综放开采煤岩分界面3D“扫描+打印”实验台及方法与流程

本发明涉及一种综放开采煤岩分界面3D“扫描+打印”实验台及方法，属于矿山工程技术领域。

背景技术：

综合机械化放顶煤开采自20世纪80年代引进我国后飞速发展，是我国开采厚及特厚煤层的主要方法之一，由于现场顶煤运移规律的不可视性，实验室内放煤实验是研究放顶煤开采的主要方法。目前放煤实验中对于煤岩分界面的描述大多处于二维状态，对于其三维空间形态特征研究较少。因此迫切需要一种实用性强，操作简单，可以直观反映煤岩分界面空间形态的实验台，得到不同赋存条件下煤岩分界面形态与顶煤回收率的关系，以便指导综放工作面提高顶煤回收率。

技术实现要素：

本发明提出一种综放开采煤岩分界面3D“扫描+打印”实验台及方法，该实验台可以直接观察不同煤层赋存条件、不同放煤方式下的煤岩分界面发育过程，并3D打印出空间曲面，实现煤岩分界面永久化可视化研究，同时实现了顶煤模拟颗粒和矸石模拟颗粒的自动分离功能，减少了实验者工作量。

本发明采用如下技术方案：

本发明包括透明实验台架体、刻度尺、放煤支架、挡煤平板、气动合页、开门拉环、透明顶煤模拟颗粒、散体矸石模拟颗粒、颗粒筛选装置、出料口A、出料口B、3D扫描仪、电脑、3D打印机；所述透明实验台架体由四块有机玻璃连接而成，在所述透明实验台架体上安装所述放煤支架和所述刻度尺；所述放煤支架立柱与所述颗粒筛选装置连接，放煤支架顶梁与所述透明实验台架体连接；所述挡煤平板与所述透明实验台架体连接，与所述放煤支架尾梁无缝接触；所述气动合页连接所述放煤支架的掩护梁和尾梁；所述开门拉环与所述放煤支架尾梁连接；所述透明顶煤模拟颗粒和散体矸石模拟颗粒依次铺设于所述放煤支架上方；所述颗粒筛选装置由若干根不锈钢材料组成筛选网；所述出料口A和出料口B位于所述透明实验台架体左右两侧；所述3D扫描仪位于所述透明实验台架体四周；所述电脑及所述3D打印机位于所述透明实验台架体一侧。

所述开门拉环的拉绳由一定刚度的钢丝制成，穿过所述放煤支架立柱，拉动所述开门拉环实现放煤口打开功能。

所述气动合页利用压缩氮气作为回转动力，松开所述开门拉环实现放煤口自动关闭功能。

所述颗粒筛选装置中相邻两根不锈钢材料间间距可调，且应与所选模拟颗粒粒径相适应，可以将下落的粒径大小不同的散体矸石模拟颗粒和透明顶煤模拟颗粒区分开来，分别由出料口A和出料口B放出。

所述刻度尺分别位于透明实验台架体四侧，可以用来测量不同层位煤岩分界面切面直径。

所述散体矸石模拟颗粒在放煤过程中逐渐侵入所述透明顶煤模拟颗粒，实现煤岩分界面空间形态可视化。

所述3D扫描仪可以将不同煤层赋存条件、不同放煤方式下放煤实验中不同阶段的煤岩分界面扫描还原出其三维空间形态，由所述电脑及所述3D打印机打印出可视化永久化煤岩分界面。

其实验步骤如下：

a、实验前对实验台各零部件进行调整，并进行安全检查排除隐患，安装实验台至实验要求状态；

b、按照实验要求选取粒径大小合适的透明顶煤模拟颗粒和散体矸石模拟颗粒，按厚度比例依次铺设在实验台上；

c、模拟颗粒铺设完毕后，去除边界效应选择一架支架作为1#放煤支架；

d、按照实验要求放煤方式，由1#放煤支架开始放煤，拉动1#放煤支架对应的开门拉环，放煤口(放煤支架尾梁)打开进行放煤；

e、放出的透明顶煤模拟颗粒由出料口B放出，记录放煤时间，t s后松开开门拉环，停止放煤；

f、由四侧刻度尺分别测量出此时每隔一定高度的不同层位煤岩分界面切面直径大小，并开启四侧3D扫描仪对此时的煤岩分界面形态进行扫描，并将扫描结果由电脑控制配套的3D打印机打印出可视化空间曲面；

g、拉动1#放煤支架的开门拉环，再次进行放煤，每隔t s停止放煤一次，直到由透明实验台架体前方看到第一颗散体矸石模拟颗粒出现时，结束本支架放煤过程，重复步骤f，记录每个放煤时间段t后煤岩分界面形态；

h、依次重复步骤d至g进行后续放煤，完成整个实验；

i、将透明实验台架体内部剩余颗粒从放煤支架放煤口放出，透明顶煤模拟颗粒和散体矸石模拟颗粒分别由出料口A和出料口B滑出，以供再次实验使用。

本发明的有益效果是：

本发明利用有机玻璃可视化的特性对放煤过程矸石模拟颗粒流动规律及煤岩分界面空间形态发育过程进行时时观察，实现了其可视化功能；利用3D扫描仪和3D打印机还原打印出每一放煤时间段后形成的煤岩分界面空间曲面，实现其永久性可视化研究；可以观察不同煤层赋存条件、不同放煤方式条件下煤岩分界面空间形态，得出煤岩分界面与顶煤采出率之间关系曲线；实现了矸石和顶煤模拟颗粒自动分离功能，大大降低了人员工作量。

附图说明

当结合附图考虑时，能够更完整更好地理解本发明。此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例中综放开采煤岩分界面3D“扫描+打印”的实验台示意图。

图2为本发明实施例中综放开采煤岩分界面3D“扫描+打印”的实验台部分零件示意图。

图3为本发明实施例中综放开采煤岩分界面3D“扫描+打印”实验台及方法放煤前示意图。

图4为本发明实施例中综放开采煤岩分界面3D“扫描+打印”实验台及方法放煤后示意图。

图5为本发明实施例中综放开采煤岩分界面3D“扫描+打印”实验台及方法3D打印出第一架放煤结束后煤岩分界面效果示意图。

附图中的标记符号说明：

1-透明实验台架体、2-刻度尺、3-放煤支架、4-挡煤平板、5-气动合页、6-开门拉环、7-透明顶煤模拟颗粒、8-散体矸石模拟颗粒、9-颗粒筛选装置、10-出料口A、11-出料口B、12-3D扫描仪、13-电脑、14-3D打印机。

具体实施方式

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。

综放开采煤岩分界面3D“扫描+打印”实验台及方法，包括透明实验台架体1、刻度尺2、放煤支架3、挡煤平板4、气动合页5、开门拉环6、透明顶煤模拟颗粒7、散体矸石模拟颗粒8、颗粒筛选装置9、出料口A 10、出料口B 11、3D扫描仪12、电脑13、3D打印机14。

如图1、2、3、4所示，本可视化实验台中透明实验台架体1由四块有机玻璃连接而成，在透明实验台架体1上安装放煤支架3和刻度尺2；放煤支架3立柱与颗粒筛选装置9连接，放煤支架3顶梁与透明实验台架体1连接；挡煤平板4与透明实验台架体1连接，与放煤支架3尾梁无缝接触；气动合页5连接放煤支架3的掩护梁和尾梁；开门拉环6与放煤支架3尾梁连接；透明顶煤模拟颗粒7和散体矸石模拟颗粒8依次铺设于放煤支架3上方；颗粒筛选装置9由若干根不锈钢材料组成筛选网；出料口A10和出料口B 11位于透明实验台架体1左右两侧；3D扫描仪12位于透明实验台架体1四周；电脑13及3D打印机14位于透明实验台架体1一侧。

其实验步骤如下：

a、实验前对实验台各零部件进行调整，并进行安全检查排除隐患，安装实验台至实验要求状态；

b、按照实验要求选取粒径大小合适的透明顶煤模拟颗粒7和散体矸石模拟颗粒8，按厚度比例依次铺设在实验台上；

c、模拟颗粒铺设完毕后，去除边界效应选择一架支架作为1#放煤支架；

d、按照实验要求放煤方式，由1#放煤支架开始放煤，拉动1#放煤支架对应的开门拉环6，放煤口(放煤支架3尾梁)打开进行放煤；

e、放出的透明顶煤模拟颗粒7由出料口B 11放出，记录放煤时间，t s后松开开门拉环6，停止放煤；

f、由四侧刻度尺2分别测量出此时每隔一定高度的不同层位煤岩分界面切面直径大小，并开启四侧3D扫描仪12对此时的煤岩分界面形态进行扫描，并将扫描结果由电脑13控制配套的3D打印机14打印出可视化空间曲面；

g、拉动1#放煤支架的开门拉环6，再次进行放煤，每隔t s停止放煤一次，直到由透明实验台架体1前方看到第一颗散体矸石模拟颗粒8出现时，结束本支架放煤过程，重复步骤f，记录每个放煤时间段t后煤岩分界面形态；

h、依次重复步骤d至g进行后续放煤，完成整个实验；

i、将透明实验台架体1内部剩余颗粒从放煤支架3放煤口放出，透明顶煤模拟颗粒7和散体矸石模拟颗粒8分别由出料口A 10和出料口B 11滑出，以供再次实验使用。

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替换、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。