一種可變角度的物理相似模擬實(shí)驗(yàn)平臺及其應(yīng)用方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及巖土工程領(lǐng)域物理相似模擬實(shí)驗(yàn)研究，具體涉及一種可變角度的物理 相似模擬實(shí)驗(yàn)平臺及其應(yīng)用方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 大傾角及急傾斜煤層的開采一直是一個技術(shù)難題，使用傳統(tǒng)的急傾斜煤層開采方 法存在諸多缺點(diǎn)：回采工藝復(fù)雜、操作難度高、煤炭回采成本高、安全難以管理、煤炭回收率 低。俯偽斜走向長壁采煤法開采此類煤層具有一定的優(yōu)越性。其主要優(yōu)點(diǎn)有:工作面沿俯偽 斜方向布置，減少了煤、矸的下滑速度，有利于防止沖倒支架和砸傷人員；改善了工作面頂 底板的受力狀況，相對增加了穩(wěn)定性;工作面有效利用率比臺階采煤法高，為提高單產(chǎn)、改 善工作面近煤壁處通風(fēng)情況及實(shí)現(xiàn)機(jī)械化開采提供了條件等，是一種合理、科學(xué)、實(shí)用的采 煤方法。物理相似模擬實(shí)驗(yàn)作為采礦工程學(xué)科重要的研究手段，可作為指導(dǎo)實(shí)踐生產(chǎn)的重 要理論依據(jù)。針對大傾角煤層物理相似模擬實(shí)驗(yàn)，傳統(tǒng)模型搭建方法是將水平放置的模型 架通過滑輪牽引掉起頂部一角，將實(shí)驗(yàn)架轉(zhuǎn)到所需的角度固定，再從實(shí)驗(yàn)架底角往上水平 鋪設(shè)模型。該方法存在以下幾方面不足：（1)由于測量的誤差，很難將實(shí)驗(yàn)架精確轉(zhuǎn)到所需 角度，由此降低了模擬實(shí)驗(yàn)的相似度，嚴(yán)重影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的科學(xué)性和可靠性；（2)模型鋪設(shè) 工序復(fù)雜。由于模型是從下底角鋪設(shè)至上頂角，導(dǎo)致每層模型都沒有固定的尺寸，無論是計(jì) 算材料配比還是具體施工工序都較為復(fù)雜；（3)當(dāng)模型鋪設(shè)好后，需要將實(shí)驗(yàn)架轉(zhuǎn)回到水平 角度，該過程如果操作不當(dāng)，很容易導(dǎo)致模型坍塌；（4)該方法模擬的煤巖層傾角有限，一般 最大能達(dá)到45°左右，對于更大傾角的煤層則不能模擬；（5)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)架只能進(jìn)行平面實(shí)驗(yàn)， 且不能實(shí)現(xiàn)加載過程。（6)針對較復(fù)雜的開采方法如俯偽斜開采該類實(shí)驗(yàn)架則不能模擬。
[0003] 因此需要發(fā)明一種可實(shí)現(xiàn)大傾角煤層俯偽斜開采方法模擬的物理相似模擬實(shí)驗(yàn) 平臺。本發(fā)明設(shè)計(jì)出一種可實(shí)現(xiàn)變角度(30°~70°)的實(shí)驗(yàn)平臺，簡化了大傾角煤層物理相 似模擬實(shí)驗(yàn)的操作工序;實(shí)現(xiàn)了大傾角煤層俯偽斜開采方法的模擬，且可進(jìn)行加載過程;可 以實(shí)現(xiàn)重復(fù)使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種利用物理相似模擬實(shí)驗(yàn)可調(diào)角 度實(shí)驗(yàn)平臺及其利用該平臺所采用的模擬大傾角煤層俯偽斜開采法的應(yīng)用方法，借助該實(shí) 驗(yàn)平臺簡化實(shí)驗(yàn)工序、提高實(shí)驗(yàn)?zāi)M相似度、提升實(shí)驗(yàn)結(jié)果的科學(xué)性。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明公開了如下技術(shù)方案：
[0006] -種可變角度的物理相似模擬實(shí)驗(yàn)平臺，包括平臺架、滑動面框架、材料擋板、滑 動面和底座：
[0007] 平臺架為由槽鋼焊接制成的T型架構(gòu)，平臺架的底座和立柱固定位置刻有軌槽，為 滑動面滑動提供導(dǎo)軌;平臺架的底座和立柱的固定位置開有一排固定銷孔；
[0008] 滑動面框架是由四根角鐵焊制而成的矩形框架，矩形框架中間加有一根加強(qiáng)筋， 框架四周每隔l〇cm留有直徑10mm的小孔，用于固定滑動面；
[0009]材料擋板直接焊接在滑動面框架的底邊上，始終與滑動面框架保持垂直，隨滑動 面前后移動，用于防止模型材料沿著滑動面下滑；
[0010]滑動面為模型直接鋪設(shè)的平面，由一塊亞克力板裁制而成的透明矩形平面板，通 過螺栓連接在滑動面框架上；
[0011]底座是由角鐵焊制而成的六面體加梁框架，與平臺架分離，實(shí)驗(yàn)時將平臺架放置 在底座上，便于觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。
[0012] 進(jìn)一步的，為保證平臺足夠強(qiáng)度，所述平臺架由10#槽鋼焊制而成。
[0013] 進(jìn)一步的，為保證滑動面始終保持為一個平面，所述滑動面框架中間的加強(qiáng)筋為 焊接的一根5cm寬、1.5m長的角鐵。
[0014] 進(jìn)一步的，為保證滑動面足夠的強(qiáng)度、剛度和便于觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，滑動面由厚度為 10cm的透明亞克力板制成。
[0015] 進(jìn)一步的，為保證模擬材料不沿滑動面下滑，所述材料擋板為在焊制在滑動面框 架底邊的厚2mm，高60cm的鐵板。
[0016] 進(jìn)一步的，所述平臺架長1.5m，高1.3m;滑動面長1.5m，寬1.2m，最大調(diào)整角度70°， 最小調(diào)整角度30°。
[0017] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還公開了一種可變角度的物理相似模擬實(shí)驗(yàn)平臺的應(yīng)用 方法，包括如下步驟：
[0018] S1在進(jìn)行模型鋪設(shè)前，先根據(jù)模擬煤巖層的地質(zhì)資料確定煤巖層角度及各分層的 厚度，確定好比例關(guān)系，計(jì)算出模型各分層的材料配比以及鋪設(shè)厚度；
[0019] S2清理好可調(diào)角度實(shí)驗(yàn)平臺，取出固定銷釘，將平臺滑動面推至所要模擬的角度 位置，插入固定銷釘，即完成了實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作；
[0020] S3在平臺面上按照實(shí)驗(yàn)要求逐層鋪設(shè)模型材料，直至整個模型鋪設(shè)完成，等模型 自然風(fēng)干后，即可按照實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；
[0021] S4由于受模型尺寸的限制，模型鋪設(shè)不可能模擬至地表，所以補(bǔ)足未模擬巖層的 作用力；
[0022] S5當(dāng)模型徹底風(fēng)干后，做好一切準(zhǔn)備工作就可進(jìn)行模型開挖：
[0023] 模型上邊界和下邊界需留出20cm的煤柱作為邊界條件;利用模擬切割工具進(jìn)行采 煤，分別開挖出區(qū)段回風(fēng)平巷和運(yùn)輸平巷，在回風(fēng)平巷與運(yùn)輸平巷之間開切眼，工作面初采 從回風(fēng)平巷與切眼相交處開始，沿偽斜方向向下推進(jìn)，隨著工作面推進(jìn)，開切眼自上而下逐 段報廢，當(dāng)推進(jìn)至工作面長度與偽斜角達(dá)到設(shè)計(jì)要求時初采工作結(jié)束；
[0024] S6工作面沿偽斜方向推進(jìn)至工作面長度和偽斜角達(dá)到設(shè)計(jì)要求時，開始進(jìn)行正常 的回米：
[0025] 俯偽斜開采，利用切割工具模擬采煤機(jī)割煤，沿著偽斜工作面自下而上分段割煤， 往返一次割一刀，偽斜工作面沿著煤層走向不斷推進(jìn)直至完成整個回采工作。
[0026] S7工作面運(yùn)煤采用自溜運(yùn)輸，割落煤塊在自身重力作用下沿偽斜工作面下滑至區(qū) 段運(yùn)輸平巷，再由平巷清理出模型體。
[0027] 進(jìn)一步的，實(shí)驗(yàn)過程中，可變角度的物理相似模擬實(shí)驗(yàn)平臺滿足相似條件，幾何相 似常數(shù)，應(yīng)力相似常數(shù)，時間相似常數(shù)均相似：
[0028] li = Li
[0029] di = Di
[0030] 式中，Li為模擬工作面長度，Di為煤層厚度，di為實(shí)際模型鋪設(shè)厚度，li為工作面長 度。
[0031] 進(jìn)一步的，所述步驟S4中，補(bǔ)足未模擬巖層的作用力的具體步驟為：
[0032] 實(shí)驗(yàn)開始前對模型所要施加的靜載荷進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)自重應(yīng)力計(jì)算公式
[0033]
[0034] 式中，σ為上覆巖層自重應(yīng)力，γ為巖體容重，Η為巖層厚度，
[0035] 計(jì)算出上覆巖層的自重應(yīng)力，等模型自然風(fēng)干后，在其頂板放置一塊尺寸與模型 表面相當(dāng)?shù)蔫F板，根據(jù)算出的自重應(yīng)力及每塊鐵磚的壓強(qiáng)，確定需要加載的鐵磚數(shù)量，按順 序依次加鋪鐵磚即完成加載過程。
[0036] 本發(fā)明公開的一種可變角度的物理相似模擬實(shí)驗(yàn)平臺及其應(yīng)用方法，具有以下有 益效果：
[0037] 本發(fā)明公開一種可實(shí)現(xiàn)角度調(diào)整的物理相似模擬實(shí)驗(yàn)平臺，與現(xiàn)有技術(shù)相比，該 實(shí)驗(yàn)平臺可有效簡化大傾角煤層物理模擬實(shí)驗(yàn)工序;提高實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性和可靠性;可實(shí)現(xiàn) 立體模型實(shí)驗(yàn);該實(shí)驗(yàn)平臺可重復(fù)使用。本發(fā)明滿足模擬實(shí)驗(yàn)相似原則，極大提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果 的準(zhǔn)確度。
【附圖說明】
[0038] 圖1是可調(diào)角度相似模擬實(shí)驗(yàn)平臺立體圖
[0039] 圖2是可調(diào)角度實(shí)驗(yàn)平臺俯視圖
[0040] 圖3實(shí)驗(yàn)平臺左視圖
[0041] 圖4 一個實(shí)施例的左面圖 [0042]圖5俯偽斜采煤法實(shí)施例立體圖 [0043]圖6俯偽斜采煤法原理圖
[0044] 圖7采煤工作面支架平面圖
[0045] 1-材料擋板2-滑動面3-加強(qiáng)筋4-平臺架立柱5-平臺架底座6-軌槽7-底座 8_固定銷孔9-固定銷釘10-滾輪11-模型老頂12-直接頂13-偽頂14-直接底15-基本 底16-煤層17-回風(fēng)平巷18-運(yùn)輸平巷L(fēng)1-平臺寬度L2-立柱高L3-滑動面長L4-擋板 高L5-底座寬L6-加強(qiáng)筋寬L7-立柱距開槽長L8-底座開槽長L9-底座邊距開槽長L10 ~L17底座固定孔間距L18~L25立柱固定孔間距L26-模型夾角
【具體實(shí)施方式】
[0046] 下面結(jié)合實(shí)施例并參照附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
[0047] 請參見圖1、圖2。
[0048] -種可變角度的物理相似模擬實(shí)驗(yàn)平臺，包括平臺架、滑動面框架、材料擋板1、滑 動面2和底座7:
[0049] 平臺架為由槽鋼焊接制成的Τ型架構(gòu)，平臺架設(shè)有平臺架立柱4和平臺架底座5,平 臺架立柱4和平臺架底座5為整個平臺的主要支撐體，為保證足夠強(qiáng)度選用10#槽鋼焊接制 成，平臺架的底座5和立柱4的槽鋼固定位置刻有軌槽6,為滑動面2滑動提供導(dǎo)軌;平臺架的 底座5和立柱4的固定位置開有一排固定銷孔8,用于固定調(diào)整好角度的滑動面2。
[0050] 滑動面框架是由四根角鐵焊制而成的矩形框架（1200*1500mm)，為保證平臺足夠 的強(qiáng)度，矩形框架中間加有一根加強(qiáng)筋3,框架四周每隔10cm留有直徑10_的小孔，用于固 定滑動面2。
[0051 ]材料擋板1直接焊接在滑動面框架的底邊上，始終與滑動面框架保持垂直，隨滑動 面2前后移動，與滑動面2始終保持90°夾角，用于防止模型材料沿著滑動面2下滑。
[0052] 滑動面2為模型直接鋪設(shè)的平面，由一塊亞克力板裁制而成的透明矩形平面板，通 過螺栓連接在滑動面框架上，選用亞克力板是為了方便觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。
[0053] 底座7是由角鐵焊制而成的六面體加梁框架，與平臺架分離，離地高度50cm，實(shí)驗(yàn) 時將平臺架放置在底座7上，便于從滑動面2下面觀察記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。固定銷釘9用于固定調(diào) 整好角度的滑動面2;滾輪10安裝在滑動面框架四角，通過軸固定在角鐵上，便于滑動面2在 軌槽6里滾動。
[0054] 為保證滑動面2始終保持為一個平面，所述滑動面框架中間的加強(qiáng)筋3為焊接的一 根5cm寬、1.5m長的角鐵。
[0055] 為保證滑動面2足夠的強(qiáng)度、剛度和便于觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，滑動面2由厚度為10cm的 透明亞克力板制成。
[0056] 為保證模擬材料不沿滑動面2下滑，所述材料擋板1為在焊制在滑動面框架底邊的 厚2mm或者4mm，高60cm的鐵板。
[0057] -種可變角度的物理相似模擬實(shí)驗(yàn)平臺的應(yīng)用方法，包括如下步驟：
[0058] S1在進(jìn)行模型鋪設(shè)前，先根據(jù)模擬煤巖層的地質(zhì)資料確定煤巖層角度及各分層的 厚度，確定好比例關(guān)系，計(jì)算出模型各分層的材料配比以及鋪設(shè)厚度；
[0059] S2清理好可調(diào)角度實(shí)驗(yàn)平臺，取出固定銷釘9,將平臺滑動面2推至所要模擬的角 度位置，插入固定銷釘9,即完成了實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作；
[0060] S3在平臺面上按照實(shí)驗(yàn)要求逐層鋪設(shè)模型材料，直至整個模型鋪設(shè)完成，等模型 自然風(fēng)干后，即可按照實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；
[0061