一种三维模拟煤矿顶板破断的实验平台的制作方法

本发明涉及矿山压力研究领域，尤其涉及一种三维模拟煤矿顶板破断的实验平台。

背景技术

煤炭作为我国主要能源，安全、绿色、高效是煤炭开采的重要指标，对矿山压力的研究是保证高产高效、安全生产的关键。顶板破断规律观测是利用相似材料尽可能还原某地质条件下的开采过程，观察顶板垮落变形情况，煤层被开挖后受自重应力与原岩应力影响下发生变形，通过改变基本顶厚度、开采工作面模型长度、观察顶板变形情况、监测岩层中应力应变以及裂隙发育情况，进而分析得出顶板的变形情况与基本顶厚度、工作面长度之间的关系。

现阶段，对矿山压力观测研究主要有现场实测、相似模拟、数值分析等方法。其中，现场实测环境恶劣，数据离散性较大，受某一区域地质条件影响严重，不便于得到一般规律；而数值分析方法对地质条件需要准确了解，受数据资料影响，计算精度很难确定；至于相似模拟实验虽然能够较为直观地观察顶板变形情况，但是这种实验方法受材料影响难以实现持续均匀加载，三维模型内部观测困难，而且模型尺寸单一固定，适用范围受限，不利于对顶板破断规律进行探究总结。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种实验操作简单、测试效果准确可靠，实验过程透明可视的三维模拟煤矿顶板破断的实验平台。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种三维模拟煤矿顶板破断的实验平台，包括顶板、顶板加压装置和煤层模拟控制装置，所述煤层模拟控制装置的上表面设置有煤层模型，所述煤层模拟控制装置控制所述煤层模型实现对煤炭开采过程中煤层上下波动状况的模拟，所述顶板加压装置包括下边界框、上边界框、施压组件和无顶透明罩，所述下边界框活动安装在所述煤层模拟控制装置的上表面，所述下边界框的上方为顶板放置区，所述下边界框用于将所述顶板支撑在所述煤层模型的上方；所述无顶透明罩罩设在所述上边界框的上方，所述无顶透明罩的底端外沿与所述上边界框的顶端外沿密封连接，所述上边界框设置在所述顶板的上方，所述上边界框的上方连接有所述施压组件，所述施压组件通过所述上边界框对所述顶板的上表面施压固定，所述顶板的上表面包覆有透明防水薄膜，所述上边界框对所述顶板的上表面施加有压力时，位于所述上边界框上方的所述无顶透明罩空间内用于注水，所述上边界框的上方安装有水压检测仪，用于监控所述无顶透明罩内注水压力的大小；位于所述顶板放置区的所述无顶透明罩的内壁上设置有声发射仪，所述声发射仪用于监测顶板断裂内部裂隙产生情况；

所述煤层模型的上表面、所述顶板的上表面、所述上边界框的上表面以及所述下边界框的上表面均设置有压力传感器；所述声发射仪、所述水压检测仪以及所述压力传感器均与一控制系统信号连接。

可选的，所述施压组件包括承压架，所述承压架的底端与所述上边界框的上表面焊接，所述承压架的外顶端面设置有指针式液压千斤顶，所述指针式液压千斤顶用于给所述上边界框加压，所述承压架的内顶端面朝下设置有高速照相机，所述高速照相机用于记录实验过程中顶板的破断形态。

可选的，所述指针式液压千斤顶上设置有油压监测仪，所述高速照相机的帧频为60帧/秒。

可选的，所述无顶透明罩的顶端可拆卸安装有高度限制板，所述高度限制板用于在所述指针式液压千斤顶加压时限制所述指针式液压千斤顶向上偏移。

可选的，所述顶板采用沙、石膏及石灰以相应的配比制成。

可选的，所述煤层模拟控制装置包括箱壳、所述煤层模型和煤层调控机构，所述煤层模型设置在所述箱壳的上表面，所述煤层调控机构设置在所述箱壳内部，所述煤层模型与所述煤层调控机构连接，所述煤层调控机构通过调控所述煤层模型的升降实现对煤炭开采过程中煤层上下波动状况的模拟。

可选的，所述煤层模型包括多个并排设置的煤层板，每个所述煤层板的下方均连接一个所述煤层调控机构，实现每个所述煤层板升降的独立控制。

可选的，所述煤层调控机构包括煤层托盘、升降丝杆、升降螺母和水平驱动杆，所述煤层托盘的上方连接所述煤层板，所述升降丝杆的顶端穿过所述升降螺母与所述煤层托盘的底端可拆卸连接，所述升降螺母通过一横向限位杆与所述箱壳的内壁固定连接；所述升降丝杆的底端连接有第一螺旋伞齿轮，所述水平驱动杆的一端连接有第二螺旋伞齿轮，所述第二螺旋伞齿轮用于与所述第一螺旋伞齿轮啮合连接，所述水平驱动杆的另一端设置有煤层升降旋钮，所述水平驱动杆设置有所述煤层升降旋钮的一端贯穿所述箱壳的侧壁并延伸至所述箱壳的外部，每个煤层板所对应的所述煤层升降旋钮在所述箱壳的外壁并排分布。

可选的，所述煤层板为亚克力粘结煤层板。

可选的，所述声发射仪为amsy-6声发射仪。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明的三维模拟煤矿顶板破断的实验平台，能够根据地质条件情况铺设相似材料，最大程度还原现场实际地质条件，并根据不同开采条件选用不同尺寸煤层模型和上下边界框，可重复利用，适用于不同厚度、不同工作面长度、不同模拟地质条件下顶板破断三维观测，不仅解决了现有模拟实验台尺寸单一固定、适用范围受限的问题，而且实验台操作简单、实验效果准确可靠，实验过程透明可视，有利于对顶板破断规律进行全面的总结探究。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明三维模拟煤矿顶板破断的实验平台的结构示意图；

图2为本发明顶板加压装置的结构示意图；

图3为本发明煤层模拟控制装置的结构示意图；

图4为图3煤层模拟控制装置内煤层调控机构的结构示意图；

图5为本发明三维模拟煤矿顶板破断的实验平台与声发射仪连接的结构示意图；

其中，附图标记为：1、煤层模拟控制装置；2、煤层模型；21、煤层板；22、煤层托盘；23、升降丝杆；24、升降螺母；241、横向限位杆；25、第一螺旋伞齿轮；26、第二螺旋伞齿轮；27、水平驱动杆；28、长螺栓；29、箱壳；3、下边界框；4、上边界框；5、承压架；6、无顶透明罩；7、顶板放置区；8、高度限制板；9、指针式液压千斤顶；91、油压监测仪；10、高速照相机；11、压力传感器；12、螺栓；13、煤层升降旋钮；14、声发射仪；15、顶板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种实验操作简单、测试效果准确可靠，实验过程透明可视的三维模拟煤矿顶板破断的实验平台。

基于此，本发明提供一种三维模拟煤矿顶板破断的实验平台，包括顶板、顶板加压装置和煤层模拟控制装置，煤层模拟控制装置的上表面设置有煤层模型，煤层模拟控制装置控制煤层模型实现对煤炭开采过程中煤层上下波动状况的模拟，顶板加压装置包括下边界框、上边界框、施压组件和无顶透明罩，下边界框活动安装在煤层模拟控制装置的上表面，下边界框的上方为顶板放置区，下边界框用于将顶板支撑在所述煤层模型的上方；无顶透明罩罩设在上边界框的上方，无顶透明罩的底端外沿与上边界框的顶端外沿密封连接，上边界框设置在顶板的上方，上边界框的上方连接有施压组件，施压组件通过上边界框对顶板的上表面施压固定，顶板的上表面包覆有透明防水薄膜，上边界框对顶板的上表面施加有压力时，位于上边界框上方的无顶透明罩空间内用于注水，上边界框的上方安装有水压检测仪，用于监控无顶透明罩内注水压力的大小；位于顶板放置区的无顶透明罩的内壁上设置有声发射仪，声发射仪用于监测顶板断裂内部裂隙产生情况；煤层模型的上表面、顶板的上表面、上边界框的上表面均设置有压力传感器；声发射仪、水压检测仪以及压力传感器均与一控制系统信号连接。

本发明的三维模拟煤矿顶板破断的实验平台，能够根据地质条件情况铺设相似材料，最大程度还原现场实际地质条件，并根据不同开采条件选用不同尺寸煤层模型和上下边界框，可重复利用，适用于不同厚度、不同工作面长度、不同模拟地质条件下顶板破断三维观测，不仅解决了现有模拟实验台尺寸单一固定、适用范围受限的问题，而且实验台操作简单、实验效果准确可靠，实验过程透明可视，有利于对顶板破断规律进行全面的总结探究。

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。

实施例一：

如图1～5所示，本实施例提供一种三维模拟煤矿顶板破断的实验平台，包括顶板15、顶板加压装置和煤层模拟控制装置1，煤层模拟控制装置1的上表面设置有煤层模型2，煤层模拟控制装置1用于控制煤层模型1实现对煤炭开采过程中煤层上下波动状况的模拟，顶板加压装置包括下边界框3、上边界框4、施压组件和无顶透明罩6，下边界框3活动安装在煤层模拟控制装置1的上表面，下边界框3的上方为顶板放置区7，顶板放置区7用于放置顶板15，下边界框3用于将顶板15支撑在煤层模型2的上方；无顶透明罩6罩设在上边界框4的上方，无顶透明罩6的底端外沿与上边界框4的顶端外沿密封连接，上边界框4设置在顶板15的上方，上边界框4的上方连接有施压组件，施压组件通过上边界框4对顶板15的上表面施压固定，顶板15的上表面包覆有透明防水薄膜，上边界框4对顶板15的上表面施加有压力时，位于上边界框4上方的无顶透明罩6空间内用于注水，上边界框4的上方安装有水压检测仪41，水压检测仪41用于监控无顶透明罩6内注水压力的大小；位于顶板放置区7的无顶透明罩6的内壁上设置有声发射仪14，声发射仪14用于监测顶板断裂内部裂隙产生情况；

进一步地，煤层模型2的上表面、顶板15的上表面、上边界框4的上表面以及下边界框3的上表面均设置有压力传感器11；声发射仪14、水压检测仪41以及压力传感器1均与一控制系统信号连接。

于本具体实施例中，施压组件包括承压架5，如图1～2所示，承压架5为十字形承压架，承压架5的底端与上边界框4的上表面焊接，承压架5的外顶端面设置有指针式液压千斤顶9，指针式液压千斤顶9用于给上边界框4加压，承压架5的内顶端面朝下设置有高速照相机10，高速照相机10用于记录实验过程中顶板15的破断形态。

进一步地，如图1所示，指针式液压千斤顶9上设置有油压监测仪91，油压监测仪91用于检测指针式液压千斤顶9在实验中的压力，以确保注水中上边界框4的受力始终保持平衡；其中高速照相机10的帧频为60帧/秒，可确保对顶板15破断过程进行全面且清晰的记录。

进一步地，如图1所示，无顶透明罩6的顶端可拆卸安装有高度限制板8，高度限制板8可通过螺栓12可拆卸连接在无顶透明罩6的顶端，可拆卸的高度限制板8既用于在指针式液压千斤顶9加压时限制指针式液压千斤顶9向上偏移，防止上边界框4位置变化，拆下高度限制板8又便于对无顶透明罩6内部件的拆装、更换和维修。

进一步地，顶板15为按工程实际情况，用沙、石膏和石灰在相应配比下模拟制成的顶板，顶板15还可以按工程实际情况的不同制成不同尺寸和不同厚度。一般情况下，顶板15是根据现场实际地质条件，再根据一定的配比现场模拟制作的，顶板15制作铺设完成后晾晒3-5天后，将顶板15安装并固定在上边界框4与下边界框3之间，在并顶板15上铺放透明防水薄膜，用以防止加压水渗入顶板15影响顶板模拟效果。

进一步地，如图3～4所示，煤层模拟控制装置1包括箱壳29、煤层模型2和煤层调控机构，煤层模型2设置在箱壳29的上表面，煤层调控机构设置在箱壳29内部，煤层模型2与煤层调控机构连接，煤层调控机构通过调控煤层模型2的升降实现对煤炭开采过程中煤层上下波动状况的模拟。

于本实施例中，煤层模型2包括多个并排设置的煤层板21，每个煤层板21的下方均连接一个煤层调控机构，用以实现每个煤层板21升降波动的独立单独控制。进一步地，如图4所示，煤层调控机构包括煤层托盘22、升降丝杆23、升降螺母24和水平驱动杆27，煤层托盘22的上方通过长螺栓28固定连接煤层板21，升降丝杆23的顶端穿过升降螺母24与煤层托盘22的底端可拆卸连接，升降螺母24通过一横向限位杆241与箱壳29的内壁固定连接；升降丝杆23的底端连接有第一螺旋伞齿轮25，水平驱动杆27的一端连接有第二螺旋伞齿轮26，第二螺旋伞齿轮26用于与第一螺旋伞齿轮25啮合连接，从而使得水平驱动杆27与升降丝杆23之间垂直设置，水平驱动杆27的另一端设置有煤层升降旋钮13，水平驱动杆27设置有煤层升降旋钮13的一端贯穿箱壳29的侧壁并延伸至箱壳29的外部，在本实施例中，每个煤层板21所对应的煤层升降旋钮13在箱壳29的外壁并排分布。

进一步地，煤层板21为亚克力粘结煤层板，煤层板21可根据工作面长度的不同而设置呈不同尺寸的煤层板模型，由煤层调控机构模拟控制煤层板的依次升降开采过程；其中，各个煤层板21与煤层托盘22采用长螺栓28连接，便于拆卸替换。

进一步地，声发射仪14为amsy-6声发射仪；声发射仪14用于监测实验过程中顶板15断裂内部裂隙产生情况，进而用以分析顶板15的变形破断机理。

下面对本实施例作具体使用说明，具体包括如下步骤：

步骤一：调节各个煤层升降旋钮13，根据适当比例将各个煤层板21升至同一位置高度，形成一凸出煤层模拟控制装置1上表面的矩形的煤层模型2；

步骤二：将连接有无顶透明罩6的下边界框3套设在煤层模型2的外侧，并调节下边界框3的上表面与煤层模型2的上表面平齐后，通过螺栓12将下边界框3固定在箱壳29的上表面；

步骤三：将顶板15放置在下边界框3的上表面，并在顶板15的上表面包覆透明防水薄膜之后，将上边界框4安装到顶板15的上表面，通过指针式液压千斤顶9对上边界框4施加压力，以将顶板15和透明防水薄膜夹持固定在上边界框4与下边界框3之间，此时顶板15固定在顶板放置区7内；

步骤四：将高速照相机10安装到承压架5的内顶端面后，安装高度限制板8，高度限制板8用以给指针式液压千斤顶9加压，保证顶板15在实验过程中位置不变。

步骤五：从无顶透明罩6的顶端向无顶透明罩6内缓慢注水，并保持水流匀速注入，确保加载过程能连续均匀，注水到达所需体积后，停止注水，同时打开声发射仪14，开始记录检测数据；

步骤六：依次调节旋转各个煤层升降旋钮13，使得煤层板21逐一降落模拟煤层被开采或运走后煤层凹陷状态，此时顶板15仅边缘部分被下边界框3的边框支撑，顶板15的中心部分底部没有了支撑，而顶板15的上部却承受着水压作用，还可以继续向无顶透明罩6内缓慢注水，直至顶板15断破停止注水；通过高速照相机10的记录信息、各个位置压力传感器11的数据以及声发射仪14采集的信号，分析顶板15的变形破断机理。由于采用了注水加压的方式，不仅可以确保加载过程的连续均匀稳定，而且水的透明特质配合无顶透明罩6的透明特性实现了对实验过程的三维可透观测。

由此可见，本实施例的三维模拟煤矿顶板破断的实验平台，能够根据地质条件情况铺设相似材料，最大程度还原现场实际地质条件，并根据不同开采条件选用不同尺寸煤层模型和上下边界框，可重复利用，适用于不同厚度、不同工作面长度、不同模拟地质条件下顶板破断三维观测，不仅解决了现有模拟实验台尺寸单一固定、适用范围受限的问题，而且实验台操作简单、实验效果准确可靠，实验过程透明可视，有利于对顶板破断规律进行全面的总结探究。

需要说明的是，本发明中涉及到的下边界框、上边界框、无顶透明罩的结构形状以及取材限定均可根据实际的加工需求进行适应性的改变，均在本发明的保护范围内；相应的，本发明中的对上边界框的施压动力并不限于采用指针式液压千斤顶，承压架也并不限于十字形，根据实际需求而进行的适应性改变均在本发明的保护范围内；此外，高度限制板的结构也并不限于上述实施例中的条状结构，根据实际需求而进行的适应性改变均在本发明的保护范围内；进一步地，煤层板也并不限于亚克力粘结煤层板，煤层板可根据工作面长度的不同而设置呈不同尺寸的煤层板模型，根据实际需求而进行的适应性改变均在本发明的保护范围内；最后，本发明用于对煤层板升降调节的煤层调控机构并不限于上述实施例中的升降丝杠、升降螺母以及螺旋伞齿轮等结构，根据实际需求而进行的适应性改变均在本发明的保护范围内。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。