一种矸石充填系统模拟试验台及矸石充填模拟方法与流程

本发明属于煤矸石充填开采技术领域，尤其涉及一种矸石充填系统模拟试验台及矸石充填模拟方法。

背景技术：

在填充开采当中，充填设备是其中重要的组成部分，对于煤矸石的夯实起着重要的作用。而且矸石进入采空区之后，捣实和接顶过程当中能够增加松散矸石的致密度，提高了煤矸石的的抗压能力，减少了应变，能够承受一定的顶板压力。控制顶板下沉量有效地减少了地表下沉和降低了地面的建筑物的破坏程度。目前的室内试验当中，没有足够精确的装置，不能真实有效地反映现场工程的实际情况。试验和实际效果存在着巨大的误差，具有夯实力不足，对于松散矸石的压实度不足，操作不规范等问题。目前尚未拥有一套完整的实用的模拟试验台及矸石充填模拟方法。

技术实现要素：

本发明是模拟实际生产情况下的矸石充填、夯实机构，在实验室当中对工作面完成煤矸石充填的相似模拟实验，能够较高程度还原实际情况。本发明主要提供了矸石充填模拟过程当中，模拟挡板对于矸石的推压，捣实的过程，探究矸石的推压的密实度，推压完成之后的稳定角等问题。

本发明的一种矸石充填系统模拟试验台，主要由液压系统、压实箱、固定支座三部分组成；液压系统和压实箱设置于固定支座上；

固定支座包括两组水平设置的实心钢柱、与实心钢柱连接的两块钢板以及与钢板焊接设置的底座，每组实心钢柱包括上下设置的两根实心钢柱，两块钢板分别固定连接于实心钢柱的两端；在固定支座内部的两端，分别设置有与钢板贴合的凹形板，两块凹形板的凹槽相对，凹槽形成固定部分；压实箱和液压系统的箱体的一端分别设置于凹形板的凹槽内；如此设置能够防止在实验过程当中发生偏移，矸石散体受力不均，致密性不足匀产生误差。整个支座连接牢固，可承受推压过程的压力，能够满足模拟试验的要求，降低压实过程当中可能出现的风险。

实心钢柱直径60mm、长900mm；钢板厚30mm、长500mm、宽300mm；凹形板高215mm，固定部分宽245mm；

压实箱包括焊接固定的底板、前板、后板及左右侧板，前板中部设置有圆形孔；为了便于拆卸顶板，方便对箱体内部的物件进行维护维修，压实箱顶板由多块可拆卸钢条组成，可拆卸钢条由螺栓与左右侧板顶端固定连接；压实箱内部设置有可前后移动的推压板，推压板中部设置有可穿过前板中部圆形孔的套筒；液压系统中的千斤顶活塞杆通过套筒与推压板连接；压实箱顶板靠近前板部分不封闭，以供千斤顶活塞杆向外进行伸缩和上下移动。

底板、前板、及左右侧板为厚10mm的钢板；为使千斤顶能提供足够的支撑力而不变形，后板为厚20mm的钢板；可拆卸钢条厚10mm，压实箱高270mm，内部空间高250mm。

压实箱前板和后板的顶部个设置有提手。

液压系统主要由箱体、旋转手柄、旋转螺纹杆、分离式液压千斤顶、输油软管、球形铰接头、铰接头支座、侧向限位板组成；箱体由厚度1cm的钢板焊接而成，顶盖用螺栓进行固定连接，便于拆卸顶盖，这样方便对箱体内部的物件进行维护维修。方便拆卸为使箱体能提供足够的支撑力而不变形，箱体后板焊制厚2cm的钢板，整个箱体外表面喷有一层蓝色漆。箱体上部留有一圆孔，内置输油软管上的快速接头。箱体顶盖两侧焊接有两个提手，提手之间打一孔并伸进一旋转螺纹杆，旋转螺纹杆上部焊接旋转手柄，可对旋转螺纹杆进行转动。旋转螺纹杆另一头则伸入箱体内部并悬空，箱体内部有一连接杆，连接杆一头用螺帽连接在旋转螺纹杆上，另一头则套在千斤顶本体中部卡环上的螺丝。箱体下面钢板上横向放置千斤顶本体，箱体前钢板中心往下则为一个矩形孔洞，高14cm，宽6.2cm，千斤顶上端露出孔洞2cm。箱体后钢板下侧焊接有铰接头支座，铰接头支座上设有球形铰接头，球形铰接头可以灵活转动。球形铰接头和本体底座连接，这样千斤顶本体可以在旋转螺纹杆的带动下，实现千斤顶本体的上下变角度转动。位于卡环上的侧向限位板则可以约束千斤顶本体在上下变角度转动过程中不能左右移动。

箱体长40cm、宽20cm、高31cm，千斤顶液压油缸容量3.0l，油泵规格为10t，输油软管长度100cm，千斤顶液压油泵本体长度30cm、外直径6cm，千斤顶本体内活塞杆直径4cm、最大行程20cm，千斤顶本体距离支座底面有1.3cm。千斤顶活塞杆前端通过焊接在金属板上的套筒与实验用的金属挡板连接，模拟矸石充填支架的捣实板。千斤顶从水平向上最大抬升角度约25度，千斤顶本体前端头向上最大抬升约11cm。

本发明的矸石充填模拟方法步骤如下：

初始状态时，千斤顶本体与支座底面平行，然后摇动角度调节器推动本体前端向上抬升，本体前端向上抬升最大距离为110mm。在使用过程中可根据实验要求，将本体前端固定于某一角度和位置，测算出相应角度。

通过外部液压油缸加油卸油，本体内部活塞可进行伸出缩回，活塞杆前端连接置于压实箱当中的压实板中部的套筒中。套筒与活塞杆紧密连接，使压实板在推压矸石物料的过程当中能够均匀受力。从而对充填物料进行多角度的推捣夯实，增加充填物料的致密性和抗压能力。使用完毕后，打开液压阀，卸载液压油，本体慢慢向下移动和缩回，压实板随着活塞杆移动，退回至压实箱前部钢板处。最终恢复初始状态，此时可以准确的测量压实后的充填物料的性质，此过程中减少了外界力的影响，提高了实验的准确性。压实箱顶部的可拆卸钢条拆卸后可在其中堆放充填物料，使用压头对物料进行推压捣实试验。

有意效果：

本发明的构造原理和实验作用基本符合矸石充填支架的夯实机构部分，也符合实验室模拟实验的基本要求。该试验台的整个操作过程和现实充填夯实过程也具有高度相似性，可以在实验室中通过模拟实验实现对现实充填过程中物料夯实规律的掌握，节省了工业性试验的大量人力、物力、财力、时间成本以及减少了工业性试验结果的不确定性风险，经济适用效果较为显著。装置易携带，可改变先关参数设计，满足不同场合的需求。

解决矸石充填模拟实验中夯实推力不足，充填物料推捣不均匀，充填物料致密度不够，实验装置简陋而导致操作不规范、不能模拟和真实反映现场工程实际、实验室与现场结果偏差较大等问题。本发明主要提供矸石充填模拟实验过程中对采空区充填矸石的推捣和夯实作用，从而增加了对充填物料的夯实效果，提高实验过程的规范性和实验结果的准确性。

附图说明

图1为本发明的矸石充填系统模拟试验台结构示意图

图2为矸石充填系统模拟试验台的液压系统结构示意图

图3为矸石充填系统模拟试验台的压实箱结构主视图

图4为矸石充填系统模拟试验台的压实箱结构右视图

图5为矸石充填系统模拟试验台的压实箱结构俯视图

图6为矸石充填系统模拟试验台的固定支座结构主视图

图7为矸石充填系统模拟试验台的固定支座结构俯视图

图中：1箱体、2旋转手柄、3旋转螺纹杆、4输油软管、5球形铰接头、6铰接头支座、7侧向限位板、8快速接头、9提手、10连接杆、11千斤顶本体、12卡环、13本体底座、14活塞杆；15液压系统、16压实箱、17固定支座、18实心钢柱、19钢板、20凹形板、21底座、22底板、23前板、24后板、25圆形孔、26可拆卸钢条、27螺栓、28推压板、29套筒。

具体实施方式

如图1所示，为本发明的矸石充填系统模拟试验台结构示意图；图2-7为本发明的矸石充填系统模拟试验台的个组成部分的结构示意图。

如图1-7所示，本发明的一种矸石充填系统模拟试验台，主要由液压系统15、压实箱16、固定支座17三部分组成；液压系统15和压实箱16设置于固定支座17上；

固定支座17包括两组水平设置的实心钢柱18、与实心钢柱18连接的两块钢板19以及与钢板19焊接设置的底座21，每组实心钢柱18包括上下设置的两根实心钢柱，两块钢板19分别固定连接于实心钢柱18的两端；在固定支座17内部的两端，分别设置有与钢板贴合的凹形板20，两块凹形板20的凹槽相对，凹槽形成固定部分；压实箱16和液压系统15的箱体1的一端分别设置于凹形板20的凹槽内；如此设置能够防止在实验过程当中发生偏移，矸石散体受力不均，致密性不足匀产生误差。整个支座连接牢固，可承受推压过程的压力，能够满足模拟试验的要求，降低压实过程当中可能出现的风险。

实心钢柱18直径60mm、长900mm；钢板厚30mm、长500mm、宽300mm；凹形板20高215mm，固定部分宽245mm；

压实箱16包括焊接固定的底板22、前板23、后板24及左右侧板，前板23中部设置有圆形孔25；为了便于拆卸顶板，方便对箱体内部的物件进行维护维修，压实箱16顶板由多块可拆卸钢条26组成，可拆卸钢条26由螺栓27与左右侧板顶端固定连接；压实箱16内部设置有可前后移动的推压板28，推压板28中部设置有可穿过前板中部圆形孔24的套筒29；液压系统15中的千斤顶活塞杆14通过套筒29与推压板28连接；压实箱16顶板靠近前板部分不封闭，以供千斤顶活塞杆14向外进行伸缩和上下移动。

底板、前板、及左右侧板为厚10mm的钢板；为使千斤顶能提供足够的支撑力而不变形，后板为厚20mm的钢板；可拆卸钢条厚10mm，压实箱高270mm，内部空间高250mm。

压实箱16前板和后板的顶部个设置有提手。

液压系统主要由箱体1、旋转手柄2、旋转螺纹杆3、分离式液压千斤顶、输油软管4、球形铰接头5、铰接头支座6、侧向限位板7组成；箱体1由厚度1cm的钢板焊接而成，顶盖用螺栓进行固定连接，便于拆卸顶盖，这样方便对箱体1内部的物件进行维护维修。方便拆卸为使箱体1能提供足够的支撑力而不变形，箱体1后板焊制厚2cm的钢板，整个箱体1外表面喷有一层蓝色漆。箱体1上部留有一圆孔，内置输油软管4上的快速接头8。箱体1顶盖两侧焊接有两个提手9，提手9之间打一孔并伸进一旋转螺纹杆3，旋转螺纹杆3上部焊接旋转手柄2，可对旋转螺纹杆3进行转动。旋转螺纹杆3另一头则伸入箱体1内部并悬空，箱体1内部有一连接杆10，连接杆10一头用螺帽连接在旋转螺纹杆3上，另一头则套在千斤顶本体11中部卡环12上的螺丝。箱体1下面钢板上横向放置千斤顶本体11，箱体1前钢板中心往下则为一个矩形孔洞，高14cm，宽6.2cm，千斤顶上端露出孔洞2cm。箱体1后钢板下侧焊接有铰接头支座6，铰接头支座6上设有球形铰接头5，球形铰接头5可以灵活转动。球形铰接头5和本体底座13连接，这样千斤顶本体11可以在旋转螺纹杆3的带动下，实现千斤顶本体11的上下变角度转动。位于卡环12上的侧向限位板7则可以约束千斤顶本体11在上下变角度转动过程中不能左右移动。

箱体1长40cm、宽20cm、高31cm，千斤顶液压油缸容量3.0l，油泵规格为10t，输油软管长度100cm，千斤顶液压油泵本体长度30cm、外直径6cm，千斤顶本体内活塞杆直径4cm、最大行程20cm，千斤顶本体距离支座底面有1.3cm。千斤顶活塞杆14前端通过焊接在金属板上的套筒与实验用的金属挡板连接，模拟矸石充填支架的捣实板。千斤顶从水平向上最大抬升角度约25度，千斤顶本体前端头向上最大抬升约11cm。

本发明的矸石充填模拟方法具体步骤如下：

初始状态时，千斤顶本体与支座底面平行，然后摇动角度调节器推动本体前端向上抬升，本体前端向上抬升最大距离为110mm。在使用过程中可根据实验要求，将本体前端固定于某一角度和位置，测算出相应角度。

通过外部液压油缸加油卸油，本体内部活塞可进行伸出缩回，活塞杆前端连接置于压实箱当中的压实板中部的套筒中。套筒与活塞杆紧密连接，使压实板在推压矸石物料的过程当中能够均匀受力。从而对充填物料进行多角度的推捣夯实，增加充填物料的致密性和抗压能力。使用完毕后，打开液压阀，卸载液压油，本体慢慢向下移动和缩回，压实板随着活塞杆移动，退回至压实箱前部钢板处。最终恢复初始状态，此时可以准确的测量压实后的充填物料的性质，此过程中减少了外界力的影响，提高了实验的准确性。压实箱顶部的可拆卸钢条拆卸后可在其中堆放充填物料，使用压头对物料进行推压捣实试验。

有意效果：

本发明的构造原理和实验作用基本符合矸石充填支架的夯实机构部分，也符合实验室模拟实验的基本要求。该试验台的整个操作过程和现实充填夯实过程也具有高度相似性，可以在实验室中通过模拟实验实现对现实充填过程中物料夯实规律的掌握，节省了工业性试验的大量人力、物力、财力、时间成本以及减少了工业性试验结果的不确定性风险，经济适用效果较为显著。装置易携带，可改变先关参数设计，满足不同场合的需求。

解决矸石充填模拟实验中夯实推力不足，充填物料推捣不均匀，充填物料致密度不够，实验装置简陋而导致操作不规范、不能模拟和真实反映现场工程实际、实验室与现场结果偏差较大等问题。本发明主要提供矸石充填模拟实验过程中对采空区充填矸石的推捣和夯实作用，从而增加了对充填物料的夯实效果，提高实验过程的规范性和实验结果的准确性。