一种复杂条件煤层开采地表沉陷相似模拟试验装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及采矿工程试验研究技术领域，具体是一种复杂条件煤层开采地表沉陷相似模拟试验装置，包括底座、试验箱、填充件和试验箱角度调节机构。本发明专利技术还提供了一种复杂条件煤层开采地表沉陷相似模拟试验方法。相对于现有技术，本发明专利技术的有益效果为：通过开采口调节机构调节开采口的高度，选用与开采口匹配的填充件能够模拟不同开采高度；通过控制填充件的拉动位移能够模拟不同开采宽度；通过试验箱角度调节机构调整试验箱的角度能够模拟不同的煤层倾角；因此，本发明专利技术能够模拟多种不同开采条件及开采方案工况，可以用于对复杂地质环境的开采进行试验研究，从而探究煤层开采对地面沉降的作用机理及应对方案，消除安全隐患。

A similar simulation test device and method for surface subsidence of coal seam under complex conditions

The invention relates to the technical field of mining engineering test and research, in particular to a similar simulation test device for ground subsidence in coal seam mining under complex conditions, including a base, a test box, a filler and a test box angle adjusting mechanism. The invention also provides a similar simulation test method for the surface subsidence of coal seam under complex conditions. Compared with the prior art, the beneficial effects of the invention are as follows: adjusting the height of the mining opening through the adjusting mechanism of the mining opening, choosing the filler matching the mining opening can simulate different mining height; simulating different mining width by controlling the pulling displacement of the filler; adjusting the testing box by the adjusting mechanism of the angle of the testing box. The angle can simulate different coal seam dip angle; therefore, the invention can simulate a variety of different mining conditions and mining scheme working conditions, and can be used to carry out experimental research on mining in complex geological environment, so as to explore the mechanism of coal seam mining on land subsidence and countermeasures, and eliminate security risks.

【技术实现步骤摘要】
一种复杂条件煤层开采地表沉陷相似模拟试验装置及方法
本专利技术涉及采矿工程试验研究
，具体是一种复杂条件煤层开采地表沉陷相似模拟试验装置及方法。
技术介绍
煤矿开采后会破坏岩体内部原有的力学平衡，导致上覆岩层和地表发生移动和变形，随着开采的推进将扩散到地表，导致地表发生沉陷，破坏现有土地资源并给周边建构筑物带来直接或间接危害。针对煤矿开采过程中及开采后导致的地面沉陷问题，为准确观测开采过程中的岩层及地表移动随开采时间与空间的变化，分析煤炭开采对地表沉陷的影响，相似材料模拟试验成为研究这一复杂地质环境的重要科学手段。基于相似材料模拟试验理论，将复杂的地质岩层通过模型上的相似再现，来研究真实对象中发生的现象和过程的规律性，可以得出相关的技术指标和参数，为实际工程的生产实践和应用提供科学依据，对建构筑物下开采导致的地表沉陷的岩层运动理论研究有一定的指导意义，从而达到解决实际问题的目的。现有的相似材料模拟实验装置(CN103823041A、CN204594982U)往往只能进行单一倾角煤层的模拟开采，普遍存在人工手动开采对上覆岩层扰动较大的现象，并且煤层开采尺寸固定，因此该类模拟试验装置在很大程度上难以适应现阶段复杂煤层条件开采模拟的需要。中国专利(ZL201510451445.6)公开了“一种三维多煤层开采相似材料模型实验系统”，该装置模拟煤层群下层煤回采时能够通过下层煤填充件在固定螺栓上的移动实现，模拟上层煤回采时能通过抽取上层煤填充件实现，从而可模拟两层煤的开采。但是，该实验系统存在以下不足：工程实际中由于地质环境的特殊性和复杂性，矿区煤田赋存呈现不规则分布，且煤层倾角多变，该实验系统只能模拟煤层水平且煤层开采高度、宽度单一的工况，无法模拟不同煤层倾角及不同煤层开采高度、宽度的工况，因此无法对不规则的地质环境的开采进行试验研究。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决上述现有技术的不足，提供一种能够模拟多种煤层倾角及不同开采高度、宽度工况的复杂条件煤层开采地表沉陷相似模拟试验装置及方法。本专利技术所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：一种复杂条件煤层开采地表沉陷相似模拟试验装置，包括底座、试验箱、填充件和试验箱角度调节机构；所述试验箱包括底板、开采层模框和非开采层模框，所述开采层模框和非开采层模框叠放固定在底板上；所述开采层模框的侧部设有开采口和开采口调节机构；所述开采口调节机构包括调节板、曲柄、第一连杆、弹簧、旋钮和棘轮止退机构；所述调节板安装于开采层模框上并可沿开采层模框的高度方向滑动，调节板的滑动能够调节开采口的高度；所述曲柄的一端枢接于开采层模框上；所述旋钮与曲柄的转轴连接，曲柄的另一端与第一连杆的一端枢接；所述第一连杆的另一端与调节板枢接；所述弹簧作用于开采层模框和调节板之间；所述棘轮止退机构用于阻碍曲柄在弹簧的作用下转动。所述填充件与开采口匹配且可从开采口插入试验箱中。所述试验箱角度调节机构包括丝杠、丝母、第二连杆和驱动电机；所述丝杠安装在底座上，所述丝母螺接于丝杠；所述底座上设有立板，所述底板与立板枢接；所述第二连杆分别与丝母和底板枢接；所述驱动电机与丝杠连接。本专利技术的技术方案还有：所述开采口调节机构沿开采层模框的长度方向设有至少两套。本专利技术的技术方案还有：所述开采口对称设置于开采层模框的两侧。本专利技术的技术方案还有：所述开采层模框上设有第一翻边；所述调节板的顶部设有第二翻边，调节板的底部设有第三翻边；所述第二翻边和第三翻边之间设有导向杆；所述第一翻边上设有与导向杆滑动配合的通孔，第二翻边和第三翻边分别位于第一翻边的上方和下方；所述弹簧套设在导向杆上并位于第一翻边和第二翻边之间。本专利技术的技术方案还有：所述棘轮止退机构包括棘轮、止退棘爪和拉簧；所述棘轮安装于曲柄的转轴上；所述止退棘爪枢接于开采层模框上；所述拉簧用于使止退棘爪与棘轮保持接触。本专利技术的技术方案还有：所述填充件的一侧设有与其球铰连接的滚珠。采用本技术方案，相对于填充件侧部直接接触的情况，能够将填充件之间由滑动摩擦改为滚动摩擦，减小摩擦力，使填充件的拉动更为省力，减小填充件的磨损。本专利技术的技术方案还有：还包括拉动装置，所述拉动装置包括竖直移动机构、前后移动机构、拉动气缸和万向钩；所述拉动气缸的轴线呈左右方向；所述竖直移动机构和前后移动机构用于驱动拉动气缸做竖直和前后方向的移动；所述万向钩安装在拉动气缸的活塞杆上。采用本技术方案，相对于人工拉动填充件的方式，降低了试验人员的劳动强度，提高了试验效率。本专利技术的技术方案还有：所述竖直移动机构为第一气动滑台；所述前后移动机构为第二气动滑台；所述第一气动滑台能够驱动第二气动滑台竖直移动；所述第二气动滑台能够驱动拉动气缸前后移动。本专利技术的技术方案还有：所述万向钩包括钩体和万向节；所述填充件的外端设有与钩体匹配的拉柄。试验箱被翻转一定角度后，通过万向钩可以实现填充件处于不同角度时的拉动。本专利技术还提供了一种复杂条件煤层开采地表沉陷相似模拟试验方法，包括以下步骤：A、根据现场煤层及岩层参数，配置相似材料；B、根据现场工况，通过开采口调节机构调整开采口的高度，选择与开采口匹配的填充件并将其插入开采层模框中；C、通过试验箱角度调节机构将底板调整至水平，将开采层模框和非开采层模框逐层安装在底板上，每安装一层开采层模框或非开采层模框后将相似材料铺设进去并压实，在相似材料中布置传感器；D、根据现场工况，通过试验箱角度调节机构调整试验箱的角度；试验箱角度调整完毕后用相似材料填充试验箱并压实，使相似材料的顶面水平，或者去除部分相似层材料使相似材料的顶面水平；E、在试验箱的前、后面布置高速相机，结合数字图像处理技术监测相似材料层的平面位移；在相似材料层的顶面采用纵横布置测线的方法，测量地表变形，其数据用软件处理后可获得地表变形云图，或选用三维激光扫描监测并获得相关数据；F、根据现场工况，将填充件拉至预设位置；G、对采集的数据和图像进行处理、分析。相对于现有技术，本专利技术复杂条件煤层开采地表沉陷相似模拟试验装置及方法的有益效果为：通过开采口调节机构调节开采口的高度，选用与开采口匹配的填充件能够模拟不同开采高度；通过控制填充件的拉动位移能够模拟不同开采宽度；通过试验箱角度调节机构调整试验箱的角度能够模拟不同的煤层倾角；因此，本专利技术能够模拟多种煤层倾角及不同煤层开采高度、宽度的工况，实现了对不规则的地质环境的开采进行试验研究，从而探究煤层开采对地面沉降的作用机理及应对方案，消除安全隐患。附图说明图1为实施例一的复杂条件煤层开采地表沉陷相似模拟试验装置的立体图。图2为实施例一的复杂条件煤层开采地表沉陷相似模拟试验装置的主视图。图3为实施例一的复杂条件煤层开采地表沉陷相似模拟试验装置的侧视图。图4为实施例一的开采层模框的结构示意图。图5为图4中A部的局部放大图。图6为实施例一的填充件的结构示意图。图7为实施例一的填充件的爆炸图。图8为实施例二的复杂条件煤层开采地表沉陷相似模拟试验装置的侧视图。图9为实施例三的复杂条件煤层开采地表沉陷相似模拟试验装置的立体图。图10为图9中B部的局部放大图。图11为实施例三的复杂条件煤层开采地表沉陷相似模拟试验装置的主视图。图中：1、底座，2、填充件，3、底板，4、开采层模框，5、非开采层本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复杂条件煤层开采地表沉陷相似模拟试验装置，其特征在于：包括底座(1)、试验箱、填充件(2)和试验箱角度调节机构；所述试验箱包括底板(3)、开采层模框(4)和非开采层模框(5)，所述开采层模框(4)和非开采层模框(5)叠放固定在底板(3)上；所述开采层模框(4)的侧部设有开采口(6)和开采口调节机构，所述开采口调节机构包括调节板(7)、曲柄(8)、第一连杆(9)、弹簧(10)、旋钮(16)和棘轮止退机构；所述调节板(7)安装于开采层模框(4)上并可沿开采层模框(4)的高度方向滑动，调节板(7)的滑动能够调节开采口(6)的高度；所述曲柄(8)的一端枢接于开采层模框(4)上，所述旋钮(16)与曲柄(8)的转轴连接，曲柄(8)的另一端与第一连杆(9)的一端枢接，所述第一连杆(9)的另一端与调节板(7)枢接；所述弹簧(10)作用于开采层模框(4)和调节板(7)之间，所述棘轮止退机构用于阻碍曲柄(8)在弹簧(10)的作用下转动；所述填充件(2)与开采口(6)匹配且可从开采口(6)插入试验箱中；所述试验箱角度调节机构包括丝杠(11)、丝母(12)、第二连杆(13)和驱动电机(14)，所述丝杠(11)安装在底座(1)上，所述丝母(12)螺接于丝杠(11)；所述底座(1)上设有立板(15)，所述底板(3)与立板(15)枢接；所述第二连杆(13)分别与丝母(12)和底板(3)枢接；所述驱动电机(14)与丝杠(11)连接。...

【技术特征摘要】
1.一种复杂条件煤层开采地表沉陷相似模拟试验装置，其特征在于：包括底座(1)、试验箱、填充件(2)和试验箱角度调节机构；所述试验箱包括底板(3)、开采层模框(4)和非开采层模框(5)，所述开采层模框(4)和非开采层模框(5)叠放固定在底板(3)上；所述开采层模框(4)的侧部设有开采口(6)和开采口调节机构，所述开采口调节机构包括调节板(7)、曲柄(8)、第一连杆(9)、弹簧(10)、旋钮(16)和棘轮止退机构；所述调节板(7)安装于开采层模框(4)上并可沿开采层模框(4)的高度方向滑动，调节板(7)的滑动能够调节开采口(6)的高度；所述曲柄(8)的一端枢接于开采层模框(4)上，所述旋钮(16)与曲柄(8)的转轴连接，曲柄(8)的另一端与第一连杆(9)的一端枢接，所述第一连杆(9)的另一端与调节板(7)枢接；所述弹簧(10)作用于开采层模框(4)和调节板(7)之间，所述棘轮止退机构用于阻碍曲柄(8)在弹簧(10)的作用下转动；所述填充件(2)与开采口(6)匹配且可从开采口(6)插入试验箱中；所述试验箱角度调节机构包括丝杠(11)、丝母(12)、第二连杆(13)和驱动电机(14)，所述丝杠(11)安装在底座(1)上，所述丝母(12)螺接于丝杠(11)；所述底座(1)上设有立板(15)，所述底板(3)与立板(15)枢接；所述第二连杆(13)分别与丝母(12)和底板(3)枢接；所述驱动电机(14)与丝杠(11)连接。2.根据权利要求1所述的复杂条件煤层开采地表沉陷相似模拟试验装置，其特征在于：所述开采口调节机构沿开采层模框(4)的长度方向设有至少两套。3.根据权利要求1所述的复杂条件煤层开采地表沉陷相似模拟试验装置，其特征在于：所述开采口(6)对称设置于开采层模框(4)的两侧。4.根据权利要求1～3任一所述的复杂条件煤层开采地表沉陷相似模拟试验装置，其特征在于：所述开采层模框(4)上设有第一翻边(17)，所述调节板(7)的顶部设有第二翻边(18)，调节板(7)的底部设有第三翻边(19)，所述第二翻边(18)和第三翻边(19)之间设有导向杆(20)，所述第一翻边(17)上设有与导向杆(20)滑动配合的通孔，第二翻边(18)和第三翻边(19)分别位于第一翻边(17)的上方和下方，所述弹簧(10)套设在导向杆(20)上并位于第一翻边(17)和第二翻边(18)之间。5.根据权利要求1～3任一所述的复杂条件煤层开采地表沉陷相似模拟试验装置，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵同彬，傅知勇，韩高升，邢明录，杨坤，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：山东,37