[发明专利]一种矿用采煤工作面相似模拟立体实验模型

说明书

技术领域：

本发明涉及一种矿用采煤工作面相似模拟立体实验模型，其适用于测试埋深、倾角对不同岩性等采煤工作面赋存条件对工作面“围岩-支护”关系、顶底板裂隙发育和顶板断裂步距的影响。

背景技术：

矿山井下生产时易发生煤岩动力灾害，给煤矿安全生产带了极大威胁，而这些灾害事故的发生，均与“围岩-支护”之间的不适应、围岩裂隙发育有关。当设计的支架不能很好的适应采煤工作面时，将会导致支架压架、顶板断裂步距增大，甚至是顶板冒落；岩石材料在承受荷载时，其内部将产生局部应力集中，当达到其临界破裂强度时，会发生煤岩体的损伤破裂，当围岩裂隙发育时，极易发生瓦斯突出、裂隙带导水，甚至是瓦斯爆炸和突水事故发生。所以研究“围岩-支护”关系、围岩裂隙发育，对指导煤矿安全生产有重要意义。测试“围岩-支护”关系曲线是指导支架设计的重要依据，通过声波信号测试煤岩体裂隙发育，也是目前较为有效的手段。

目前的矿用采煤工作面相似模拟实验模型，存在以下的不足：

①无法模拟立体实验，只能在平面相似模型上进行模拟；

②无法保证模拟底座的强度，通过钢板等铰接方式模拟的可调节角度的底座是无法承受较大的加载应力；

③无法测试“围岩-支护”特征曲线以及围岩裂隙发育，仅仅通过应变片监测、位移观测是无法得出精确的数据；

因此，需要对上述矿用采煤工作面相似模拟实验模型进行改进。

发明内容：

本发明提出了一种矿用采煤工作面相似模拟立体实验模型，是为了解决国内现有的采煤工作面实验模型的无法进行立体模型实验、无法获得精确的“围岩-支护”特征曲线、无法准确判断顶板裂隙发育和断裂步距等问题。

解决以上弊端采用了如下技术方案。本发明包括底座、液压加载装置、多功能液压支架、模拟岩层、旋转装置、信号采集系统以及信号分析系统，其中：所述底座为梯形底座，包括梯台、设于梯台右边的右底座和设于梯台左边的凹槽，且所述梯台的高度高于所述右底座和所述凹槽的高度。所述液压加载装置放置在底座上，包括四根带孔立柱，加载顶梁通过高强螺栓与立柱铰接在一起，可以沿着立柱上下移动，设于加载顶梁下方的加载千斤顶，承压板布置在加载千斤顶下方。所述多功能液压支架包括相互铰接的顶板、底板、掩护板、液压活柱及前后连杆，通过变换两两之间的铰接位置，模拟不同架型的液压支架。所述模拟岩层分别置于多功能液压支架顶板上方和底板下方，根据生产实际选择相应的岩层模拟采煤工作面的顶底板。所述旋转装置包括左旋转装置和右旋转装置，参见图5，图5是本发明旋转装置配合连接的结构示意图；左旋转装置和右旋转装置包括可旋转连接支座和支撑千斤顶，支撑千斤顶的两端分别设有一个可旋转连接支座。右旋转装置一端固定于右底座上，一端固定于液压加载装置的下底面的右端；左旋转装置的一端固定于梯台上，一端固定于液压加载装置的下底面的中段。所述信号采集系统包括黏贴在模拟岩层外侧的声波信号采集器和声波转换器，以及黏贴在加载千斤顶液压缸的应变采集器和黏弹在液压支架活柱上的压力采集器。所述信号分析系统包括处理声信号的裂隙信号分析仪和“围岩-支护”特征曲线分析仪。

本发明具有的优点和积极效果是：本发明利用强度较高的旋转装置，在有效的改变模拟采场的倾角的同时，还能保证一定的支撑能力，多功能液压支架利用四连杆结构，变化多种架型支架，节约了实验所需的成本，信号采集系统采集出的声信号、压力信号、应变信号，能够通过信号分析系统有效转换成裂隙信号和“围岩-支护”特征曲线，从而实现了在一种实验平台上，即模拟不同采场环境下多种架型支架的支护实验，判断“围岩-支护”关系、掌握了顶板裂隙发育和断裂步距。

附图说明：

图1为本发明主视图；

图2(a)底座及旋转装置；

图2(b)旋转装置及零部件；

图3(a)液压加载装置主视图；

图3(b)液压加载装置侧视图；

图4(a)多功能液压支架；

图4(b)多功能液压支架零部件；

图5信号采集系统；

图6信号分析系统；