專利名稱:一種煤層相似模擬實驗裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開一種煤層相似模擬實驗裝置，包括有模型架、底板、煤層、上覆巖層、加壓裝置以及液壓泵，該底板、煤層、上覆巖層以及加壓裝置從下往上依次疊設于模型架內(nèi)；該煤層包括有開挖煤層與保護煤柱，該保護煤柱分布于開挖煤層的兩側，該開挖煤層與保護煤柱均由合金塊構成，該液壓泵設置于模型架外，該液壓泵通過膠管與合金塊連接；通過利用合金塊來代替模擬煤層的開采部分，并配合在合金塊的表面涂一層環(huán)氧樹脂材料，再利用環(huán)氧樹脂溶解液將其溶解，代替了人工開挖煤層，可以精確開挖步距，減少了實驗所需時間；且不僅可以減小手工開挖模型在尺寸上的誤差，還可以降低開挖模型的勞動強度，同時可以避免開挖過程中產(chǎn)生的揚塵。
【專利說明】一種煤層相似模擬實驗裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種煤層相似模擬實驗領域技術，特別是指一種實驗室模擬煤層采動后上覆巖層變化形態(tài)的裝置。
【背景技術】
[0002]礦井煤層開采后，上覆巖層隨工作面的推進在采場垂直方向上形成垮落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶，“覆巖三帶”的準確劃分是“三下采煤”可行性研宄和設計、覆巖離層充填技術研宄和應用、突出礦井保護層選擇和開采設計，以及上鄰近層瓦斯抽放研宄和實施的依據(jù)。同時，隨著煤層工作面的推進，工作面前方的應力也在發(fā)生變化，掌握工作面前方應力分布對巷道支護具有重要意義。目前，研宄采空區(qū)三帶、工作面前方應力變化規(guī)律方面，技術手段很多，其中實驗室相似模擬實驗是一種重要手段。眾多學者采用相似模擬實驗取得了驅動重要研宄成果(李樹剛，2013，礦業(yè)安全與環(huán)保；劉秀英，2004，太原理工大學學報)。
[0003]傳統(tǒng)的相似模擬實驗裝置，是在長方體試驗框架內(nèi)填入模擬煤層和巖層的相似材料，相似材料主要有河砂、碳酸鈣、石膏按照配比構成，巖層用電動錘或鐵鎬夯實，從而制成模型；通過人工逐次開挖一段距離的煤層模擬材料，模擬出采礦的推進過程。傳統(tǒng)實驗裝置在模擬工作面推進時，需要借助工具逐步開挖模擬煤層的材料，這種方式不僅費時費力，而且不能保證每次開挖的距離相同。中國專利(申請?zhí)?00810128331.8)公布了一種相似模擬和物理模擬相結合的采場礦壓機械模擬試驗臺，利用模擬橡膠板煤層底板、氣囊模擬煤層、由若干橡膠塊和硬質材料塊連接成整體的層狀結構模擬老頂；由于氣囊的膨脹不均勻，會影響頂板壓力測定的可靠性；由于煤層開采過后，頂板由于卸壓而出現(xiàn)膨脹變形現(xiàn)象，層狀結構體現(xiàn)不出這種現(xiàn)象；同時，相似模擬是基于“相似三定律”而建立的，由于橡膠的應力、容重固定，不能體現(xiàn)各個巖層的差異。文獻(采場下伏煤巖體卸壓作用原理及在被保護層卸壓瓦斯抽采中的應用，王海鋒，2008)利用石蠟易熔化的特性，采用石蠟加熱熔化方案代替煤層開挖，這種方法可以避免傳統(tǒng)方法開挖的弊端，但是實驗中是石蠟融化時間長大69min，從而造成實驗周期長；另外，石蠟容易變形，在夯實模型的過程中，很難保證石蠟的厚度達到模擬煤層的高度。
實用新型內(nèi)容
[0004]有鑒于此，本實用新型針對現(xiàn)有技術存在之缺失，其主要目的是提供一種結構簡單、精確模擬開挖步距的煤層相似模擬實驗裝置。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用如下之技術方案:
[0006]一種煤層相似模擬實驗裝置，包括有模型架、底板、煤層、上覆巖層、加壓裝置以及液壓泵，該底板、煤層、上覆巖層以及加壓裝置從下往上依次疊設于模型架內(nèi)；該煤層包括有開挖煤層與保護煤柱，該保護煤柱分布于開挖煤層的兩側，該開挖煤層與保護煤柱均由合金塊構成，該液壓泵設置于模型架外，該液壓泵通過膠管與合金塊連接。
[0007]作為一種優(yōu)選方案，所述合金塊的長度為20~30cm，寬度為5~10cm，厚度為2~10cm，開挖煤層的長度為150~200cm，保護煤柱的長度為20~40cm。
[0008]作為一種優(yōu)選方案，所述合金塊具有第一進液口、第二進液口、第一出液口以及第二出液口，該第一出液口設置于合金塊的左側上方，該第二出液口設置于合金塊的底部，該第一進液口與第一出液口連通，該第二進液口與第二出液口連通，前述膠管連通第一進液口與第二進液口。
[0009]作為一種優(yōu)選方案，所述第一出液口為整排間隔均勻地設置，該第一出液口距離合金塊的左側上邊界為2~6mm，相鄰兩個第一出液口之間間距為4~6cm，每個第一出液口的直徑為3~6mm，該第一進液口到每個第一出液口之間的距離均相同。
[0010]作為一種優(yōu)選方案，所述第二出液口為兩排間隔均勻地設置，該兩排第二出液口關于合金塊的中心線對稱，相鄰兩個第二出液口之間間距4~6cm，每個第二出液口的直徑為3~6mm,該第二進液口到每個第二出液口之間的距離均相同。
[0011 ] 作為一種優(yōu)選方案，所述液壓泵的流量控制在20~200ml/min，壓力控制在0.01 ?0.2MPaο
[0012]本實用新型與現(xiàn)有技術相比具有明顯的優(yōu)點和有益效果，具體而言，由上述技術方案可知，
[0013]通過利用合金塊來代替模擬煤層的開采部分，并配合在合金塊的表面涂一層環(huán)氧樹脂材料，再利用環(huán)氧樹脂溶解液將其溶解，代替了人工開挖煤層，可以精確開挖步距，減少了實驗所需時間；且不僅可以減小手工開挖模型在尺寸上的誤差，還可以降低開挖模型的勞動強度，同時可以避免開挖過程中產(chǎn)生的揚塵。
[0014]為更清楚地闡述本實用新型的結構特征和功效，下面結合附圖與具體實施例來對本實用新型進行詳細說明。
【附圖說明】
[0015]圖1是本實用新型之較佳實施例模擬一層煤的結構示意圖；
[0016]圖2是本實用新型之較佳實施例之合金塊的主視圖；
[0017]圖3是本實用新型之較佳實施例之合金塊的左視圖；
[0018]圖4是本實用新型之較佳實施例之合金塊的仰視圖；
[0019]圖5是圖2在A-A處的截面示意圖；
[0020]圖6是圖2在B-B處的截面示意圖；
[0021]圖7是圖2在C-C處的截面示意圖；
[0022]圖8是圖2在D-D處的截面示意圖。
[0023]附圖標識說明。
[0024]10、模型架20、底板
[0025]30、煤層31、合金塊
[0026]311、第一進液口312、第二進液口
[0027]313、第一出液口314、第二出液口
[0028]32、開挖煤層33、保護煤柱
[0029]40、上覆巖層50、加壓裝置
[0030]60、液壓泵70、膠管。
【具體實施方式】
[0031]請參照圖1至圖8所示，其顯示出了本實用新型之較佳實施例的具體結構，包括有模型架10、底板20、煤層30、上覆巖層40、加壓裝置50以及液壓泵60。
[0032]其中，該底板20、煤層30、上覆巖層40以及加壓裝置50從下往上依次疊設于模型架10內(nèi)。該煤層30包括有開挖煤層32與保護煤柱33，該開挖煤層32與保護煤柱33均由合金塊31構成。
[0033]該開挖煤層32的長度為150~200cm，該合金塊31的長度由模型架10的寬度確定，該合金塊31的寬度由開挖步距確定，該合金塊31的厚度由煤層30的高度確定。在本實施例中，該合金塊31的長度為20~30cm，寬度為5~10cm，厚度為2~10cm。具體而言，該合金塊31具有第一進液口 311、第二進液口 312、第一出液口 313以及第二出液口 314，該第一進液口 311以及第二進液口 312設置于合金塊31的前側面上。該第一出液口 313設置于合金塊31的左側上方，該第一進液口 311與第一出液口 313連通(如圖5所示)，該第一進液口311到每個第一出液口 313之間的距離均相同。所述第一出液口 313為整排間隔均勻地設置，該第一出液口 313距離合金塊31的左側上邊界為2~6mm，相鄰兩個第一出液口 313之間間距為4~6cm，每個第一出液口 313的直徑為3~6mm，該第一出液口 313的形狀為圓形。該第二出液口 314設置于合金塊31的底部，該第二進液口 312與第二出液口 314連通(如圖6至圖8所示)，該第二進液口 312到每個第二出液口 314之間的距離均相同。所述第二出液口 314為兩排間隔均勻地設置，該兩排第二出液口 314關于合金塊31的中心線對稱，相鄰兩個第二出液口 314之間間距4~6cm，每個第二出液口 314的直徑為3~6mm，該第二出液口 314的形狀為圓形。
[0034]該保護煤柱33分布于開挖煤層32的兩側，該保護煤柱33用來消除應力的邊界效應，保護煤柱33的長度為20~40cm。
[0035]該液壓泵60設置于模型架10外，該液壓泵60通過膠管70與合金塊31連接，具體而言，該膠管70連通第一進液口 311與第二進液口 312。所述液壓泵的流量控制在20~200ml/min，壓力控制在 0.01-0.2MPa0
[0036]本實用新型的使用方法，包括以下步驟:
[0037](I)在開展煤層相似模擬實驗前，需要將模型架10清理干凈；
[0038](2)將擋板固定在模型架10的前后兩側；
[0039](3)根據(jù)材料的配比，利用電子稱精確稱取所需材料的質量，將材料放入攪拌機內(nèi)攪拌均勻，配成底板20的材料，將材料鋪在模型架10內(nèi)，利用電動錘或者鐵鎬將材料夯實；
[0040](4)在底板20上均勻撒上一層厚度為2~4mm云母片；
[0041](5)將模擬開挖煤層32的合金塊31左側以及底部表面涂一層厚度為2~6_的環(huán)氧樹脂膠；
[0042](6)將模擬保護煤柱33的合金塊31以及模擬開挖煤層32的合金塊31依次鋪在底板20上面，利用電動錘或者鐵鎬輕輕夯實，同時在其上面均勻撒一層厚度為2~4mm的云母片；
[0043](7)根據(jù)模型搭建實際情況，在擋板正上方固定新的擋板，重復步驟3~6，直至將模型搭建到設計高度，如果實驗中只開挖一層煤，則步驟5、6可省略；在模型搭建過程中，根據(jù)檢測內(nèi)容，需要在模型中預埋傳感器；
[0044](8)待模型干燥后，只保留模型架最上方的一層擋板，其余擋板全部拆除，同時根據(jù)模型壓力計算結果，在模型上方固定加壓裝置50，該加壓裝置50可以為水袋加壓或者千斤頂加壓；
[0045](9)開挖煤層32開挖前，通過膠管70將液壓泵60和模擬開挖煤層32的合金塊31相連；通過液壓泵60將環(huán)氧樹脂膠溶解液注入合金塊31的第一進液口 311與第二進液口 312內(nèi)，該液壓泵60的流量控制在20~200ml/min，壓力控制在0.01-0.2MPa ；
[0046](10)環(huán)氧樹脂膠溶解液通過合金塊31內(nèi)部通道到達表面，進而將環(huán)氧樹脂膠溶解，使得合金塊31與周圍材料的縫隙減小，在重力作用下，合金塊31會掉落在底板20上，將合金塊31取出即可模擬煤層的開采過程；再將膠管70與取出的合金塊31右側的合金塊31相連，重復步驟9的過程，可以模擬整個工作面推進過程。
[0047]綜上所述，本實用新型的設計重點在于，通過利用合金塊來代替模擬煤層的開采部分，并配合在合金塊的表面涂一層環(huán)氧樹脂材料，再利用環(huán)氧樹脂溶解液將其溶解，代替了人工開挖煤層，可以精確開挖的步距，減少了實驗所需時間；且不僅可以減小手工開挖模型在尺寸上的誤差，還可以降低開挖模型的勞動強度，同時可以避免開挖過程中產(chǎn)生的揚塵。
[0048]以上所述，僅是本實用新型的較佳實施例而已，并非對本實用新型的技術范圍作任何限制，故凡是依據(jù)本實用新型的技術實質對以上實施例所作的任何細微修改、等同變化與修飾，均仍屬于本實用新型技術方案的范圍內(nèi)。
【權利要求】
1.一種煤層相似模擬實驗裝置，其特征在于:包括有模型架、底板、煤層、上覆巖層、加壓裝置以及液壓泵，該底板、煤層、上覆巖層以及加壓裝置從下往上依次疊設于模型架內(nèi)；該煤層包括有開挖煤層與保護煤柱，該保護煤柱分布于開挖煤層的兩側，該開挖煤層與保護煤柱均由合金塊構成，該液壓泵設置于模型架外，該液壓泵通過膠管與合金塊連接。2.根據(jù)權利要求1所述的一種煤層相似模擬實驗裝置，其特征在于:所述合金塊的長度為20~30cm，寬度為5~10cm，厚度為2~10cm，開挖煤層的長度為150~200cm，保護煤柱的長度為 20~40cm。3.根據(jù)權利要求1所述的一種煤層相似模擬實驗裝置，其特征在于:所述合金塊具有第一進液口、第二進液口、第一出液口以及第二出液口，該第一出液口設置于合金塊的左側上方，該第二出液口設置于合金塊的底部，該第一進液口與第一出液口連通，該第二進液口與第二出液口連通，前述膠管連通第一進液口與第二進液口。4.根據(jù)權利要求3所述的一種煤層相似模擬實驗裝置，其特征在于:所述第一出液口為整排間隔均勻地設置，該第一出液口距離合金塊的左側上邊界為2~6mm，相鄰兩個第一出液口之間間距為4~6cm，每個第一出液口的直徑為3~6mm，該第一進液口到每個第一出液口之間的距離均相同。5.根據(jù)權利要求3所述的一種煤層相似模擬實驗裝置，其特征在于:所述第二出液口為兩排間隔均勻地設置，該兩排第二出液口關于合金塊的中心線對稱，相鄰兩個第二出液口之間間距4~6cm，每個第二出液口的直徑為3~6mm，該第二進液口到每個第二出液口之間的距離均相同。6.根據(jù)權利要求1所述的一種煤層相似模擬實驗裝置，其特征在于:所述液壓泵的流量控制在20~200ml/min，壓力控制在0.01-0.2MPa。
【文檔編號】G01N33-24GK204287174SQ201420723189
【發(fā)明者】郭玉森, 劉謙, 林世豪, 王世潭, 張文武, 何慶標, 賴永明, 林璐瑤 [申請人]龍巖學院