一种用于模拟煤层回采的试验装置、模型及方法与流程

1.本发明涉及煤炭开采技术领域，具体涉及一种用于模拟煤层回采的试验装置、模型及方法。


背景技术：

2.煤矿回采过程中，随着工作面的推进，采空区原有力学平衡状态遭到破坏，失去支撑的上覆岩层发生变形位移，直至破坏垮落。为了准确认识顶板岩层变形破坏过程，保证煤矿安全开采，因此，对回采过程中物理力学参数以及变形破坏机理的认识至关重要。但是目前工作面及采空区现场试验存在诸多限制与安全隐患，无法开展准确的现场监测试验。物理模拟试验作为研究煤层回采过程顶板变形破坏的主要手段之一，具有方便、快捷、可重复的优势。为了更准确获取物理模拟试验数据，必须尽可能提高模拟试验与现场的相似性。此类物理模拟试验的技术难点在于如何在顶板岩层存在条件下准确模拟煤层回采过程，使其产生与实际工况相近的地质力学现象。
3.为此，目前已研发多种用于煤层回采及充填模拟的试验系统及方法。但是，现有煤层回采模拟试验系统的主要局限性如下：(1)可靠性差，面临顶板垮落阻碍回采过程、回采产生的渣土清运困难以及误将渣土与采空区垮落顶板一同清运的问题，影响实验准确性；(2)操作复杂，需要在模型中设置多种构件，对模型的整体性及试验结果产生较大影响。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种用于模拟煤层回采的试验装置、模型及方法，能够以可靠、简单和快捷的方式实现模拟不同厚度煤层的回采。
5.为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
6.一种用于模拟煤层回采的试验装置，包括能够互相配合形成长方体结构的上楔形结构和下楔形结构。其中，上楔形结构的其中一端设有沿与上楔形结构倾斜角度一致的方向延伸的螺纹通孔，下楔形结构的预设位置上设有与螺纹通孔的轴线垂直且向上延伸的挡板。挡板的高度不小于螺纹通孔的最高位置。
7.根据本发明的用于模拟煤层回采的试验装置，通过将上楔形结构和下楔形结构拼接，模拟煤层铺设，需要开挖煤层时，通过端部为螺杆的手持电钻或简易螺杆结构穿过螺纹通孔，使螺杆结构顶部到达下楔形结构上的挡板位置，继续旋转螺杆结构以挡板为反力点，便可通过螺杆带动上楔形结构沿下楔形结构的倾斜面向下移动，从而降低了整体结构的高度，而且能够保持上楔形结构和下楔形结构的整体性，进而通过人工依次取出上楔形结构和下楔形结构即可完成模拟煤层开挖过程，操作简单便捷，对顶底板扰动小。并且仅仅由上楔形结构和下楔形结构组成的模拟试验装置，结构简单，易于加工，生成成本低。
8.对于上述技术方案，还可进行如下所述的进一步的改进。
9.根据本发明的用于模拟煤层回采的试验装置，在一个优选的实施方式中，上楔形结构和下楔形结构上互相对应的一端设有能够互相形成配合的滑槽和滑块结构。
10.通过设置互相配合的滑槽和滑块结构，能够有效保证上楔形结构和下楔形结构在模拟试验过程中的稳定性。
11.进一步地，在一个优选的实施方式中，上楔形结构和下楔形结构通过互相形成配合的燕尾槽结构连接。
12.通过互相形成配合的燕尾槽结构连接，能够进一步提高上楔形结构和下楔形结构之间的活动连接的稳定性。
13.具体地，在一个优选的实施方式中，上楔形结构为中空壳体结构。
14.将上楔形结构设置为中空壳体结构，能够有效减轻试验装置的重量，节省物料，便于下楔形结构上的挡板向上延伸，并且能够便于模拟试验过程中螺杆结构的操作。
15.进一步地，在一个优选的实施方式中，上楔形结构和下楔形结构的外表面均设有滑动层。
16.通过设置滑动层，可以减小上楔形结构和下楔形结构与试验模型内其他试件之间的摩擦力，减小模拟开挖过程中对煤层顶板和底板的扰动。
17.具体地，在一个优选的实施方式中，滑动层为聚四氟板。
18.在上楔形结构和下楔形结构外表面粘贴聚四氟板，能够有效提高整个模拟试验装置的耐腐蚀性能和润滑性能，从而进一步确保减小上楔形结构和下楔形结构与试验模型内其他试件之间的摩擦力和模拟开挖过程中对煤层顶板和底板的扰动。
19.根据本发明第二方面的一种用于模拟煤层回采的试验模型，包括反力框架。其中，反力框架顶部和底部分别设有煤层顶板和煤层底板。反力框架内从下到上依次设有拟回采的煤层位置和拟留设煤柱的煤层位置。上述所述的试验装置布置在拟回采的煤层位置。在拟留设煤柱的煤层位置铺设型煤。
20.显然，由于在试验模型中采用了上述所述的试验装置，结构简单，易于加工，生成成本低，并且能够很好地确保模拟煤层回采的试验过程操作简单便捷，对顶底板扰动小。
21.根据本发明第三方面的用于模拟煤层回采的试验方法，采用上述所述的试验模型实施，具体包括如下步骤：s01、根据试验模拟范围及预设比例确定煤层厚度和加工对应比例尺寸及数量的上述所述的试验装置。s02、制作上述所述的试验模型。s03、完成试验系统的安装调试，在试验模型外围施加地应力。s04、利用带螺杆结构的工具穿过螺纹通孔旋转前进，直至接触到下楔形结构上的挡板，螺杆结构以挡板为反力点，从而带动上楔形结构沿下楔形结构倾斜向下滑动。s05、依次取出上楔形结构和下楔形结构从而模拟煤层回采。
22.显然，在上述试验装置和上述试验模型的基础上来实行模拟煤层回采的实试验，操作简单便捷，对顶底板扰动小。
23.对于上述技术方案，还可进行如下所述的进一步的改进。
24.根据本发明的用于模拟煤层回采的试验方法，在一个优选的实施方式中，步骤s02具体包括如下子步骤：s021、铺设煤层底板。s022、在拟回采的煤层位置依次布置上述所述的试验装置。s023、在拟留设煤柱的煤层位置铺设型煤。s024、铺设煤层顶板。
25.进一步地，在一个优选的实施方式中，在步骤s02中，试验模型内至少包括两组拟回采的煤层位置和拟留设煤柱的煤层位置。
26.通过布置多层拟回采的煤层的位置拟留设煤柱的煤层位置，并且对应的拟回采的煤层的位置设置试验装置，在对应的拟留设煤柱的煤层位置铺设型煤，能够在实验模型内
开展多煤层回采模拟，从而进一步提高本试验模型和方法的适用性。
27.相比现有技术，本发明的优点在于：能够以可靠、简单和便捷的方式实现模拟不同厚度煤层的回采，对顶底板扰动小。
附图说明
28.在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
29.图1示意性显示了本发明实施例的试验装置的侧视结构；
30.图2示意性显示了本发明实施例的试验装置的俯视结构；
31.图3示意性显示了本发明实施例的上楔形结构的俯视结构；
32.图4示意性显示了本发明实施例的下楔形结构的俯视结构；
33.图5示意性显示了本发明实施例的上楔形结构的整体结构；
34.图6示意性显示了本发明实施例的下楔形结构的整体结构；
35.图7示意性显示了本发明实施例的试验模型的整体结构；
36.图8示意性显示了本发明实施例的试验方法的整体流程。
37.在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。
具体实施方式
38.下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但并不因此而限制本发明的保护范围。
39.图1示意性显示了本发明实施例的试验装置10的侧视结构。图2示意性显示了本发明实施例的试验装置10的俯视结构。图3示意性显示了本发明实施例的上楔形结构1的俯视结构。图4示意性显示了本发明实施例的下楔形结构2的俯视结构。图5示意性显示了本发明实施例的上楔形结构1的整体结构。图6示意性显示了本发明实施例的下楔形结构2的整体结构。图7示意性显示了本发明实施例的试验模型100的整体结构。图8示意性显示了本发明实施例的试验方法的整体流程。
40.实施例1
41.如图1至图6所示，本发明实施例的用于模拟煤层回采的试验装置10，包括能够互相配合形成长方体结构的上楔形结构1和下楔形结构2。其中，上楔形结构1的其中一端设有沿与上楔形结构1倾斜角度一致的方向延伸的螺纹通孔11，下楔形结构2的预设位置上设有与螺纹通孔11的轴线垂直且向上延伸的挡板21。挡板21的高度不小于螺纹通孔11的最高位置。
42.根据本发明实施例的用于模拟煤层回采的试验装置，通过将上楔形结构和下楔形结构拼接，模拟煤层铺设，需要开挖煤层时，通过端部为螺杆的手持电钻或简易螺杆结构4穿过螺纹通孔，使螺杆结构顶部到达下楔形结构上的挡板位置，继续旋转螺杆结构以挡板为反力点，便可通过螺杆带动上楔形结构沿下楔形结构的倾斜面向下移动，从而降低了整体结构的高度，而且能够保持上楔形结构和下楔形结构的整体性，进而通过人工依次取出上楔形结构和下楔形结构即可完成模拟煤层开挖过程，操作简单便捷，对顶底板扰动小。并且仅仅由上楔形结构和下楔形结构组成的模拟试验装置，结构简单，易于加工，生成成本低。
43.进一步地，在本实施例中，如图1至图6所示，上楔形结构1和下楔形结构2上互相对应的一端设有能够互相形成配合的滑槽和滑块结构。通过设置互相配合的滑槽和滑块结构，能够有效保证上楔形结构和下楔形结构在模拟试验过程中的稳定性。进一步地，在本实施例中，上楔形结构1和下楔形结构2通过互相形成配合的燕尾槽结构3连接。通过互相形成配合的燕尾槽结构连接，能够进一步提高上楔形结构和下楔形结构之间的活动连接的稳定性。
44.如图1和图5所示，具体地，在本实施例中，上楔形结构1为中空壳体结构。将上楔形结构设置为中空壳体结构，能够有效减轻试验装置的重量，节省物料，便于下楔形结构上的挡板向上延伸，并且能够便于模拟试验过程中螺杆结构的操作。
45.进一步地，在本实施例中，上楔形结构1和下楔形结构2的外表面均设有滑动层。通过设置滑动层，可以减小上楔形结构和下楔形结构与试验模型内其他试件之间的摩擦力，减小模拟开挖过程中对煤层顶板和底板的扰动。具体地，在本实施例中，滑动层为聚四氟板。在上楔形结构和下楔形结构外表面粘贴聚四氟板，能够有效提高整个模拟试验装置的耐腐蚀性能和润滑性能，从而进一步确保减小上楔形结构和下楔形结构与试验模型内其他试件之间的摩擦力和模拟开挖过程中对煤层顶板和底板的扰动。
46.实施例2
47.如图7所示，本发明实施例的用于模拟煤层回采的试验模型100，包括反力框架101。其中，反力框架101顶部和底部分别设有煤层顶板102和煤层底板103。反力框架101内从下到上依次设有拟回采的煤层位置104和拟留设煤柱的煤层位置105。上述所述的试验装置10布置在拟回采的煤层位置104。在拟留设煤柱的煤层位置105铺设型煤106。显然，由于在试验模型中采用了上述所述的试验装置，结构简单，易于加工，生成成本低，并且能够很好地确保模拟煤层回采的试验过程操作简单便捷，对顶底板扰动小。
48.实施例3
49.如图8所示，本发明实施例的用于模拟煤层回采的试验方法，采用上述所述的试验模型100实施，具体包括如下步骤：s01、根据试验模拟范围及预设比例确定煤层厚度和加工对应比例尺寸及数量的上述所述的试验装置。s02、制作上述所述的试验模型。s03、完成试验系统的安装调试，在试验模型外围施加地应力。s04、利用带螺杆结构的工具穿过螺纹通孔旋转前进，直至接触到下楔形结构上的挡板，螺杆结构以挡板为反力点，从而带动上楔形结构沿下楔形结构倾斜向下滑动。s05、依次取出上楔形结构和下楔形结构从而模拟煤层回采。显然，在上述试验装置和上述试验模型的基础上来实行模拟煤层回采的实试验，操作简单便捷，对顶底板扰动小。
50.具体地，在本实施例中，步骤s02包括如下子步骤：s021、铺设煤层底板。s022、在拟回采的煤层位置依次布置上述所述的试验装置。s023、在拟留设煤柱的煤层位置铺设型煤。s024、铺设煤层顶板。
51.进一步地，在本实施例中，在步骤s02中，试验模型内至少包括两组拟回采的煤层位置和拟留设煤柱的煤层位置。通过布置多层拟回采的煤层的位置拟留设煤柱的煤层位置，并且对应的拟回采的煤层的位置设置试验装置，在对应的拟留设煤柱的煤层位置铺设型煤，能够在实验模型内开展多煤层回采模拟，从而进一步提高本试验模型和方法的适用性。
52.根据上述实施例，可见，本发明涉及的用于模拟煤层回采的试验装置、模型及方法，能够以可靠、简单和便捷的方式实现模拟不同厚度煤层的回采，对顶底板扰动小。
53.虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。