[发明专利]一种模拟煤矿采空区顶板岩层运动规律的教学三维模型

说明书

本发明公开了一种模拟煤矿采空区顶板岩层运动规律的教学三维模型，包括长方体框架、水袋、块体模块、承压组件、磁性体、发光源。长方体框架用来起固定作用，块体模块用于模拟采空区顶板，块体模块内放置磁性体和光源，光源用来标示相同岩性岩层，磁性体用来模拟岩体内部的内聚力，在箱体顶部放置水袋。通过升降承压组件模拟工作面开采，可观察到三维状况下工作面推进过程中采空区上覆岩层的运动情况，本发明满足了采矿三维模型中无法看见内部结构的需要，通过模型的演示,可以直观的观察到覆岩的“三带（垮落带、冒落带和弯曲下沉带）”分布,帮助学生认识和理解采空区上覆岩层的“三带”理论。

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岩层运动规律的教学三维模型。

背景技术

在煤矿地下开采的《矿山压力与岩层控制》课程中，采空区顶板岩层的运动规律是学习者必上的一堂模型课，而模型表达的形式，则直接影响着学习者对采场顶板运动规律的理解及思维。众所周知，煤层的上覆岩层由直接顶和老顶及老顶之上的多层复合顶及表土层组成；在煤层开采之前，这些顶板及表土层都是以板状或散体状形态存在；当煤层采出后，老顶和复合顶顶板都是以块状的形态向下垮落；特别是直接顶之上一定范围内的老顶，则以砌体梁的形态自然搭载在煤壁及采空区已垮落的矸石上。如何将采场顶板的动态变化情况，在教学模型上演示出来，使初学者一目了然，是当前的教学模型还未解决的一个难题。

以前的二维教学模型的做法是：先在模型的底部铺上一层煤层，再在煤层上面铺上一层由碎石组成的弱强度相似材料层，用来替代直接顶（易垮落的碎岩石），再在其上铺设一层同一规格的长方体硬质塑料，用来替代老顶（不易垮落，但有原生裂隙的岩体）；然后在老顶相似材料之上用不同规格的硬质塑料，多层放置在上面，用来替代老顶之上的多层复合层及表土层；最后在模型的最上面施加一定的压力。

当进行模型演示时，人工挖掉一部分最下层的煤层，模拟煤层开采；煤层上面的直接顶，即成碎块散落在采空区内，位于直接顶之上的老顶及复合顶则以带压状态下的垮落模式向下垮落。理论上讲，此时的老顶应是以弯曲状或砌体梁咬合状跨落在采空区内，但以前的模型实现不了这一点；这是因为模型中用来模拟老顶及老顶之上的复合顶用的长方体硬质塑料砌块之间没有咬合力，导致各自下沉垮落，这不符合理论及现场观测到的实际情况；实际情况是砌块之间尽管有裂隙存在，但在周边水平应力挤压的条件下，存在很大的摩擦力，保持岩块不会单独垮落，应该形成缓慢咬合下沉的砌体梁结构。另外，以前的教学用采场矿压模型都属于二维模型；而现有的三维模型，只能用来研究矿压引起的应力分布情况，而不能用于教学目的；这是因为模型中用的相似材料都是不透明的，且没有各层顶板的分别显色功能，对于各层顶板在开采过程中的形态变化，学生们无法用肉眼看清楚。因此，应开发出一种能够模拟顶板运动的轨迹，使观察者能直观的看出顶板岩层及表土层的动态变化情况，同时满足教师方便进行操作和讲解的教学三维模型。

要实现老顶及老顶以上的复合顶块体模块不会单独掉落的最佳方法是在模型周边水平方向进行强力加压，但这在小型的三维立体模型上难以实现，且强力加压会导致块体模块变形及破坏，不宜在教学模型上实施。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，一是在三维模型上使老顶模拟层模块及 复合顶模拟层模块在不进行水平加压的情况下，保持一定的咬合力，促成砌体梁形成；二是实现三维模型的动态可视化，使观察者可以方便看到岩层的运动轨迹；三是设计能够演示直接顶模拟层的碎胀特征，且便于恢复的直接顶模拟层，适合在试验教学过程中进行演示。