[发明专利]一种基于采煤工作面支护和移架动态模拟的实验装置

说明书

技术领域：

本发明涉及一种采煤工作面相似模拟测试技术，具体涉及一种基于采煤工作面支护和移架动态模拟的实验装置，其适用于研究煤矿采煤工作面液压支架与围岩关系、模拟液压支架动态移架过程及测试顶底板岩层破裂发育程度。

背景技术：

煤矿井下煤与瓦斯突出、冲击地压、工作面压架等煤岩动力灾害，给国家财产和矿工人身安全带来极大威胁，而这些灾害事故的发生，与煤岩体的破裂失稳以及工作面的支护方式密切相关。

目前，我国只有少数的室内实验装置用以模拟煤矿采煤工作面实际工况和生产条件，对采煤工作面不同工况下的煤岩体破坏特征、围岩支护关系、支架受力特性进行定性的分析。现有的采煤工作面支护模拟实验台可在室内模拟不同的工作面倾角、不同架型液压支架支护方式等采场工况条件，对采煤工作面各生产环节进行模拟和研究，但其仍存在以下不足：一、加载系统落后，手动加载系统无法对实验装置施加较准确而稳定的载荷；二、监测系统不完善，无法准确的获得所施加的实时载荷大小以及液压支架活柱受力的大小，无法对采煤工作面顶底板岩石试件的破裂发育过程进行实时的动态监测，实验装置监测误差较大，可靠性较低；三、不能实现采煤工作面液压支架的移架，无法进行采煤工作面支护的动态模拟。因此，设计一种基于采煤工作面支护和移架动态模拟的实验装置，在实验室内模拟研究煤矿采煤工作面倾角、埋深、顶底板岩性、不同架型液压支架支护以及支架移架等，通过对液压支架活柱受力大小及工作面顶底板岩石试件的破裂发育的实时监测，实现工作面顶底板岩石试件破裂发育情况、液压支架架型的适应性分析、工作面的“支架-围岩”关系及采场矿压显现规律的研究，对煤矿安全生产具有重要的实践意义。

发明内容：

本发明包括可调节角度底座、加载实验台、可变架型液压支架、岩石试件、可滑动底座、信号采集系统以及信号处理系统，其中：所述可调节角度底座包括相互铰接的底板、承压板和底座前后连杆，通过改变相互间的铰接位置，模拟不同倾角的采煤工作面；所述加载实验台放置在可调节角度底座上，包括液压加载装置、两根穿孔加载立柱、加载顶梁、布置在加载顶梁下方的加载液压缸以及布置在加载液压缸下方的加载垫板；所述可变架型液压支架放置在加载垫板下方和可滑动底座上方，包括铰接连接的支架顶梁、支架活柱、支架掩护梁、支架前后连杆、支架底座，通过不同的铰接组合模拟井下三种液压支架，即支撑式液压支架、掩护式液压支架、支撑掩护式液压支架；所述岩石试件放置在支架顶梁上方和支架底座下方，根据不同的工作面顶底板条件选取对应的岩石试件来模拟采煤工作面顶底板；所述可滑动底座放置在可调节角度底座的承压板上方和岩石试件下方，可滑动底座的底部安装有滑轮，通过滑轮移动牵引上方的可变架型液压支架移动，模拟工作面液压支架的动态移架过程，完成移架后，通过销钉对滑轮进行固定，实现对可滑动底座的固定作用；所述信号采集系统包括裂隙信号传感器、裂隙信号放大器、压力采集器、压力传感器；所述信号处理系统包括压力示波器和波形分析仪。

所述可调节角度底座的承压板上方设计有滑轮通道，组成水平滑动结构，为可滑动底座底部的滑轮移动提供通道。

所述液压加载装置通过计算机控制终端控制加载液压缸，进行自动化加载，可施加较准确而稳定的载荷，并通过不同的载荷大小模拟采煤工作面不同的埋深。

所述加载顶梁与穿孔加载立柱通过螺母和螺杆连接，可通过上下移动调节位置。

所述岩石试件根据所模拟的不同顶底板岩性条件，从采煤工作面现场顶底板选取对应岩性的岩石。

所述裂隙信号传感器黏贴在顶底板岩石试件外侧，对岩石试件在受力破坏过程中的声信号进行采集，所述压力采集器连接在加载液压缸和支架活柱上，对加载液压缸和支架活柱的受力大小及受力分布进行实时监测。

所述信号采集系统通过专用软件控制，对实验装置中各监测部位的信号进行实时监测和采集。

本发明具有的优点和积极效果是：

1、采用液压加载方式，通过计算机控制终端控制液压加载系统实现自动化加载，可施加较准确而稳定的载荷；

2、信号采集系统完善，可同时对液压支架受力情况及岩石试件破裂演化过程进行实时信号采集，可在支架受力变形因素和围岩破裂因素耦合作用下对液压支架受力特征、煤岩体破裂演化规律以及工作面“支架-围岩”关系进行研究；

3、通过可滑动底座使液压支架沿工作面推进方向移动，从而实现采煤工作面液压支架移架的动态模拟，具有较好的科学研究价值和教学演示意义；