本发明涉及采矿工程试验研究技术领域，具体是一种复杂条件煤层开采地表沉陷相似模拟试验装置及方法。
背景技术：
煤矿开采后会破坏岩体内部原有的力学平衡，导致上覆岩层和地表发生移动和变形，随着开采的推进将扩散到地表，导致地表发生沉陷，破坏现有土地资源并给周边建构筑物带来直接或间接危害。针对煤矿开采过程中及开采后导致的地面沉陷问题，为准确观测开采过程中的岩层及地表移动随开采时间与空间的变化，分析煤炭开采对地表沉陷的影响，相似材料模拟试验成为研究这一复杂地质环境的重要科学手段。基于相似材料模拟试验理论，将复杂的地质岩层通过模型上的相似再现，来研究真实对象中发生的现象和过程的规律性，可以得出相关的技术指标和参数，为实际工程的生产实践和应用提供科学依据，对建构筑物下开采导致的地表沉陷的岩层运动理论研究有一定的指导意义，从而达到解决实际问题的目的。
现有的相似材料模拟实验装置(cn103823041a、cn204594982u)往往只能进行单一倾角煤层的模拟开采，普遍存在人工手动开采对上覆岩层扰动较大的现象，并且煤层开采尺寸固定，因此该类模拟试验装置在很大程度上难以适应现阶段复杂煤层条件开采模拟的需要。中国专利(zl201510451445.6)公开了“一种三维多煤层开采相似材料模型实验系统”，该装置模拟煤层群下层煤回采时能够通过下层煤填充件在固定螺栓上的移动实现，模拟上层煤回采时能通过抽取上层煤填充件实现，从而可模拟两层煤的开采。但是，该实验系统存在以下不足：工程实际中由于地质环境的特殊性和复杂性，矿区煤田赋存呈现不规则分布，且煤层倾角多变，该实验系统只能模拟煤层水平且煤层开采高度、宽度单一的工况，无法模拟不同煤层倾角及不同煤层开采高度、宽度的工况，因此无法对不规则的地质环境的开采进行试验研究。
技术实现要素：
本发明的目的是为了解决上述现有技术的不足，提供一种能够模拟多种煤层倾角及不同开采高度、宽度工况的复杂条件煤层开采地表沉陷相似模拟试验装置及方法。
本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：一种复杂条件煤层开采地表沉陷相似模拟试验装置，包括底座、试验箱、填充件和试验箱角度调节机构；
所述试验箱包括底板、开采层模框和非开采层模框，所述开采层模框和非开采层模框叠放固定在底板上；所述开采层模框的侧部设有开采口和开采口调节机构；所述开采口调节机构包括调节板、曲柄、第一连杆、弹簧、旋钮和棘轮止退机构；所述调节板安装于开采层模框上并可沿开采层模框的高度方向滑动，调节板的滑动能够调节开采口的高度；所述曲柄的一端枢接于开采层模框上；所述旋钮与曲柄的转轴连接，曲柄的另一端与第一连杆的一端枢接；所述第一连杆的另一端与调节板枢接；所述弹簧作用于开采层模框和调节板之间；所述棘轮止退机构用于阻碍曲柄在弹簧的作用下转动。
所述填充件与开采口匹配且可从开采口插入试验箱中。
所述试验箱角度调节机构包括丝杠、丝母、第二连杆和驱动电机；所述丝杠安装在底座上，所述丝母螺接于丝杠；所述底座上设有立板，所述底板与立板枢接；所述第二连杆分别与丝母和底板枢接；所述驱动电机与丝杠连接。
本发明的技术方案还有：所述开采口调节机构沿开采层模框的长度方向设有至少两套。
本发明的技术方案还有：所述开采口对称设置于开采层模框的两侧。
本发明的技术方案还有：所述开采层模框上设有第一翻边；所述调节板的顶部设有第二翻边，调节板的底部设有第三翻边；所述第二翻边和第三翻边之间设有导向杆；所述第一翻边上设有与导向杆滑动配合的通孔，第二翻边和第三翻边分别位于第一翻边的上方和下方；所述弹簧套设在导向杆上并位于第一翻边和第二翻边之间。
本发明的技术方案还有：所述棘轮止退机构包括棘轮、止退棘爪和拉簧；所述棘轮安装于曲柄的转轴上；所述止退棘爪枢接于开采层模框上；所述拉簧用于使止退棘爪与棘轮保持接触。
本发明的技术方案还有：所述填充件的一侧设有与其球铰连接的滚珠。采用本技术方案，相对于填充件侧部直接接触的情况，能够将填充件之间由滑动摩擦改为滚动摩擦，减小摩擦力，使填充件的拉动更为省力，减小填充件的磨损。
本发明的技术方案还有：还包括拉动装置，所述拉动装置包括竖直移动机构、前后移动机构、拉动气缸和万向钩；所述拉动气缸的轴线呈左右方向；所述竖直移动机构和前后移动机构用于驱动拉动气缸做竖直和前后方向的移动；所述万向钩安装在拉动气缸的活塞杆上。采用本技术方案，相对于人工拉动填充件的方式，降低了试验人员的劳动强度，提高了试验效率。
本发明的技术方案还有：所述竖直移动机构为第一气动滑台；所述前后移动机构为第二气动滑台；所述第一气动滑台能够驱动第二气动滑台竖直移动；所述第二气动滑台能够驱动拉动气缸前后移动。
本发明的技术方案还有：所述万向钩包括钩体和万向节；所述填充件的外端设有与钩体匹配的拉柄。试验箱被翻转一定角度后，通过万向钩可以实现填充件处于不同角度时的拉动。
本发明还提供了一种复杂条件煤层开采地表沉陷相似模拟试验方法，包括以下步骤：
a、根据现场煤层及岩层参数，配置相似材料；
b、根据现场工况，通过开采口调节机构调整开采口的高度，选择与开采口匹配的填充件并将其插入开采层模框中；
c、通过试验箱角度调节机构将底板调整至水平，将开采层模框和非开采层模框逐层安装在底板上，每安装一层开采层模框或非开采层模框后将相似材料铺设进去并压实，在相似材料中布置传感器；
d、根据现场工况，通过试验箱角度调节机构调整试验箱的角度；试验箱角度调整完毕后用相似材料填充试验箱并压实，使相似材料的顶面水平，或者去除部分相似层材料使相似材料的顶面水平；
e、在试验箱的前、后面布置高速相机，结合数字图像处理技术监测相似材料层的平面位移；在相似材料层的顶面采用纵横布置测线的方法，测量地表变形，其数据用软件处理后可获得地表变形云图，或选用三维激光扫描监测并获得相关数据；
f、根据现场工况，将填充件拉至预设位置；
g、对采集的数据和图像进行处理、分析。
相对于现有技术，本发明复杂条件煤层开采地表沉陷相似模拟试验装置及方法的有益效果为：通过开采口调节机构调节开采口的高度，选用与开采口匹配的填充件能够模拟不同开采高度；通过控制填充件的拉动位移能够模拟不同开采宽度；通过试验箱角度调节机构调整试验箱的角度能够模拟不同的煤层倾角；因此，本发明能够模拟多种煤层倾角及不同煤层开采高度、宽度的工况，实现了对不规则的地质环境的开采进行试验研究，从而探究煤层开采对地面沉降的作用机理及应对方案，消除安全隐患。
附图说明
图1为实施例一的复杂条件煤层开采地表沉陷相似模拟试验装置的立体图。
图2为实施例一的复杂条件煤层开采地表沉陷相似模拟试验装置的主视图。
图3为实施例一的复杂条件煤层开采地表沉陷相似模拟试验装置的侧视图。
图4为实施例一的开采层模框的结构示意图。
图5为图4中a部的局部放大图。
图6为实施例一的填充件的结构示意图。
图7为实施例一的填充件的爆炸图。
图8为实施例二的复杂条件煤层开采地表沉陷相似模拟试验装置的侧视图。
图9为实施例三的复杂条件煤层开采地表沉陷相似模拟试验装置的立体图。
图10为图9中b部的局部放大图。
图11为实施例三的复杂条件煤层开采地表沉陷相似模拟试验装置的主视图。
图中：1、底座，2、填充件，3、底板，4、开采层模框，5、非开采层模框，6、开采口，7、调节板，8、曲柄，9、第一连杆，10、弹簧，11、丝杠，12、丝母，13、第二连杆，14、驱动电机，15、立板，16、旋钮，17、第一翻边，18、第二翻边，19、第三翻边，20、导向杆，21、棘轮，22、止退棘爪，23、拉簧，24、滚珠，25、拉动气缸，26、第一气动滑台，27、第二气动滑台，28、钩体，29、万向节，30、拉柄，31、滚珠安装板，32、沉头螺钉，33、立柱，34、防脱卡。
具体实施方式
为能清楚说明本方案的技术特点，下面根据附图对本发明具体实施方式作进一步说明。
实施例一：如图1～7所示，本实施例提供了一种复杂条件煤层开采地表沉陷相似模拟试验装置，包括底座1、试验箱、填充件2和试验箱角度调节机构。
试验箱包括底板3、开采层模框4和非开采层模框5，开采层模框4和非开采层模框5均为矩形框体，底板3的四角各设有一根立柱33，开采层模框4和非开采层模框5通过螺栓安装在立柱33上。开采层模框4设有两层，按由上向下分别为第三层和第五层，非开采层模框5设有三层。
开采层模框4的两侧设有开采口6和开采口调节机构，开采口调节机构包括调节板7、曲柄8、第一连杆9、弹簧10、旋钮16和棘轮止退机构。如图3、图4所示，开采口调节机构在开采层模框4的每侧沿其长度方向设有五套，五套开采口调节机构将开采口6调节为具有五段不同的高度。
如图3、图4所示，调节板7安装于开采层模框4上并可沿开采层模框4的高度方向滑动，调节板7的滑动能够调节开采口6的高度。具体的，开采层模框4上设有第一翻边17，调节板7的顶部设有第二翻边18，调节板7的底部设有第三翻边19，第二翻边18和第三翻边19之间设有导向杆20，第一翻边17上设有与导向杆20滑动配合的通孔，第二翻边18和第三翻边19分别位于第一翻边17的上方和下方。
曲柄8的一端枢接于开采层模框4上，旋钮16与曲柄8的转轴连接，曲柄8的另一端与第一连杆9的一端枢接，第一连杆9的另一端与调节板7枢接。曲柄8、第一连杆9和调节板7组成曲柄滑块机构，拧动旋钮16使曲柄8旋转，即可使调节板7沿开采层模框4的高度方向滑动。
弹簧10作用于开采层模框4和调节板7之间。具体的，弹簧10套设在导向杆20上并位于第一翻边17和第二翻边18之间。弹簧10对调节板7施加向上的作用力。
棘轮止退机构用于阻碍曲柄8在弹簧10的作用下转动。具体的，如图5所示，棘轮止退机构包括棘轮21、止退棘爪22和拉簧23，所述棘轮21安装于曲柄8的转轴上，止退棘爪22枢接于开采层模框4上，拉簧23用于使止退棘爪22与棘轮21保持接触。当不扳动止退棘轮21时，只能顺时针拧动旋钮16，此时只能使调节板7下移。由于弹簧10对调节板7施加向上的作用力，止退棘爪22阻碍棘轮21逆时针转动，使调节板7保持位置。当需要增加开采口6的高度时，扳动止退棘爪22，调节板7在弹簧10的作用下上移。
填充件2与开采口6匹配且可从开采口6插入试验箱中。
如图1～图3所示，试验箱角度调节机构包括丝杠11、丝母12、第二连杆13和驱动电机14，所述丝杠11安装在底座1上，所述丝母12螺接于丝杠11。所述底座1上设有立板15，所述底板3与立板15枢接。第二连杆13分别与丝母12和底板3枢接。所述驱动电机14与丝杠11连接。当需要调节试验箱的角度时，驱动电机14带动丝杠11旋转，丝杠11带动丝母12平移，丝母12带动第二连杆13的下端移动，即可使底板3绕其与立柱33的枢接轴转动。
如图6、图7所示，为了减小摩擦力，使填充件2的拉动更为省力并减小填充件2的磨损，填充件2的一侧设有与其球铰连接的滚珠24。具体的，填充件2的侧部设有滚珠安装板31，滚珠安装板31与填充件2上设有对应的部分球面空腔，滚珠安装板31通过沉头螺钉32与填充件2连接，滚珠安装板31与填充件2上设有对应的部分球面空腔组合为球面空腔，滚珠24安装于球面空腔内。因此，填充件2之间通过滚珠24接触，将填充件2之间由滑动摩擦改为滚动摩擦。
本实施例还提供了一种复杂条件煤层开采地表沉陷相似模拟试验方法，包括以下步骤：
a、根据现场煤层及岩层参数，配置相似材料，岩层相似材料一般由固体颗粒材料和液体材料按照不同参数配置而成，可先将染色剂加入相似材料的固体材料中搅拌均匀，根据模拟要求选用不同染色剂对不同岩层相似材料进行染色；
b、根据现场工况，通过开采口调节机构调整开采口6的高度，具体的，当需要降低开采口6的高度时，顺时针拧动旋钮16，旋钮16带动曲柄8旋转，曲柄8通过第一连杆9带动调节板7下移；当需要增大开采口6的高度时，扳动止退棘爪22，止退棘爪22不对棘轮21产生作用力，调节板7在弹簧的作用下上移；通过五套开采口调节机构调节开采口6的高度，然后选择与开采口6匹配的填充件2并将其插入开采层模框4中；
c、通过试验箱角度调节机构将底板3调整至水平，将开采层模框4和非开采层模框5逐层安装在底板3上，每安装一层开采层模框4或非开采层模框5后将相似材料铺设进去并压实，在相似材料中布置传感器；
d、在试验箱的前、后面布置高速相机，结合数字图像处理技术监测平面的位移；在相似材料层的顶面采用纵横布置测线的方法，测量地表变形，其数据用软件处理后可获得地表变形云图，或选用三维激光扫描监测并获得地表变形及建筑物倾斜、沉陷等相关数据；
e、根据现场工况，将填充件2逐个拉至预设位置，通过控制填充件2的拉动位移来模拟煤层开采宽度；
f、对采集的数据和图像进行处理、分析。
实施例二：一种复杂条件煤层开采地表沉陷相似模拟试验方法，包括以下步骤：
a、根据现场煤层及岩层参数，配置相似材料，岩层相似材料一般由固体颗粒材料和液体材料按照不同参数配置而成，可先将染色剂加入相似材料的固体材料中搅拌均匀，根据模拟要求选用不同染色剂对不同岩层相似材料进行染色；
b、根据现场工况，通过开采口调节机构调整开采口6的高度，具体的，当需要降低开采口6的高度时，顺时针拧动旋钮16，旋钮16带动曲柄8旋转，曲柄8通过第一连杆9带动调节板7下移；当需要增大开采口6的高度时，扳动止退棘爪22，止退棘爪22不对棘轮21产生作用力，调节板7在弹簧的作用下上移；通过五套开采口调节机构调节开采口6的高度，然后选择与开采口6匹配的填充件2并将其插入开采层模框4中；
c、通过试验箱角度调节机构将底板3调整至水平，将开采层模框4和非开采层模框5逐层安装在底板3上，每安装一层开采层模框4或非开采层模框5后将相似材料铺设进去并压实，在相似材料中布置传感器；
d、根据现场工况，通过试验箱角度调节机构调整试验箱的角度，具体的，如图8所示，驱动电机14带动丝杠11旋转，丝杠11带动丝母12平移，丝母12带动第二连杆13的下端移动，即可使底板3绕其与立柱33的枢接轴转动，本实施例中试验箱被转动了20°，以模拟煤层倾角为20°的工况；试验箱角度调整完毕后用相似材料填充试验箱并压实，使相似材料的顶面水平，或者去除部分相似层材料使相似材料的顶面水平，以测量地表变形；
e、在试验箱的前、后面布置高速相机，结合数字图像处理技术监测平面的位移；在相似材料层的顶面采用纵横布置测线的方法，测量地表变形，其数据用软件处理后可获得地表变形云图，或选用三维激光扫描监测并获得地表变形及建筑物倾斜、沉陷等相关数据；
f、根据现场工况，将填充件2逐个拉至预设位置，通过控制填充件2的拉动位移来模拟煤层开采宽度；
g、对采集的数据和图像进行处理、分析。
实施例三：如图9～11所示，不同于实施例一，本实施例的复杂条件煤层开采地表沉陷相似模拟试验装置还包括拉动装置，拉动装置包括第一气动滑台26、第二气动滑台27、拉动气缸25和万向钩。
第一气动滑台26能够驱动第二气动滑台27竖直移动，第二气动滑台27能够驱动拉动气缸25前后移动。
万向钩安装在拉动气缸25的活塞杆上，万向钩的轴线呈左右方向，万向钩包括钩体28和万向节29，填充件2的外端设有与钩体28匹配的拉柄30。
当需要拉动填充件2时，通过第一气动滑台26和第二气动滑台27控制拉动气缸25至目标填充件2的位置，将钩体28钩挂于拉柄30上。为防止脱落，钩体28上设有防脱卡34。由于万向钩具有万向节29，因此当试验箱被翻转一定角度后，通过万向钩可以实现填充件2处于不同角度时的拉动。
上面结合附图对本发明的实施例做了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。