一種相似材料模擬實驗裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于采礦及巖土工程技術領域，具體涉及一種相似材料模擬實驗裝置及方法。
【背景技術】
[0002]相似材料模擬是采礦工程和巖土工程的主要試驗研究方法，可用于模擬再現工程現場煤層開采開挖實況，并觀測該條件下的圍巖應力、應變與位移。
[0003]相似材料模擬試驗簡單易行、形象直觀，可以根據不同的開采方案進行反復試驗，對研究采動過程的巖層運移、斷裂規律具有顯著的優勢，在采礦工程問題研究過程中占據著不可替代的重要地位。因此，許多高等院校和科研單位的試驗室都已普遍建有相似材料模擬試驗裝置。
[0004]目前，相似材料模擬試驗裝置分為二維相似材料模擬試驗裝置和三維相似材料模擬試驗裝置兩大類。
[0005]現有的二維相似材料模擬實驗裝置主要存在以下問題和不足:1、體型龐大笨重，結構不盡合理，妨礙試驗操作和觀測，且底座固定于地面，一旦建成便難以拆卸和挪移，長期占用大量寶貴的實驗室空間資源；2、由于使用材料主要為河砂、石膏、大白粉，新鋪裝的相似材料晾干時間長，導致試驗周期長、試驗效率低，且受材料限制，實驗精度低；3、模擬煤層開采的勞動強度大，對相似模擬材料模型擾動大，難以科學地模擬煤層的采出；4、受試驗裝置及材料的限制，不適用于快速模擬煤層開采。

【發明內容】

[0006]發明目的:本發明針對上述現有技術存在的問題做出改進，即本發明的第一個目的為一種相似材料模擬實驗裝置，其結構簡單，實現方便且成本低，操作簡便，材料可回收利用，適應性強，提高了實驗效率。本發明的第二個目的為公開了一種相似材料模擬實驗方法。
[0007]技術方案:一種相似材料模擬實驗裝置，包括實驗平臺、位于實驗平臺上的透明實驗裝置、位于實驗平臺上的連接回采動力裝置的水平轉動把手、位于實驗平臺正面的連接調節放煤窗口調節裝置的豎直轉動把手、支撐和固定實驗平臺的橫梁、支撐橫梁的立柱、穩定底梁和固定于支撐底梁上的透明玻璃回收裝置；
[0008]所述透明玻璃回收裝置包括固定于支撐底梁上的隔板軌道、隔板、分割條、位于隔板軌道上部的回收槽的前后透明玻璃板和位于隔板軌道上部的回收槽的左右透明玻璃板，通過回收槽固定鋼片固定前后透明玻璃板及左右透明玻璃板，通過回收槽固定角鋼將回收槽固定于隔板軌道上，回收槽固定鋼圈與回收槽固定角鋼焊接，
[0009]所述透明實驗裝置包括位于實驗平臺之下的鋼板、固定于實驗平臺上的短邊固定鋼條、長邊固定鋼條、焊接在短邊固定鋼條和長邊固定鋼條上的根部穩固鋼圈，根部穩固鋼圈通過固定角鋼、固定鋼片、固定鋼圈共同固定長邊透明玻璃擋板和短邊透明玻璃擋板，水平刻度尺、豎直刻度尺固定于長邊透明玻璃擋板上。
[0010]進一步地，所述的回采動力裝置包括水平轉動把手和固定于橫梁上的換向裝置傳動軸與換向裝置傳動相連，傳動軸固定于承載梁，齒輪位于傳動軸上并與齒條相嚙合，齒條固定于鋼板上，鋼板位于滑塊上，滑塊設于滑桿上，滑桿固定于承載梁。
[0011]進一步地，所述調節放煤窗口調節裝置包括橫梁和固定于橫梁上的套筒，穿過套筒與豎直轉動把手傳動相連，撞擊桿固定于軸上，固定槽固定于鋼板上，撞擊鋼片懸放于固定槽內。
[0012]—種相似材料模擬實驗方法，包括以下步驟:
[0013](1)、鋪裝相似模擬材料
[0014]在透明實驗裝置底部的鋼板上逐層鋪設相似材料，直至鋪裝的相似模擬材料的高度達到設計高度為止；
[0015](2)、調節放煤窗口
[0016]轉動豎直轉動把手，通過軸帶動撞擊桿敲擊撞擊鋼片，使撞擊鋼片移動，形成撞擊鋼片與鋼板的相對移動，鋼板上留有預設的小口，直至達到合適的放煤窗口，放煤窗口在鋼板移動過程中位置保持不變；
[0017](3)、模擬煤層開采:
[0018]通過轉動水平轉動把手，利用換向裝置和傳動軸帶動齒輪轉動，齒輪與齒條同步運動，齒條帶動鋼板移動，鋼板移動過程中通過放煤窗口將煤層放到回收槽中，模擬煤層開采；各層相似模擬材料在自身重力和上層相似模擬材料壓力的作用下依次向下發生彎曲、變形、破斷、垮落，同時，各層相似模擬材料內也發育著不規則的裂縫，相似模擬材料的表面也發生了移動變形；
[0019](4)、現象觀測
[0020]在模擬開采過程中，通過長邊透明玻璃擋板觀測模擬材料表面移動變形和裂隙發育的動態情況，觀測煤層開采過程中，任一位置煤層開采對其前方、后方和上方材料模擬層的移動變形破壞動態影響過程及影響程度；模擬開采過程中及開采結束后，通過長邊透明玻璃擋板觀測模擬材料表面移動變形和裂隙發育的最終情況，觀測回采穩定后模擬材料移動變形及裂縫情況與回采過程中情況的不同；
[0021](5)、實驗材料回收利用
[0022]通過調節放煤窗口，將窗口開大，將透明實驗裝置中的材料放入透明玻璃回收裝置，對材料進行回收利用，作為下次模擬實驗的實驗材料。
[0023]有益效果:本發明公開的一種相似材料模擬實驗裝置及方法具有以下有益效果:
[0024]1、相似材料模擬實驗裝置結構簡單，設計新穎合理，實現方便且成本低，能夠解決現有技術中的二維相似材料模擬試驗臺體型龐大笨重、難以直觀高效地模擬煤層開采、固定式不可拆卸等實際問題；
[0025]2、透明玻璃實驗裝置可以在回采過程中直接觀測材料移動變形及裂隙發育情況，可觀測開采任意位置時其周圍覆巖移動變形情況，實驗效果直觀明了 ；
[0026]3、模擬材料改變傳統采礦實驗相似材料的河砂、石膏、大白粉的原材料，而使用不同粒徑不同顏色的硬質塑料小球代替，可以清潔快速的實現實驗；
[0027]4、放煤窗口大小可以根據需要進行調整，實現根據需要靈活調節；
[0028]5、回采實現機械窗口放煤，根據模擬煤層開采推進速度的需要，調節轉動把手的轉動速度，實現不同的回采速度，操作簡單方便；
[0029]6、實驗裝置底部設有透明回收玻璃裝置，可以實現實驗材料的重復回收利用。
【附圖說明】
[0030]圖1為本發明公開的一種相似材料模擬實驗裝置的結構示意圖。
[0031]圖2為本發明公開的一種相似材料模擬實驗裝置的主視圖。
[0032]圖3為本發明公開的一種相似材料模擬實驗裝置的俯視圖。
[0033]圖4為本發明公開的一種相似材料模擬實驗裝置的左視圖。
[0034]圖5為回采動力裝置的結構示意圖。
[0035]圖6為放煤窗口調節裝置的結構示意圖。
[0036]圖7為放煤調節窗口裝置與回采動力裝置的連接示意圖。
[0037]其中:
[0038]1 一長邊透明玻璃擋板2—固定鋼片
[0039]3—固定鋼圈4 一水平刻度尺
[0040]5—豎直刻度尺6—短邊透明玻璃擋板
[0041]7—固定角鋼8—根部穩固鋼圈
[0042]9 一短邊固定鋼條10—長邊固定鋼條
[0043]11 一實驗平臺12—水平轉動把手
[0044]13—橫梁14 一立柱
[0045]15—穩定底梁16—支撐底梁
[0046]17一隔板軌道18—回收槽固定鋼片
[0047]19—回收槽固定鋼圈20—前后透明玻璃板
[0048]21—隔板22—分割條
[0049]23—左右透明玻璃板24—豎直轉動把手
[0050]25—回收槽固定角鋼26—齒輪
[0051]27一齒條28—鋼板
[0052]29—滑塊30—滑桿
[0053]31 —傳動軸32—承載梁
[0054]33—換向裝置34—撞擊桿
[0055]35一軸36—撞擊鋼片
[0056]37—固定槽38—套筒
【具體實施方式】
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[0057]下面對本發明的【具體實施方式】詳細說明。
[0058]如圖1?圖4所示，一種相似材料模擬實驗裝置，包括實驗平臺11、位于實驗平臺11上的透明實驗裝置、位于實驗平臺11上的連接回采動力裝置的水平轉動把手12、位于實驗平臺11正面的連接調節放煤窗口調節裝置的豎直轉動把手24、支撐和固定實驗平臺11的橫梁13、支撐橫梁13的立柱14、穩定底梁15和固定