一種可自動(dòng)開(kāi)采、壓力監(jiān)測(cè)的水下采煤模擬裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及礦山機(jī)械及教育領(lǐng)域，特別是涉及一種用于可自動(dòng)開(kāi)采、壓力監(jiān)測(cè)的水下采煤模擬裝置及其使用方法。
【背景技術(shù)】
[0002]承壓含水層廣泛存在于我國(guó)煤系地層當(dāng)中，國(guó)內(nèi)外發(fā)生了多起承壓含水層下采煤的工作面壓架致災(zāi)事故，造成了大量人員傷亡和巨大經(jīng)濟(jì)損失。因此在采動(dòng)影響、礦山壓力以及承壓水的共同作用下，弄清承壓水的載荷傳遞、水巖共同作用下礦山壓力及工作面壓架致災(zāi)的機(jī)理，變得尤為重要。
[0003]針對(duì)上述問(wèn)題，目前主要是利用理論分析，結(jié)合相似模擬實(shí)驗(yàn)等手段論證開(kāi)采參數(shù)可靠性，但是相似實(shí)驗(yàn)?zāi)壳按嬖谝韵虏蛔?
[0004]首先，開(kāi)挖過(guò)程為人工拿細(xì)鐵棍開(kāi)挖，一般為每隔兩個(gè)小時(shí)開(kāi)挖一定距離煤層(如50mm左右)，這種方法不符合相似模擬的相似推采速度(按照100:1的相似比，這就意味著煤炭一下往前推采5m，這是不科學(xué)的)，即按照一定的速度開(kāi)挖，且一般一個(gè)模型需要三天三夜以上時(shí)間連續(xù)開(kāi)挖，這又要求實(shí)驗(yàn)人員在晚上還需要每隔兩個(gè)小時(shí)開(kāi)挖一次，一個(gè)實(shí)驗(yàn)一般需要3-5名開(kāi)挖人員，工作量非常大，非常不便。
[0005]第二，工作人員在開(kāi)挖時(shí)，由于相似模型裝置一般寬300mm，在中間部位模型相對(duì)堅(jiān)硬且看不清，經(jīng)常挖錯(cuò)頂板或者底板等，對(duì)于實(shí)驗(yàn)的結(jié)果影響較大。
[0006]第三，有時(shí)候模型相對(duì)堅(jiān)硬，需要使用很大的力氣才能挖動(dòng)，在模型中間部位，甚至需要敲打才能挖動(dòng)，這種震動(dòng)、敲打或者無(wú)意識(shí)的觸碰到頂板，都相當(dāng)于實(shí)際生產(chǎn)中很大的沖擊地壓的影響，因此對(duì)于某些研究頂板結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)等結(jié)果影響較大。
[0007]最后，相似模擬目前主要研究頂?shù)装宓膽?yīng)力特征，頂板的垮落特征等，但是目前還沒(méi)有能夠模擬工作面采場(chǎng)支架模擬裝置以及它的運(yùn)移和應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和方法，對(duì)于相似模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果影響較大。
[0008]因此提高相似模擬實(shí)驗(yàn)仿真度，確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)科學(xué)可靠尤為重要；
[0009]同時(shí)，針對(duì)相似模擬實(shí)驗(yàn)含水層的模擬，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)許家林教授展開(kāi)了大量的理論分析和試驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)了松散承壓含水層載荷傳遞作用的實(shí)驗(yàn)裝置和松散承壓含水層采動(dòng)水位變化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)裝置及方法(申請(qǐng)?zhí)?200720037001.9)，但是上述試驗(yàn)裝置及方法，存在以下不足:
[0010]⑴上述方法中用到了一整體的、全長(zhǎng)承壓水袋來(lái)近似模擬煤系地層中的承壓含水層，然而作為水袋這種材料本身的特殊性，它存在一定的強(qiáng)度和曲率，一旦采用全長(zhǎng)鋪設(shè)水袋(如3m長(zhǎng)的試驗(yàn)架就選用3m長(zhǎng)的水袋)，由于一般需要模擬的承壓水的水壓較大，所設(shè)計(jì)水袋必須能承受一定的水壓力，這樣水袋本身的強(qiáng)度就不能太低，其曲率自然就變小，加之水袋在上覆巖層移動(dòng)變形的兩端會(huì)被巖層壓緊，而覆巖的移動(dòng)變形區(qū)域又很大，就會(huì)造成水袋在煤層開(kāi)采后不能隨著巖層移動(dòng)而同步下沉運(yùn)動(dòng)，造成巖層與水袋的離層，承壓含水層載荷就無(wú)法向下傳遞，造成試驗(yàn)失真甚至失敗。
[0011]⑵上述實(shí)驗(yàn)方法中，也無(wú)法做到在煤層開(kāi)采過(guò)程中，對(duì)含水層中受采動(dòng)影響部分的水的流動(dòng)及補(bǔ)給規(guī)律進(jìn)行模擬及監(jiān)控，進(jìn)而也就無(wú)法做到對(duì)采煤工作面推進(jìn)距離、推進(jìn)速度等因素與承壓水內(nèi)部水流的補(bǔ)給方向的變化之間建立聯(lián)系，做出定性及定量的判斷，自然就無(wú)法得出規(guī)律性認(rèn)識(shí)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，提高相似模擬實(shí)驗(yàn)仿真度，確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)科學(xué)可靠，本發(fā)明提供了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效果好的承壓水下自動(dòng)采煤和壓力監(jiān)測(cè)的可自動(dòng)開(kāi)采、壓力監(jiān)測(cè)的水下采煤模擬裝置。
[0013]—種可自動(dòng)開(kāi)采、壓力監(jiān)測(cè)的水下采煤模擬裝置，包括架體、設(shè)置在所述架體上的承壓含水層、煤層、設(shè)置在所述煤層兩側(cè)的支撐桿、以及其他巖層；
[0014]所述承壓含水層由多個(gè)小水袋連接而成，所述小水袋是由水袋頂板、水袋底板、前側(cè)壁、后側(cè)壁、左側(cè)壁和右側(cè)壁圍合而成的長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部為充水空間，在所述小水袋的左側(cè)壁上設(shè)置有入水口，右側(cè)壁上設(shè)置有出水口，后一個(gè)所述小水袋的入水口通過(guò)輸水管與前一個(gè)所述小水袋的出水口相連，第一個(gè)所述小水袋的入水口與水供應(yīng)裝置相連，最后一個(gè)所述小水袋只設(shè)置有入水口；
[0015]所述輸水管包括第一管體、第二管體和第三管體，所述第一管體的一端通過(guò)彈性軟管和接頭與前一個(gè)所述小水袋的出水口連接，所述第二管體的一端通過(guò)彈性軟管與所述第一管體的另一端相連，所述第三管體的一端通過(guò)彈性軟管與所述第二管體的另一端相連，所述第三管體的另一端通過(guò)彈性軟管和接頭與后一個(gè)所述小水袋的入水口連接；所述第一管體與所述第二管體之間形成的角度以及所述第二管體與所述第三管體之間形成的角度均為銳角；在所述第二管體外側(cè)的中部設(shè)置有水流量傳感器；
[0016]所述第一管體和第三管體的長(zhǎng)度為25臟，所述第二管體的長(zhǎng)度為40臟，用于連接的彈性軟管的長(zhǎng)度均為1mm ；
[0017]所述輸水管還包括第一支撐管和第二支撐管，所述第一支撐管的一端固定在所述第一管體的中部，另一端固定在前一個(gè)小水袋的右側(cè)壁上，所述第一支撐管、第一管體和右側(cè)壁之間形成一個(gè)穩(wěn)定的等邊三角形的空間；所述第二支撐管的一端固定在所述第三管體的中部，另一端固定在后一個(gè)小水袋的左側(cè)壁上，所述第二支撐管、第三管體和左側(cè)壁之間形成一個(gè)穩(wěn)定的等邊三角形的空間，所述第一支撐管和第二支撐管為直徑2_的塑料棒；
[0018]在所述煤層中設(shè)置有采煤支護(hù)模擬系統(tǒng)，在所述支撐桿上運(yùn)行，所述采煤支護(hù)模擬系統(tǒng)包括采煤模擬裝置和位于其后側(cè)的液壓支架模擬裝置，所述液壓支架模擬裝置包括底板、頂板、應(yīng)力計(jì)量器、驅(qū)動(dòng)裝置和擋板，其中，所述應(yīng)力計(jì)量器的頂部和底部分別與所述頂板和底板連接，所述擋板的上端與所述頂板的后端相連，所述擋板與所述頂板之間的角度為鈍角，驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)所述液壓支架模擬裝置移動(dòng)。
[0019]本發(fā)明所述的可自動(dòng)開(kāi)采、壓力監(jiān)測(cè)的水下采煤模擬裝置，其中，所述承壓含水層包括10個(gè)所述小水袋，從第I個(gè)?第5個(gè)小水袋的入水口設(shè)置在所述左側(cè)壁的中部，處于靠近所述前側(cè)壁的位置，出水口設(shè)置在所述右側(cè)壁的下部，處于靠近所述后側(cè)壁的位置；從第6個(gè)到10個(gè)小水袋的入水口設(shè)置在所述左側(cè)壁的下部，處于靠近所述前側(cè)壁的位置；從第6個(gè)到9個(gè)小水袋的出水口設(shè)置在所述右側(cè)壁的中部，處于靠近所述后側(cè)壁的位置。
[0020]本發(fā)明所述的可自動(dòng)開(kāi)采、壓力監(jiān)測(cè)的水下采煤模擬裝置，其中，在所述水袋頂板和所述水袋底板的左右兩側(cè)還分別設(shè)置有保護(hù)板，由所述水袋頂板和水袋底板向左右兩側(cè)延伸而成，將所有所述小水袋的所述保護(hù)板依次相連，在相鄰的兩個(gè)所述小水袋間形成保護(hù)所述輸水管的置物空間；所述水袋頂板和所述水袋底板為PVC板，所述前側(cè)壁、后側(cè)壁、左側(cè)壁和右側(cè)壁的截面為可折疊伸縮的齒形結(jié)構(gòu)，由丁基橡膠制成。
[0021]本發(fā)明所述的可自動(dòng)開(kāi)采、壓力監(jiān)測(cè)的水下采煤模擬裝置，其中，所述小水袋的長(zhǎng)度為270_，寬度為300_，所述前側(cè)壁、后側(cè)壁、左側(cè)壁和右側(cè)壁的最大拉伸高度為60_ ;所述保護(hù)板的長(zhǎng)度為15mm，寬度為300mm ;所述水袋頂板和水袋底板的厚度為4mm，所述前側(cè)壁、后側(cè)壁、左側(cè)壁和右側(cè)壁的厚度為2.2mm ;所述彈性軟管為聚丙烯材料制成，外直徑為70_，內(nèi)直徑為50_ ;所述小水袋在使用前其內(nèi)部處于完全壓縮狀態(tài)。
[0022]本發(fā)明所述的可自動(dòng)開(kāi)采、壓力監(jiān)測(cè)的水下采煤模擬裝置，其中，所述水供應(yīng)裝置包括多個(gè)相同規(guī)格的水箱，所述水箱從上至下包括依次連通的上管體、上箱體、下管體和下箱體，所述上管體的上端為管口，所述上管體的上部為無(wú)刻度區(qū)，下部為有刻度區(qū)，所述下管體的上部為有刻度區(qū)，下部為無(wú)刻度區(qū)，在所述有刻度區(qū)的管壁上設(shè)置有刻度；在所述水箱的底部設(shè)置有水箱出水口；
[0023]所述水箱由透明材料制成，所述水箱為3個(gè)，所述水供應(yīng)裝置還包括接頭和壓力表，所述3個(gè)水箱的水箱出水口分別通過(guò)管路與所述壓力表連接，所述接頭的一端通過(guò)管路與所述壓力表連接，另一端與第一個(gè)所述小水袋的入水口連接，在每個(gè)水箱和所述壓力表之間的管路上設(shè)置有閥門(mén)。
[0024]本發(fā)明所述的可自動(dòng)開(kāi)采、壓力監(jiān)測(cè)的水下采煤模擬裝置，其中，所述上管體和所述下管體的橫截面為邊長(zhǎng)為80mm的正方形，所述上管體的總高度為150mm，其中，上部的無(wú)刻度區(qū)高度為81.25mm，下部的有刻度區(qū)的高度為68.75mm，所述下管體的總高度為1000mm,上部的有刻度區(qū)高度為900mm，下部的無(wú)刻度區(qū)高度為10mm ;所述上箱體和下箱體的橫截面為邊長(zhǎng)為250mm的正方形，所述上箱體的高度為160mm，所述下箱體的高度為10mm ;所述水箱的有刻度區(qū)的刻度值由上至下依次增大。
[0025]本發(fā)明所述的可自動(dòng)開(kāi)采、壓力監(jiān)測(cè)的水下采煤模擬裝置，其中，所述應(yīng)力計(jì)量器包括第一殼體和設(shè)置在其內(nèi)部的內(nèi)柱，所述內(nèi)柱可在所述第一殼體內(nèi)自由上下滑動(dòng)，所述內(nèi)柱的頂部與所述頂板固定連接，在所述第一殼體的底端連接有應(yīng)變膜，并且所述應(yīng)變膜覆蓋所述第一殼體的底端，所述應(yīng)變膜、所述第一殼體和所述內(nèi)柱之間形成氣腔，在所述氣腔內(nèi)設(shè)置有氣囊，所述氣囊由塑膠膜密封而成，所述應(yīng)變膜通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)與應(yīng)變儀連接，所述應(yīng)變儀與計(jì)算機(jī)連接；
[0026]所述第一殼體的底端連接第二殼體，所述第二殼體的厚度小于所述第一殼體的厚度，所述第二殼體的底端連接支撐板；
[0027]所述內(nèi)柱、所述第一殼體、所述第二殼體均為圓柱形，所述數(shù)據(jù)線(xiàn)的一端接頭設(shè)置在所述第一殼體的底端上的所述應(yīng)變膜上，所述第二殼體上設(shè)置有通孔，所述數(shù)據(jù)線(xiàn)的另一端從所述通孔中穿出，與所述應(yīng)變儀相連；在所述第二殼體上均勻設(shè)置有多個(gè)透氣孔。
[0028]本發(fā)明所述的可自動(dòng)開(kāi)采、壓力監(jiān)測(cè)的水下采煤模擬裝置，其中，所述應(yīng)力計(jì)量器還包括高度調(diào)節(jié)裝置，所述高度調(diào)節(jié)裝置由螺紋連接的外螺旋桿和內(nèi)螺旋桿構(gòu)成，所述內(nèi)螺旋桿的下端固定在所述底板上，所述外螺旋桿的上端與所述支撐板相連，在所述支撐板的邊緣設(shè)置有卡槽，所述外螺旋桿的頂部固定有與所述卡槽相配合的卡片，所述卡片設(shè)置在所述卡槽內(nèi)，并可在所述卡槽內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)；
[0029]所述頂板與水平面之間的角度為5°，所述頂板的后端高于前端，所述擋板與所述頂板之間的角度為150°，所述內(nèi)柱的前端與所述頂板的前端之間的距離為50mm，所述擋板的底端距離所述底板的后端之間的水平距離為15mm ;
[0030]在自由狀態(tài)下，所述內(nèi)柱的頂端與所述第一殼體的頂端之間的距離為7mm，所述內(nèi)柱的直徑為8mm，高度為15mm，所述第一殼體的厚度為6mm，所述第二殼體的厚度為2mm，外徑與所述第一殼體的外徑一致，所述高度調(diào)節(jié)裝置的高度為15mm，所述底板的長(zhǎng)度為70mm，所述頂板的