[发明专利]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

说明书

本发明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。

技术领域

本发明属于煤矿教学技术领域，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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。