一种矿用采煤工作面相似模拟立体实验模型的制作方法
【技术领域】
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[0001]本实用新型涉及一种矿用采煤工作面相似模拟立体实验模型，其适用于测试埋深、倾角对不同岩性等采煤工作面赋存条件对工作面“围岩-支护”关系、顶底板裂隙发育和顶板断裂步距的影响。
【背景技术】
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[0002]矿山井下生产时易发生煤岩动力灾害，给煤矿安全生产带了极大威胁，而这些灾害事故的发生，均与“围岩-支护”之间的不适应、围岩裂隙发育有关。当设计的支架不能很好的适应采煤工作面时，将会导致支架压架、顶板断裂步距增大，甚至是顶板冒落；岩石材料在承受荷载时，其内部将产生局部应力集中，当达到其临界破裂强度时，会发生煤岩体的损伤破裂，当围岩裂隙发育时，极易发生瓦斯突出、裂隙带导水，甚至是瓦斯爆炸和突水事故发生。所以研究“围岩-支护”关系、围岩裂隙发育，对指导煤矿安全生产有重要意义。测试“围岩-支护”关系曲线是指导支架设计的重要依据，通过声波信号测试煤岩体裂隙发育，也是目前较为有效的手段。
[0003]目前的矿用采煤工作面相似模拟实验模型，存在以下的不足:
[0004]①无法模拟立体实验，只能在平面相似模型上进行模拟；
[0005]①无法保证模拟底座的强度，通过钢板等铰接方式模拟的可调节角度的底座是无法承受较大的加载应力；
[0006]①无法测试“围岩-支护”特征曲线以及围岩裂隙发育，仅仅通过应变片监测、位移观测是无法得出精确的数据；
[0007]因此，需要对上述矿用采煤工作面相似模拟实验模型进行改进。
【发明内容】
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[0008]本实用新型提出了一种矿用采煤工作面相似模拟立体实验模型，是为了解决国内现有的采煤工作面实验模型的无法进行立体模型实验、无法获得精确的“围岩-支护”特征曲线、无法准确判断顶板裂隙发育和断裂步距等问题。
[0009]解决以上弊端采用了如下技术方案。本实用新型包括底座、液压加载装置、多功能液压支架、模拟岩层、旋转装置、信号采集系统以及信号分析系统，其中:所述底座为梯形底座，包括梯台、设于梯台右边的右底座和设于梯台左边的凹槽，且所述梯台的高度高于所述右底座和所述凹槽的高度。所述液压加载装置放置在底座上，包括四根带孔立柱，加载顶梁通过高强螺栓与立柱铰接在一起，可以沿着立柱上下移动，设于加载顶梁下方的加载千斤顶，承压板布置在加载千斤顶下方。所述多功能液压支架包括相互铰接的顶板、底板、掩护板、液压活柱及前后连杆，通过变换两两之间的铰接位置，模拟不同架型的液压支架。所述模拟岩层分别置于多功能液压支架顶板上方和底板下方，根据生产实际选择相应的岩层模拟采煤工作面的顶底板。所述旋转装置包括左旋转装置和右旋转装置，参见图5，图5是本实用新型旋转装置配合连接的结构示意图；左旋转装置和右旋转装置包括可旋转连接支座和支撑千斤顶，支撑千斤顶的两端分别设有一个可旋转连接支座。右旋转装置一端固定于右底座上，一端固定于液压加载装置的下底面的右端；左旋转装置的一端固定于梯台上，一端固定于液压加载装置的下底面的中段。所述信号采集系统包括黏贴在模拟岩层外侧的声波信号采集器和声波转换器，以及黏贴在加载千斤顶液压缸的应变采集器和黏贴在液压支架活柱上的压力采集器。所述信号分析系统包括处理声信号的裂隙信号分析仪和“围岩-支护”特征曲线分析仪。
[0010]本实用新型具有的优点和积极效果是:本实用新型利用强度较高的旋转装置，在有效的改变模拟采场的倾角的同时，还能保证一定的支撑能力，多功能液压支架利用四连杆结构，变化多种架型支架，节约了实验所需的成本，信号采集系统采集出的声信号、压力信号、应变信号，能够通过信号分析系统有效转换成裂隙信号和“围岩-支护”特征曲线，从而实现了在一种实验平台上，即模拟不同采场环境下多种架型支架的支护实验，判断“围岩-支护”关系、掌握了顶板裂隙发育和断裂步距。
【附图说明】
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[0011]图1为本实用新型主视图；
[0012]图2 (a)底座及旋转装置；
[0013]图2 (b)旋转装置及零部件；
[0014]图3(a)液压加载装置主视图；
[0015]图3(b)液压加载装置侧视图；
[0016]图4 (a)多功能液压支架；
[0017]图4(b)多功能液压支架零部件；
[0018]图5“围岩-支护”分析系统；
[0019]图6裂隙信号分析系统；
[0020]图中:1_底座；2-梯台；3_右底座；4-凹槽；5_液压加载装置；6_带孔立柱；7-加载顶梁；8_高强度螺栓；9_加载千斤顶；10_液压活柱；11_承压板；12_多功能液压支架；13-顶板；14_底板；15-掩护板；16-前后连杆；17-模拟岩层；18-旋转装置；19-左旋转装置；20_右旋转装置；21_可旋转连接支座；22_支撑千斤顶；23_信号采集系统；24_信号分析系统；25_声波信号采集器；26_声波转换器；27_应变采集器；28_压力采集器；29_信号集成器；30_裂隙信号分析仪；31_ “围岩-支护”特征曲线分系仪；32_ “围岩-支护”分析系统；33_裂隙信号分析系统。
【具体实施方式】
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[0021]为能进一步了解本实用新型的内容、特点及功效，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。
[0022]本实用新型是一种根据相似模拟原理和真实采场的环境设计的三维模型，利用信号采集系统和信号处理系统，能够获得准确的“围岩-支护”关系特性曲线、顶板裂隙发育和顶板断裂步距，同时可以具有一台多用的功能，即可以在同一台实验平台上实现不同架型液压支架、不同采场环境下的三维仿真模拟实验。
[0023]该实验平台可进行如下实验:1)模拟不同埋深、倾角的工作面以及不同架型液压支架对“围岩-支护”特征曲线的影响；2)模拟埋深、倾角、顶底板岩性对顶板裂隙发育以及顶板断裂步距的影响。
[0024]上述2项实验需完成如下工序:
[0025]首先组装实验平台:将加载顶梁7通过高强度螺栓8铰接在带孔立柱6合适的位置，在加载顶梁7下方布置加载千斤顶9，将承压板11安装在加载千斤顶9的液压活柱10下，待液压加载装置5组装完成后，并固定在底座I的可旋转连接支座21上，将模拟工作面顶底板模拟岩层17放置在多功能液压支架12的顶板13上方和底板14下方。
[0026]接着，在上述基本工序完成后，通过控制不同的单因素模拟不同因素对实验影响。其中，控制液压加载装置5的加载力大小，模拟不同埋深条件；通过伸缩支撑千斤顶22的液压活柱10的长度，模拟不同倾角的采煤工作面；根据实际工况，选择不同材料的模拟岩层17模拟不同岩性的采场顶底板；通过变换多功能液压支架12的顶板13、底板14、掩护板15和液压活柱10以及前后连杆16两两之间的铰接位置，模拟不同架型液压支架。
[0027]最后进行信号采集和处理:将应变采集器27黏贴在加载千斤顶9的液压活柱10上，将压力采集器28黏贴在多功能液压支架12的液压活柱10上，采集到的应变、压力信号经过信号集成器，传输给“围岩-支护”特征曲线分析仪31，获得相应的“围岩-支护”特征曲线；将声波信号采集器25黏贴在模拟岩层17的外侧，采集到的声波信号经声波转换器26，传输到裂隙信号分析仪30，获得模拟采煤工作面的顶底板裂隙发育情况和顶板断裂步距。
【主权项】
1.一种矿用采煤工作面相似模拟立体实验模型，其特征在于，包括底座、液压加载装置、多功能液压支架、模拟岩层、旋转装置、信号采集系统以及信号分析系统，其中:所述底座为梯形底座，包括梯台、设于梯台右边的右底座和设于梯台左边的凹槽，且所述梯台的高度高于所述右底座和所述凹槽的高度。2.根据权利要求1所述的一种矿用采煤工作面相似模拟立体实验模型，其特征在于，所述液压加载装置放置在底座上，包括四根带孔立柱，加载顶梁通过高强螺栓与立柱铰接在一起，可以沿着立柱上下移动，设于加载顶梁下方的加载千斤顶，承压板布置在加载千斤顶下方。3.根据权利要求1所述的一种矿用采煤工作面相似模拟立体实验模型，其特征在于，所述多功能液压支架包括相互铰接的顶板、底板、掩护板、液压活柱及前后连杆，通过变换两两之间的铰接位置，模拟不同架型的液压支架。4.根据权利要求1所述的一种矿用采煤工作面相似模拟立体实验模型，其特征在于，所述模拟岩层分别置于多功能液压支架顶板上方和底板下方，根据生产实际选择相应的岩层模拟采煤工作面的顶底板。5.根据权利要求1所述的一种矿用采煤工作面相似模拟立体实验模型，其特征在于，所述旋转装置包括左旋转装置和右旋转装置，左旋转装置和右旋转装置包括可旋转连接支座和支撑千斤顶，支撑千斤顶的两端分别设有一个可旋转连接支座，右旋转装置一端固定于右底座上，一端固定于液压加载装置的下底面的右端，左旋转装置的一端固定于梯台上，一端固定于液压加载装置的下底面的中段。6.根据权利要求1所述的一种矿用采煤工作面相似模拟立体实验模型，其特征在于，所述信号采集系统包括黏贴在模拟岩层外侧的声波信号采集器和声波转换器，以及黏贴在加载千斤顶液压缸的应变采集器和黏贴在液压支架活柱上的压力采集器。7.根据权利要求1所述的一种矿用采煤工作面相似模拟立体实验模型，其特征在于，所述信号分析系统包括处理声信号的裂隙信号分析仪和“围岩-支护”特征曲线分析仪。
【专利摘要】本实用新型涉及一种矿用采煤工作面相似模拟立体实验模型，其适用于测试埋深、倾角对不同岩性等采煤工作面赋存条件对工作面“围岩-支护”关系、顶底板裂隙发育和顶板断裂步距的影响。包括底座、液压加载装置、多功能液压支架、模拟岩层、旋转装置、信号采集系统以及信号分析系统。本实用新型利用强度较高的旋转装置，在有效的改变模拟采场的倾角的同时，还能保证一定的支撑能力，多功能液压支架利用四连杆结构，变化多种架型支架，节约了实验所需的成本，信号采集系统采集出的声信号、压力信号、应变信号，能够通过信号分析系统有效转换成裂隙信号和“围岩-支护”特征曲线，从而实现了在一种实验平台上，即模拟不同采场环境下多种架型支架的支护实验，判断“围岩-支护”关系、掌握了顶板裂隙发育和断裂步距。<!-- 2 -->
【IPC分类】G09B25/00
【公开号】CN205177261
【申请号】CN201520734238
【发明人】彭瑞, 孟祥瑞, 赵光明, 左超
【申请人】安徽理工大学
【公开日】2016年4月20日
【申请日】2015年9月21日