一種礦用采煤系統(tǒng)及其使用方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及礦山機(jī)械及教育領(lǐng)域，特別是涉及一種用于礦用采煤系統(tǒng)及其使用方法。
【背景技術(shù)】
[0002]承壓含水層廣泛存在于我國(guó)煤系地層當(dāng)中，國(guó)內(nèi)外發(fā)生了多起承壓含水層下采煤的工作面壓架致災(zāi)事故，造成了大量人員傷亡和巨大經(jīng)濟(jì)損失。因此在采動(dòng)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(zāi)的機(jī)理，變得尤為重要。
[0003]針對(duì)上述問題，目前主要是利用理論分析，結(jié)合相似模擬實(shí)驗(yàn)等手段論證開采參數(shù)可靠性，但是相似實(shí)驗(yàn)?zāi)壳按嬖谝韵虏蛔?
[0004]首先，開挖過程為人工拿細(xì)鐵棍開挖，一般為每隔兩個(gè)小時(shí)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(xué)的)，即按照一定的速度開挖，且一般一個(gè)模型需要三天三夜以上時(shí)間連續(xù)開挖，這又要求實(shí)驗(yàn)人員在晚上還需要每隔兩個(gè)小時(shí)開挖一次，一個(gè)實(shí)驗(yàn)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(shí)，由于相似模型裝置一般寬300mm，在中間部位模型相對(duì)堅(jiān)硬且看不清，經(jīng)常挖錯(cuò)頂板或者底板等，對(duì)于實(shí)驗(yàn)的結(jié)果影響較大。
[0006]第三，有時(shí)候模型相對(duì)堅(jiān)硬，需要使用很大的力氣才能挖動(dòng)，在模型中間部位，甚至需要敲打才能挖動(dòng)，這種震動(dòng)、敲打或者無意識(shí)的觸碰到頂板，都相當(dāng)于實(shí)際生產(chǎn)中很大的沖擊地壓的影響，因此對(duì)于某些研究頂板結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)等結(jié)果影響較大。
[0007]最后，相似模擬目前主要研究頂?shù)装宓膽?yīng)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(chǎng)支架模擬裝置以及它的運(yùn)移和應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和方法，對(duì)于相似模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果影響較大。
[0008]因此提高相似模擬實(shí)驗(yàn)仿真度，確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)科學(xué)可靠尤為重要；
[0009]同時(shí)，針對(duì)相似模擬實(shí)驗(yàn)含水層的模擬，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)許家林教授展開了大量的理論分析和試驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)了松散承壓含水層載荷傳遞作用的實(shí)驗(yàn)裝置和松散承壓含水層采動(dòng)水位變化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)裝置及方法(申請(qǐng)?zhí)?200720037001.9)，但是上述試驗(yàn)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(zhǎng)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(qiáng)度和曲率，一旦采用全長(zhǎng)鋪設(shè)水袋(如3m長(zhǎng)的試驗(yàn)架就選用3m長(zhǎng)的水袋)，由于一般需要模擬的承壓水的水壓較大，所設(shè)計(jì)水袋必須能承受一定的水壓力，這樣水袋本身的強(qiáng)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(dòng)變形的兩端會(huì)被巖層壓緊，而覆巖的移動(dòng)變形區(qū)域又很大，就會(huì)造成水袋在煤層開采后不能隨著巖層移動(dòng)而同步下沉運(yùn)動(dòng)，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(yàn)失真甚至失敗。
[0011]⑵上述實(shí)驗(yàn)方法中，也無法做到在煤層開采過程中，對(duì)含水層中受采動(dòng)影響部分的水的流動(dòng)及補(bǔ)給規(guī)律進(jìn)行模擬及監(jiān)控，進(jìn)而也就無法做到對(duì)采煤工作面推進(jìn)距離、推進(jìn)速度等因素與承壓水內(nèi)部水流的補(bǔ)給方向的變化之間建立聯(lián)系，做出定性及定量的判斷，自然就無法得出規(guī)律性認(rèn)識(shí)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提高相似模擬實(shí)驗(yàn)仿真度，確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)科學(xué)可靠，本發(fā)明提供了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效果好的承壓水下自動(dòng)采煤和壓力監(jiān)測(cè)的礦用采煤系統(tǒng)。
[0013]—種礦用采煤系統(tǒng)，包括架體、設(shè)置在所述架體上的承壓含水層、煤層、設(shè)置在所述煤層兩側(cè)的支撐桿、以及其他巖層；
[0014]所述承壓含水層由多個(gè)小水袋連接而成，所述小水袋是由頂板、底板、前側(cè)壁、后側(cè)壁、左側(cè)壁和右側(cè)壁圍合而成的長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部為充水空間，在所述小水袋的左側(cè)壁上設(shè)置有入水口，右側(cè)壁上設(shè)置有出水口，后一個(gè)所述小水袋的入水口通過輸水管與前一個(gè)所述小水袋的出水口相連，第一個(gè)所述小水袋的入水口與水供應(yīng)裝置相連，最后一個(gè)所述小水袋只設(shè)置有入水口；
[0015]所述水供應(yīng)裝置包括多個(gè)相同規(guī)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(qū)，下部為有刻度區(qū)，所述下管體的上部為有刻度區(qū)，下部為無刻度區(qū)，在所述有刻度區(qū)的管壁上設(shè)置有刻度；在所述水箱的底部設(shè)置有水箱出水口 ；
[0016]所述輸水管為中空?qǐng)A柱體，在其外側(cè)的中部設(shè)置有水流量傳感器，所述水流量傳感器通過數(shù)據(jù)傳輸裝置與數(shù)據(jù)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(shè)置有彈性軟管，所述彈性軟管能夠伸縮和向各個(gè)方向彎曲；
[0017]在所述煤層中設(shè)置有采煤支護(hù)模擬系統(tǒng)，在所述支撐桿上運(yùn)行，所述采煤支護(hù)模擬系統(tǒng)包括采煤模擬裝置和位于其后側(cè)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(yīng)力計(jì)量器、驅(qū)動(dòng)裝置和擋板，其中，所述應(yīng)力計(jì)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(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)所述液壓支架模擬裝置移動(dòng)；
[0018]所述頂板與水平面之間的角度為3°，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116°。
[0019]本發(fā)明所述的礦用采煤系統(tǒng)，其中所述承壓含水層包括10個(gè)所述小水袋，從第1個(gè)?第5個(gè)小水袋的入水口設(shè)置在所述左側(cè)壁的中部，處于靠近所述前側(cè)壁的位置，出水口設(shè)置在所述右側(cè)壁的下部，處于靠近所述后側(cè)壁的位置；從第6個(gè)到10個(gè)小水袋的入水口設(shè)置在所述左側(cè)壁的下部，處于靠近所述前側(cè)壁的位置；從第6個(gè)到9個(gè)小水袋的出水口設(shè)置在所述右側(cè)壁的中部，處于靠近所述后側(cè)壁的位置。
[0020]本發(fā)明所述的礦用采煤系統(tǒng)，其中，在所述頂板和所述底板的左右兩側(cè)還分別設(shè)置有保護(hù)板，由所述頂板和底板向左右兩側(cè)延伸而成，將所有所述小水袋的所述保護(hù)板依次相連，在相鄰的兩個(gè)所述小水袋間形成保護(hù)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(cè)壁、后側(cè)壁、左側(cè)壁和右側(cè)壁的截面為可折疊伸縮的齒形結(jié)構(gòu)，由丁基橡膠制成。
[0021]本發(fā)明所述的礦用采煤系統(tǒng)，其中所述小水袋的長(zhǎng)度為270mm，寬度為300mm，所述前側(cè)壁、后側(cè)壁、左側(cè)壁和右側(cè)壁的最大拉伸高度為60_ ;所述保護(hù)板的長(zhǎng)度為15_，寬度為300mm ;所述頂板和底板的厚度為4_，所述前側(cè)壁、后側(cè)壁、左側(cè)壁和右側(cè)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(nèi)直徑為50mm ;所述小水袋在使用前其內(nèi)部處于完全壓縮狀態(tài)。
[0022]本發(fā)明所述的礦用采煤系統(tǒng)，其中所述水箱由透明材料制成，所述水箱為3個(gè)，所述水供應(yīng)裝置還包括接頭和壓力表，所述3個(gè)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(gè)所述小水袋的入水口連接，在每個(gè)水箱和所述壓力表之間的管路上設(shè)置有閥門。
[0023]本發(fā)明所述的礦用采煤系統(tǒng)，其中所述上管體和所述下管體的橫截面為邊長(zhǎng)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(qū)高度為81.25mm，下部的有刻度區(qū)的高度為68.75mm，所述下管體的總高度為1000mm，上部的有刻度區(qū)高度為900mm，下部的無刻度區(qū)高度為100mm ;所述上箱體和下箱體的橫截面為邊長(zhǎng)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100mm ;所述水箱的有刻度區(qū)的刻度值由上至下依次增大。
[0024]本發(fā)明所述的礦用采煤系統(tǒng)，其中所述應(yīng)力計(jì)量器包括第一殼體和設(shè)置在其內(nèi)部的內(nèi)柱，所述內(nèi)柱可在所述第一殼體內(nèi)自由上下滑動(dòng)，所述內(nèi)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(yīng)變膜，并且所述應(yīng)變膜覆蓋所述第一殼體的底端，所述應(yīng)變膜、所述第一殼體和所述內(nèi)柱之間形成氣腔，在所述氣腔內(nèi)設(shè)置有氣囊，所述氣囊由塑膠膜密封而成，所述應(yīng)變膜通過數(shù)據(jù)線與應(yīng)變儀連接，所述應(yīng)變儀與計(jì)算機(jī)連接；
[0025]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；
[0026]所述內(nèi)柱、所述第一殼體、所述第二殼體均為圓柱形，所述數(shù)據(jù)線的一端接頭設(shè)置在所述第一殼體的底端上的所述應(yīng)變膜上，所述第二殼體上設(shè)置有通孔，所述數(shù)據(jù)線的另一端從所述通孔中穿出，與所述應(yīng)變儀相連；在所述第二殼體上均勻設(shè)置有多個(gè)透氣孔。
[0027]本發(fā)明所述的礦用采煤系統(tǒng)，其中所述應(yīng)力計(jì)量器還包括高度調(diào)節(jié)裝置，所述高度調(diào)節(jié)裝置由螺紋連接的外螺旋桿和內(nèi)螺旋桿構(gòu)成，所述內(nèi)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(shè)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(shè)置在所述卡槽內(nèi)，并可在所述卡槽內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)；所述內(nèi)柱的前端與所述頂板的前端之間的距離為51mm，所述擋板的底端距離所述底板的后端之間的水平距離為15_ ;
[0028]在自由狀態(tài)下，所述內(nèi)柱的頂端與所述第一殼體的頂端之間的距離為7mm，所述內(nèi)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(diào)節(jié)裝置的高度為15mm，所述底板的長(zhǎng)度為60mm?70mm，所述頂板的長(zhǎng)度為70mm，所述擋板的長(zhǎng)度為50mm?100mm，在所述底板的底部設(shè)置有輪體，所述輪體與所述驅(qū)動(dòng)裝置相連。
[0029]本