[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

说明书

本发明涉及采矿工程试验研究技术领域，具体是一种复杂条件煤层开采地表沉陷相似模拟试验装置，包括底座、试验箱、填充件和试验箱角度调节机构。本发明还提供了一种复杂条件煤层开采地表沉陷相似模拟试验方法。相对于现有技术，本发明的有益效果为：通过开采口调节机构调节开采口的高度，选用与开采口匹配的填充件能够模拟不同开采高度；通过控制填充件的拉动位移能够模拟不同开采宽度；通过试验箱角度调节机构调整试验箱的角度能够模拟不同的煤层倾角；因此，本发明能够模拟多种不同开采条件及开采方案工况，可以用于对复杂地质环境的开采进行试验研究，从而探究煤层开采对地面沉降的作用机理及应对方案，消除安全隐患。

技术领域

本发明涉及采矿工程试验研究技术领域，具体是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。

背景技术

煤矿开采后会破坏岩体内部原有的力学平衡，导致上覆岩层和地表发生移动和变形，随着开采的推进将扩散到地表，导致地表发生沉陷，破坏现有土地资源并给周边建构筑物带来直接或间接危害。针对煤矿开采过程中及开采后导致的地面沉陷问题，为准确观测开采过程中的岩层及地表移动随开采时间与空间的变化，分析煤炭开采对地表沉陷的影响，相似材料模拟试验成为研究这一复杂地质环境的重要科学手段。基于相似材料模拟试验理论，将复杂的地质岩层通过模型上的相似再现，来研究真实对象中发生的现象和过程的规律性，可以得出相关的技术指标和参数，为实际工程的生产实践和应用提供科学依据，对建构筑物下开采导致的地表沉陷的岩层运动理论研究有一定的指导意义，从而达到解决实际问题的目的。

现有的相似材料模拟实验装置(CN103823041A、CN204594982U)往往只能进行单一倾角煤层的模拟开采，普遍存在人工手动开采对上覆岩层扰动较大的现象，并且煤层开采尺寸固定，因此该类模拟试验装置在很大程度上难以适应现阶段复杂煤层条件开采模拟的需要。中国专利(ZL201510451445.6)公开了“一种三维多煤层开采相似材料模型实验系统”，该装置模拟煤层群下层煤回采时能够通过下层煤填充件在固定螺栓上的移动实现，模拟上层煤回采时能通过抽取上层煤填充件实现，从而可模拟两层煤的开采。但是，该实验系统存在以下不足：工程实际中由于地质环境的特殊性和复杂性，矿区煤田赋存呈现不规则分布，且煤层倾角多变，该实验系统只能模拟煤层水平且煤层开采高度、宽度单一的工况，无法模拟不同煤层倾角及不同煤层开采高度、宽度的工况，因此无法对不规则的地质环境的开采进行试验研究。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术的不足，提供一种能够模拟多种煤层倾角及不同开采高度、宽度工况的复杂条件煤层开采地表沉陷相似模拟试验装置及方法。

本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：一种复杂条件煤层开采地表沉陷相似模拟试验装置，包括底座、试验箱、填充件和试验箱角度调节机构；

所述试验箱包括底板、开采层模框和非开采层模框，所述开采层模框和非开采层模框叠放固定在底板上；所述开采层模框的侧部设有开采口和开采口调节机构；所述开采口调节机构包括调节板、曲柄、第一连杆、弹簧、旋钮和棘轮止退机构；所述调节板安装于开采层模框上并可沿开采层模框的高度方向滑动，调节板的滑动能够调节开采口的高度；所述曲柄的一端枢接于开采层模框上；所述旋钮与曲柄的转轴连接，曲柄的另一端与第一连杆的一端枢接；所述第一连杆的另一端与调节板枢接；所述弹簧作用于开采层模框和调节板之间；所述棘轮止退机构用于阻碍曲柄在弹簧的作用下转动。

所述填充件与开采口匹配且可从开采口插入试验箱中。

所述试验箱角度调节机构包括丝杠、丝母、第二连杆和驱动电机；所述丝杠安装在底座上，所述丝母螺接于丝杠；所述底座上设有立板，所述底板与立板枢接；所述第二连杆分别与丝母和底板枢接；所述驱动电机与丝杠连接。

本发明的技术方案还有：所述开采口调节机构沿开采层模框的长度方向设有至少两套。

本发明的技术方案还有：所述开采口对称设置于开采层模框的两侧。