一種水下采煤模擬裝置及其使用方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及礦山機械及教育領域，特別是涉及一種用于水下采煤模擬裝置及其使用方法。
【背景技術】
[0002]承壓含水層廣泛存在于我國煤系地層當中，國內外發生了多起承壓含水層下采煤的工作面壓架致災事故，造成了大量人員傷亡和巨大經濟損失。因此在采動影響、礦山壓力以及承壓水的共同作用下，弄清承壓水的載荷傳遞、水巖共同作用下礦山壓力及工作面壓架致災的機理，變得尤為重要。
[0003]針對上述問題，目前主要是利用理論分析，結合相似模擬實驗等手段論證開采參數可靠性，但是相似實驗目前存在以下不足:
[0004]首先，開挖過程為人工拿細鐵棍開挖，一般為每隔兩個小時開挖一定距離煤層(如50mm左右)，這種方法不符合相似模擬的相似推采速度(按照100:1的相似比，這就意味著煤炭一下往前推采5m，這是不科學的)，即按照一定的速度開挖，且一般一個模型需要三天三夜以上時間連續開挖，這又要求實驗人員在晚上還需要每隔兩個小時開挖一次，一個實驗一般需要3-5名開挖人員，工作量非常大，非常不便。
[0005]第二，工作人員在開挖時，由于相似模型裝置一般寬300mm，在中間部位模型相對堅硬且看不清，經常挖錯頂板或者底板等，對于實驗的結果影響較大。
[0006]第三，有時候模型相對堅硬，需要使用很大的力氣才能挖動，在模型中間部位，甚至需要敲打才能挖動，這種震動、敲打或者無意識的觸碰到頂板，都相當于實際生產中很大的沖擊地壓的影響，因此對于某些研究頂板結構的實驗等結果影響較大。
[0007]最后，相似模擬目前主要研究頂底板的應力特征，頂板的垮落特征等，但是目前還沒有能夠模擬工作面采場支架模擬裝置以及它的運移和應力監測系統和方法，對于相似模擬實驗的結果影響較大。
[0008]因此提高相似模擬實驗仿真度，確保實驗數據科學可靠尤為重要；
[0009]同時，針對相似模擬實驗含水層的模擬，中國礦業大學許家林教授展開了大量的理論分析和試驗研究，設計了松散承壓含水層載荷傳遞作用的實驗裝置和松散承壓含水層采動水位變化規律的實驗裝置及方法(申請號:200720037001.9)，但是上述試驗裝置及方法，存在以下不足:
[0010]⑴上述方法中用到了一整體的、全長承壓水袋來近似模擬煤系地層中的承壓含水層，然而作為水袋這種材料本身的特殊性，它存在一定的強度和曲率，一旦采用全長鋪設水袋(如3m長的試驗架就選用3m長的水袋)，由于一般需要模擬的承壓水的水壓較大，所設計水袋必須能承受一定的水壓力，這樣水袋本身的強度就不能太低，其曲率自然就變小，加之水袋在上覆巖層移動變形的兩端會被巖層壓緊，而覆巖的移動變形區域又很大，就會造成水袋在煤層開采后不能隨著巖層移動而同步下沉運動，造成巖層與水袋的離層，承壓含水層載荷就無法向下傳遞，造成試驗失真甚至失敗。
[0011]⑵上述實驗方法中，也無法做到在煤層開采過程中，對含水層中受采動影響部分的水的流動及補給規律進行模擬及監控，進而也就無法做到對采煤工作面推進距離、推進速度等因素與承壓水內部水流的補給方向的變化之間建立聯系，做出定性及定量的判斷，自然就無法得出規律性認識。
【發明內容】
[0012]為了解決現有技術存在的問題，提高相似模擬實驗仿真度，確保實驗數據科學可靠，本發明提供了一種結構簡單、效果好的承壓水下自動采煤和壓力監測的水下采煤模擬
目.ο
[0013]—種水下采煤模擬裝置，其特征在于:包括架體、設置在所述架體上的承壓含水層、煤層、設置在所述煤層兩側的支撐桿、以及其他巖層；
[0014]所述承壓含水層由多個小水袋連接而成，所述小水袋是由頂板、底板、前側壁、后側壁、左側壁和右側壁圍合而成的長方體結構，其內部為充水空間，在所述小水袋的左側壁上設置有入水口，右側壁上設置有出水口，后一個所述小水袋的入水口通過輸水管與前一個所述小水袋的出水口相連，第一個所述小水袋的入水口與水供應裝置相連，最后一個所述小水袋只設置有入水口；
[0015]所述輸水管為中空圓柱體，在其外側的中部設置有水流量傳感器，所述水流量傳感器通過數據傳輸裝置與數據處理裝置相連，所述輸水管的兩端為接頭，在所述接頭和所述水流量傳感器之間設置有彈性軟管，所述彈性軟管能夠伸縮和向各個方向彎曲；
[0016]在所述煤層中設置有采煤支護模擬系統，在所述支撐桿上運行，所述采煤支護模擬系統包括采煤模擬裝置和位于其后側的液壓支架模擬裝置，所述液壓支架模擬裝置包括底板、頂板、應力計量器、驅動裝置和擋板，其中，所述應力計量器的頂部和底部分別與所述頂板和底板連接，所述擋板的上端與所述頂板的后端相連，所述擋板與所述頂板之間的角度為鈍角，驅動裝置驅動所述液壓支架模擬裝置移動。
[0017]本發明所述的水下采煤模擬裝置，其中所述承壓含水層包括10個所述小水袋，從第I個?第5個小水袋的入水口設置在所述左側壁的中部，處于靠近所述前側壁的位置，出水口設置在所述右側壁的下部，處于靠近所述后側壁的位置；從第6個到10個小水袋的入水口設置在所述左側壁的下部，處于靠近所述前側壁的位置；從第6個到9個小水袋的出水口設置在所述右側壁的中部，處于靠近所述后側壁的位置。
[0018]本發明所述的水下采煤模擬裝置，其中，在所述頂板和所述底板的左右兩側還分別設置有保護板，由所述頂板和底板向左右兩側延伸而成，將所有所述小水袋的所述保護板依次相連，在相鄰的兩個所述小水袋間形成保護所述輸水管的置物空間；所述頂板和所述底板為PVC板，所述前側壁、后側壁、左側壁和右側壁的截面為可折疊伸縮的齒形結構，由丁基橡膠制成。
[0019]本發明所述的水下采煤模擬裝置，其中所述小水袋的長度為270mm，寬度為300mm，所述前側壁、后側壁、左側壁和右側壁的最大拉伸高度為60mm ;所述保護板的長度為15_，寬度為300mm ;所述頂板和底板的厚度為4_，所述前側壁、后側壁、左側壁和右側壁的厚度為2.2mm ;所述彈性軟管為聚丙稀材料制成，外直徑為70mm，內直徑為50mm ;所述小水袋在使用前其內部處于完全壓縮狀態。
[0020]本發明所述的水下采煤模擬裝置，其中所述水供應裝置包括多個相同規格的水箱，所述水箱從上至下包括依次連通的上管體、上箱體、下管體和下箱體，所述上管體的上端為管口，所述上管體的上部為無刻度區，下部為有刻度區，所述下管體的上部為有刻度區，下部為無刻度區，在所述有刻度區的管壁上設置有刻度；在所述水箱的底部設置有水箱出水口 ；
[0021]所述水箱由透明材料制成，所述水箱為3個，所述水供應裝置還包括接頭和壓力表，所述3個水箱的水箱出水口分別通過管路與所述壓力表連接，所述接頭的一端通過管路與所述壓力表連接，另一端與第一個所述小水袋的入水口連接，在每個水箱和所述壓力表之間的管路上設置有閥門。
[0022]本發明所述的水下采煤模擬裝置，其中所述上管體和所述下管體的橫截面為邊長為80mm的正方形，所述上管體的總高度為150mm，其中，上部的無刻度區高度為81.25mm，下部的有刻度區的高度為68.75mm，所述下管體的總高度為1000mm，上部的有刻度區高度為900mm，下部的無刻度區高度為10mm ;所述上箱體和下箱體的橫截面為邊長為250mm的正方形，所述上箱體的高度為160mm，所述下箱體的高度為10mm ;所述水箱的有刻度區的刻度值由上至下依次增大。
[0023]本發明所述的水下采煤模擬裝置，其中所述應力計量器包括第一殼體和設置在其內部的內柱，所述內柱可在所述第一殼體內自由上下滑動，所述內柱的頂部與所述頂板固定連接，在所述第一殼體的底端連接有應變膜，并且所述應變膜覆蓋所述第一殼體的底端，所述應變膜、所述第一殼體和所述內柱之間形成氣腔，在所述氣腔內設置有氣囊，所述氣囊由塑膠膜密封而成，所述應變膜通過數據線與應變儀連接，所述應變儀與計算機連接；
[0024]所述第一殼體的底端連接第二殼體，所述第二殼體的厚度小于所述第一殼體的厚度，所述第二殼體的底端連接支撐板；
[0025]所述內柱、所述第一殼體、所述第二殼體均為圓柱形，所述數據線的一端接頭設置在所述第一殼體的底端上的所述應變膜上，所述第二殼體上設置有通孔，所述數據線的另一端從所述通孔中穿出，與所述應變儀相連；在所述第二殼體上均勻設置有多個透氣孔。
[0026]本發明所述的水下采煤模擬裝置，其中所述應力計量器還包括高度調節裝置，所述高度調節裝置由螺紋連接的外螺旋桿和內螺旋桿構成，所述內螺旋桿的下端固定在所述底板上，所述外螺旋桿的上端與所述支撐板相連，在所述支撐板的邊緣設置有卡槽，所述外螺旋桿的頂部固定有與所述卡槽相配合的卡片，所述卡片設置在所述卡槽內，并可在所述卡槽內自由轉動；
[0027]所述頂板與水平面之間的角度為3°?5°，所述頂板的后端高于前端，所述擋板與所述頂板之間的角度為120°?150°，所述內柱的前端與所述頂板的前端之間的距離為40mm?50mm，所述擋板的底端距離所述底板的后端之間的水平距離為15mm ;
[0028]在自由狀態下，所述內柱的頂端與所述第一殼體的頂端之間的距離為7mm，所述內柱的直徑為8mm，高度為15mm，所述第一殼體的厚度為5mm?6mm，所述第二殼體的厚度為1.5mm?2mm，外徑與所述第一殼體的外徑一致，所述高度調節裝置的高度為15mm，所述底板的長度為60mm?70mm，所述頂板的長度為70mm，所述擋板的長度為50mm?100mm，在所述底板的底部設置有輪體，所述輪體與所述驅動裝置相連。
[0029]本發明所述的水下采煤模擬裝置，其中所述采煤機模擬裝置包括滾筒、滾筒驅動裝置、采煤機驅動裝置，其中，