[发明专利]一种相似材料模拟实验装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于采矿及岩土工程技术领域，具体涉及一种相似材料模拟实验装置及方法。

背景技术

相似材料模拟是采矿工程和岩土工程的主要试验研究方法，可用于模拟再现工程现场煤层开采开挖实况，并观测该条件下的围岩应力、应变与位移。

相似材料模拟试验简单易行、形象直观，可以根据不同的开采方案进行反复试验，对研究采动过程的岩层运移、断裂规律具有显著的优势，在采矿工程问题研究过程中占据着不可替代的重要地位。因此，许多高等院校和科研单位的试验室都已普遍建有相似材料模拟试验装置。

目前，相似材料模拟试验装置分为二维相似材料模拟试验装置和三维相似材料模拟试验装置两大类。

现有的二维相似材料模拟实验装置主要存在以下问题和不足：1、体型庞大笨重，结构不尽合理，妨碍试验操作和观测，且底座固定于地面，一旦建成便难以拆卸和挪移，长期占用大量宝贵的实验室空间资源；2、由于使用材料主要为河砂、石膏、大白粉，新铺装的相似材料晾干时间长，导致试验周期长、试验效率低，且受材料限制，实验精度低；3、模拟煤层开采的劳动强度大，对相似模拟材料模型扰动大，难以科学地模拟煤层的采出；4、受试验装置及材料的限制，不适用于快速模拟煤层开采。

发明内容

发明目的：本发明针对上述现有技术存在的问题做出改进，即本发明的第一个目的为一种相似材料模拟实验装置，其结构简单，实现方便且成本低，操作简便，材料可回收利用，适应性强，提高了实验效率。本发明的第二个目的为公开了一种相似材料模拟实验方法。

技术方案：一种相似材料模拟实验装置，包括实验平台、位于实验平台上的透明实验装置、位于实验平台上的连接回采动力装置的水平转动把手、位于实验平台正面的连接调节放煤窗口调节装置的竖直转动把手、支撑和固定实验平台的横梁、支撑横梁的立柱、稳定底梁和固定于支撑底梁上的透明玻璃回收装置；

所述透明玻璃回收装置包括固定于支撑底梁上的隔板轨道、隔板、分割条、位于隔板轨道上部的回收槽的前后透明玻璃板和位于隔板轨道上部的回收槽的左右透明玻璃板，通过回收槽固定钢片固定前后透明玻璃板及左右透明玻璃板，通过回收槽固定角钢将回收槽固定于隔板轨道上，回收槽固定钢圈与回收槽固定角钢焊接，

所述透明实验装置包括位于实验平台之下的钢板、固定于实验平台上的短边固定钢条、长边固定钢条、焊接在短边固定钢条和长边固定钢条上的根部稳固钢圈，根部稳固钢圈通过固定角钢、固定钢片、固定钢圈共同固定长边透明玻璃挡板和短边透明玻璃挡板，水平刻度尺、竖直刻度尺固定于长边透明玻璃挡板上。

进一步地，所述的回采动力装置包括水平转动把手和固定于横梁上的换向装置传动轴与换向装置传动相连，传动轴固定于承载梁，齿轮位于传动轴上并与齿条相啮合，齿条固定于钢板上，钢板位于滑块上，滑块设于滑杆上，滑杆固定于承载梁。

进一步地，所述调节放煤窗口调节装置包括横梁和固定于横梁上的套筒，穿过套筒与竖直转动把手传动相连，撞击杆固定于轴上，固定槽固定于钢板上，撞击钢片悬放于固定槽内。

一种相似材料模拟实验方法，包括以下步骤：

(1)、铺装相似模拟材料

在透明实验装置底部的钢板上逐层铺设相似材料，直至铺装的相似模拟材料的高度达到设计高度为止；

(2)、调节放煤窗口

转动竖直转动把手，通过轴带动撞击杆敲击撞击钢片，使撞击钢片移动，形成撞击钢片与钢板的相对移动，钢板上留有预设的小口，直至达到合适的放煤窗口，放煤窗口在钢板移动过程中位置保持不变；

(3)、模拟煤层开采：

通过转动水平转动把手，利用换向装置和传动轴带动齿轮转动，齿轮与齿条同步运动，齿条带动钢板移动，钢板移动过程中通过放煤窗口将煤层放到回收槽中，模拟煤层开采；各层相似模拟材料在自身重力和上层相似模拟材料压力的作用下依次向下发生弯曲、变形、破断、垮落，同时，各层相似模拟材料内也发育着不规则的裂缝，相似模拟材料的表面也发生了移动变形；

(4)、现象观测

在模拟开采过程中，通过长边透明玻璃挡板观测模拟材料表面移动变形和裂隙发育的动态情况，观测煤层开采过程中，任一位置煤层开采对其前方、后方和上方材料模拟层的移动变形破坏动态影响过程及影响程度；模拟开采过程中及开采结束后，通过长边透明玻璃挡板观测模拟材料表面移动变形和裂隙发育的最终情况，观测回采稳定后模拟材料移动变形及裂缝情况与回采过程中情况的不同；

(5)、实验材料回收利用