一种三维模拟煤矿顶板破断的实验平台制造技术

本发明专利技术公开一种三维模拟煤矿顶板破断的实验平台，涉及矿山压力研究领域，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，下边界框的上方为顶板放置区，无顶透明罩罩设在上边界框的上方，上边界框设置在顶板的上方，施压组件通过上边界框对顶板的上表面施压固定，上边界框上方的无顶透明罩空间用于注水。本发明专利技术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，适用于多种地质条件下顶板破断三维观测，且实验过程透明可视，有利于对顶板破断规律进行全面的总结探究。

【技术实现步骤摘要】
一种三维模拟煤矿顶板破断的实验平台
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术提供了如下方案：本专利技术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。本专利技术相对于现有技术取得了以下技术效果：本专利技术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专利技术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专利技术的一些实施例，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为本专利技术三维模拟煤矿顶板破断的实验平台的结构示意图；图2为本专利技术顶板加压装置的结构示意图；图3为本专利技术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为本专利技术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专利技术实施例中的附图，对本专利技术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专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术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，本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三维模拟煤矿顶板破断的实验平台，其特征在于：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。...

【技术特征摘要】
1.一种三维模拟煤矿顶板破断的实验平台，其特征在于：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。2.根据权利要求1所述的三维模拟煤矿顶板破断的实验平台，其特征在于：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。3.根据权利要求2所述的三维模拟煤矿顶板破断的实验平台，其特征在于：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。4.根据权利要求3所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨胜利，王家臣，唐岳松，贾嗣宇，刘新明，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：发明
国别省市：北京,11