一种煤层开挖地质变形的三维试验装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术公开了一种煤层开挖地质变形的三维试验装置，包括水平调节底座、可剖面沉降控制试验箱和监测系统，所述可剖面沉降控制试验箱包括底板、左右挡板、前后挡板、中间挡板、中间预置挡板、煤层模拟组件，所述底板、左右挡板与前后挡板组成相似材料容器，所述中间挡板在煤层开挖模拟后将相似材料模型分割并紧固与一侧左右挡板上，所述底板上表面左右两侧有固定左右挡板的螺孔，下表面有固定支柱的螺孔，左右两侧有用于安装监测系统的前后移动导轨，在右侧导轨上表面有气泡水平仪。本实用新型专利技术与现有技术相比的优点在于：精确模拟，计算产量，模拟开挖，提高试验结果的精度和可靠性，采集全面的试验数据。

A three-dimensional test device for geological deformation of coal seam excavation

The utility model discloses a three-dimensional test device for the geological deformation of coal seam excavation, which includes a horizontal adjusting base, a sectional settlement control test box and a monitoring system. The sectional settlement control test box includes a base plate, a left and a right baffle plate, a front and a back baffle plate, an intermediate baffle plate, a preset baffle plate in the middle, and a coal seam simulation component. The base plate, the left and the right baffle plates and the front and back baffle plates form similar materials Material container, the middle baffle divides and fastens the similar material model on one side left and right baffle after the coal seam excavation simulation, the upper surface of the bottom plate has screw holes for fixing left and right baffle plates, the lower surface has screw holes for fixing pillars, the left and right sides have forward and backward moving guide rails for installing monitoring system, and the upper surface of the right guide rail has bubble level. Compared with the prior art, the utility model has the advantages of accurate simulation, calculation of output, simulation of excavation, improvement of accuracy and reliability of test results, and collection of comprehensive test data.

【技术实现步骤摘要】
一种煤层开挖地质变形的三维试验装置
本技术涉及采矿工程试验研究
，具体是指一种煤层开挖地质变形的三维试验装置。
技术介绍
煤层开挖会破坏岩体原有的力学平衡状态，导致上覆岩层发生变形和移动，随着开采的推进，扰动将扩散到地表，导致地表产生沉陷，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。其复杂力学行为难以通过理论计算进行求解，数值模拟方法对该问题的模拟又受到岩层节理、非均质性的制约。为克服这些问题，研究人员基于相似材料模拟试验理论，使用砂石、明胶、石膏等材料在试验室中建立模型，还原复杂的地质条件并对其施加与工程中相似的扰动，依托试验室中比现场更精确的监测手段和更多的观察角度精确观测煤层开挖对上覆岩层及地表的影响，研究开采扰动与地表沉陷间的内在规律，从而解决实际问题。近年来相似材料模拟理论和技术不断发展，相似材料模拟试验已成为研究这一复杂岩石力学问题的重要科学手段。现有相似材料模拟试验装置不能完全满足试验要求，技术(CN108508184A)通过拆卸下部挡板，使用工具手动对煤层进行开挖，拆卸挡板对煤层的卸荷和手动开挖造成的过大扰动会对试验结果产生影响；技术(CN105092816B)采用水平抽出煤层模拟填充块的方式进行煤层开挖，开挖过程中填充块与相似材料模型产生的摩擦力与实际工况不符；技术(CN105716950A)使用水囊模拟煤层，通过排水泄压模拟煤层开挖，水囊模拟煤层的侧压力系数相等，与实际工况不符，且排水泄压易使相似材料含水量发生变化，从而影响试验精度；技术(CN104820086B)及以上几种技术均无法观测相似材料内部，只能通过对模型表面现象进行分析，难以揭示模型内部试验现象。
技术实现思路
本技术的目的是为了解决上述现有技术的不足，提供一种模拟煤层开挖上覆岩层及地表变形的三维试验装置及方法。为解决上述技术问题，本技术提供的技术方案为：一种煤层开挖地质变形的三维试验装置，包括水平调节底座、可剖面沉降控制试验箱和监测系统，所述可剖面沉降控制试验箱包括底板、左右挡板、前后挡板、中间挡板、中间预置挡板、煤层模拟组件，所述底板、左右挡板与前后挡板组成相似材料容器，所述中间挡板在煤层开挖模拟后将相似材料模型分割并紧固与一侧左右挡板上，所述底板上表面左右两侧有固定左右挡板的螺孔，下表面有固定支柱的螺孔，左右两侧有用于安装监测系统的前后移动导轨，在右侧导轨上表面有气泡水平仪。进一步的，所述煤层模拟组件包括标准沉降控制底座、开槽沉降控制底座、沉降控制轮盘，所述标准沉降控制底座为端面开口的长方体壳体，从内部伸出一根控制螺柱，螺柱端部为六棱柱形状，控制螺柱插入底板上表面的通孔阵列，所述开槽沉降控制底座为上侧开槽的长方体，底面伸出控制螺柱，螺柱端部为六棱柱形状，控制螺柱插入底板上表面的通孔阵列中间一行，其开槽相互串联形成一个长槽，可插入中间挡板。进一步的，所述监测系统包括横梁支架、导轨滑块、扫描仪、激光测距仪、转轮，所述横梁支架横梁下侧有安装导轨滑块的左右移动导轨，支架下端内侧有安装转轮的支柱；所述导轨滑块为长方体，上表面有配合左右移动导轨的开槽，所述扫描仪和激光测距仪上部有用于固定在上述导轨滑块上的通孔，通过紧固螺钉与导轨滑块连接；所述转轮可安装在横梁支架上，转轮上有配合前后移动导轨的开槽。进一步的，所述水平调节底座包括支柱和水平调节脚垫，所述支柱共四根，通过螺钉与底板相连，共同作用支撑试验装置，下端面有安装水平调节脚垫的螺孔，所述水平调节脚垫上部有螺纹，下部为橡胶底座。本技术与现有技术相比的优点在于：其一：本技术可在铺设相似材料前通过调节煤层模拟组件的高度模拟不同起伏情况的煤层，在试验中通过协调控制沉降控制底座以不同速率下降不同高度，可以精确模拟在不同开采速率下各种采宽、采高的工况，并可以通过沉降控制底座下降速率计算产量；其二：本技术通过在试验箱外部控制煤层模拟组件下降进行煤层模拟开挖，不需要拆卸试验箱体，可大大减少外界对模拟岩层的扰动，有益于提高试验结果的精度和可靠性；其三：本技术可在尽量小的扰动下暴露相似材料剖面，有助于采集更多更全面的试验数据，有助于深入研究煤层开挖对上覆岩层的扰动机理及对地表沉陷的影响。结合附图阅读本技术的具体实施方式后，本技术的特点和有益效果将更加清楚。附图说明图1为本技术去除前挡板后的立体图。图2为本技术去除前挡板后的主视图。图3为本技术插入中间挡板后的立体图。图4为本技术插入中间挡板并移除前侧挡板的示意图。图5为监测系统立体图。图6为底板立体图。图7为中间挡板立体图。图8为中间预置挡板立体图。图9为标准沉降控制底座立体图。图10为开槽沉降控制底座立体图。图中：1、底板，2、左右挡板，3、前后挡板，4、中间挡板，5、中间预置挡板，6、标准沉降控制底座，7、开槽沉降控制底座，8、沉降控制轮盘，9、横梁支架，10、导轨滑块，11、扫描仪，12、激光测距仪，13、转轮，14、支柱，15、水平调节脚垫，16、气泡水平仪，17、前后移动导轨，18、左右移动导轨。具体实施方式下面结合附图对本技术做进一步的详细说明。如图1～10所示，本实施例提供了一种相似材料模拟煤层开挖上覆岩层及地表变形的三维试验装置，包括水平调节底座、可剖面沉降控制试验箱和监测系统。所述可剖面沉降控制试验箱包括底板1、左右挡板2、前后挡板3、中间挡板4、中间预置挡板5、煤层模拟组件。所述底板1、左右挡板2与前后挡板3组成相似材料容器。所述中间挡板4在煤层开挖模拟后将相似材料模型分割并紧固与一侧左右挡板2上，清理另一半相似材料，拆除相似材料被清理一侧的挡板暴露相似材料剖面。所述底板1上表面有通孔阵列共9行10列，间隔与标准沉降控制底座6宽度相同，每个通孔插入一个标准沉降控制底座6模拟煤层，其中中间一行插入开槽沉降控制底座7其开槽相互串联形成一个长槽，底板1上表面左右两侧有固定左右挡板2的螺孔，下表面有固定支柱14的螺孔，左右两侧有用于安装监测系统的前后移动导轨17，前后移动导轨17在底板1后侧延长二十五厘米，在装填相似材料和清理相似材料过程中可将监测系统移动到试验箱后侧以避免干扰工作，前后移动导轨17上侧有间隔一毫米的刻度，在右侧导轨17上表面有气泡水平仪16，可对试验装置进行水平校准；所述左右挡板2可使用紧固螺钉固定在底板1上，左右挡板2有用于固定前后挡板3和中间预置挡板4的通孔，其中后侧左右挡板2上部有用于固定中间挡板4的通孔；所述前后挡板3左右短边和一侧长边有一毫米间隔的刻度，左右短边有用于固定的通孔，使用紧固螺钉螺母固定在左右挡板2上；所述中间挡板4为长方形板，四边有间隔一毫米的刻度，中间挡板4上部有用于螺钉紧固的开槽，中间挡板4下部插入开槽沉降控制底座7的开槽中，上部使用紧固螺钉螺母固定在左右挡板2上；所述中间预置挡板5为长方形板，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种煤层开挖地质变形的三维试验装置，包括水平调节底座、可剖面沉降控制试验箱和监测系统，其特征在于：所述可剖面沉降控制试验箱包括底板(1)、左右挡板(2)、前后挡板(3)、中间挡板(4)、中间预置挡板(5)、煤层模拟组件，所述底板(1)、左右挡板(2)与前后挡板(3)组成相似材料容器，所述中间挡板(4)在煤层开挖模拟后将相似材料模型分割并紧固与一侧左右挡板(2)上，所述底板(1)上表面左右两侧有固定左右挡板(2)的螺孔，下表面有固定支柱(14)的螺孔，左右两侧有用于安装监测系统的前后移动导轨(17)，在右侧导轨上表面有气泡水平仪(16)。/n

【技术特征摘要】
1.一种煤层开挖地质变形的三维试验装置，包括水平调节底座、可剖面沉降控制试验箱和监测系统，其特征在于：所述可剖面沉降控制试验箱包括底板(1)、左右挡板(2)、前后挡板(3)、中间挡板(4)、中间预置挡板(5)、煤层模拟组件，所述底板(1)、左右挡板(2)与前后挡板(3)组成相似材料容器，所述中间挡板(4)在煤层开挖模拟后将相似材料模型分割并紧固与一侧左右挡板(2)上，所述底板(1)上表面左右两侧有固定左右挡板(2)的螺孔，下表面有固定支柱(14)的螺孔，左右两侧有用于安装监测系统的前后移动导轨(17)，在右侧导轨上表面有气泡水平仪(16)。


2.根据权利要求1所述的一种煤层开挖地质变形的三维试验装置，其特征在于：所述煤层模拟组件包括标准沉降控制底座(6)、开槽沉降控制底座(7)、沉降控制轮盘(8)，所述标准沉降控制底座(6)为端面开口的长方体壳体，从内部伸出一根控制螺柱，螺柱端部为六棱柱形状，控制螺柱插入底板(1)上表面的通孔阵列，所述开槽沉降控制底座(7)为上侧开槽的长方体，底面伸出控制螺柱，螺柱端部为六棱柱形状，控制螺柱插入底板(1)上...

【专利技术属性】
技术研发人员：邢明录，赵同彬，赵晨，梁伟，谭涛，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：新型
国别省市：山东;37