4，u形框架1的底面上沿其横向延伸方向设置有两条并列的滑槽2。
如图1、图4、图5所示，所述模拟煤层开挖的可移动承载体4设置在u形框架1的底面上，左端部为三角体形状，由两层硬质橡胶组成，其上层硬质橡胶27内安装有11个均布排列的压力传感器5，通过汇集排线30连接在外部的电脑31上；其下层硬质橡胶28的底部镶嵌有与u形框架1底面上设置的滑槽2相契合的两条并列的凸台29；可移动承载体4的宽度为16厘米，厚度为10厘米，长度为2.35米（其中，左端部三角体的长度为15厘米）；所述用来驱动可移动承载体4的电动螺杆24固定在u形框架1右侧的外部，并与可移动承载体4的右端相连接。
如图1所示，所述的直接顶模拟层23设置于可移动承载体4之上，由块状的泡沫塑料组成，其厚度为12厘米，其下端面设置有下层柔性垫片7，其上端面设置有与块状泡沫塑料粘合在一起的上层柔性垫片8；所述的下层柔性垫片7和上层柔性垫片8均由高分子材料制成，下层柔性垫片7和上层柔性垫片8的两端均设置有牵引绳；两端设置的牵引绳分别穿过u形框架1两侧板上的平行穿绳通孔26，绑定在u形框架1两个外侧面上，且左侧的外侧面上设置有松紧调节装置9。
如图1、图3所示，所述的老顶模拟层21设置于上层柔性垫片8的上端面之上，由多层横向排列的大矩形模块22叠加组成。大矩形模块22由树脂材料制成，其长度为8~10厘米，厚度为4~6厘米，宽度为16厘米，其横向方向设置有两个并列的连接通孔32。每层大矩形模块均用两根横向弹性绳20通过连接通孔32串接在一起，且通过穿绳通孔26绑结在u形框架1两侧的外侧面上，并在其左侧的外侧面上安装有松紧调节装置9。
所述的上覆岩层模拟层18设置于老顶模拟层21之上，由多层横向排列的小矩形模块19叠加组成。小矩形模块19的长度为大矩形模块22长度的二分之一，其余的材质和设置及厚度和宽度均与大矩形模块22相同；每层小矩形模块均用两根横向弹性绳20通过两个连接通孔32串接在一起，且通过穿绳通孔26绑结在u形框架1两侧的外侧面上，并在其左侧的外侧面上安装有松紧调节装置9。
该实施例中所述的横向及大矩形模块22和小矩形模块19的长度方向与u形框架1的长边方向相一致，大矩形模块22和小矩形模块19的宽度方向与u形框架1的短边方向相一致，大矩形模块22和小矩形模块19的厚度方向与u形框架1的高度方向相一致。
如图1所示，所述模拟岩层重量的水袋及控制系统，包括放置于上覆岩层模拟层18之上的水袋17及设置于u形框架1外部的储水箱12、水泵10；储水箱12与水泵10之间通过吸水管11相连通，水泵10与水袋17之间通过上水管路15相连通，水袋17与储水箱12之间通过排水管路14相连通；所述的排水管路14上设置有阀门16，上水管路15上设置有流量计13。
如图2、图6所示，所述的透明板由安装于u形框架1正面及背面的多片条板状可拆卸的有机玻璃板33组成；且条板状可拆卸的有机玻璃板33通过其两端的紧固螺栓34固定在u形框架1的两侧板上；条板状可拆卸的有机玻璃板33的长度为2.2米，宽度为25厘米。实施中为了防止水袋17注水后挤坏条板状可拆卸的有机玻璃板33，可将水袋17两边的条板状可拆卸的有机玻璃板33用同尺寸的铝板或其它较高强度的条状板代替。
利用一种模拟煤矿采空区顶板运动状态的教学二维模型的模拟教学方法，包括以下步骤：
第一步：在u形框架1的旁边放置电脑31，将每个压力传感器5通过汇集排线30与电脑31相连接；
第二步：开动电动螺杆24，将可移动承载体4沿滑槽2向左侧方向驱动进采空区6的空间，当可移动承载体4左端的三角体位于u形框架1左侧的外部时，关闭电动螺杆24；
第三步：通过计算得出水袋17内模拟上覆岩层重量所需的水量，开动水泵10，将储水箱12中的水抽入水袋17内，通过流量计13观察水袋17内的水量达到设定值以后停止向水袋17内注水；
第四步：通过弹性绳20上的松紧调节装置9调节老顶模拟层21上的大矩形模块22以及上覆岩层模拟层18上的小矩形模块19之间的松紧程度，使其满足模拟所需要求，同时通过松紧调节装置9放开上层柔性垫片8和下层柔性垫片7左端的牵引绳；
第五步：开动电动螺杆24，驱动可移动承载体4沿滑槽2向右侧方向缓慢移动，模拟煤层的开采，当可移动承载体4左端部的三角体接近电动螺杆24一侧的u形框架1侧板时，关闭电动螺杆24；在此过程中，直接顶模拟层23随着可移动承载体4的缓慢移动而下沉，充填采空区6的空间；随着直接顶模拟层23的下沉，在原位置腾出自由空间；随后老顶模拟层21所包含的大矩形模块22呈咬合状态下沉，填充直接顶模拟层23下沉后留下的自由空间；上覆岩层模拟层18所包含的小矩形模块19则以散体状结构下沉；观察者可通过条板状可拆卸的有机玻璃板33清晰的看到直接顶模拟层23、老顶模拟层21、上覆岩层模拟层18在整个过程中的运动变化轨迹及最终下沉状态；
第六步：通过电脑31收集可移动承载体4内的压力传感器5反馈回来的压力变化数据，并对数据进行分析归纳，得出模拟开采过程中煤层内的压力变化曲线；
第七步：打开排水管路14上的阀门16，将水袋17内的水放空，通过小矩形模块19、大矩形模块22上弹性绳的松紧调节装置9及上层柔性垫片8、下层柔性垫片7上牵引绳的松紧调节装置，从上至下依次将上覆岩层模拟层18上的小矩形模块19、老顶模拟层21上的大矩形模块22、上层柔性垫片8、直接顶模拟层23、下层柔性垫片7拉平，开动电动螺杆24，将可移动承载体4驱动至初始位置，以便进行下一次模拟演示。
上述为本发明较佳的实施方式，本行业的技术人员应该了解，本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。