一种模拟煤矿采空区顶板运动状态的教学二维模型及方法技术

本发明专利技术涉及一种模拟煤矿采空区顶板运动状态的教学二维模型及方法，包括底座、U形框架，U形框架的下端设有预留开口，U形框架的底面上设有与预留开口相匹配的可移动承载体，可移动承载体的一端设有电动螺杆，可移动承载体的上端设有直接顶模拟层，直接顶模拟层上端面和下端面分别设有上层柔性垫片和下层柔性垫片，上层柔性垫片之上设有老顶模拟层，老顶模拟层之上设有上覆岩层模拟层，上覆岩层模拟层之上设有可控制水量的水袋，向下部岩块传递均布载荷，该模型既能够控制模拟煤层的开挖速度，又能模拟出顶板岩块下沉变化时相邻岩块之间的咬合情况；反映煤矿采空区顶板运动状态的变化，有利于学生更好的掌握煤矿采空区上方顶板变化方面的知识。

A Two-Dimensional Teaching Model and Method for Simulating the Roof Movement of Goaf in Coal Mine

The invention relates to a two-dimensional teaching model and method for simulating the movement state of the roof of goaf in coal mine, including a base, a U-shaped frame, a reserved opening at the lower end of the U-shaped frame, a movable bearing body matching the reserved opening at the bottom of the U-shaped frame, an electric screw at one end of the movable bearing body, and a movable bearing. The upper end of the carrier is equipped with a direct top simulation layer. The upper end and the lower end of the direct top simulation layer are equipped with upper flexible gaskets and lower flexible gaskets respectively. The upper flexible gaskets are equipped with an old top simulation layer. The upper simulation layer is equipped with an overlying strata simulation layer, and the upper simulation layer is equipped with a water bag that can control the amount of water. The model can not only control the excavation speed of the simulated coal seam, but also simulate the occlusion between adjacent rock blocks when the roof rock subsides. It can reflect the change of the movement state of the roof in the goaf of coal mine, which is helpful for students to better grasp the knowledge of the change of the roof above the goaf of coal mine.

【技术实现步骤摘要】
一种模拟煤矿采空区顶板运动状态的教学二维模型及方法
本专利技术属于煤矿教学
，特别是涉及一种模拟煤矿采空区顶板运动状态的教学二维模型及方法。
技术介绍
在煤矿类院校采矿专业的教学课程中，《矿山压力与岩层控制》是采矿专业学生的一门重要专业课，其主要内容介绍的是采场顶板在开采过程中的运动变化规律。由于煤矿开采在地下深部进行，顶板的运动规律无法在现场看到，只能通过教学演示模型反映出来，所以反映采场顶板运动规律的演示模型课也是采矿专业学生必看的一个环节。在现有技术的该类教学演示二维模型中，大致可分为两类，第一类模型是用相似模拟方法制作的模拟填充层来替代煤层及部分上覆岩层，且在岩层最上部放置加载铁块来模拟剩余上覆岩层的重量，模型最下部采用人工开挖空间的方法来模拟煤层的开采；目前改进型的该类模型是在岩层的最上部用油压或手动千斤顶加压来替代加载铁块；该类模型的优点是比较直观地看到岩层及顶板活动后的情况，但它用于教学演示模型还有不足之处，原因有三点：一是模型最上部用来模拟岩层重量的加压装置存在局限性，千斤顶或加载铁块都属于定位、定点加压装置，在模型下部的煤层没有开挖时，可以起到给模型上覆岩层稳定加压的效果；当模型下部的煤层开挖后，采空区内上覆岩层随着煤层逐步开挖而失去稳定性，采用千斤顶或铁块的加载模式也会失去加载效果，实现不了载荷随顶板下沉的状况，也就是说达不到顶板总是承受连续载荷的目的，与实际情况不符。二是模型下部的煤层采用手动开挖，其速度和进度难以精确掌控，也就造成了每次进行顶板运动规律演示时各有差异，且动态变化过程难以在演示中看到，学生只能看到最终状态的大致情况。三是该类模型每次组建都很困难，单是相似材料的填充及晾干大约需十五天左右的时间，且材料不能重复使用；同时，由于整个模型所占用试验场地相对较小，实验同时所能容纳的人数有限，下次实验所需等待的周期较长，时间和材料等成本花费较高，故作为教学演示模型还有它的局限性。第二类是模型内用横向排列的塑料模块替代上履岩层，塑料模块之间用牵引绳串联，模型最下部采用活动长方体来模拟煤层，移出活动长方体来模拟煤层开挖。该类模型的优点是造价便宜，演示后复原容易，但也存在以下不足之处：一是顶板岩层上方没有加载重物，由于顶板是由绳子连接的块体塑料模块组成，如果没有加载重物，上覆岩层的塑料模块在下沉后会形成较大范围的离层，不能反映大多数采场的实际情况；二是煤层的开挖方式不是按顺序逐步开挖，带来顶板下沉规律差异很大；三是岩体断裂成岩块后，岩块之间应当存在咬合力；模型中采用塑料模块替代顶板断裂后形成的岩块，而塑料模块之间采用一般牵引绳连接，无法定量调节其松紧程度，也就无法显示岩块之间存在的咬合力，带来顶板下沉量不确定；四是无直接顶和老顶模拟层，也就无法演示老顶、直接顶和煤层共同组成的力学结构对采空区上覆岩层运动状态的影响；故该类模型只能用来表示采场顶板运动的最后形态，不能用来演示顶板岩层的下沉过程及下沉规律。因此，目前还没有合适的造价低廉、容易恢复、能将采场顶板的动态变化演示出来，且适合学生观看及动手操作的教学二维模型。
技术实现思路
本专利技术所要解决的第一个技术问题是提供一种模拟煤矿采空区顶板运动状态的教学二维模型，设计有反映碎胀特性的直接顶模拟层，模型上部的加载重物具有向下部岩块传递均布载荷的性能；模型演示时既能够控制模拟煤层的开挖速度，又能模拟出顶板岩块下沉变化时相邻岩块之间的咬合情况。本专利技术所要解决的第二个技术问题是提供一种模拟煤矿采空区顶板运动状态的教学示范方法，能够直观的反映煤矿采空区顶板运动状态的变化，有利于学生更好的掌握煤矿采空区上方顶板运动方面的知识。为解决上述第一个技术问题，本专利技术的一种模拟煤矿采空区顶板运动状态的教学二维模型，包括底座，底座上固定安装有开口朝上的U形框架，其特征在于：U形框架的两侧板之间设置有透明板，U形框架的两侧板下端对应设置有预留开口，U形框架的两侧板上沿侧板的延伸方向设置有至少两列平行穿绳通孔，U形框架的底面上设置有与预留开口相匹配的可移动承载体，可移动承载体的一端或底部设置有牵引机构，可移动承载体之上设置有直接顶模拟层，直接顶模拟层的上端面和下端面分别设置有上层柔性垫片和下层柔性垫片，上层柔性垫片之上设置有老顶模拟层，老顶模拟层之上设置有上覆岩层模拟层，上覆岩层模拟层之上设置有可控制水量的水袋，U形框架之外设置有水袋水量的控制系统。所述的老顶模拟层由多层大矩形模块叠加而成，大矩形模块中横向方向设置有至少两个连接通孔，每层大矩形模块均由横向设置的弹性绳通过连接通孔串接在一起，所述的上覆岩层模拟层由多层小矩形模块叠加而成，小矩形模块中横向方向设置有至少两个连接通孔，每层小矩形模块均由横向设置的弹性绳通过连接通孔串接在一起，所有弹性绳的两端分别穿过U形框架两侧板上的平行穿绳通孔绑定在外侧面上，且至少有一端安装有松紧调节装置。所述的水袋水量的控制系统包括储水箱、水泵，储水箱与水泵通过吸水管路相连通，水泵与水袋通过上水管路相连通，水袋与储水箱通过排水管路相连通；所述的排水管路上设置有阀门，上水管路上设置有流量计。所述的大矩形模块和小矩形模块均由塑料或树脂材料制成，小矩形模块的横向长度为大矩形模块横向长度的1/2，小矩形模块和大矩形模块的厚度和宽度相同。所述的牵引机构由安装于可移动承载体一端且位于U形框架之外的电动螺杆组成，或由安装于可移动承载体底部的直线电机运动机构组成，或由安装于可移动承载体底部的步进电机运动机构组成。所述的可移动承载体由上、下两层硬质橡胶组成，远离电动螺杆的一端为三角体形状，且上层硬质橡胶内安装有多个与外部数据处理装置相连的压力传感器。所述的U形框架的两侧板之间设置的透明板由多块呈条板状的有机玻璃板横向安装而成，且有机玻璃板通过紧固螺栓固定在U形框架上；在实施中，为了防止框架最上部的水袋注水后挤坏有机玻璃板，水袋两边的有机玻璃板可用同尺寸的铝板或其它较高强度的条状板代替。所述的上层柔性垫片和下层柔性垫片均由高分子材料制成，上层柔性垫片和下层柔性垫片的两端均设置有牵引绳，两端的牵引绳分别穿过U形框架两侧板上的平行穿绳通孔绑定在外侧面上，且远离电动螺杆一侧设置有松紧调节装置。所述的直接顶模拟层由可压缩且能复原的散体或块体状的泡沫塑料或泡沫橡胶或泡沫高分子材料组成。所述的U形框架的底面上沿其横向延伸方向设置有滑槽，可移动承载体的底部设置有与滑槽配合使用的凸台，或U形框架的底面上沿其横向延伸方向设置有滑轨，可移动承载体的底部设置有与滑轨配合使用的滑轮。以上描述中：所述的横向，均与U形框架的长边方向相一致；所述的宽度，均与U形框架的短边方向相一致；所述的厚度，均与U形框架的高度方向相一致。利用一种模拟煤矿采空区顶板运动状态的教学二维模型的模拟教学方法，包括以下步骤：第一步：在U形框架的旁边放置电脑，并将每个压力传感器通过汇集排线与电脑相连接。第二步：开动电动螺杆，驱动可移动承载体沿滑槽向远离电动螺杆的方向驱动进采空区的空间，当可移动承载体端部的三角体位于U形框架的外侧时，关闭电动螺杆。第三步：通过计算得出水袋内模拟上覆岩层重量所需的水量，打开水泵，将储水箱内的水抽入水袋内，通过流量计观察水袋内的水量达到设定值以后停止向水袋内注水。第四本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种模拟煤矿采空区顶板运动状态的教学二维模型，包括底座，底座上固定安装有开口朝上的U形框架，其特征在于：U形框架的两侧板之间设置有透明板，U形框架的两侧板下端对应设置有预留开口，U形框架的两侧板上沿侧板的延伸方向设置有至少两列平行穿绳通孔，U形框架的底面上设置有与预留开口相匹配的可移动承载体，可移动承载体的一端或底部设置有牵引机构，可移动承载体之上设置有直接顶模拟层，直接顶模拟层的上端面和下端面分别设置有上层柔性垫片和下层柔性垫片，上层柔性垫片之上设置有老顶模拟层，老顶模拟层之上设置有上覆岩层模拟层，上覆岩层模拟层之上设置有可控制水量的水袋，U形框架之外设置有水袋水量的控制系统；所述老顶模拟层由多层大矩形模块叠加而成，大矩形模块中横向方向设置有至少两个连接通孔，每层大矩形模块均由横向设置的弹性绳通过连接通孔串接在一起，所述上覆岩层模拟层由多层小矩形模块叠加而成，小矩形模块中横向方向设置有至少两个连接通孔，每层小矩形模块均由横向设置的弹性绳通过连接通孔串接在一起，所有弹性绳的两端分别穿过U形框架两侧板上的平行穿绳通孔绑定在外侧面上，且至少有一端安装有松紧调节装置。

【技术特征摘要】
1.一种模拟煤矿采空区顶板运动状态的教学二维模型，包括底座，底座上固定安装有开口朝上的U形框架，其特征在于：U形框架的两侧板之间设置有透明板，U形框架的两侧板下端对应设置有预留开口，U形框架的两侧板上沿侧板的延伸方向设置有至少两列平行穿绳通孔，U形框架的底面上设置有与预留开口相匹配的可移动承载体，可移动承载体的一端或底部设置有牵引机构，可移动承载体之上设置有直接顶模拟层，直接顶模拟层的上端面和下端面分别设置有上层柔性垫片和下层柔性垫片，上层柔性垫片之上设置有老顶模拟层，老顶模拟层之上设置有上覆岩层模拟层，上覆岩层模拟层之上设置有可控制水量的水袋，U形框架之外设置有水袋水量的控制系统；所述老顶模拟层由多层大矩形模块叠加而成，大矩形模块中横向方向设置有至少两个连接通孔，每层大矩形模块均由横向设置的弹性绳通过连接通孔串接在一起，所述上覆岩层模拟层由多层小矩形模块叠加而成，小矩形模块中横向方向设置有至少两个连接通孔，每层小矩形模块均由横向设置的弹性绳通过连接通孔串接在一起，所有弹性绳的两端分别穿过U形框架两侧板上的平行穿绳通孔绑定在外侧面上，且至少有一端安装有松紧调节装置。2.根据权利要求1所述的一种模拟煤矿采空区顶板运动状态的教学二维模型，其特征在于：所述水袋水量的控制系统包括储水箱、水泵，储水箱与水泵通过吸水管路相连通，水泵与水袋通过上水管路相连通，水袋与储水箱通过排水管路相连通；所述的排水管路上设置有阀门，上水管路上设置有流量计。3.根据权利要求1所述的一种模拟煤矿采空区顶板运动状态的教学二维模型，其特征在于：所述的大矩形模块和小矩形模块均由塑料或树脂材料制成，小矩形模块的横向长度为大矩形模块横向长度的1/2，小矩形模块和大矩形模块的厚度和宽度相同。4.根据权利要求1所述的一种模拟煤矿采空区顶板运动状态的教学二维模型，其特征在于：所述牵引机构由安装于可移动承载体一端且位于U形框架之外的电动螺杆组成，或由安装于可移动承载体底部的直线电机运动机构组成，或由安装于可移动承载体底部的步进电机运动机构组成。5.根据权利要求1或4所述的一种模拟煤矿采空区顶板运动状态的教学二维模型，其特征在于：所述可移动承载体由上、下两层硬质橡胶组成，远离电动螺杆的一端为三角体形状，且上层硬质橡胶内安装有多个与外部数据处理装置相连的压力传感器。6.根据权利要求1所述的一种模拟煤矿采空区顶板运动状态的教学二维模型，其特征在于：所述U形框架的两侧板之间设置的透明板由多块呈条板状的有机玻璃板横向安装而成，且有机玻璃板通过紧固螺栓固定在U形框架上。7.根据权利要求1所述的一种模拟煤矿采空区顶板运动状态的教学二维模型，其特征在于：所述的上层柔性垫片和下层柔性垫片均由高...

【专利技术属性】
技术研发人员：李振峰，李东印，张盛，韦四江，袁瑞甫，李文彩，
申请(专利权)人：河南理工大学，
类型：发明
国别省市：河南,41