一种采矿工程中自动抚料压实和监测变形的教学平台的制作方法

本发明涉及煤矿和教育领域，特别是涉及一种采矿工程中自动抚料压实和监测变形的教学平台。

背景技术：

相似材料模拟实验方法能克服力学求解中的不足，较真实的模拟采场上覆岩层移动和地表沉降规律，目前广泛地应用于采矿工程中。刘纯贵的论文《马脊梁煤矿浅埋煤层开采覆岩活动规律的相似模拟》、杨真的论文《近距离房柱采空区下长壁采场顶板垮落特征研究》、贾明魁的论文《薄基岩突水威胁煤层开采覆岩变形破坏演化规律研究》等采用物理相似模拟方法研究了采场顶板岩层破断垮落及裂隙扩展和采场上覆岩层破坏、运移演化规律，分析了采空区围岩变形和破坏特性，以及地表沉降规律。采用相似材料模拟实验方法，在一定程度上定性甚至定量地反映了采空区上覆岩层的运移规律，能较好地再现采空区上覆岩层的破裂、弯曲、离层下沉、破断失稳以及地面塌陷的全过程，对人们清楚地认识开采沉陷具有十分重要的意义。

但是对于三维相似模拟试验，三维相似模拟试验中监测变形的结构和装置以及三维相似模拟试验中监测变形涉及到的铺料、抚料和压实的过程都没有相关的研究。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、成本低、操作简便的采矿工程中自动抚料压实和监测变形的教学平台。

一种采矿工程中自动抚料压实和监测变形的教学平台，包括模拟架和设置在其中的煤层和其他多个岩层，在所述煤层上方设置有含水层，在所述含水层的下部设置有隔水层，在所述含水层中设置有含水层模拟系统，所述含水层模拟系统包括一端相连并呈螺旋状布置的出水管和进水管，所述出水管的另一端与第一智能控压水箱相连，所述进水管的另一端与第二智能控压水箱相连，所述含水层模拟系统整体为椭圆形，在所述进水管和所述出水管的底部设置有喷水孔，在所述喷水孔上覆盖有塑胶贴纸；

所述模拟架为长方体结构，在其底部设置有椭圆形的渗透水箱，所述渗透水箱的内部设置有复合土工排水体，在所述渗透水箱的顶部设置有多个渗水孔，在所述渗透水箱和所述模拟架之间的空隙采用骨料填充；所述渗透水箱通过水管与外部水箱相连，在所述水管上设置有控压阀。

本发明所述的采矿工程中自动抚料压实和监测变形的教学平台，其中，所述喷水孔的设置方式为：在穿过椭圆中心的5条直线上，所有直线与所述进水管和所述出水管的相交处均设置有所述喷水孔，所述5条直线中，相邻的两条直线之间的角度均为36°。

本发明所述的采矿工程中自动抚料压实和监测变形的教学平台，其中，所述第一智能控压水箱和所述第二智能控压水箱的控压区间为0-4mpa，压力最大控制精度为0.1mpa，控制方式为：初始时，所述第一智能控压水箱的压力比所述第二智能控压水箱的压力大0.3mpa，当采煤模拟系统推采超过500mm时，开始升压，保持所述第一智能控压水箱的压力比所述第二智能控压水箱的压力大1mpa以上；

所述椭圆形的左右方向最长边为1750mm，上下方向最长边为1500mm，所述出水管和所述进水管的最大间距为200mm，所述出水管和所述进水管的截面为正方形，边长为20mm，所述喷水孔的直径为1mm，所述塑胶贴纸的宽度为20mm，厚度为1-2mm。

本发明所述的采矿工程中自动抚料压实和监测变形的教学平台，其中，在所述模拟架中设置有实时智能监测系统，包括渗压计、压力传感器和光学钻孔窥视仪，数量均为多个；

多个所述渗压计均匀设置在所述含水层和所述隔水层之间，所述压力传感器分为上下两层，设置在所述煤层的下方，在所述煤层的上方设置有三层所述光学钻孔窥视仪。

本发明所述的采矿工程中自动抚料压实和监测变形的教学平台，其中，所述渗压计的数量为18个，从前到后共3排，每排6个，左右方向上相邻两个所述渗压计之间的距离为700mm，前后方向上相邻两个所述渗压计之间的距离为450mm，

两层所述压力传感器分别设置在所述煤层下方100mm和300mm处，每层中所述压力传感器的数量为18个，从前到后共3排，每排6个，左右方向上相邻两个所述压力传感器之间的距离为700mm，前后方向上相邻两个所述压力传感器之间的距离为450mm；

三层所述光学钻孔窥视仪分别设置在所述煤层上方300mm，600mm和900mm处，每层包括3个所述光学钻孔窥视仪，一个位于所述模拟架长度方向的中间位置，两个在两侧，从下至上每层中相邻两个所述光学钻孔窥视仪之间的距离分别为1000mm、600mm和200mm。

本发明所述的采矿工程中自动抚料压实和监测变形的教学平台包括自动压实装置，包括：

4个支柱，竖直固定在靠近所述模拟架的4个角处，两个支撑杆一前一后固定在4个所述支柱上；

固定杆，其两端分别设置有轮体，与第一电机相连，所述轮体能够沿所述支撑杆左右滚动，在所述固定杆的下端连接有第一伸缩杆，在所述第一伸缩杆的下端连接有固定轴，在所述固定轴上套设有抚料滚筒，与第二电机相连，所述抚料滚筒能够绕所述固定轴旋转，在所述抚料滚筒上沿其长度方向均匀设置有4排挡片。

本发明所述的采矿工程中自动抚料压实和监测变形的教学平台，其中，所述抚料滚筒的直径为500mm，长度为1850mm，所述挡片的长宽厚分别为100mm、10mm和2mm，相邻两个所述挡片之间的间距为5mm；

所述第一伸缩杆调节高度，根据每一层的模拟高度，当压实完一层骨料时，自动上升到将要铺设的骨料高度，抚平骨料完成后，下降0.2倍的预设高度值，在抚平的骨料上压实，过程完全自动化，具体高度值根据模型之前计算的值，提前输入到电脑主机里。

本发明所述的采矿工程中自动抚料压实和监测变形的教学平台，其中，在所述煤层的上方设置有3个包括裂隙的裂隙带，从下至上依次为第一裂隙带、第二裂隙带和第三裂隙带，长和宽依次为4000×1300mm、3000×900mm和2000×600mm；

所述裂隙采用裂隙预制装置制作而成，所述裂隙预制装置包括按压把手、底座和设置在二者之间的弹性夹层，所述按压把手为长方体，包括四个第一侧壁和顶板，所述底座为长方体，包括四个第二侧壁和底板，所述按压把手和所述底座之间通过多个弹性塑胶相连，且所述按压把手和所述底座之间具有一定的间隔，形成所述弹性夹层；所述裂隙预制装置包括多个裂隙制作部，所述裂隙制作部包括固定轴、助推刀片、裂隙刀片和滑道；

所述固定轴位于所述按压把手的内部，两端分别固定在位于前侧和后侧的所述第一侧壁上，所述滑道为长条形的中空结构，上端通过滑道旋转轴固定在所述底座内，所述滑道为两个，分别设置在所述固定轴的左右两侧，所述助推刀片为两个，上端连接在所述固定轴上，每个所述助推刀片的下端均连接有一个裂隙刀片，所述裂隙刀片贯穿在所述滑道中；

所述裂隙预制装置包括第一控制轴和第二控制轴，所述第一控制轴与所有的裂隙制作部的位于左侧的滑道的下端相连，在所述底座的左侧设置有第一通孔，所述第一控制轴的左端从所述第一通孔中穿出，所述第二控制轴与所有的裂隙制作部的位于右侧的滑道的下端相连，在所述底座的右侧设置有第二通孔，所述第二控制轴的右端从所述第二通孔中穿出，在所述底座的左右两侧设置有固定扣，在所述固定扣的下端设置有橡胶，所述橡胶与所述第一控制轴和所述第二控制轴接触；在所述底座的底板上设置有多个供所述裂隙刀片穿过的长条形通孔。

本发明所述的采矿工程中自动抚料压实和监测变形的教学平台，其中，所述按压把手的所述顶板长为800mm，宽为200mm，厚为45mm，所述第一侧壁的高度为55mm，材质为塑料；所述底座的所述底板的长为800mm，宽为200mm，厚为200mm，所述第二侧壁的高度为15mm；所述弹性塑胶的高度为200mm，前后长度为200mm，左右宽为20mm，在10kg压力下压缩范围小于100mm；

所述助推刀片的上下长为140mm，厚为3mm，前后宽为200mm，所述裂隙刀片的上下长为300mm，厚为1.5mm，前后宽为200mm；所述滑道的长为150mm，壁厚为2mm，前后宽为200mm，中空的厚度为3.5mm；所述助推刀片、所述裂隙刀片和所述滑道的材质为铁。

本发明所述的采矿工程中自动抚料压实和监测变形的教学平台，其中，

所述渗透水箱的长轴长为3500mm，短轴长为2500mm，高为100mm，pvc材质，所述渗水孔的直径为1mm，相邻两个所述渗水孔之间的距离为50mm；

所述模拟架的长宽高分别为4000mm、2500mm和3000mm，所述渗水孔的设置方式为：

以所述模拟架底板的中心为圆心呈圆形分布，有多个同心圆，最小的圆直径为200mm，所述渗水孔数量为10个，以此往外每一个圆直径增加100mm，所述渗水孔数量增加2个，最外面的一个圆直径为2000mm，所述渗水孔数量为46个；

所述复合土工排水体由高压聚乙烯挤压加工而成，两面具有不同的肋条和沟槽，其空隙率为80-95％，250kpa压力下，其压缩率低于10％。

本发明采矿工程中自动抚料压实和监测变形的教学平台与现有技术不同之处在于：

本发明采矿工程中自动抚料压实和监测变形的教学平台实现了真正模拟实际生产中的垮落变形以及形变的监测，主要表现在人工预制了裂隙的存在，这是以往没有涉及的，在预制裂隙的情况下垮落和变形才是符合实际的情形的，这样随之带来的应力变化也才是合理和准确的。

本发明采矿工程中自动抚料压实和监测变形的教学平台实现了水下采煤和预制裂隙的功能，并且配套了对应功能实现的过程中需要匹配的一个序列的方法，包括抚料和铺料等流程，对相关的结构和工具都进行了创新。

下面结合附图对本发明的采矿工程中自动抚料压实和监测变形的教学平台作进一步说明。

附图说明

图1为本发明采矿工程中自动抚料压实和监测变形的教学平台的结构示意图；

图2为本发明采矿工程中含水层模拟系统的结构示意图；

图3为本发明中自动压实装置的正视图；

图4为本发明中自动压实装置的俯视图；

图5为本发明中自动压实装置的立体图；

图6为本发明中自动压实装置中的抚料滚桶的结构示意图；

图7为本发明中裂隙预制装置的结构示意图；

图8为本发明中渗透水箱的结构示意图；

图9为本发明中渗透水箱的顶板的结构示意图。

具体实施方式

如图1～图9所示，本发明采矿工程中自动抚料压实和监测变形的教学平台包括模拟架1和设置在其中的煤层2和其他多个岩层，在煤层2上方设置有含水层3，在含水层3中设置有含水层模拟系统，含水层模拟系统包括一端相连并呈螺旋状布置的出水管301和进水管302，出水管301的另一端与第一智能控压水箱303相连，进水管302的另一端与第二智能控压水箱304相连，含水层模拟系统整体为椭圆形，在进水管302和出水管301的底部设置有喷水孔305，在喷水孔305上覆盖有塑胶贴纸。模拟架1为长方体结构，在其底部设置有椭圆形的渗透水箱801，渗透水箱801的内部设置有复合土工排水体，在渗透水箱801的顶部设置有多个渗水孔802，在渗透水箱801和模拟架1之间的空隙采用骨料填充；渗透水箱801通过水管与外部水箱相连，在水管上设置有控压阀803。

以下为优选技术方案：

喷水孔305的设置方式为：在穿过椭圆中心的5条直线上，所有直线与进水管302和出水管301的相交处均设置有喷水孔305，5条直线中，相邻的两条直线之间的角度均为36°。

第一智能控压水箱303和第二智能控压水箱304的控压区间为0-4mpa，压力最大控制精度为0.1mpa，控制方式为：初始时，第一智能控压水箱303的压力比第二智能控压水箱304的压力大0.3mpa，当采煤模拟系统推采超过500mm时，开始升压，保持第一智能控压水箱303的压力比第二智能控压水箱304的压力大1mpa以上；

椭圆形的左右方向最长边为1750mm，上下方向最长边为1500mm，出水管301和进水管302的最大间距为200mm，出水管301和进水管302的截面为正方形，边长为20mm，喷水孔305的直径为1mm，塑胶贴纸的宽度为20mm，厚度为1-2mm。

开始时，塑胶贴纸贴在进水管302和出水管301的底侧面上，当模拟开采之后，随着底板跨落后下沉，在水压作用下，塑胶贴纸与喷水孔305分离，塑胶贴纸与喷水孔305之间水压超过1mpa即可分离，这样充分模拟了真实情况下的含水层透水量，即垮落越充分，透水量越大。

在模拟架1中设置有实时智能监测系统，包括渗压计、压力传感器和光学钻孔窥视仪，数量均为多个；

多个渗压计均匀设置在含水层3和隔水层4之间，压力传感器分为上下两层，设置在煤层2的下方，在煤层2的上方设置有三层光学钻孔窥视仪。

在隔水层4铺设完毕后铺设渗压计，测量岩层中渗透水压力；渗压计的数量为18个，从前到后共3排，每排6个，左右方向上相邻两个渗压计之间的距离为700mm，前后方向上相邻两个渗压计之间的距离为450mm，

两层压力传感器分别设置在煤层2下方100mm和300mm处，监测全程压力变化情况，每层中压力传感器的数量为18个，从前到后共3排，每排6个，左右方向上相邻两个压力传感器之间的距离为700mm，前后方向上相邻两个压力传感器之间的距离为450mm；

三层光学钻孔窥视仪分别设置在煤层2上方300mm，600mm和900mm处，每层包括3个光学钻孔窥视仪，一个位于模拟架1长度方向的中间位置，两个在两侧，从下至上每层中相邻两个光学钻孔窥视仪之间的距离分别为1000mm、600mm和200mm。光学钻孔窥视仪对采场上覆岩层损伤与破坏特征进行研究，该设备采用高清晰度镜头及彩色显示设备，分辨0.5mm的裂隙，与电脑主机连接，可实现图像的实时传输和显示，能够直观地反应钻孔内裂隙发育的情况。

本发明包括自动压实装置9，包括：

4个支柱901，竖直固定在靠近模拟架1的4个角处，两个支撑杆902一前一后固定在4个支柱901上；

固定杆903，其两端分别设置有轮体904，与第一电机相连，轮体904能够沿支撑杆902左右滚动，在固定杆903的下端连接有第一伸缩杆906，在第一伸缩杆906的下端连接有固定轴907，在固定轴907上套设有抚料滚筒908，与第二电机相连，抚料滚筒908能够绕固定轴907旋转，在抚料滚筒908上沿其长度方向均匀设置有4排挡片909。

抚料滚筒908的直径为500mm，长度为1850mm，挡片909的长宽厚分别为100mm、10mm和2mm，相邻两个挡片909之间的间距为5mm；

第一伸缩杆906调节高度，根据每一层的模拟高度，当压实完一层骨料时，自动上升到将要铺设的骨料高度，抚平骨料完成后，下降0.2倍的预设高度值，在抚平的骨料上压实，过程完全自动化，具体高度值根据模型之前计算的值，提前输入到电脑主机里。

在煤层2的上方设置有3个包括裂隙的裂隙带，从下至上依次为第一裂隙带、第二裂隙带和第三裂隙带，长和宽依次为4000×1300mm、3000×900mm和2000×600mm；

裂隙采用裂隙预制装置制作而成，裂隙预制装置包括按压把手601、底座602和设置在二者之间的弹性夹层，按压把手601为长方体，包括四个第一侧壁和顶板，底座602为长方体，包括四个第二侧壁和底板，按压把手601和底座602之间通过多个弹性塑胶603相连，且按压把手601和底座602之间具有一定的间隔，形成弹性夹层；裂隙预制装置包括多个裂隙制作部，裂隙制作部包括固定轴604、助推刀片605、裂隙刀片606和滑道607；

固定轴604位于按压把手601的内部，两端分别固定在位于前侧和后侧的第一侧壁上，滑道607为长条形的中空结构，上端通过滑道旋转轴608固定在底座602内，滑道607为两个，分别设置在固定轴604的左右两侧，助推刀片605为两个，上端连接在固定轴604上，每个助推刀片605的下端均连接有一个裂隙刀片606，裂隙刀片606贯穿在滑道607中；

裂隙预制装置包括第一控制轴609和第二控制轴610，第一控制轴609与所有的裂隙制作部的位于左侧的滑道607的下端相连，在底座602的左侧设置有第一通孔，第一控制轴609的左端从第一通孔中穿出，第二控制轴610与所有的裂隙制作部的位于右侧的滑道607的下端相连，在底座602的右侧设置有第二通孔，第二控制轴610的右端从第二通孔中穿出，在底座602的左右两侧设置有固定扣611，在固定扣611的下端设置有橡胶，橡胶与第一控制轴609和第二控制轴610接触；固定扣611的上端在底座602的外侧，当调节好角度之后，按压固定扣611，让橡胶与第一控制轴609和第二控制轴610紧密接触并施加压力，通过摩擦力起到固定作用。在底座602的底板上设置有多个供裂隙刀片606穿过的长条形通孔。固定扣611为常规的任意的可以上下调整并固定的结构，例如以下的现有技术中的固定扣611：包括连接在一起的竖直的固定部和水平的按压部，在底座602上开有孔(长条形的限位滑道)，按压部的一端从孔中穿出，手动上下按压或者上提按压部可以调节固定部的位置，从而起到固定或者放松第一控制轴609和第二控制轴610的目的。

按压把手601的顶板长为800mm，宽为200mm，厚为45mm，第一侧壁的高度为55mm，材质为塑料；底座602的底板的长为800mm，宽为200mm，厚为200mm，第二侧壁的高度为15mm；弹性塑胶603的高度为200mm，前后长度为200mm，左右宽为20mm，在10kg压力下压缩范围小于100mm；

助推刀片605的上下长为140mm，厚为3mm，前后宽为200mm，裂隙刀片606的上下长为300mm，厚为1.5mm，前后宽为200mm；滑道607的长为150mm，壁厚为2mm，前后宽为200mm，中空的厚度为3.5mm；助推刀片605、裂隙刀片606和滑道607的材质为铁。

采用本发明的裂隙预制装置进行裂隙制作的方法：裂隙的形状和方法不限于如下种类，仅是举例：

λ型裂隙：

按照实验制定要求铺设模拟岩层骨料，抚料、铺平并压实，铺设到需要预制裂隙的岩层时，开始使用裂隙预制装置制作裂隙；

按照实验制定的裂隙密度的要求，调整裂隙预制装置中滑道607的间距，通过调节第一控制轴609和第二控制轴610漏出底座602的长度并按压固定扣611，扩大或者减小滑道607在底座602露出部分的距离，达到实验需求；

将裂隙预制装置，按照实验制定的裂隙密度的要求调整好滑道607在底座602露出部分的距离，贴放在模拟岩层的上方，缓慢匀速的按下按压把手601，按照实验制定的裂隙长度的要求，往下按压的距离等于裂隙的长度，整个过程中切不可让裂隙预制装置发生侧向的滑动，然后缓慢的释放按压把手601，收回裂隙刀片606；将裂隙预制装置拿起，在沿着裂隙预制装置长度方向移动一个裂隙间距的距离处放下裂隙预制装置，即l，贴放在模拟岩层的上方，缓慢匀速的按下按压把手601，按照实验制定的裂隙长度的要求，往下按压的距离等于裂隙的长度，整个过程中切不可让裂隙预制装置发生侧向的滑动，然后缓慢的释放，这样，完成λ型裂隙一个模型量的预制，根据实验需要的面积，按照上述方式完成多个模型裂隙预制的量即可。

渗透水箱801的长轴长为3500mm，短轴长为2500mm，高为100mm，pvc材质，渗水孔802的直径为1mm，相邻两个渗水孔802之间的距离为50mm；

模拟架1的长宽高分别为4000mm、2500mm和3000mm，渗水孔802的设置方式为：

以模拟架1底板的中心为圆心呈圆形分布，有多个同心圆，最小的圆直径为200mm，渗水孔802数量为10个，以此往外每一个圆直径增加100mm，渗水孔802数量增加2个，最外面的一个圆直径为2000mm，渗水孔802数量为46个；

复合土工排水体由高压聚乙烯挤压加工而成，两面具有不同的肋条和沟槽，其空隙率为80-95％，250kpa压力下，其压缩率低于10％。

复合土工排水体高压聚乙烯挤压加工而成，两面具有不同的肋条和沟槽，以适应含水和排水需要，相对其它软质塑料板材具有很好的刚度，对保持排水腔有利，材质比重较小，成本低廉，由于是立体结构，其空隙率为80-95％，250kpa压力下，其压缩率低于10％，不存在不通水的问题，无需考虑会被土压力压坏。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。