CN108682259A - 一种基于含水层模拟装置的节能减排与安全采煤实验平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于含水层模拟装置的节能减排与安全采煤实验平台，包括模拟架(9)和设置在其中的煤层(20)和其他多个岩层，在所述煤层(20)上方设置有含水层(18)，在所述含水层(18)中设置有含水层模拟***，在所述煤层(20)上方5H、10H和20H位置处分别设置包括多种裂隙的第一裂隙带(15)、第二裂隙带(16)和第三裂隙带(17)，其中，H为所述煤层(20)的高度。本发明所述的基于含水层模拟装置的节能减排与安全采煤实验平台具有实验效率高和实验精度高的优点。

Description

一种基于含水层模拟装置的节能减排与安全采煤实验平台

技术领域

本发明涉及矿山机械及教育领域，特别是涉及一种基于含水层模拟装置的节能减排与安全采煤实验平台。

背景技术

在传统意义上，煤矿岩层的相似模拟实验都以二维为主，即前后宽度都在200mm，所以很多实验也局限在前后宽度200mm的范畴下，因此对于含水层的模拟一般较少，而对于三维相似模拟中，含水层的模拟更少，同时，对于含水层模拟时，裂隙的模拟以及在整个开采过程中裂隙的发育过程，暂时没有研究。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、成本低、操作简便的基于含水层模拟装置的节能减排与安全采煤实验平台。

一种基于含水层模拟装置的节能减排与安全采煤实验平台，包括模拟架和设置在其中的煤层和其他多个岩层，在所述煤层上方设置有含水层，在所述含水层中设置有含水层模拟***，所述含水层模拟***包括设置在前侧的第一进水管和后侧的第二进水管，所述第一进水管和所述第二进水管的一端封闭，另一端与智能控压水箱相连，在所述第一进水管上连接有多个第一喷水管，在所述第二进水管上连接有多个第二喷水管，所述第一喷水管和所述第二喷水管交错分布在所述第一进水管和所述第二进水管之间，在所述第一喷水管和所述第二喷水管的左右两侧分别设置有一排喷水孔；

在所述煤层上方5H、10H和20H位置处分别设置包括多种裂隙的第一裂隙带、第二裂隙带和第三裂隙带，其中，H为所述煤层的高度。

本发明所述的基于含水层模拟装置的节能减排与安全采煤实验平台，其中，在所述模拟架的底板的上部铺设有垫层，在所述含水层的下部铺设隔水层，其中：

所述隔水层采用如下重量比的材料制备而成：中砂：重晶石粉：滑石粉：凡士林：硅油：水泥：水＝11.50：11.50：2.30：1.16：1.16：1：2；

所述含水层采用如下重量比的材料制备而成：中砂：重晶石粉：滑石粉：凡士林：硅油：水泥：水＝11.50：11.50：2.30：1.75：0.58：1：2。

本发明所述的基于含水层模拟装置的节能减排与安全采煤实验平台，其中，在所述模拟架中设置有实时智能监测***，包括渗压计、压力传感器和光学钻孔窥视仪，数量均为多个；

多个所述渗压计均匀设置在所述含水层和所述隔水层之间，所述压力传感器分为上下两层，设置在所述煤层的下方，在所述煤层的上方设置有三层所述光学钻孔窥视仪。

本发明所述的基于含水层模拟装置的节能减排与安全采煤实验平台，其中，所述第一裂隙带的长和宽分别为2200mm和1000mm，所述第二裂隙带的长和宽分别为1100mm和500mm，所述第三裂隙带的长和宽分别为500mm和250mm；在所述第一裂隙带中裂隙之间的间距为130-150mm，在所述第二裂隙带中裂隙之间的间距为90-110mm，在所述第三裂隙带中裂隙之间的间距为60-80mm，所有的裂隙的宽度为2.5-5.5mm，裂隙中以细中砂充填，填平。

本发明所述的基于含水层模拟装置的节能减排与安全采煤实验平台，其中，所述裂隙采用裂隙预制装置制作而成，所述裂隙预制装置包括多个裂隙片、裂隙片载体和裂隙片固定盒，所述裂隙片固定盒包括水平设置的固定杆，在所述固定杆上设置有多个通孔，在其中两个所述通孔处活动连接有滑道，所述滑道为中空管状结构，所述滑道和所述通孔之间采用角度固定扣连接，所述滑道的两端分别处在所述角度固定扣的上部和下部，且所述滑道能够以所述角度固定扣为轴在左右方向上自由旋转；

所述裂隙片载体为长条形，在其上设置有多个裂隙片固定扣，数量与所述通孔的数量一致，在所述裂隙片固定扣上活动连接有所述裂隙片；

多个所述裂隙片规格相同或者具有多种规格；所述裂隙片固定盒还包括两个固定柱，在所述固定柱下端固定有垫片，所述固定杆的两端分别固定在两个所述固定柱的上端；多个所述通孔以及多个所述裂隙片固定扣均为等距分布，且相邻两个所述通孔之间的距离与相邻两个所述裂隙片固定扣之间的距离相等；所述滑道的横截面以及所述通孔均为长方形，尺寸设计为能够使所述裂隙片穿过；所述裂隙片能够以所述裂隙片固定扣为轴在左右方向上自由旋转。

本发明所述的基于含水层模拟装置的节能减排与安全采煤实验平台，其中，所述渗压计的数量为18个，从前到后共3排，每排6个，左右方向上相邻两个所述渗压计之间的距离为700mm，前后方向上相邻两个所述渗压计之间的距离为450mm，

两层所述压力传感器分别设置在所述煤层下方100mm和300mm处，每层中所述压力传感器的数量为18个，从前到后共3排，每排6个，左右方向上相邻两个所述压力传感器之间的距离为700mm，前后方向上相邻两个所述压力传感器之间的距离为450mm；

三层所述光学钻孔窥视仪分别设置在所述煤层上方300mm，600mm和900mm处，每层包括3个所述光学钻孔窥视仪，一个位于所述模拟架长度方向的中间位置，两个在两侧，从下至上每层中相邻两个所述光学钻孔窥视仪之间的距离分别为1000mm、600mm和200mm。

本发明所述的基于含水层模拟装置的节能减排与安全采煤实验平台，其中，所述模拟架为长方体，长、宽和高分别为5500mm、1900mm和2500mm；所述模拟架的底板和左右两侧的侧板均为钢板，前侧的侧板为透明材料制成，后侧的侧板由多个侧护板上下堆叠固定而成，所述侧护板包括板体和固定在所述板体上端和下端的支撑板，在所述板体的左右两侧采用螺丝固定。

本发明所述的基于含水层模拟装置的节能减排与安全采煤实验平台，其中，所述智能控压水箱的控压区间为0-4MPa，压力最大控制精度为0.1MPa；

所述第一进水管和所述第二进水管的长度为5500mm，直径为15mm，所述第一喷水管和所述第二喷水管的长度为1500mm，直径为5mm，两侧均设置有15个直径为1mm的所述喷水孔，所述第一喷水管和所述第二喷水管的两端距离最近的所述喷水孔之间的间距为50mm，相邻的两个所述喷水孔之间的间距为100mm；

所述第一喷水管的数量为9个，所述第二喷水管的数量为10个，相邻的所述第一喷水管和所述第二喷水管之间的距离为250mm。

本发明所述的基于含水层模拟装置的节能减排与安全采煤实验平台，其中，所述智能骨料装载压实***包括支撑杆、U型骨料喷射装置和压实滚轮；

所述支撑杆水平设置在所述模拟架的上部，所述U型骨料喷射装置包括骨料仓和搅拌轴，所述骨料仓由呈U字型设置的第一挡板和第二挡板构成，所述第一挡板的长度大于所述第二挡板的长度，所述第一挡板和第二挡板之间通过前侧板和后侧板连接，形成用于容纳骨料的仓体，在所述骨料仓的底部设置有缺口，在所述前侧板和所述后侧板之间固定有所述搅拌轴，在所述搅拌轴上均匀设置有多个凹槽，所述搅拌轴设置为分别与所述第一挡板和所述第二挡板内切，所述第一挡板的顶端与所述支撑杆活动连接；

所述支撑杆为前后两根；在所述前侧板的外侧设置有电机，所述电机与智能控速***连接，所述电机的转动轴与所述搅拌轴的转动轴之间通过皮带连接，所述电机的转动轴的直径为30mm，所述搅拌轴的转动轴的直径为150mm；所述压实滚轮的尺寸为外径0.3m，内径0.29m，长度2595mm，铁质，重量：380kg。

本发明所述的基于含水层模拟装置的节能减排与安全采煤实验平台的铺设方法，包括如下步骤：

架设模拟架的底板、左右两侧、前侧和后侧的侧板，其中，前侧的侧板先用和后侧的侧板相同的侧护板固定；

铺设垫层材料：首先在所述模拟架底部铺设500-600mm的垫层材料，垫层材料采用废弃的相似模拟材料进行替代，即采用以前的相似实验完毕后准备废弃的砂石来替代，每层厚度不大于300mm，然后压实，压实系数不低于0.92，要求整体平整，密实；

岩层的铺设过程采用智能骨料装载压实***，首先采用搅拌机对骨料进行搅拌，搅拌均匀后按照需要量缓慢倒入U型骨料仓，U型骨料仓通过均匀分配，浇筑每层的骨料；所述智能骨料装载压实***在使用时，压实滚轮在中间靠右的部分，U型骨料喷射装置以一定的喷射速率和一定的运移速度向右喷射骨料，达到中间位置时，停止喷射骨料和运移，将所述压实滚轮缓慢近乎匀速的移动到左边，然后所述U型骨料喷射装置重新开始喷射骨料和运移，完成骨料铺设后，继续将所述压实滚轮缓慢近乎匀速的从左边移到右边，然后所述U型骨料喷射装置又缓慢匀速地从右边移到左边，开始下一层铺设；

其中，在铺设含水层时，先铺设一半材料铺平压实，将所述含水层模拟***放置其中，轻压到第一喷水管和第二喷水管贴合到材料表面时，继续铺设材料至计算高度；

在铺设含水层和隔水层时，先分别对液体材料和干料进行称重，将称好的所述干料倒入搅拌机搅拌3分钟，再加水搅拌4分钟，再加入称好的所述液体材料搅拌3分钟，缓慢倒入U型骨料仓中；

在制作裂隙时，采用如下制作方法：

根据需要，在裂隙片载体上间隔一定距离安装随机抽取的裂隙片，如果所述裂隙片规格相同，则固定裂隙预制装置，调整到预设的角度，固定滑道，将所述裂隙片载体按下，形成裂隙，然后拔起，调整所述裂隙片到反向相同角度，固定所述滑道，并将裂隙预制装置略微偏移一定距离，保证在界面处裂隙形成点相同，形成“反V”型裂隙，如果不偏移，则形成“V”型；

如果继续再在旁边预制同样一个“V”型裂隙，形成连接，则形成一个“W”型裂隙；

如果所述裂隙片采用的是随机长度，则会形成一系列随机裂隙；

如果预制随机裂隙，则所述裂隙片每次在使用一次之后全部更换，以保证裂隙的随机性；

裂隙制作完成后，在所述第一裂隙带中的裂隙间距为130-150mm，在所述第二裂隙带中的裂隙间距为90-110mm，在所述第三裂隙带中的裂隙间距为60-80mm，所有裂隙宽度为2.5-5.5mm，所有裂隙均以细中砂充填，填平；

待整个模型做完风干后拆除所述模拟架的前侧的侧板上的所述侧护板，安装上透明钢化玻璃。

本发明基于含水层模拟装置的节能减排与安全采煤实验平台与现有技术不同之处在于：

本发明基于含水层模拟装置的节能减排与安全采煤实验平台实现了三维相似模拟实验平台上开展了含水层***的模拟工作；

本发明基于含水层模拟装置的节能减排与安全采煤实验平台涉及的含水层模拟***可以排除边界效应的影响，在三维模拟***中，留设了300mm以上的边界煤柱，从而彻底排除了边界效应的影响，实验效果更加明准确和科学；

本发明基于含水层模拟装置的节能减排与安全采煤实验平台涉及的裂隙预制装置实现多种类型的裂隙制作，使实验更加贴近实际生产情形。

下面结合附图对本发明的基于含水层模拟装置的节能减排与安全采煤实验平台作进一步说明。

附图说明

图1为本发明中基于含水层模拟装置的节能减排与安全采煤实验平台的正视结构示意图；

图2为本发明中含水层模拟***的结构示意图；

图3为本发明裂隙预制装置的剖面结构示意图；

图4为本发明裂隙预制装置中裂隙片固定盒的俯视结构示意图；

图5为采用本发明裂隙预制装置制作随机裂隙的流程示意图；

图6为本发明中智能骨料装载压实***的结构示意图。

具体实施方式

如图1和图2所示，一种基于含水层模拟装置的节能减排与安全采煤实验平台，包括模拟架9和设置在其中的煤层20和其他多个岩层，在煤层20上方设置有含水层18，在含水层18中设置有含水层模拟***，以砂石为岩层模拟材料，含水层模拟***模拟含水层18的储水功能；含水层模拟***包括设置在前侧的第一进水管10和后侧的第二进水管11，第一进水管10和第二进水管11的一端封闭，另一端与智能控压水箱12相连，在第一进水管10上连接有多个第一喷水管13，在第二进水管11上连接有多个第二喷水管14，第一喷水管13和第二喷水管14交错分布在第一进水管10和第二进水管11之间，在第一喷水管13和第二喷水管14的左右两侧分别设置有一排喷水孔；

在煤层20上方5H、10H和20H位置处分别设置包括多种裂隙的第一裂隙带15、第二裂隙带16和第三裂隙带17，其中，H为煤层20的高度。

以下为优选技术方案：

在模拟架9的底板的上部铺设有垫层，在含水层18的下部铺设隔水层19，其中：

隔水层19采用如下重量比的材料制备而成：中砂：重晶石粉：滑石粉：凡士林：硅油：水泥：水＝11.50：11.50：2.30：1.16：1.16：1：2；

含水层18采用如下重量比的材料制备而成：中砂：重晶石粉：滑石粉：凡士林：硅油：水泥：水＝11.50：11.50：2.30：1.75：0.58：1：2。

模拟岩层按照实际模拟比例模拟，每层之间都用云母片隔离，云母片粒径小于3mm；隔水层19一般都在含水层18正下方一层或几层，根据实际情况确定。

在模拟架9中设置有实时智能监测***，包括渗压计、压力传感器和光学钻孔窥视仪，数量均为多个；

多个渗压计均匀设置在含水层18和隔水层19之间，压力传感器分为上下两层，设置在煤层20的下方，在煤层20的上方设置有三层光学钻孔窥视仪。

第一裂隙带15的长和宽分别为2200mm和1000mm，第二裂隙带16的长和宽分别为1100mm和500mm，第三裂隙带17的长和宽分别为500mm和250mm；在第一裂隙带15中裂隙之间的间距为130-150mm，在第二裂隙带16中裂隙之间的间距为90-110mm，在第三裂隙带17中裂隙之间的间距为60-80mm，所有的裂隙的宽度为2.5-5.5mm，裂隙中以细中砂充填，填平。

如图3～图5所示，裂隙采用裂隙预制装置制作而成，本发明裂隙预制装置包括多个裂隙片1、裂隙片载体9和裂隙片固定盒，裂隙片固定盒包括水平设置的固定杆2，在固定杆2上设置有多个通孔3，在其中两个通孔3处活动连接有滑道4，滑道4为中空管状结构，滑道4和通孔3之间采用角度固定扣5连接，滑道4的两端分别处在角度固定扣5的上部和下部，且滑道4能够以角度固定扣5为轴在左右方向上自由旋转；

裂隙片载体9为长条形，在其上设置有多个裂隙片固定扣6，数量与通孔3的数量一致，在裂隙片固定扣6上活动连接有裂隙片1。

多个裂隙片1规格相同或者具有多种规格。

裂隙片固定盒还包括两个固定柱7，在固定柱7下端固定有垫片8，主要作用为增大接触面积，减小压强，这样在制作裂隙的时候不会对铺设的岩层有影响，固定杆2的两端分别固定在两个固定柱7的上端。

多个通孔3以及多个裂隙片固定扣6均为等距分布，且相邻两个通孔3之间的距离与相邻两个裂隙片固定扣6之间的距离相等。

滑道4的横截面以及通孔3均为长方形，尺寸设计为能够使裂隙片1穿过；裂隙片1能够以裂隙片固定扣6为轴在左右方向上自由旋转。

角度固定扣5为现有技术中任意的可以实现改变滑道4的角度并固定的装置，优选如下，滑道4的两侧分别具有一个角度固定扣5，滑道4与固定杆2相交的地方有2根铁杆，铁杆由贴片固定在固定杆2上，通过旋紧螺丝就可以固定滑道4的角度。裂隙片固定扣6为现有技术。

固定杆2长为500mm，相邻两个通孔3之间以及相邻两个裂隙片固定扣6之间的距离为20mm；固定柱7为伸缩杆结构，伸缩区间为70-100mm，滑道4的长度为20mm，在距离滑道4的上端5mm处固定有角度固定扣5。多个裂隙片1的长度在95-115mm之间，厚度在2.5-5.5mm之间，宽度在1-4mm之间。因此可以通过调节固定柱7的高度和滑道4的角度，做出各种角度和长度的预制裂隙；垫片8为铁片，长度和宽度分别为300mm和100mm。

采用裂隙预制装置制作裂隙的方法，包括如下步骤：

在相似模拟***内进行裂隙的制作，相似模拟***包括模型支架和设置在其内部的煤层和其他岩层，在煤层的上部5H、10H和20H位置处分别设置包括多种裂隙的第一裂隙带、第二裂隙带和第三裂隙带，其中，H为煤层高度，第一裂隙带的长和宽分别为2200mm和1000mm，第二裂隙带的长和宽分别为1100mm和500mm，第三裂隙带的长和宽分别为500mm和250mm；

根据需要，在裂隙片载体9上间隔一定距离安装随机抽取的裂隙片1，如果裂隙片1规格相同，则固定裂隙预制装置，调整到预设的角度，固定滑道4，将裂隙片载体9按下，形成裂隙，然后拔起，调整裂隙片1到反向相同角度，固定滑道4，并将裂隙预制装置略微偏移一定距离，保证在界面处裂隙形成点相同，形成“反V”型裂隙，如果不偏移，则形成“V”型；

如果继续再在旁边预制同样一个“V”型裂隙，形成连接，则形成一个“W”型裂隙；

如果裂隙片1采用的是随机长度，则会形成一系列随机裂隙，图3为随机裂隙的制作流程示意图；

如果预制随机裂隙，则裂隙片1每次在使用一次之后全部更换，以保证裂隙的随机性；

裂隙制作完成后，在第一裂隙带中的裂隙间距为130-150mm，在第二裂隙带中的裂隙间距为90-110mm，在第三裂隙带中的裂隙间距为60-80mm，所有裂隙宽度为2.5-5.5mm，所有裂隙均以细中砂充填，填平。

预制裂隙强调随机性，因此多个裂隙片1的长度分别为95-115mm之间，即裂隙之间的长度差在5mm左右，具体的裂隙长度由人为的压力控制；裂隙片1的厚度在2.5-5.5mm之间，裂隙片1的宽度在1-4mm之间，每次使用时均随机安装组成，因此最后得出角度一致，但长度宽度和厚度不一致，且随机的裂隙会保证形成众多W、V、反V和斜杠型等多种裂隙形态，且二者之间不会贯通，只会形成一种随机的预制裂隙形态，裂隙片载体9每次使用一次之后更换所有裂隙片1，以保证裂隙的随机性；第一裂隙带间距较大，设为120-140mm，第二裂隙带的裂隙间距设为90-110mm，在第三裂隙带裂隙间距设为60-80mm，裂隙间距即每一次裂隙片载体9上的裂隙片1之间使用的间距。

在隔水层19铺设完毕后铺设渗压计，测量岩层中渗透水压力；渗压计的数量为18个，从前到后共3排，每排6个，左右方向上相邻两个渗压计之间的距离为700mm，前后方向上相邻两个渗压计之间的距离为450mm，

两层压力传感器分别设置在煤层20下方100mm和300mm处，监测全程压力变化情况，每层中压力传感器的数量为18个，从前到后共3排，每排6个，左右方向上相邻两个压力传感器之间的距离为700mm，前后方向上相邻两个压力传感器之间的距离为450mm；

三层光学钻孔窥视仪分别设置在煤层20上方300mm，600mm和900mm处，每层包括3个光学钻孔窥视仪，一个位于模拟架9长度方向的中间位置，两个在两侧，从下至上每层中相邻两个光学钻孔窥视仪之间的距离分别为1000mm、600mm和200mm。光学钻孔窥视仪对采场上覆岩层损伤与破坏特征进行研究，该设备采用高清晰度镜头及彩色显示设备，分辨0.5mm的裂隙，与电脑主机连接，可实现图像的实时传输和显示，能够直观地反应钻孔内裂隙发育的情况。

模拟架9为长方体，长、宽和高分别为5500mm、1900mm和2500mm；这么设计的原因是，模拟按照200:1的缩放比设计的，因此以宽为设计核心，以300m工作面倾斜长为标准，两侧各40m煤柱，则宽定位1900mm，考虑到裂隙带的发育高度以煤层20的厚度10m计算，则至少要求1000mm以上的高度，又考虑到含水层18距离煤层20的关系不定，因此一般高度定的较大则模型运用范围越大，因此结合作业难度和造价成本考虑，设计在2500mm；而长度则是因为至少要保证煤层20开挖模拟至少要超过大见方位置，以至少完成1次初次来压和1次周期来压为宜，再结合作业难度和造价成本考虑因此设计为5500mm合适。

模拟架9的底板和左右两侧的侧板均为钢板，前侧的侧板为透明材料制成，用于观察岩层变化情况；后侧的侧板由多个侧护板上下堆叠固定而成，侧护板包括板体和固定在板体上端和下端的支撑板，在板体的左右两侧采用螺丝固定。

智能控压水箱12可以根据要求控制初始水压和随着实验时间推进而变化压力大小，可以充分模拟现实中因为突水造成水压降低的过程，智能控压水箱12的控压区间为0-4MPa，压力最大控制精度为0.1MPa；

第一进水管10和第二进水管11的长度为5500mm，直径为15mm，第一喷水管13和第二喷水管14的长度为1500mm，直径为5mm，两侧均设置有15个直径为1mm的喷水孔，第一喷水管13和第二喷水管14的两端距离最近的喷水孔之间的间距为50mm，相邻的两个喷水孔之间的间距为100mm；

第一喷水管13的数量为9个，第二喷水管14的数量为10个，相邻的第一喷水管13和第二喷水管14之间的距离为250mm。水管材质均为塑料管。

如图6所示，智能骨料装载压实***包括支撑杆21、U型骨料喷射装置22和压实滚轮23；

支撑杆21水平设置在模拟架9的上部，U型骨料喷射装置22包括骨料仓和搅拌轴24，骨料仓由呈U字型设置的第一挡板25和第二挡板26构成，第一挡板25的长度大于第二挡板26的长度，第一挡板25和第二挡板26之间通过前侧板和后侧板连接，形成用于容纳骨料的仓体，在骨料仓的底部设置有缺口27，在前侧板和后侧板之间固定有搅拌轴24，在搅拌轴24上均匀设置有多个凹槽，搅拌轴24设置为分别与第一挡板25和第二挡板26内切，第一挡板25的顶端与支撑杆21活动连接；

支撑杆21为前后两根；在前侧板的外侧设置有电机，电机与智能控速***连接，电机的转动轴与搅拌轴24的转动轴之间通过皮带连接，电机的转动轴的直径为30mm，搅拌轴24的转动轴的直径为150mm；压实滚轮23的尺寸为外径0.3m，内径0.29m，长度2595mm，铁质，重量：380kg。

这样的***设计原因有2：首先三维模型面积大，人工铺设骨料不均匀，压实也不均匀，特别是面积大，造成了认为很难判断到底哪里高哪里低，哪里松哪里密实，而U型骨料喷射装置22以一定的出料速度，根据岩层厚度即可确定需要的运移速度，因此当U型骨料喷射装置22从左运移到右，控制住骨料刚好喷洒完全，保证喷洒骨料的均匀性，而通过缓慢近乎匀速的人工推动压实滚轮也保证了压实的均匀性；其次，缓慢近乎匀速的人工推动压实滚轮23，对于水袋模拟地下水库非常重要，因为水的流动性，当以传统方式砸实铺设的骨料时，水的流动性会造成前面砸好的骨料反弹松散，效果适得其反，因此整个设计非常适合带水的相似模拟实验。

基于含水层模拟装置的节能减排与安全采煤实验平台的铺设方法，包括如下步骤：

架设模拟架9的底板、左右两侧、前侧和后侧的侧板，其中，前侧的侧板先用和后侧的侧板相同的侧护板固定；

铺设垫层材料：首先在模拟架9底部铺设500-600mm的垫层材料，垫层材料采用废弃的相似模拟材料进行替代，即采用以前的相似实验完毕后准备废弃的砂石来替代，每层厚度不大于300mm，然后压实，压实系数不低于0.92，要求整体平整，密实；

岩层的铺设过程采用智能骨料装载压实***，首先采用搅拌机对骨料进行搅拌，搅拌均匀后按照需要量缓慢倒入U型骨料仓，U型骨料仓通过均匀分配，浇筑每层的骨料；智能骨料装载压实***在使用时，压实滚轮23在中间靠右的部分，U型骨料喷射装置22以一定的喷射速率和一定的运移速度向右喷射骨料，达到中间位置时，停止喷射骨料和运移，将压实滚轮23缓慢近乎匀速的移动到左边，然后U型骨料喷射装置22重新开始喷射骨料和运移，完成骨料铺设后，继续将压实滚轮23缓慢近乎匀速的从左边移到右边，然后U型骨料喷射装置22又缓慢匀速地从右边移到左边，开始下一层铺设；

其中，在铺设含水层18时，先铺设一半材料铺平压实，将含水层模拟***放置其中，轻压到第一喷水管13和第二喷水管14贴合到材料表面时，继续铺设材料至计算高度；

在铺设含水层18和隔水层19时，先分别对液体材料和干料进行称重，将称好的干料倒入搅拌机搅拌3分钟，再加水搅拌4分钟，再加入称好的液体材料搅拌3分钟，缓慢倒入U型骨料仓中；

在制作裂隙时，采用如下制作方法：

根据需要，在裂隙片载体9上间隔一定距离安装随机抽取的裂隙片1，如果裂隙片1规格相同，则固定裂隙预制装置，调整到预设的角度，固定滑道4，将裂隙片载体9按下，形成裂隙，然后拔起，调整裂隙片1到反向相同角度，固定滑道4，并将裂隙预制装置略微偏移一定距离，保证在界面处裂隙形成点相同，形成“反V”型裂隙，如果不偏移，则形成“V”型；

如果继续再在旁边预制同样一个“V”型裂隙，形成连接，则形成一个“W”型裂隙；

如果裂隙片1采用的是随机长度，则会形成一系列随机裂隙；

如果预制随机裂隙，则裂隙片1每次在使用一次之后全部更换，以保证裂隙的随机性；

裂隙制作完成后，在第一裂隙带中的裂隙间距为130-150mm，在第二裂隙带中的裂隙间距为90-110mm，在第三裂隙带中的裂隙间距为60-80mm，所有裂隙宽度为2.5-5.5mm，所有裂隙均以细中砂充填，填平；

待整个模型做完风干后拆除模拟架9的前侧的侧板上的侧护板，安装上透明钢化玻璃。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于含水层模拟装置的节能减排与安全采煤实验平台，其特征在于：包括模拟架(9)和设置在其中的煤层(20)和其他多个岩层，在所述煤层(20)上方设置有含水层(18)，在所述含水层(18)中设置有含水层模拟***，所述含水层模拟***包括设置在前侧的第一进水管(10)和后侧的第二进水管(11)，所述第一进水管(10)和所述第二进水管(11)的一端封闭，另一端与智能控压水箱(12)相连，在所述第一进水管(10)上连接有多个第一喷水管(13)，在所述第二进水管(11)上连接有多个第二喷水管(14)，所述第一喷水管(13)和所述第二喷水管(14)交错分布在所述第一进水管(10)和所述第二进水管(11)之间，在所述第一喷水管(13)和所述第二喷水管(14)的左右两侧分别设置有一排喷水孔；

在所述煤层(20)上方5H、10H和20H位置处分别设置包括多种裂隙的第一裂隙带(15)、第二裂隙带(16)和第三裂隙带(17)，其中，H为所述煤层(20)的高度。

2.根据权利要求1所述的基于含水层模拟装置的节能减排与安全采煤实验平台，其特征在于：在所述模拟架(9)的底板的上部铺设有垫层，在所述含水层(18)的下部铺设隔水层(19)，其中：

所述隔水层(19)采用如下重量比的材料制备而成：中砂：重晶石粉：滑石粉：凡士林：硅油：水泥：水＝11.50：11.50：2.30：1.16：1.16：1：2；

所述含水层(18)采用如下重量比的材料制备而成：中砂：重晶石粉：滑石粉：凡士林：硅油：水泥：水＝11.50：11.50：2.30：1.75：0.58：1：2。

3.根据权利要求2所述的基于含水层模拟装置的节能减排与安全采煤实验平台，其特征在于：在所述模拟架(9)中设置有实时智能监测***，包括渗压计、压力传感器和光学钻孔窥视仪，数量均为多个；

多个所述渗压计均匀设置在所述含水层(18)和所述隔水层(19)之间，所述压力传感器分为上下两层，设置在所述煤层(20)的下方，在所述煤层(20)的上方设置有三层所述光学钻孔窥视仪。

4.根据权利要求3所述的基于含水层模拟装置的节能减排与安全采煤实验平台，其特征在于：所述第一裂隙带(15)的长和宽分别为2200mm和1000mm，所述第二裂隙带(16)的长和宽分别为1100mm和500mm，所述第三裂隙带(17)的长和宽分别为500mm和250mm；在所述第一裂隙带(15)中裂隙之间的间距为130-150mm，在所述第二裂隙带(16)中裂隙之间的间距为90-110mm，在所述第三裂隙带(17)中裂隙之间的间距为60-80mm，所有的裂隙的宽度为2.5-5.5mm，裂隙中以细中砂充填，填平。

5.根据权利要求1所述的基于含水层模拟装置的节能减排与安全采煤实验平台，其特征在于：所述裂隙采用裂隙预制装置制作而成，所述裂隙预制装置包括多个裂隙片(1)、裂隙片载体(9)和裂隙片固定盒，所述裂隙片固定盒包括水平设置的固定杆(2)，在所述固定杆(2)上设置有多个通孔(3)，在其中两个所述通孔(3)处活动连接有滑道(4)，所述滑道(4)为中空管状结构，所述滑道(4)和所述通孔(3)之间采用角度固定扣(5)连接，所述滑道(4)的两端分别处在所述角度固定扣(5)的上部和下部，且所述滑道(4)能够以所述角度固定扣(5)为轴在左右方向上自由旋转；

所述裂隙片载体(9)为长条形，在其上设置有多个裂隙片固定扣(6)，数量与所述通孔(3)的数量一致，在所述裂隙片固定扣(6)上活动连接有所述裂隙片(1)；

多个所述裂隙片(1)规格相同或者具有多种规格；所述裂隙片固定盒还包括两个固定柱(7)，在所述固定柱(7)下端固定有垫片(8)，所述固定杆(2)的两端分别固定在两个所述固定柱(7)的上端；多个所述通孔(3)以及多个所述裂隙片固定扣(6)均为等距分布，且相邻两个所述通孔(3)之间的距离与相邻两个所述裂隙片固定扣(6)之间的距离相等；所述滑道(4)的横截面以及所述通孔(3)均为长方形，尺寸设计为能够使所述裂隙片(1)穿过；所述裂隙片(1)能够以所述裂隙片固定扣(6)为轴在左右方向上自由旋转。

6.根据权利要求5所述的基于含水层模拟装置的节能减排与安全采煤实验平台，其特征在于：所述渗压计的数量为18个，从前到后共3排，每排6个，左右方向上相邻两个所述渗压计之间的距离为700mm，前后方向上相邻两个所述渗压计之间的距离为450mm，

两层所述压力传感器分别设置在所述煤层(20)下方100mm和300mm处，每层中所述压力传感器的数量为18个，从前到后共3排，每排6个，左右方向上相邻两个所述压力传感器之间的距离为700mm，前后方向上相邻两个所述压力传感器之间的距离为450mm；

三层所述光学钻孔窥视仪分别设置在所述煤层(20)上方300mm，600mm和900mm处，每层包括3个所述光学钻孔窥视仪，一个位于所述模拟架(9)长度方向的中间位置，两个在两侧，从下至上每层中相邻两个所述光学钻孔窥视仪之间的距离分别为1000mm、600mm和200mm。

7.根据权利要求6所述的基于含水层模拟装置的节能减排与安全采煤实验平台，其特征在于：所述模拟架(9)为长方体，长、宽和高分别为5500mm、1900mm和2500mm；所述模拟架(9)的底板和左右两侧的侧板均为钢板，前侧的侧板为透明材料制成，后侧的侧板由多个侧护板上下堆叠固定而成，所述侧护板包括板体和固定在所述板体上端和下端的支撑板，在所述板体的左右两侧采用螺丝固定。

8.根据权利要求7所述的基于含水层模拟装置的节能减排与安全采煤实验平台，其特征在于：所述智能控压水箱(12)的控压区间为0-4MPa，压力最大控制精度为0.1MPa；

所述第一进水管(10)和所述第二进水管(11)的长度为5500mm，直径为15mm，所述第一喷水管(13)和所述第二喷水管(14)的长度为1500mm，直径为5mm，两侧均设置有15个直径为1mm的所述喷水孔，所述第一喷水管(13)和所述第二喷水管(14)的两端距离最近的所述喷水孔之间的间距为50mm，相邻的两个所述喷水孔之间的间距为100mm；

所述第一喷水管(13)的数量为9个，所述第二喷水管(14)的数量为10个，相邻的所述第一喷水管(13)和所述第二喷水管(14)之间的距离为250mm。

9.根据权利要求8所述的基于含水层模拟装置的节能减排与安全采煤实验平台，其特征在于：所述智能骨料装载压实***包括支撑杆(21)、U型骨料喷射装置(22)和压实滚轮(23)；

所述支撑杆(21)水平设置在所述模拟架(9)的上部，所述U型骨料喷射装置(22)包括骨料仓和搅拌轴(24)，所述骨料仓由呈U字型设置的第一挡板(25)和第二挡板(26)构成，所述第一挡板(25)的长度大于所述第二挡板(26)的长度，所述第一挡板(25)和第二挡板(26)之间通过前侧板和后侧板连接，形成用于容纳骨料的仓体，在所述骨料仓的底部设置有缺口(27)，在所述前侧板和所述后侧板之间固定有所述搅拌轴(24)，在所述搅拌轴(24)上均匀设置有多个凹槽，所述搅拌轴(24)设置为分别与所述第一挡板(25)和所述第二挡板(26)内切，所述第一挡板(25)的顶端与所述支撑杆(21)活动连接；

所述支撑杆(21)为前后两根；在所述前侧板的外侧设置有电机，所述电机与智能控速***连接，所述电机的转动轴与所述搅拌轴(24)的转动轴之间通过皮带连接，所述电机的转动轴的直径为30mm，所述搅拌轴(24)的转动轴的直径为150mm；所述压实滚轮(23)的尺寸为外径0.3m，内径0.29m，长度2595mm，铁质，重量：380kg。

10.权利要求9所述的基于含水层模拟装置的节能减排与安全采煤实验平台的铺设方法，其特征在于：包括如下步骤：

架设模拟架(9)的底板、左右两侧、前侧和后侧的侧板，其中，前侧的侧板先用和后侧的侧板相同的侧护板固定；

铺设垫层材料：首先在所述模拟架(9)底部铺设500-600mm的垫层材料，垫层材料采用废弃的相似模拟材料进行替代，即采用以前的相似实验完毕后准备废弃的砂石来替代，每层厚度不大于300mm，然后压实，压实系数不低于0.92，要求整体平整，密实；

岩层的铺设过程采用智能骨料装载压实***，首先采用搅拌机对骨料进行搅拌，搅拌均匀后按照需要量缓慢倒入U型骨料仓，U型骨料仓通过均匀分配，浇筑每层的骨料；所述智能骨料装载压实***在使用时，压实滚轮(23)在中间靠右的部分，U型骨料喷射装置(22)以一定的喷射速率和一定的运移速度向右喷射骨料，达到中间位置时，停止喷射骨料和运移，将所述压实滚轮(23)缓慢近乎匀速的移动到左边，然后所述U型骨料喷射装置(22)重新开始喷射骨料和运移，完成骨料铺设后，继续将所述压实滚轮(23)缓慢近乎匀速的从左边移到右边，然后所述U型骨料喷射装置(22)又缓慢匀速地从右边移到左边，开始下一层铺设；

其中，在铺设含水层(18)时，先铺设一半材料铺平压实，将所述含水层模拟***放置其中，轻压到第一喷水管(13)和第二喷水管(14)贴合到材料表面时，继续铺设材料至计算高度；

在铺设含水层(18)和隔水层(19)时，先分别对液体材料和干料进行称重，将称好的所述干料倒入搅拌机搅拌3分钟，再加水搅拌4分钟，再加入称好的所述液体材料搅拌3分钟，缓慢倒入U型骨料仓中；

在制作裂隙时，采用如下制作方法：

根据需要，在裂隙片载体(9)上间隔一定距离安装随机抽取的裂隙片(1)，如果所述裂隙片(1)规格相同，则固定裂隙预制装置，调整到预设的角度，固定滑道(4)，将所述裂隙片载体(9)按下，形成裂隙，然后拔起，调整所述裂隙片(1)到反向相同角度，固定所述滑道(4)，并将裂隙预制装置略微偏移一定距离，保证在界面处裂隙形成点相同，形成“反V”型裂隙，如果不偏移，则形成“V”型；

如果继续再在旁边预制同样一个“V”型裂隙，形成连接，则形成一个“W”型裂隙；

如果所述裂隙片(1)采用的是随机长度，则会形成一系列随机裂隙；

如果预制随机裂隙，则所述裂隙片(1)每次在使用一次之后全部更换，以保证裂隙的随机性；

裂隙制作完成后，在所述第一裂隙带中的裂隙间距为130-150mm，在所述第二裂隙带中的裂隙间距为90-110mm，在所述第三裂隙带中的裂隙间距为60-80mm，所有裂隙宽度为2.5-5.5mm，所有裂隙均以细中砂充填，填平；

待整个模型做完风干后拆除所述模拟架(9)的前侧的侧板上的所述侧护板，安装上透明钢化玻璃。