[发明专利]一种可变角度的物理相似模拟实验平台及其应用方法

说明书

技术领域

本发明涉及岩土工程领域物理相似模拟实验研究，具体涉及一种可变角度的物理 相似模拟实验平台及其应用方法。

背景技术

大倾角及急倾斜煤层的开采一直是一个技术难题，使用传统的急倾斜煤层开采方 法存在诸多缺点：回采工艺复杂、操作难度高、煤炭回采成本高、安全难以管理、煤炭回收率 低。俯伪斜走向长壁采煤法开采此类煤层具有一定的优越性。其主要优点有：工作面沿俯伪 斜方向布置，减少了煤、矸的下滑速度，有利于防止冲倒支架和砸伤人员；改善了工作面顶 底板的受力状况，相对增加了稳定性；工作面有效利用率比台阶采煤法高，为提高单产、改 善工作面近煤壁处通风情况及实现机械化开采提供了条件等，是一种合理、科学、实用的采 煤方法。物理相似模拟实验作为采矿工程学科重要的研究手段，可作为指导实践生产的重 要理论依据。针对大倾角煤层物理相似模拟实验，传统模型搭建方法是将水平放置的模型 架通过滑轮牵引掉起顶部一角，将实验架转到所需的角度固定，再从实验架底角往上水平 铺设模型。该方法存在以下几方面不足：(1)由于测量的误差，很难将实验架精确转到所需 角度，由此降低了模拟实验的相似度，严重影响实验结果的科学性和可靠性；(2)模型铺设 工序复杂。由于模型是从下底角铺设至上顶角，导致每层模型都没有固定的尺寸，无论是计 算材料配比还是具体施工工序都较为复杂；(3)当模型铺设好后，需要将实验架转回到水平 角度，该过程如果操作不当，很容易导致模型坍塌；(4)该方法模拟的煤岩层倾角有限，一般 最大能达到45°左右，对于更大倾角的煤层则不能模拟；(5)传统实验架只能进行平面实验， 且不能实现加载过程。(6)针对较复杂的开采方法如俯伪斜开采该类实验架则不能模拟。

因此需要发明一种可实现大倾角煤层俯伪斜开采方法模拟的物理相似模拟实验 平台。本发明设计出一种可实现变角度(30°～70°)的实验平台，简化了大倾角煤层物理相 似模拟实验的操作工序；实现了大倾角煤层俯伪斜开采方法的模拟，且可进行加载过程；可 以实现重复使用。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种利用物理相似模拟实验可调角 度实验平台及其利用该平台所采用的模拟大倾角煤层俯伪斜开采法的应用方法，借助该实 验平台简化实验工序、提高实验模拟相似度、提升实验结果的科学性。

为实现上述目的，本发明公开了如下技术方案：

一种可变角度的物理相似模拟实验平台，包括平台架、滑动面框架、材料挡板、滑 动面和底座：

平台架为由槽钢焊接制成的T型架构，平台架的底座和立柱固定位置刻有轨槽，为 滑动面滑动提供导轨；平台架的底座和立柱的固定位置开有一排固定销孔；

滑动面框架是由四根角铁焊制而成的矩形框架，矩形框架中间加有一根加强筋， 框架四周每隔10cm留有直径10mm的小孔，用于固定滑动面；

材料挡板直接焊接在滑动面框架的底边上，始终与滑动面框架保持垂直，随滑动 面前后移动，用于防止模型材料沿着滑动面下滑；

滑动面为模型直接铺设的平面，由一块亚克力板裁制而成的透明矩形平面板，通 过螺栓连接在滑动面框架上；

底座是由角铁焊制而成的六面体加梁框架，与平台架分离，实验时将平台架放置 在底座上，便于观察实验现象。

进一步的，为保证平台足够强度，所述平台架由10#槽钢焊制而成。

进一步的，为保证滑动面始终保持为一个平面，所述滑动面框架中间的加强筋为 焊接的一根5cm宽、1.5m长的角铁。

进一步的，为保证滑动面足够的强度、刚度和便于观察实验现象，滑动面由厚度为 10cm的透明亚克力板制成。

进一步的，为保证模拟材料不沿滑动面下滑，所述材料挡板为在焊制在滑动面框 架底边的厚2mm，高60cm的铁板。

进一步的，所述平台架长1.5m，高1.3m；滑动面长1.5m，宽1.2m，最大调整角度70°， 最小调整角度30°。

为实现上述目的，本发明还公开了一种可变角度的物理相似模拟实验平台的应用 方法，包括如下步骤：

S1在进行模型铺设前，先根据模拟煤岩层的地质资料确定煤岩层角度及各分层的 厚度，确定好比例关系，计算出模型各分层的材料配比以及铺设厚度；

S2清理好可调角度实验平台，取出固定销钉，将平台滑动面推至所要模拟的角度 位置，插入固定销钉，即完成了实验前的准备工作；