专利名称：综放开采顶煤放出三维模拟实验平台及实验方法
技术领域：
本发明涉及一种综放开采顶煤放出三维模拟实验平台及实验方法，用于研究煤矿综放开采工作面中采放比、放煤方式、放煤 工艺、支架尾梁倾角、放煤口大小、破碎顶煤粒径等因素对综放工作面顶煤回收率的影响以及验证现场顶煤跟踪仪的空间布置对顶煤回收率现场实测精度的影响。
背景技术：
综放工作面顶煤运移规律是一个复杂的散体力学与运动的过程，从而导致现阶段无法对不同条件的工作面顶煤回收率进行很好的预评估。现场对顶煤回收率的实测一般也很难精确，只能通过顶煤跟踪仪等方式进行间接测量。因此，对顶煤回收率的预评估现阶段也只能通过数值模拟和相似模拟进行。一些学者虽在实验室内进行了相似模拟实验，但模拟过程都没有很好的避免实验过程导致的冒顶和消除实验台边界对顶煤回收率的影响，更没有对现场顶煤跟踪仪的空间位置的优化作出评判。为解决现有技术存在的上述不足，提出本发明。

发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的技术问题，提供一种综放开采顶煤放出三维模拟实验平台及实验方法，利用该平台可以统计不同条件下顶煤的回收率大小，观察采场残煤形态，优化现场测试顶煤回收率的跟踪仪空间布置位置。为解决上述技术问题，实现本发明的目的，本发明提供了一种综放开采顶煤放出三维模拟实验平台，包括有机玻璃板和金属板组合的箱体，箱体内设有可抽动底板，一可在可抽动底板上移动的综放支架，综放支架紧靠一与可抽动底板平行设置的可抽动直接顶；其中，综放支架沿可抽动直接顶的纵向平行均布，综放支架包括一主体框架，主体框架一侧设有可翻转的放煤挡板；可抽动底板与可抽动直接顶均为条形板排列形成。所述的主体框架包括一底座，底座上固定有一支撑柱，支撑柱顶端设有一平板，平板通过一斜板与所述的框架侧边的放煤挡板铰接，放煤挡板的底部铰接有放煤控制杆，放煤控制杆的另一端可滑动的抵在支撑柱上。所述的可抽动直接顶和可抽动底板与采煤机的截深匹配。本发明还提供了一种采用前述的实验平台的一种综放开采顶煤放出三维模拟实验方法，包括如下步骤a)准备相似模拟材料选择粒径比与现场破碎顶煤和破碎顶板符合相似条件的散体材料，做实验测试出模拟破碎顶煤的散体材料的自然安息角e ；b)铺设散体材料确定预先想测试的顶煤跟踪仪的空间布局，将确定好粒径比的散体材料均匀铺在实验平台箱体内，当铺设到预先设定好顶煤跟踪仪要放置的层位时，按照对应的空间位置放置模拟顶煤跟踪仪的标志点，其中，根据采放比确定顶煤散体材料铺设的厚度；
c)确定放煤边界；根据公式(I)和公式(2)计算出放煤过程留设的煤柱距离，LO = TAN 9 XH (I);L3 = TAN0 XH (2)；其中，0为模拟破碎顶煤的散体材料的自然安息角，H为模拟破碎顶煤的散体材料的铺设厚度；LO为平行于工作面方向的留设煤柱距离，L3为沿工作面推进方向留设煤柱距离，L0、L3距离之外为放煤的边界；d)放煤从留设煤柱距离LO范围外对应的第一个综放支架开始放煤，打开综合支架的放煤口，直到在放煤口看见模拟顶板岩石的散体颗粒出现时，关闭放煤口，依次完成放煤边界内的综放支架的放煤动作；
e)移架抽出完成放煤的可抽动直接顶，将所有综放支架沿工作面移动到下一个可抽动直接顶，重复步骤d)，直至综放支架移动至留设的煤柱距离L3处；f)计算顶煤回收率用金属片插入残煤中，隔出已放煤的边界，取出被金属板隔出的区域内模拟顶煤的实验散体物质，并称其重量得到ms，利用公式(3)计算出顶煤回收率S ；
CBftf S = p—H(3)；其中p为模拟煤炭散体的密度；LI为有效放煤区域；L2第一次放煤时的放煤口位置到最后放煤时的放煤口位置之间的距离；H为实验台中模拟煤层的厚度。进一步的，本发明还包括顶煤跟踪仪空间钻孔布置指导步骤，利用顶煤跟踪仪测得的回收率与步骤f)测算获得的真实回收率S的误差，通过多次试验对比，找出误差最小的标志点的空间分布，从而指导现场顶煤测试时的空间钻孔布置。本发明的有益效果是相对于现有技术而言，本发明中的实验平台能够实现消除实验台边界条件对回收率统计的影响，采用本发明的实验平台，放煤边界与现实放煤实现最大的三维相似，还能够在放煤过程中可以实现间隔放煤和多轮放煤。可抽出直接顶与支架间的相互配合关系能解决在以前在实验室相似模拟放煤时出现的冒顶问题。


当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，其中图I为本发明中的综放开采顶煤放出三维模拟实验平台正视图；图2为本发明中的综放开采顶煤放出三维模拟实验平台侧视图；图3为本发明中的综放开采顶煤放出三维模拟实验平台俯视图；图4为综放开采顶煤放出三维模拟实验平台初始状态图；图5为综放开采顶煤放出三维模拟实验平台放煤过程图6为综放开采顶煤放出三维模拟实验平台放煤后移架前状态图；图7为综放开采顶煤放出三维模拟实验平台移架后放煤前状态图；图8为综放开采顶煤放出三维模拟实验第二次放煤过程图；图9a为综放支架放煤状态的示意图；图9b为综放支架不放煤状态的示意图；图10为综放支架结构图；图11为操作综放支架放煤和移架的钩子图；
图12为本发明采用间隔放煤方式的示意图；图13为放煤边界确定中，平行于工作面方向的留设煤柱距离计算示意图；图14为放煤边界确定中，沿工作面推进方向留设煤柱距离计算示意图；图中1、有机玻璃板，2、金属板，3、综放支架，4、可抽动直接顶，5、可抽动底板，6、主体框架，7、支撑柱，8、放煤控制杆，9、放煤挡板，10、连接铰链，11连接铰链。
具体实施例方式为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明。参照附图4，本发明一种综放开采顶煤放出三维模拟实验平台，包括设置在前后的有机玻璃板I和左右的金属板2组合而成箱体，透明有机玻璃板的设置便于观察放煤形态的变化，箱体内设有可抽动底板5，一可在可抽动底板5上移动的综放支架3，综放支架3紧靠一与可抽动底板5平行设置的可抽动直接顶4 ;其中，综放支架3沿可抽动直接顶4的纵向平行均布，可抽动底板5与可抽动直接顶4均为条形板排列形成，可抽动直接顶4和可抽动底板5与采煤机的截深匹配。参照图9a、图9b、图10，综放支架3包括一主体框架6，主体框架6的一侧设有可翻转的放煤挡板9 ;主体框架6包括一底座，底座上固定有一支撑柱7，支撑柱7顶端设有一平板，平板通过一斜板与所述的框架侧边的放煤挡板9采用连接铰链10铰接，放煤挡板9的底部通过连接教练11铰接有放煤控制杆8，放煤控制杆8的另一端可滑动的抵在支撑柱7上。本发明实验平台可以根据放煤后的残煤推算回收率和通过布置标志点指导现场顶煤回收率测试。该平台能够进行如下实验1)在排除实验台边界条件影响和实验台造成的冒顶情况下，模拟煤矿综放开采工作面中不同的采放比、放煤方式、放煤工艺、支架尾梁倾角、放煤口大小、破碎顶煤粒径等情况下所对应的不同的综放工作面顶煤回收率；2)模拟不同标志点的空间布置与顶煤回收率实验实测值的误差，指导现场顶煤跟踪仪的合理布置。下面，结合本发明中的实验平台的使用，具体介绍本发明的实验方法如下a)准备相似模拟材料选择粒径比与现场破碎顶煤和破碎顶板符合相似条件的散体材料，做实验测试出模拟破碎顶煤的散体材料的自然安息角e ；b)铺设散体材料确定预先想测试的顶煤跟踪仪的空间布局，将确定好粒径比的散体材料均匀铺在实验平台箱体内，当铺设到预先设定好顶煤跟踪仪要放置的层位时，按照对应的空间位置放置模拟顶煤跟踪仪的标志点，其中，根据采放比确定顶煤散体材料铺设的厚度；在铺设模型过程中，在不同层位埋设标志点，用以优化不同标志点的空间布置；c)确定预先想测试的顶煤跟踪仪的空间布局，将确定好粒径比的散体材料均匀铺在实验平台箱体内，当铺设到预先设定好顶煤跟踪仪要放置的层位时，按照对应的空间位置放置模拟顶煤跟踪仪的标志点。顶煤散体材料铺设的厚度由采放比确定。可以通过改变铺设顶煤的厚度可以测试不同采放比对回收率的影响。d)、铺好散体材料后，为了消除实验台边界对位移场和应力场的影响，通过公式I和公式2计算出如图13和图14所示的放煤过程留设的LO和L3的距离。LO = TAN 0 XH (I)L3 = TAN0 XH (2) 因现场的采场没有像实验台那样光滑的边界，而全是散体煤岩所构成的边界，可由自然安息角内的散体是不会移动的定律使得实验台在沿工作面推进方向和平行于工作面方向分别留设距离为L3和LO的不放出煤柱后无论如何进行放煤，所形成的边界都只是模拟的煤岩散体而不是光滑实验台壁，从而使得实验台放煤过程与现场条件更加吻合e)、确定完留设好的煤柱距离后，放煤前初始状态如图4所示。然后移开放煤口所对应的可抽动底板5进行放煤，如图5所示。放煤过程如图13所示从LO范围外第一个综放支架开始放煤，按照一定的放煤方式，用金属钩操作放煤口打开关闭进行放煤。通过采用不同的放煤方式可以测试每种放煤方式对顶煤回收率的影响，如图12所示的间隔放煤就要先放阴影部分的综放支架，再放其他的综放支架。每个综放支架放煤时，可用图11所示的金属钩把图10中的放煤控制杆8往上撬，即可实现打开放煤口的效果(图9a示出)，放出的煤由挨个从一旁推送的由金属盒代替的刮板输送机运出实验台。直到在放煤口看见模拟顶板岩石的散体颗粒出现时，见矸关闭放煤口，在关闭放煤口时用金属钩顶住放煤口并将放煤控制杆8调整到图9b所示的综放支架不放煤状态即可。放煤完成后开始移架，每次放完煤移架次数由所需要测试的放煤工艺决定，通过改变不同的放煤工艺可以测试每种工艺的顶煤回收率。如图6所示，每次移架时移开可抽出直接顶4，然后用金属钩挨个勾住综放支架3中的支撑柱7并向工作面前方拉拽即可实现支架的移架过程，移架完成后的状态如图7所示。以上步骤就完成一个放煤循环，接下来就如图8所示开始进入下一个放煤循环。f)、放煤移架的整个过程在如图14的L2范围内，确保支架移架后不会移进L3的不放煤区域。最后，用金属片插入残煤中隔出在平行于工作面方向如图13所示的LI区域和从第一次放煤时的放煤口位置到最后放煤时的放煤口位置之间的距离L2。取出被金属板隔出的L1XL2区域内模拟顶煤的实验散体物质，并称其重量得到ms，利用公式3可以计算出顶煤回收率S，S S( 3 )
pxLlxL2xM其中P为模拟煤炭散体的密度；LI为图13中标出的有效放煤区域；L2第一次放煤时的放煤口位置到最后放煤时的放煤口位置之间的距离；H为实验台中模拟煤层的厚度；最后，同时利用顶煤跟踪仪测得的回收率与实验测算获得的真实回收率S的误差，从而通过多次试验对比可以找出误差最小的标志点的空间分布，从而指导现场顶煤测试时的空间钻孔布置。另外，为求得不同条件下的顶煤回收率时，只需对上述一般过程进行如下修改I、为了求得不同采放比的顶煤回收率时，只需改变铺设顶煤的厚度和留设由煤层的自然安息角9求得的对应的LO宽度的煤柱。
2、为了求得不同放煤方式和放煤工艺下顶煤回收率时，只需在放煤过程中调整放煤方式和移架和放煤之间的配合顺序即可，如间隔放煤时可以像图12中所示的那样，先放阴影部分的支架再放其他支架。或者两刀一放时，就需要移两次架后再进行放煤操作3、为了求得不同放煤口大小和支架尾梁倾角条件下的顶煤回收率时，只使用不同放煤口大小和不同支架尾梁倾角的支架进行实验即可实现。4、为了求得不同粒径比的相似材料对顶煤回收率的影响时，只需铺设不同粒径比的相似材料也可以实现。如上所述，对本发明的实施例进行了详细地说明，但是只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果可以有很多的变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也全部包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种综放开采顶煤放出三维模拟实验平台，包括有机玻璃板和金属板组合的箱体，其特征在于，所述的箱体内设有可抽动底板，一可在可抽动底板上移动的综放支架，综放支架紧靠一与可抽动底板平行设置的可抽动直接顶；其中，综放支架沿可抽动直接顶的纵向平行均布，综放支架包括一主体框架，主体框架一侧设有可翻转的放煤挡板；可抽动底板与可抽动直接顶均为条形板排列形成。
2.根据权利要求I所述的一种综放开采顶煤放出三维模拟实验平台，其特征在于，所述的主体框架包括一底座,底座上固定有一支撑柱,支撑柱顶端设有一平板,平板通过一斜板与所述的框架侧边的放煤挡板铰接，放煤挡板的底部铰接有放煤控制杆，放煤控制杆的另一端可滑动的抵在支撑柱上。
3.根据权利要求I所述的一种综放开采顶煤放出三维模拟实验平台，其特征在于，所述的可抽动直接顶和可抽动底板与采煤机的截深匹配。
4.一种综放开采顶煤放出三维模拟实验方法，其特征在于，包括如下步骤 a)准备相似模拟材料选择粒径比与现场破碎顶煤和破碎顶板符合相似条件的散体材料，做实验测试出模拟破碎顶煤的散体材料的自然安息角e ； b)铺设散体材料确定预先想测试的顶煤跟踪仪的空间布局，将确定好粒径比的散体材料均匀铺在实验平台箱体内，当铺设到预先设定好顶煤跟踪仪要放置的层位时，按照对应的空间位置放置模拟顶煤跟踪仪的标志点，其中，根据采放比确定顶煤散体材料铺设的厚度； c)确定放煤边界；根据公式(I)和公式(2)计算出放煤过程留设的煤柱距离，
5.根据权利要求4所述的一种综放开采顶煤放出三维模拟实验方法，其特征在于，还包括顶煤跟踪仪空间钻孔布置指导步骤，利用顶煤跟踪仪测得的回收率与步骤f)测算获得的真实回收率S的误差，通过多次试验对比，找出误差最小的标志点的空间分布，从而指导现场顶煤测试时的空间钻孔 布置。
全文摘要
本发明公开了一种综放开采顶煤放出三维模拟实验平台及实验方法，用于研究煤矿综放开采工作面中采放比、放煤方式、放煤工艺、支架尾梁倾角、放煤口大小、破碎顶煤粒径等因素对综放工作面顶煤回收率的影响以及验证现场顶煤跟踪仪的空间布置对顶煤回收率现场实测精度的影响。本发明中的实验台通过布置可移动的直接顶能够避免实验过程中的冒顶对回收率带来的影响，通过边界留煤柱只统计中间区间回收率的方法可以基本消除实验台边界条件对回收率统计的影响。利用金属薄板插片获取实验区域残余煤量可以求得不同条件下的顶煤回收率，从而指导实际工程选择最佳的综放开采方案。
文档编号G01N33/22GK102749432SQ20121015504
公开日2012年10月24日 申请日期2012年5月17日 优先权日2012年5月17日
发明者杨胜利, 潘卫东, 王家臣, 赵洪宝, 魏立科 申请人:中国矿业大学(北京)