[发明专利]煤层开采三维物理模拟实验装置及实验方法

说明书

技术领域

本发明涉及借助于测定材料的化学或物理性质来测试或分析材料技术领域，尤其涉及一种煤层开采三维物理模拟实验装置及实验方法。

背景技术

物理模拟实验是研究采煤活动中煤岩层移动和矿压显现规律的常用方法，可分为二维（平面）物理模拟实验和三维物理模拟实验两类。其中三维物理模拟实验得到的是三维空间的实验结果，因而更加全面和可信。

在三维物理模拟实验中，模拟煤层的开挖是整个实验的难点之一。有的解决方法是在三维物理实验台下设置地下操作空间，实验台的底板由多块可拆装的活动板构成。在堆筑模型时，最下一层即为预开采额模拟煤层。开挖时，操作人员进入地下操作空间，卸下预开挖位置的活动板开挖，开挖完成后再装上活动板。此种开挖的缺点是操作不便利而且较为复杂，没有考虑底板岩层对整个开采活动的影响，模拟结果不够准确和全面。

也有的解决方法是在堆筑和养护完成的模型上先开一个小洞，然后在小洞里伸入器械对模型内部进行开挖。这种方式难以做到开挖的准确，或者即使做到开挖的准确也会因装置的过于复杂和造价太高而难以实施。

还有的采用液压装置进行开挖的模拟，堆筑模型时，在模拟煤层处用已充入相当液体并保持压力的多个液压装置占据开挖煤层的空间。模拟开挖时，依照开采顺序将液压装置内的液体放出，液压装置整体高度降低，完成开挖模拟。受物理模拟实验台尺寸和工程量的限制，模型是不能做得太大的。因此煤层的厚度一般较小。在模拟实验中，液压装置的尺寸受到很大的限制。液压装置的尺寸小，则加工难度比较大，各部件的连接精度要求较高。三维物理模拟实验的堆筑、养护、开挖、观测等过程持续时间较长，液压装置内部在液体放出前的较长时间里要保持相当高的压力，增加了渗漏的风险，可靠性降低。另外，液压管路为中空结构，既要保证材料的强度，又要保证管路有相当的壁厚。这样，相对较粗的液压管路从模型中穿过，对模型造成了较大影响。

可见，已有的在三维物理模拟实验中实现煤层开采的装置和方法存在着一些不足。寻求可靠性强、操作简单且造价低廉的煤层开采装置和方法具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种煤层开采三维物理模拟实验装置及实验方法，通过使用所述实验装置完成煤层开采三维物理模拟实验，具有操作简单、造价低廉、系统可靠性强，实验结果更准确的特点。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种煤层开采三维物理模拟实验装置，其特征在于：所述实验装置包括若干个电熔蜡装置、电源以及若干个开关，所述一个电熔蜡装置和一个开关串联后形成一条电熔蜡控制支路，若干条电熔蜡控制支路并联在电源的两端。

进一步的技术方案在于：所述电熔蜡装置包括底座、顶盖以及电熔蜡组件，所述电熔蜡组件包括纸筒、位于纸筒内的固化蜡以及位于固化蜡内的电阻丝，所述电熔蜡组件的一端与底座固定连接，所述顶盖盖合于电熔蜡组件的另一端，所述电阻丝的两端分别连接有一条电线。

进一步的技术方案在于：所述底座和顶盖为盆状结构，所述底座和顶盖的侧壁上设有电线孔，与所述电阻丝连接的电线通过所述电线孔向电熔蜡装置的外侧引出。

进一步的技术方案在于：所述电阻丝为螺旋状电阻丝。

进一步的技术方案在于：所述顶盖和底座采用不导电耐高温材料制成。

本发明还公开了一种煤层开采三维物理模拟实验方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：（1）将两根电线分别与电阻丝的两端连接，制作一个纸筒，纸筒高度根据模拟煤层的开采厚度确定，用纸筒围住电阻丝，并使上述两根电线穿过所述纸筒，将蜡质材料融化灌入纸筒内，凝固后与电阻丝结合成一个柱体，然后将该柱体放置于底座内并固定，将顶盖盖合在该柱体上；

（2）将上述两根电线分别穿过底座和顶盖上设置的电线孔；

（3）在三维物理模拟实验台上堆筑底板模拟岩层，堆筑时在设定位置埋设压力和位移传感器并将传感器信号线引出模型以外；

（4）根据模拟要求，在预定的煤层开挖位置安装多个制作好的电熔蜡装置，将连接电熔蜡装置的电线延伸至模型以外；

（5）在预定不开挖的煤层位置继续堆筑模拟煤层，进而在模拟煤层和电熔蜡装置的上面继续堆筑顶板模拟岩层，堆筑时在设定位置埋设压力和位移传感器；

（6）将上述所有的传感器信号线连接到压力和位移信号测量装置上；

（7）在连接电熔蜡装置的电线上设置开关，在开关处于断开状态下将电线连接在电源上；