[发明专利]一种复杂条件煤层开采地表沉陷相似模拟试验装置及方法

权利要求书

1.一种复杂条件煤层开采地表沉陷相似模拟试验装置，其特征在于：

包括底座（1）、试验箱、填充件（2）、试验箱角度调节机构和拉动装置；

所述试验箱包括底板（3）、多层开采层模框（4）和非开采层模框（5），所述开采层模框（4）和非开采层模框（5）叠放固定在底板（3）上；每层开采层模框（4）的两侧部对称设有开采口（6）和开采口调节机构，所述的开采口调节机构在开采层模框的每侧沿其长度方向设有至少两套，每套开采口调节机构包括调节板（7）、曲柄（8）、第一连杆（9）、弹簧（10）、旋钮（16）和棘轮止退机构；所述调节板（7）安装于开采层模框（4）上并可沿开采层模框（4）的高度方向滑动，调节板（7）的滑动能够调节开采口（6）的高度，所述开采层模框（4）上设有第一翻边（17），所述调节板（7）的顶部设有第二翻边（18），调节板（7）的底部设有第三翻边（19），所述第二翻边（18）和第三翻边（19）之间设有导向杆（20），所述第一翻边（17）上设有与导向杆（20）滑动配合的通孔，第二翻边（18）和第三翻边（19）分别位于第一翻边（17）的上方和下方，所述弹簧（10）套设在导向杆（20）上并位于第一翻边（17）和第二翻边（18）之间；所述曲柄（8）的一端枢接于开采层模框（4）上，所述旋钮（16）与曲柄（8）的转轴连接，曲柄（8）的另一端与第一连杆（9）的一端枢接，所述第一连杆（9）的另一端与调节板（7）枢接；所述弹簧（10）作用于开采层模框（4）和调节板（7）之间，所述棘轮止退机构用于阻碍曲柄（8）在弹簧（10）的作用下转动，棘轮止退机构包括棘轮（21）、止退棘爪（22）和拉簧（23），所述棘轮（21）安装于曲柄（8）的转轴上，所述止退棘爪（22）枢接于开采层模框（4）上，所述拉簧（23）用于使止退棘爪（22）与棘轮（21）保持接触；

所述填充件（2）与开采口（6）匹配且可从开采口（6）插入试验箱中；

所述试验箱角度调节机构包括丝杠（11）、丝母（12）、第二连杆（13）和驱动电机（14），所述丝杠（11）安装在底座（1）上，所述丝母（12）螺接于丝杠（11）；所述底座（1）上设有立板（15），所述底板（3）与立板（15）枢接；所述第二连杆（13）分别与丝母（12）和底板（3）枢接；所述驱动电机（14）与丝杠（11）连接；

所述拉动装置包括竖直移动机构、前后移动机构、拉动气缸（25）和万向钩，所述拉动气缸（25）的轴线呈左右方向，所述万向钩安装在拉动气缸（25）的活塞杆上；所述竖直移动机构为第一气动滑台（26），所述前后移动机构为第二气动滑台（27），所述第一气动滑台（26）能够驱动第二气动滑台（27）竖直移动，所述第二气动滑台（27）能够驱动拉动气缸（25）前后移动。

2.根据权利要求1任一所述的复杂条件煤层开采地表沉陷相似模拟试验装置，其特征在于：所述填充件（2）的一侧设有与其球铰连接的滚珠（24）。

3.根据权利要求1所述的复杂条件煤层开采地表沉陷相似模拟试验装置，其特征在于：所述万向钩包括钩体（28）和万向节（29），所述填充件（2）的外端设有与钩体（28）匹配的拉柄（30）。

4.一种如权利要求1-3任一所述的复杂条件煤层开采地表沉陷相似模拟试验装置的试验方法，包括以下步骤：

A、根据现场煤层及岩层参数，配置相似材料；

B、根据现场工况，通过开采口调节机构调整开采口（6）的高度，选择与开采口（6）匹配的填充件（2）并将其插入开采层模框（4）中；

C、通过试验箱角度调节机构将底板（3）调整至水平，将开采层模框（4）和非开采层模框（5）逐层安装在底板（3）上，每安装一层开采层模框（4）或非开采层模框（5）后将相似材料铺设进去并压实，在相似材料中布置传感器；

D、根据现场工况，通过试验箱角度调节机构调整试验箱的角度；试验箱角度调整完毕后用相似材料填充试验箱并压实，使相似材料的顶面水平，或者去除部分相似层材料使相似材料的顶面水平；

E、在试验箱的前、后面布置高速相机，结合数字图像处理技术监测相似材料层的平面位移；在相似材料层的顶面采用纵横布置测线的方法，测量地表变形，其数据用软件处理后可获得地表变形云图，或选用三维激光扫描监测并获得相关数据；

F、根据现场工况，将填充件（2）拉至预设位置；

G、对采集的数据和图像进行处理、分析。