一種三維多煤層開采相似材料模型實驗系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明專利涉及一種煤層相似材料模擬實驗系統(tǒng)，尤其是涉及一種三維多煤層開米相似材料模型實驗系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]相似材料模擬試驗是以相似理論、因次分析作為依據(jù)的實驗室研究方法，廣泛應(yīng)用于水利、采礦、地質(zhì)、鐵路等部門。模擬試驗的最大特點是可以人為地控制和改變試驗條件，從而確定單因素或多因素對礦山壓力影響的規(guī)律，試驗效果清楚直觀，而且試驗周期短，見效快，在采礦科學(xué)的研究中發(fā)揮了巨大的作用。即使在巖石力學(xué)的數(shù)值模擬計算科學(xué)迅速發(fā)展的今天，相似材料模擬試驗仍是采礦科學(xué)研究中不可替代的研究手段，它和日益成熟的數(shù)值計算模擬相輔相成，為人類認(rèn)識和克服采礦科學(xué)中的難題發(fā)揮著重要的作用。
[0003]相似材料模擬是巖土工程和采礦工程主要試驗方法，近年來已經(jīng)成為國內(nèi)外進(jìn)行重大巖體工程可行性研究不可缺少的方法之一。由于采礦地質(zhì)條件的復(fù)雜性，采礦學(xué)問題多為大變形和非連續(xù)變形問題，而目前計算機數(shù)值模擬解決非連續(xù)大變形問題還存在局限性，不能完整準(zhǔn)確的反映具體條件下采礦過程中由于采動而引起的巖層移動情況。物理相似材料模擬實驗可模擬地層的層理等不連續(xù)面，也可按照相似比模擬開挖，特別是模擬巖層垮落運動等非連續(xù)變形，而且模擬過程形象直觀可控制，對研究采動過程的巖層運動具有優(yōu)勢，在采礦工程研究中占據(jù)重要地位。
[0004]在礦體沒有開采之前，巖體處于平衡狀態(tài)。當(dāng)?shù)V體開采后，形成了地下空間，破壞了巖體的原始應(yīng)力場，引起巖體應(yīng)力重新分布，并一直延續(xù)到巖體內(nèi)形成新的平衡為止。在應(yīng)力重新分布過程中，使圍巖產(chǎn)生變形、移動、破壞，從而對工作面、巷道及圍巖產(chǎn)生壓力。在礦山壓力的作用下會產(chǎn)生的一系列現(xiàn)象一一礦壓顯現(xiàn)，如頂板下沉、底板鼓起、煤壁邊幫、支架變形、巖層移動、煤的壓出等。開采后的上覆巖層可分為冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。
[0005]現(xiàn)有技術(shù)中的三維相似模擬試驗系統(tǒng)，雖在一定程度上加深了地下開挖工程研究的進(jìn)展，但存在以下不足:(I)礦層開挖必須將試件箱打開后人工手動開挖，這將引起卸載效應(yīng)，與實際工況不符；(2)實驗過程中需要用鋸條等工具人工開挖煤層，勞動強度大，且對上覆巖層擾動較大，并且開挖不精確；(3)現(xiàn)有三維相似材料只能模擬開挖一層煤，無法實現(xiàn)多層煤的開采，造成實驗設(shè)備的浪費，對多層煤開采不能準(zhǔn)確的模擬。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明專利的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)備制造較低、動力消耗小、安全穩(wěn)定的三維多煤層開采相似材料模型實驗系統(tǒng)，滿足既能進(jìn)行單一煤層的模擬又能進(jìn)行多煤層的模擬的要求。
[0007]為實現(xiàn)本發(fā)明專利目的而采用的技術(shù)方案是這樣的，
[0008]模擬單層煤開采的技術(shù)方案:一種三維多煤層開采相似材料模型實驗系統(tǒng)，包括四根立柱、底板、上層煤填充件、模板I和模板II。
[0009]四根所述立柱呈矩形陣列垂直于水平面分布。
[0010]所述底板為一塊矩形金屬板。所述底板的四個角均具有矩形缺口。所述底板的四個矩形缺口分別與四根立柱焊接。所述底板平行于水平面且懸空布置。
[0011]所述模板I和模板II采用橫截面為U型的槽鋼制成。所述模板I和模板II的底板兩端開有橢圓孔。所述模板I的一側(cè)沿長度方向具有條形缺口。所述模板I和模板II平行于水平面布置。所述四根立柱、底板、若干模板I和若干模板II一同圍成框架結(jié)構(gòu)。所述框架結(jié)構(gòu)為內(nèi)部空心的立方體。
[0012]四塊所述模板II構(gòu)成第一層方框框架I連接在四根立柱的外圍。每塊所述模板II的兩端分別與兩根立柱連接。每塊所述模板II的槽口背向四根立柱所圍成區(qū)域。所述第一層方框框架I的下端與底板的板面平齊。在第一層方框框架I的上方具有若干層方框框架I。在若干層方框框架I之間具有一層方框框架II。所述方框框架II由兩塊模板I和兩塊模板II構(gòu)成，其中兩塊模板I相對布置。
[0013]所述上層煤填充件由主體II和推拉板組成。所述主體II為條形鋼板。所述推拉板為矩形平板。所述主體II的一端端面與推拉板板面連接。
[0014]若干塊所述上層煤填充件從模板I的條形孔插入。所述推拉板位于整個框架結(jié)構(gòu)的外側(cè)。若干塊上層煤填充件板面處于同一水平面。
[0015]模擬多層煤開采的技術(shù)方案:一種三維多煤層開采相似材料模型實驗系統(tǒng)，包括四根立柱、底板、下層煤填充件、上層煤填充件、模板I和模板II。
[0016]四根所述立柱呈矩形陣列垂直于水平面分布。
[0017]所述底板為一塊矩形金屬板。所述底板的中部開有方形孔。所述底板的四個角均具有矩形缺口。所述底板的四個矩形缺口分別與四根立柱焊接。所述底板平行于水平面且懸空布置。
[0018]所述下層煤填充件由主體I和兩塊加筋板構(gòu)成。所述主體I為條形鋼板。所述主體I的長度等于底板中部方形孔的長度。所述主體I的兩端分別焊接有加筋板。每塊所述加筋板的一部分板面與主體I的下板面貼合，另一部分沿主體I長度方向伸出。每塊所述加筋板的伸出部分的板面開有螺栓孔。
[0019]若干所述下層煤填充件填充在底板的方形孔內(nèi)。所述下層煤填充件中加筋板的伸出部分與底板的下板面貼合。通過若干螺栓和螺母將下層煤填充件與底板連接在一起。
[0020]所述模板I和模板II采用橫截面為U型的槽鋼制成。所述模板I和模板II的底板兩端開有橢圓孔。所述模板I的一側(cè)沿長度方向具有條形缺口。所述模板I和模板II平行于水平面布置。所述四根立柱、底板、若干模板I和若干模板II一同圍成框架結(jié)構(gòu)。所述框架結(jié)構(gòu)為內(nèi)部空心的立方體。
[0021]四塊所述模板II構(gòu)成第一層方框框架I連接在四根立柱的外圍。每塊所述模板II的兩端分別與兩根立柱連接。每塊所述模板II的槽口背向四根立柱所圍成區(qū)域。所述第一層方框框架I的下端與底板的板面平齊。在第一層方框框架I的上方具有若干層方框框架I。在若干層方框框架I之間具有一層方框框架II。所述方框框架II由兩塊模板I和兩塊模板II構(gòu)成，其中兩塊模板I相對布置。
[0022]所述上層煤填充件由主體II和推拉板組成。所述主體II為條形鋼板。所述推拉板為矩形平板。所述主體II的一端端面與推拉板板面連接。
[0023]若干塊所述上層煤填充件從模板I的條形孔插入。所述推拉板位于整個框架結(jié)構(gòu)的外側(cè)。若干塊上層煤填充件板面處于同一水平面。
[0024]進(jìn)一步，所述立柱采用方管制造而成。每根所述立柱的下端連接有墊板。所述墊板為矩形或圓形金屬板。
[0025]進(jìn)一步，所述模板I的條形缺口長度等于模擬煤層走向的長度，寬度等于模擬煤層的高度。
[0026]進(jìn)一步，所述下層煤填充件的下方具有保護(hù)架。所述保護(hù)架為U型金屬支架。所述保護(hù)架的兩端與底板的下板面連接。
[0027]本發(fā)明專利的技術(shù)效果是毋庸置疑的，本發(fā)明專利裝置使用方便、結(jié)構(gòu)簡單、實驗操作簡便、造價低，可以模擬兩層煤的開采，極大的提高了相似模擬的實用性，同時該裝置模擬煤層下層煤回采時能通過下層煤填充件在固定螺栓上的移動實現(xiàn)，模擬上層煤回采時能通過抽取上層煤填充件實現(xiàn)，分步開挖進(jìn)尺控制準(zhǔn)確、工作量小。
【附圖說明】
[0028]圖1為本發(fā)明專利裝置的主視圖；
[0029]圖2為圖1的側(cè)視圖；
[0030]圖3為圖1的俯視圖；
[0031 ]圖4為模板II的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖5為模板I的結(jié)構(gòu)示意