一种大倾角煤层相似模拟实验装置及其实验方法
【专利摘要】本发明公开了一种大倾角煤层相似模拟实验装置及其实验方法。其中，大倾角煤层相似模拟实验装置是在现有技术的采矿物理相似模拟实验装置的基础上，省略其所配备的液压举升装置或提升装置后，增加了直角三角形护板，通过直角三角形护板与水平护板的不同组合使用，即实现了既能进行水平相似材料敷设，又能进行大倾角相似材料敷设的使用功能。本发明还公开了上述实验装置的实验方法，其操作简便、节省人力物力，通过不同角度三角形护板的替换使用，即可获得煤层相似材料不同的倾斜角度；更为重要的是，由于实验过程中，不需要将整个实验装置抬高或提升至倾斜，从而有利保证相似材料的压实，进而提高模拟实验结果的真实性和可靠性。
【专利说明】一种大倾角煤层相似模拟实验装置及其实验方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种相似材料模拟实验装置及其实验方法，尤其是涉及一种大倾角煤层相似模拟实验装置及其实验方法。
【背景技术】
[0002]为了更好地保证地下矿山的安全生产，最大限度地开采矿产资源、保护矿区环境和地面设施，必须研究矿山压力及岩层活动规律，发展岩层支护技术与控制措施，这是采矿学科的一个永恒的重要主题。然而，对于一个影响因素众多、受人为扰动严重、物理过程十分复杂的力学问题，由于人们难以十分清楚地了解问题的全部影响因素所在，无法准确地获得描述岩体的应力张量与应变张量的关系，即本构关系，因此常常无法对问题进行精确地理论计算和数值模拟分析。现有的矿山使用的测试仪表粗糙落后，其他领域较先进的仪器仪表又无法适应矿山井下恶劣的工作环境，而且现场实测需耗费大量的人力、物力、固有周期较长、受现场条件限制严重、局限性大。
[0003]采矿物理相似模拟试验时利用和原型力学性质相似的材料，依据现场地质资料、煤岩层柱状图和煤层物理力学等参数，将现场工程研究对象按照一定的比例缩制成实验模型，再在模型上开挖各类工程，如矿山巷道和硐室、长壁采场等，通过对工程过程的模拟，观察和研究工程围岩体的变形、移动和破坏等力学现象。应用相似模拟实验是一种公认的行之有效的研究方法。
[0004]目前，实验室中传统的相似材料模拟实验装置大多采用水平护板对相似材料存放空间进行保护，难以形成具有大倾角的相似材料存放空间，因此只适合铺设水平岩层。如图1所示，现有技术中，为进行大倾角煤层相似材料模拟实验，需要采用带有液压举升机构的相似材料模拟实验装置，根据所需的倾斜角度，通过调整液压举升机构以将模拟实验装置的一端抬高，以形成一定的倾角；基于类似的设计理念，现有技术中，还有一种采用提升机构的相似材料模拟实验装置，其通过将模拟实验装置的一端提升后使得整个装置倾斜，从而获得所需的倾角。
[0005]由于相似材料模拟实验装置内部容积达近十立方米甚至是十几立方米或者更大，上述相似材料模拟实验装置采用的将实验装置抬高的方法，以进行大倾角煤层相似材料模拟实验，优点是，倾角可任意调节。但同时存在以下四个方面的缺陷:一是实验过程中，由于进行相似材料铺设时工作空间增高，相似材料铺设难度增大；二是由于其满载时十数吨以上的重量，使得其平衡性和稳定性差，特别是在后续的对相似材料的压实过程中，不可避免地存在左右晃动或者伴随一定程度上下位移，影响相似材料的压实效果，且因为垂直向下的压力与倾斜煤层相似材料之间角度的原因，其压实过程存在死角，进而影响实验结果的有效性；三是设备造价高、动力消耗大且需要的操作空间大；四是存在一定的安全隐患。
【发明内容】
[0006]本发明的目的之一是，提供一种结构简单、设备造价较低、动力消耗小、安全稳定的大倾角煤层相似材料模拟实验装置，满足既能进行水平煤层相似材料敷设又能进行大倾角煤层相似材料敷设的要求。
[0007]本发明为实现上述目的需要解决的技术问题是，在现有技术的采矿物理相似模拟实验装置的基础上，省略其所配备的液压举升装置或者提升装置后，仍具备实现既能进行水平相似材料敷设，又能进行大倾角相似材料敷设的使用功能。
[0008]本发明为解决上述技术问题采用的技术方案是，一种大倾角煤层相似模拟实验装置，由机架部分和可拆卸部分组成，其中，机架部分呈除矩形底面和左右两侧面封闭之外，其前、后和顶面均敞开的箱体结构；
[0009]所述前、后两个面的框架各边的横截面均呈U形槽结构；
[0010]所述可拆卸部分包括条状的前护板和后护板，其特征在于，还包括有直角三角形护板，所述前护板插入所述前框架的U形槽内，所述后护板横截面包括上下边分别呈U形槽的结构及与该U形槽插接相匹配的凸沿结构，所述后护板根据需要依次分别插入所述后框架的U形槽内，所述直角三角形护板根据使用需要依次插入所述后护板的U形槽内，并根据使用需要在所述后护板的U形槽内移动。
[0011]采用上述技术方案的大倾角煤层相似模拟实验装置，通过引入直角三角形护板，在模型铺设过程中将直角三角形护板与前、后水平条状护板进行组合使用，即可进行大倾角相似材料敷设；在只使用前、后护板的情况下，则可以进行水平相似材料敷设。由于其省略了液压举升机构或者提升机构，使得整个模拟实验装置不需要将一端抬高或提升至倾斜即可进行带倾角的煤层相似材料的成型；其直接产生的技术效果是，降低了相似材料铺设难度和压实过程操作控制难度，保证了相似材料铺设和压实效果，并降低了设备造价、动力消耗大及所需的操作空间，并消除了现有技术中存在的安全隐患。
[0012]作为优选，上述直角三角形护板为不同锐角的直角三角形护板成套组合件。
[0013]上述优选技术方案直接产生的技术效果是，通过不同角度三角形护板的替换使用，即可获得不同模拟实验所需的倾斜角度。
[0014]进一步优选，上述直角三角形护板为木板。
[0015]上述优选技术方案产生的技术效果是，能减小模型材料在直角三角形护板上的附着量和附着牢度，且木板易于获取、制作成本低，现场即可进行各种不同大小锐角的直角三角形护板的裁截和制作。
[0016]本发明的目的之二是，提供一种能够适应大倾角煤层的相似模拟实验装置的实验方法。
[0017]本发明为实现上述目的需要解决的技术问题是，直角三角形护板与前、后水平护板的组合使用，以进行大倾角煤层的相似模拟实验，通过替换不同锐角的直角三角形护板即可进行不同倾角煤层相似模拟实验的技术问题。
[0018]本发明为解决上述技术问题采用的技术方案是，一种权利要求1所述的大倾角煤层相似模拟实验装置的实验方法，其特征在于，包括以下步骤:
[0019]a、将前护板全部安装到前框架的U型槽内，并将第一块后护板安装在后框架的U型槽内，将直角三角形护板的两个直角边分别插入后框架的U型槽和第一块后护板的U型槽内，形成直角三角形护板的初始位置，并在直角三角形护板与前护板之间形成第一层相似材料存放空间；[0020]b、分别按比例称取实验所需煤层相似材料的各种原料，并倒入搅拌机中搅拌均匀，再加水进行搅拌，后倒入第一层相似材料存放空间，用刮板刮平并压实，在表面上撒云母粉作为隔层，然后压平；
[0021]C、将直角三角形护板沿后护板的U型槽内向前推进一定的距离至第二位置，使得第二位置的直角三角形护板斜边与初始位置的直角三角形护板斜边之间的距离等于相似材料的层厚，在直角三角形护板与前护板之间形成第二层相似材料存放空间；
[0022]d、分别按比例称取实验所需相似材料的各种原料，并倒入搅拌机中搅拌均匀，再加水进行搅拌，后倒入第二层相似材料存放空间，用刮板刮平并压实，在表面上撒云母粉作为隔层，然后压平；
[0023]e、依次推进直角三角形护板重复步骤C、d至该层相似材料敷设完成；
[0024]f、每完成一层相似材料的敷设后，相应加装一层后护板，再依次重复上述步骤，直至结束。
[0025]采用上述实验方法所获得的相似材料模型为层状结构，相似材料层与层之间与水平面呈一定的倾斜角度，该倾斜角度正好等于直角三角形护板斜边与机架部分的底面之间的夹角。因此，上述技术方案的技术效果是，实验操作简便、节省人力物力，通过不同角度三角形护板的替换使用，即可获得不同模拟实验所需的相似材料倾斜角度；更为重要的是，由于实验过程中，不需要将整个实验装置抬高或提升至倾斜，有利保证相似材料的压实，进而提高模拟实验结果的真实性和可靠性。
[0026]综上所述，本发明的大倾角煤层相似模拟实验装置具有有益的技术效果，其在现有技术的采矿物理相似模拟实验装置的基础上，省略其所配备的液压举升装置或者提升装置后，仍具备实现既能进行水平煤层相似材料敷设又能进行大倾角煤层相似材料敷设的使用功能；
[0027]本发明的大倾角煤层相似模拟实验装置，工作过程中，其平衡性和稳定性好，降低了相似材料敷设难度和压实过程的操作、控制难度，保证了相似材料铺设和压实效果，降低了设备造价、动力消耗及所需的操作空间，并消除了现有技术中存在的安全隐患；
[0028]本发明的大倾角煤层相似模拟实验装置的实验方法，操作简便、节省人力物力，通过不同角度三角形护板的替换使用，即可获得模拟实验所需的相似材料不同的倾斜角度；更为重要的是，由于实验过程中，不需要将整个实验装置抬高或提升至倾斜，有利保证相似材料的压实效果，进而提高模拟实验结果的真实性和可靠性。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]图1是现有技术的煤层相似模拟实验装置实验过程的状态示意图；
[0030]图2为本发明的大倾角煤层相似模拟实验装置立体结构示意图(主要示出前面);
[0031]图3为本发明的大倾角煤层相似模拟实验装置立体透视结构示意图(主要示出前面)；
[0032]图4为本发明的大倾角煤层相似模拟实验装置立体结构示意图(主要示出后面)；
[0033]图5为本发明的大倾角煤层相似模拟实验装置立体透视结构示意图(主要示出后面)；
[0034]图6为本发明的大倾角煤层相似模拟实验装置立体透视结构示意图(主要示出侧面)；
[0035]图1为直角三角形护板放大的剖面结构示意图。
【具体实施方式】
[0036]下面结合附图对本发明的大倾角煤层相似模拟实验装置进行详细说明。
[0037]如图2-图7所示，本发明的大倾角煤层相似模拟实验装置，由机架部分和可拆卸部分组成，(如图所示，机架部分包括有顶梁3、立柱2、底座I)。其中，机架部分呈除矩形底面和左、右两侧面封闭之外，其前、后和顶面均敞开的箱体结构；
[0038]所述前、后两个面的框架各边的横截面均呈U形槽结构；
[0039]所述可拆卸部分包括条状的前护板5和后护板6，其特征在于，还包括有直角三角形护板4，所述前护板插入所述前框架的U形槽内；如图7所示，所述后护板横截面包括上下边分别呈U形槽的结构及与该U形槽插接相匹配的凸沿结构，所述后护板根据需要依次分别插入所述后框架的U形槽内，所述直角三角形护板根据使用需要依次插入所述后护板的U形槽内，并根据使用需要在所述后护板的U形槽内移动。
[0040]优选地，上述直角三角形护板4可选用木板制作为不同锐角的直角三角形护板成
套组合件。
[0041]下面结合附图对本发明的大倾角煤层相似模拟实验装置实验方法进行详细说明。
[0042]如图2-图7所示，本发明的大倾角煤层相似模拟实验装置的实验方法，包括以下步骤:
[0043]a、将前护板5全部安装到前框架的U型槽内，并将第一块后护板6安装在后框架的U型槽内，将直角三角形护板4的两个直角边分别插入后框架的U型槽和第一块后护板的U型槽内，形成直角三角形护板的初始位置，并在直角三角形护板4与前护板5之间形成第一层相似材料存放空间；
[0044]b、分别按比例称取实验所需相似材料的各种原料，并倒入搅拌机中搅拌均匀，再加水进行搅拌，后倒入第一层相似材料存放空间，用刮板刮平并压实，在表面上撒云母粉作为隔层，然后压平；
[0045]C、将直角三角形护板4沿后护板的U型槽内向前推进一定的距离至第二位置，使得第二位置的直角三角形护板斜边与初始位置的直角三角形护板斜边之间的距离等于相似材料的层厚，在直角三角形护板4与前护板5之间形成第二层相似材料存放空间；
[0046]d、分别按比例称取实验所需相似材料的各种原料，并倒入搅拌机中搅拌均匀，再加水进行搅拌，后倒入第二层相似材料存放空间，用刮板刮平并压实，在表面上撒云母粉作为隔层，然后压平；
[0047]e、依次推进直角三角形护板4，重复步骤C、d至该层相似材料敷设完成；
[0048]f、每完成一层相似材料的敷设后，相应加装一层后护板6，再依次重复上述步骤，
直至结束。
【权利要求】
1.一种大倾角煤层相似模拟实验装置，由机架部分和可拆卸部分组成，其中，机架部分呈除矩形底面和左右两侧面封闭之外，其前、后和顶面均敞开的箱体结构； 所述前、后两个面的框架各边的横截面均呈U形槽结构； 所述可拆卸部分包括条状的前护板和后护板，其特征在于，还包括有直角三角形护板，所述前护板插入所述前框架的U形槽内，所述后护板横截面包括上下边分别呈U形槽的结构及与该U形槽插接相匹配的凸沿结构，所述后护板根据需要依次分别插入所述后框架的U形槽内，所述直角三角形护板根据使用需要依次插入所述后护板的U形槽内，并根据使用需要在所述后护板的U形槽内移动。
2.根据权利要求1所述的大倾角煤层相似模拟实验装置，其特征在于，所述直角三角形护板为不同锐角的直角三角形护板成套组合件。
3.根据权利要求1或2所述的大倾角煤层相似模拟实验装置，其特征在于，所述直角三角形护板为木板。
4.一种权利要求1所述的大倾角煤层相似模拟实验装置的实验方法，其特征在于，包括以下步骤: a、将前护板全部安装到前框架的U型槽内，并将第一块后护板安装在后框架的U型槽内，将直角三角形护板的两个直角边分别插入后框架的U型槽和第一块后护板的U型槽内，形成直角三角形护板的初始位置，并在直角三角形护板与前护板之间形成第一层相似材料存放空间； b、分别按比例称取实验所需煤层相似材料的各种原料，并倒入搅拌机中搅拌均匀，再加水进行搅拌，后倒入第一层相似材料存放空间，用刮板刮平并压实，在表面上撒云母粉作为隔层，然后压平； C、将直角三角形护板沿后护板的U型槽内向前推进一定的距离至第二位置，使得第二位置的直角三角形护板斜边与初始位置的直角三角形护板斜边之间的距离等于相似材料的层厚，在直角三角形护板与前护板之间形成第二层相似材料存放空间； d、分别按比例称取实验所需煤层相似材料的各种原料，并倒入搅拌机中搅拌均匀，再加水进行搅拌，后倒入第二层相似材料存放空间，用刮板刮平并压实，在表面上撒云母粉作为隔层，然后压平； e、依次推进直角三角形护板重复步骤C、d至该层相似材料敷设完成； f、每完成一层相似材料的敷设后，相应加装一层后护板，再依次重复上述步骤，直至结束。
【文档编号】G01N33/24GK103630668SQ201310606948
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年11月25日 优先权日:2013年11月25日
【发明者】林东才, 栾恒杰, 贾传洋, 林惠立, 刘进晓, 张培森 申请人:山东科技大学