倾角、放煤点、放煤口大小可控的放顶煤试验装置及方法

1.本发明具体涉及煤层开采技术领域，具体是倾角、放煤点、放煤口大小可控的放顶煤试验装置及方法。


背景技术：

2.在我国能源结构中煤炭占据70％以上的比例，其中厚煤层占据45％以上的已探明煤炭储量，产量也是煤炭总产量的50％左右，因此，合理开发厚煤层对我国煤炭行业的发展有着极其重要影响，厚煤层开发技术也是我国煤炭开发技术的重点研究方向。
3.厚煤层开采方法主要有分层开采、大采高综采及综放开采，其中综放开采作为一种高产、高效、低耗、适应性强的厚煤层开采方式逐渐脱颖而出并受到广泛应用，现已是成为厚煤层的标志性开采方法之一；当前综放开采技术面临的主要问题是如何去合理地优化综放开采技术来提高顶煤的回收率，这也是放顶煤开采技术领域的研究热题。
4.层状岩体是由岩块和层间结构面组成的地质体，倾角作为结构面特征的重要参数，是影响倾斜层状煤岩体采动力学行为的主控因素；考虑到高倾角煤层通常存在活动剧烈的覆岩情况，同时高倾角也会影响支架的稳定性，大大增加顶煤回收难度；为进一步提高顶煤回收率，急需研究可以试验高倾角煤层综放开采放顶煤的装置及方法。


技术实现要素：

5.为此，本发明提出倾角、放煤点、放煤口大小可控的放顶煤试验装置及方法以解决上述背景技术中提出的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：倾角、放煤点、放煤口大小可控的放顶煤试验装置，其包括：
7.支撑平台，所述支撑平台底面的四个端角处均安装有行走轮，所述支撑平台的顶面上设置有旋转座一和卡扣座；
8.实验沙箱，所述实验沙箱的左端脚可转动安装在所述支撑平台的旋转座一上，所述实验沙箱的右端脚与所述支撑平台的卡扣座适配卡扣连接；
9.电动推杆二，所述电动推杆二倾斜设置于所述支撑平台内，所述电动推杆二的底端部可转动安装在所述支撑平台的旋转座二上，所述电动推杆二的顶端部可转动安装在所述实验沙箱的底面上；
10.滑轨，所述滑轨固定安装在所述实验沙箱的底部；
11.滑动板二，所述滑动板二封堵在所述实验沙箱底口的右端部，且所述滑动板二可滑动安装于所述滑轨上，所述滑动板二的底部固定连接有电动推杆一的一端，所述电动推杆一的另一端采用两个角钢固定连接在所述滑轨的右端上；
12.以及滑动板一，所述滑动板一封堵在所述实验沙箱底口的左端部，且所述滑动板一可滑动安装于所述滑轨上，所述滑动板一与滑动板二之间连接有丝杠螺母传动装置。
13.进一步，作为优选，所述电动推杆一与所述滑动板二相平行设置。
14.进一步，作为优选，所述实验沙箱的前、后两侧均安装有钢化玻璃板。
15.进一步，作为优选，所述实验沙箱框架的左、右、上方分别滑接有左薄铁片、右薄铁片以及上薄铁片。
16.进一步，作为优选，所述滑动板一由顶梁槽钢、掩护梁槽钢、尾梁槽钢组合而成，并形成模拟放煤支架。
17.倾角、放煤点、放煤口大小可控的放顶煤试验方法，其包括以下步骤：
18.步骤1：按照具体的岩层特征依次在实验沙箱中按比例铺设煤样及砂石材料，在其上部插入薄铁板使实验材料平整；
19.步骤2：启动电动推杆二将上部试验装置提升到设定倾角的支承高度；
20.步骤3：通过电动推杆一控制滑动板二在滑轨上移动以及通过丝杆螺母传动装置控制滑动板一进行相应尺寸放煤口的打开与闭合，结束放煤后，观察并测量实验沙箱内样品的剩余及流出数量；
21.步骤4：清理试验装置，本组试验结束。
22.本发明采用以上技术,与现有的技术相比具有以下有益效果：
23.1.由于实验装置可控倾角，通过实验装置电动推杆二支承高度的不同，可以模拟不同煤层倾角以及不同放煤方式下的顶煤放出规律，更加接近实际情况下的煤层开采，有利于放煤规律的研究。
24.2.由于实验装置可控放煤口，通过实验装置电动推杆一控制滑动板二的移动以及通过丝杆螺母装置连接左侧滑动板进行的直线运动来控制放煤口尺寸大小与闭合，有利于实现实际情况下对应模拟放煤口的调整。
25.3.由于实验装置可控放煤方式，通过实验装置滑动板一的安装改变放煤顺序与放煤步距之间的转换，有利于模拟不同煤层倾角下多种放煤方式下的顶煤放出规律。
26.4.由于实验装置实验沙箱的尺寸设计合理，便于放置实验的煤样及砂石等材料，同时实验沙箱使用的薄铁板也便于更换；实验装置支撑平台的整体更为稳固，同时支撑平台底部有可固定轮子，实验操作也较为方便。
附图说明
27.图1为本发明装置的正视结构示意图；
28.图2为本发明装置中电动推杆一的结构示意图；
29.图3为本发明装置中电动推杆二的结构示意图；
30.图4为本发明装置中支撑平台的结构示意图；
31.图5为本发明装置中滑轨的结构示意图；
32.图6为本发明装置中滑动板一的截面示意图；
33.图7为本发明装置中滑动板二的截面示意图；
34.图8为本发明装置中丝杠螺母传动装置的结构示意图；
35.图9为本发明装置中实验沙箱的结构示意图；
36.图10为本发明装置的侧视结构示意图；
37.图11为本发明装置的俯视结构示意图；
38.图12为本发明装置的煤层倾角为10
°
模拟示意图。
39.图中：1、支撑平台；2、m12丝杠；3、滑动板一；4、m12螺母；5、实验沙箱；6、滑动板二；7、滑轨；8、电动推杆一；9、电动推杆二；17、平台上槽钢；18、平台左槽钢；19、平台右槽钢；20、平台下槽钢；25、旋转座二；26、行走轮；34、沙箱上角钢；35、沙箱左角钢；36、沙箱右角钢；37、上薄铁片；38、左薄铁片；39、右薄铁片；40、沙箱左槽钢；41、沙箱中槽钢；42、沙箱右槽钢；43、旋转座一；44、钢化玻璃板。
具体实施方式
40.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
41.实施例：请参阅附图1-12，本发明提供一种技术方案：倾角、放煤点、放煤口大小可控的放顶煤试验装置，可实现综采放顶煤0～50
°
以下煤层角度的放煤模拟，其包括：
42.支撑平台1，支撑平台1底面的四个端角处均安装有行走轮26，方便实验装置的整体搬移，支撑平台1的顶面上设置有旋转座一43和卡扣座；
43.具体的，支撑平台1是由平台上槽钢17、平台左槽钢18、平台右槽钢19以及平台下槽钢20组成的钢架；
44.实验沙箱5，实验沙箱5的左端脚可转动安装在支撑平台1的旋转座一43上，实验沙箱5的右端脚与支撑平台1的卡扣座适配卡扣连接；
45.电动推杆二9，电动推杆二9倾斜设置于支撑平台1内，电动推杆二9的底端部可转动安装在支撑平台1的旋转座二25上，电动推杆二9的顶端部可转动安装在实验沙箱5的底面上；
46.具体的，电动推杆二9对上部实验装置起支承作用，杆体通过电机设备控制伸缩旋转到指定高度，将上部实验装置提升到不同倾角；
47.滑轨7，滑轨7固定安装在实验沙箱5的底部，其能够引导滑动板在高负载下实现高精度的直线运动；
48.滑动板二6，滑动板二6封堵在实验沙箱5底口的右端部，且滑动板二6可滑动安装于滑轨7上，滑动板二6的底部固定连接有电动推杆一8的一端，电动推杆一8的另一端采用两个角钢固定连接在滑轨7的右端上，通过滑动板二6在滑轨移动时的开口大小及闭合来模拟不同尺寸的放煤口，用于研究在不同煤层倾角下不同放煤顺序的顶煤放出规律；
49.以及滑动板一3，滑动板一3封堵在实验沙箱5底口的左端部，且滑动板一3可滑动安装于滑轨7上，滑动板一3能够从侧面穿过实验沙箱进行整体移架的模拟，用于研究在不同煤层倾角下不同放煤步距的顶煤放出规律，滑动板一3与滑动板二6之间连接有丝杠螺母传动装置；
50.具体的，由m12丝杆2和m12螺母4构成，连接滑轨之上的左右两侧滑动板，主要进行改变倾角时的旋转运动与放煤口闭合的直线运动相互之间的转换与调整。
51.本实施例中，电动推杆一8与滑动板二6相平行设置。
52.本实施例中，实验沙箱5的前、后两侧均安装有钢化玻璃板44，适用不同倾角煤层的模拟实验并防止实验工程中实验材料的流出。
53.本实施例中，实验沙箱5框架的左、右、上方分别滑接有左薄铁片38、右薄铁片39以及上薄铁片37，其中，上薄铁片37是用于内部放置完实验样品后上方以其覆盖来保持顶部平整；
54.具体的，实验沙箱5是由沙箱上角钢34、沙箱左角钢35、沙箱右角钢36以及位于底部的沙箱左槽钢40、沙箱中槽钢41、沙箱右槽钢42组成的钢架，其中，各两条沙箱上角钢34、沙箱左角钢35、沙箱右角钢36之间相隔模拟放煤支架的宽度，同时设置可插入三块尺寸对应薄铁板的滑槽口，以便于插入滑左薄铁片38、右薄铁片39以及上薄铁片37。
55.本实施例中，滑动板一3由顶梁槽钢、掩护梁槽钢、尾梁槽钢组合而成，并形成模拟放煤支架。
56.需要补充的是，槽钢选取5#槽钢；行走轮26的直径为4.75cm；角钢选取5#角钢；上薄铁片37、滑动板一3以及滑动板二6长度均为20cm，宽度均为5cm；左薄铁片38、右薄铁片39的长度均为15cm，宽度均为5cm；钢化玻璃板44是厚度为20mm的透明钢化玻璃，其内侧贴有防划膜，以防止实验时煤体和砂石将玻璃板内侧接触面划模糊，避免了因玻璃的透明度影响实验过程中的可视性。
57.请参阅附图12，当试验装置模拟的是煤层倾角为10
°
时，其包括以下步骤：
58.步骤1：按照具体的岩层特征依次在实验沙箱5中按比例铺设煤样及砂石材料，在其上部插入薄铁板使实验材料平整；
59.步骤2：启动电动推杆二9将上部试验装置提升到倾角为10
°
的支承高度；
60.步骤3：通过电动推杆一8控制滑动板二6在滑轨上移动以及通过丝杆螺母传动装置控制滑动板一3进行相应尺寸放煤口的打开与闭合，结束放煤后，观察并测量实验沙箱5内样品的剩余及流出数量；
61.步骤4：清理试验装置，本组试验结束。
62.上述实验步骤为煤层倾角为10
°
下放煤顺序的顶煤放出模拟，而当进行放煤步距的模拟时则需在实验开始之前安装好滑动板一，之后按照步骤操作即可。
63.因此，根据煤层倾角的划分，倾角小于8
°
为近水平煤层，8～25
°
为缓倾斜煤层，25～45
°
为中倾斜煤层，45
°
以上为急倾斜煤层，而本实验装置通过调节绳钩的拉伸长度，可以模拟出50
°
以下煤层倾角的放煤实验。
64.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.倾角、放煤点、放煤口大小可控的放顶煤试验装置，其特征在于，其包括：支撑平台(1)，所述支撑平台(1)底面的四个端角处均安装有行走轮(26)，所述支撑平台(1)的顶面上设置有旋转座一(43)和卡扣座；实验沙箱(5)，所述实验沙箱(5)的左端脚可转动安装在所述支撑平台(1)的旋转座一(43)上，所述实验沙箱(5)的右端脚与所述支撑平台(1)的卡扣座适配卡扣连接；电动推杆二(9)，所述电动推杆二(9)倾斜设置于所述支撑平台(1)内，所述电动推杆二(9)的底端部可转动安装在所述支撑平台(1)的旋转座二(25)上，所述电动推杆二(9)的顶端部可转动安装在所述实验沙箱(5)的底面上；滑轨(7)，所述滑轨(7)固定安装在所述实验沙箱(5)的底部；滑动板二(6)，所述滑动板二(6)封堵在所述实验沙箱(5)底口的右端部，且所述滑动板二(6)可滑动安装于所述滑轨(7)上，所述滑动板二(6)的底部固定连接有电动推杆一(8)的一端，所述电动推杆一(8)的另一端采用两个角钢固定连接在所述滑轨(7)的右端上；以及滑动板一(3)，所述滑动板一(3)封堵在所述实验沙箱(5)底口的左端部，且所述滑动板一(3)可滑动安装于所述滑轨(7)上，所述滑动板一(3)与滑动板二(6)之间连接有丝杠螺母传动装置。2.根据权利要求1所述的倾角、放煤点、放煤口大小可控的放顶煤试验装置，其特征在于：所述电动推杆一(8)与所述滑动板二(6)相平行设置。3.根据权利要求1所述的倾角、放煤点、放煤口大小可控的放顶煤试验装置，其特征在于：所述实验沙箱(5)的前、后两侧均安装有钢化玻璃板(44)。4.根据权利要求3所述的倾角、放煤点、放煤口大小可控的放顶煤试验装置，其特征在于：所述实验沙箱(5)框架的左、右、上方分别滑接有左薄铁片(38)、右薄铁片(39)以及上薄铁片(37)。5.根据权利要求1所述的倾角、放煤点、放煤口大小可控的放顶煤试验装置，其特征在于：所述滑动板一(3)由顶梁槽钢、掩护梁槽钢、尾梁槽钢组合而成，并形成模拟放煤支架。6.倾角、放煤点、放煤口大小可控的放顶煤试验方法，其特征在于，其包括以下步骤：步骤1：按照具体的岩层特征依次在实验沙箱(5)中按比例铺设煤样及砂石材料，在其上部插入薄铁板使实验材料平整；步骤2：启动电动推杆二(9)将上部试验装置提升到设定倾角的支承高度；步骤3：通过电动推杆一(8)控制滑动板二(6)在滑轨上移动以及通过丝杆螺母传动装置控制滑动板一(3)进行相应尺寸放煤口的打开与闭合，结束放煤后，观察并测量实验沙箱(5)内样品的剩余及流出数量；步骤4：清理试验装置，本组试验结束。

技术总结
本发明公开了倾角、放煤点、放煤口大小可控的放顶煤试验装置及方法，其包括：支撑平台，所述支撑平台底面的四个端角处均安装有行走轮，所述支撑平台的顶面上设置有旋转座一和卡扣座；实验沙箱，所述实验沙箱的左端脚可转动安装在所述支撑平台的旋转座一上，所述实验沙箱的右端脚与所述支撑平台的卡扣座适配卡扣连接。本发明实验装置可控倾角，通过实验装置电动推杆二支承高度的不同，可以模拟不同煤层倾角以及不同放煤方式下的顶煤放出规律，更加接近实际情况下的煤层开采，有利于放煤规律的研究。研究。研究。


技术研发人员：师皓宇 孙志海 邹光华 杨健男 杨长益 辛楚冰 张金彪
受保护的技术使用者：华北科技学院（中国煤矿安全技术培训中心）
技术研发日：2023.05.12
技术公布日：2023/8/24