一种大倾角煤层飞矸致灾精准模拟实验台及应用方法与流程

本发明涉及一种实验室物理模拟实验台，尤其涉及一种大倾角煤层飞矸致灾精准模拟实验台及应用方法，属于煤矿灾害防治领域。

背景技术：

飞矸是一种由于大倾角煤层开采过程中，工作面落煤、片帮、顶板漏冒等产生的煤(岩)块，并对现场作业人员和设备形成伤害的动力现象。煤(岩)块脱离母体在重力作用下加速运移，具有较大的冲击能量，与工人和设备发生碰撞时危害大、运移特征复杂，严重制约着煤矿安全高效回采。为了更科学合理地防治飞矸给作业人员带来的危害，需深入研究飞矸在不同工况下运移特征与冲击能量。

目前，针对大倾角煤层飞矸的研究主要集中在防护装置和采煤工艺优化两方面，一般采用数值模拟、现场试验、室内试验的方法，数值模拟手段由于材料属性和边界条件等的简化，导致其可靠性较低；现场试验常因费用高、实现难度大、不具普遍性等被舍弃采用；室内试验是近年来较常用的一种研究手段，具有省时、耗费低、可行性高的特点；现阶段的飞矸防治主要是被动防护，多形成结合方式的防护系统，但却忽略了煤层倾角、底板强度等对飞矸运移特征的影响。

鉴于此，有必要开发一套适用于不同倾角、不同工况的实验室飞矸精准模拟装置，为研究飞矸运动特征及灾害防治提供帮助。

技术实现要素：

针对现有技术和设备的不足，本发明的目的在于提供一种大倾角煤层飞矸致灾精准模拟实验台，可以模拟飞矸在不同倾角、不同工况下的运动特征，经测速模型监测记录飞矸运移特征，然后计算出飞矸某一时刻的冲击能量，进一步深入研究大倾角工作面飞矸致灾机理及其灾害防治。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种大倾角煤层飞矸致灾精准模拟实验台，包括：

飞矸滑道凹槽模型，包括钢框架、透明防护板、凹槽、伸缩式支架，所述钢框架置于模型外侧，所述凹槽与钢框架相距2m，所述透明防护板有两种规格，一种置于钢框架四周，另一种置于凹槽四周，所述伸缩式支架共有四部，分别是一号支架、二号支架、三号支架、四号支架，通过伸缩式支架高度变化调节模型倾斜程度；

飞矸启动模型，包括岩块、支柱、输送带、转轴连杆、滚筒传动转轴，所述岩块放置在输送带上，所述支柱以两组平行的方式设置在模型底部四边角，所述每组支柱之间通过一根转轴连杆连接，所述转轴连杆之间连接有若干滚筒传动转轴，其中滚筒传动转轴通过联轴器与电机相连接，所述输送带位于滚筒传动转轴外部；

挡矸模型，包括挡矸立杆、挡矸横杆、三级挡矸网，所述挡矸立杆一端连接挡矸横杆，所述挡矸横杆可旋转360°，三级挡矸网竖直悬挂在挡矸横杆上；

测速模型，包括高速摄像机立杆、高速摄像机横杆、高速摄像机，所述高速摄像机立杆一端连接高速摄像机横杆，所述挡矸横杆可旋转360°，高速摄像机安装在挡矸横杆另一端。

优选地所述凹槽底部为钢铁材料。

优选地所述透明防护板为亚克力板材料。

优选地所述挡矸横杆长度与凹槽宽度相同。

优选地所述三级挡矸网为菱形铁网，三级挡矸网和挡矸横杆的宽度相同。

本发明还提出了一种大倾角煤层飞矸精准模拟实验台应用方法，应用上述装置，其包括如下工作步骤：

(1)根据实验要求按照飞矸滑道凹槽模型、飞矸启动模型、挡矸模型、测速模型的顺序组装实验台，并置于水平地面。

(2)根据工程地质条件在凹槽4底部铺设相似材料，模拟工作面底板；

(3)根据工程地质条件调整伸缩式支架3的高度，使得飞矸滑道凹槽模型倾斜度满足实验要求；

(4)在输送带上放置一定尺寸的岩块，模拟工作面飞矸；

(5)安置挡矸模型，包括安置三级挡矸网、挡矸立杆和挡矸横杆，三级挡矸网竖直悬挂在挡矸横杆上；

(6)安置测速模型，包括安置高速摄像机立杆、高速摄像机横杆和高速摄像机，旋转高速摄像机横杆，调整高速摄像机的拍摄角度；

(7)开启电源，使岩块以一定的速度和方向滚落；

(8)高速摄像机监测记录实验过程，提取实验数据，最后按相反顺序拆除实验台模型。

本发明的有益效果是：

本发明述及的一种大倾角煤层飞矸精准模拟实验台及应用方法，通过在飞矸滑道凹槽铺设不同配比的相似材料，模拟底板变化对飞矸运动特征的影响；利用伸缩式支架调整飞矸滑道凹槽的倾斜程度，模拟倾角变化对飞矸运动特征的影响。因而，本装置通过飞矸滑道凹槽模型、飞矸启动模型、挡矸模型、测速模型的高效配合，可以进行不同工况下飞矸运动特征的实验室模拟，具有结构简单，操作方便，可重复使用的优点。

附图说明

图1本发明整体结构示意图。

图2本发明飞矸滑道凹槽模型示意图。

图3本发明飞矸启动模型示意图。

图4本发明挡矸模型示意图。

图5本发明测速模型示意图。

图中：1-钢框架；2-透明防护板；31-一号支架；32-二号支架；33-三号支架；34-四号支架；4-凹槽；5-岩块；6-支柱；7-输送带；8-转轴连杆；9-滚筒传动转轴；10-三级挡矸网；11-挡矸立杆；12-高速摄像机；13-挡矸横杆；14-高速摄像机立杆；15-高速摄像机横杆。

具体实施方式

结合附图，对本发明的使用作进一步的说明。

如图1、图2、图3、图4、图5所示，一种大倾角煤层飞矸致灾精准模拟实验台，包括飞矸滑道凹槽模型，飞矸启动模型，挡矸模型，测速模型。

飞矸滑道凹槽模型，包括钢框架1、透明防护板2、凹槽4、伸缩式支架3，所述凹槽和钢框架四周均是透明防护板，所述透明防护板均是亚克力板材料，所述伸缩式支架共有四部，分别是一号支架31、二号支架32、三号支架33、四号支架34，通过伸缩式支架高度的变化调整飞矸滑道模型倾斜程度；

飞矸启动模型，包括岩块5、支柱6、输送带7、转轴连杆8、滚筒传动转轴9；所述支柱6以两组平行的形式设置在模型底部四边角，所述两组支柱之间通过一根转轴连杆连接，所述转轴连杆之间连接有若干滚筒传动转轴，其中滚筒传动转轴通过联轴器与电机相连接，所述输送带位于滚筒传动转轴外部；

挡矸模型，包括三级挡矸网10、挡矸立杆11，挡矸横杆13，所述挡矸立杆一端与挡矸横杆相连接，所述挡矸横杆可旋转360°，其长度与凹槽4宽度相同；三级挡矸网悬挂在挡矸横杆上；

测速模型，包括高速摄像机立杆14、高速摄像机12，高速摄像机横杆15，所述高速摄像机立杆一端与高速摄像机横杆相连接，所述高速摄像机横杆15可旋转360°，所述高速摄像机12安装在挡矸横杆一端。

结合附图，实验室进行大倾角煤层开采过程中飞矸致灾精准模拟时，大致步骤如下：

(1)根据实验要求按照飞矸滑道凹槽模型、飞矸启动模型、挡矸模型、测速模型的顺序组装实验台，并置于水平地面；

(2)根据工程地质条件在凹槽4底部铺设相似材料，模拟工作面底板；

(3)根据工程地质条件调整伸缩式支架3的高度，使得飞矸滑道凹槽模型倾斜度满足实验要求；

(4)在输送带7上放置一定尺寸的岩块5，模拟工作面飞矸；

(5)安置挡矸模型，包括安置三级挡矸网10、挡矸立杆11和挡矸横杆13，三级挡矸网竖直悬挂在挡矸横杆13上；

(6)安置测速模型，包括安置高速摄像机立杆14、高速摄像机横杆15和高速摄像机12，旋转高速摄像机横杆15，调整高速摄像机12的拍摄角度；

(7)开启电源，使岩块5以一定的速度和方向滚落；

(8)高速摄像机12监测记录实验过程，提取实验数据，最后按相反顺序拆除实验台模型。

当然，上述说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于上述的实施例，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。