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申请/专利权人：河南理工大学

摘要：本发明公开了一种综放工作面三维群组协同放煤模拟装置及实验方法，本发明构建了能够模拟综放工作面不同工艺放煤的群组协同放煤装置，通过液压系统控制液压支架插板的伸缩从而实现任意多个放煤口的打开闭合，通过螺旋杆的转动实现液压支架的移架，放煤步距隔板和泡沫支撑体可以防止顶煤冒落，放煤步距隔板上一个刻度可以代表一个放煤步距，四周有机玻璃板的设置，可记录分析放煤过程中的煤矸运动规律。本装置为研究群组协同放煤方法在不同地质条件下的放煤工艺参数提供了实验室模拟条件，本发明可实现多放煤口共同作业，提高放煤效率，可以使煤矸分界面形成一条近似倾斜的直线，减少矸石层混入煤层中，提高顶煤回收率和含矸率。

主权项：1.一种综放工作面三维群组协同放煤模拟装置，其包括实验装置框架1、液压支架2、螺旋杆3、泡沫支撑体4、闭合插板6、模拟顶煤矸石的散体材料7、液压支架底部螺母结构8、闭合插板载体结构9、放煤步距隔板12、液压油泵15、控制器16；其特征在于，所述液压支架2设置在实验装置框架1的底板上，所述实验装置框架1的底板上的一侧还设置有泡沫支撑体4，所述泡沫支撑体4上支撑设置有所述放煤步距隔板12；所述闭合插板载体结构9焊接在实验装置框架1的底板上；且所述闭合插板6为抽屉式插板，其放置在闭合插板载体结构9上，可闭合实验装置框架1底板开口部分；所述放煤步距隔板12以及液压支架2的上方分层填充设置有模拟顶煤矸石的散体材料7；所述液压支架2的底部采用液压支架底部螺母结构8螺纹连接的螺旋杆3进行驱动连接，以便由所述螺旋杆3进行驱动移动，以便实现液压支架的前移动作；所述液压支架2与液压油泵15驱动连接，且所述液压油泵15由所述控制器16进行控制，以便实现打开或关闭不同数量的放煤口；所述液压支架2包括支架底座、立柱、液压支架顶梁10、液压支架尾梁11、尾梁油缸13和尾梁插板14，其中，所述支架底座的底部设置所述液压支架底部螺母结构8，所述液压支架底座上采用立柱支撑设置有液压支架顶梁10，所述液压支架顶梁10的端部连接所述液压支架尾梁11；所述螺旋杆3的端部伸出实验装置框架1的一侧端部；所述实验装置框架1的底部四个角上焊接设置有装置底座5；所述实验装置框架1的底板为长条间隔式布置；所述放煤步距隔板12上标有刻度，一个刻度代表一个放煤步距；所述液压支架尾梁11上采用所述尾梁油缸13连接有所述尾梁插板14，所述尾梁插板14由所述尾梁油缸13进行驱动伸缩，以便实现放煤口的开闭控制。

全文数据：一种综放工作面三维群组协同放煤模拟装置及实验方法技术领域本发明涉及一种综放工作面三维群组协同放煤模拟装置及实验方法，涉及相似模拟实验设备技术领域。背景技术我国煤炭资源储量丰富，厚煤层是我国追求开采效益的主体煤层，其储量约占我国煤炭资源总储量的45％。对于煤层厚度大于8.0m的多数特厚煤层，在目前的生产技术和装备水平条件下，主要是采用综合机械化放顶煤开采技术开采。综放开采技术在我国经过三十多年的发展，取得了显著的技术效果，但仍存在一些问题，最突出的生产问题是工作面放煤效率不高和顶煤回收率低，目前综放面顶煤回收时间占工作面整个采煤时间的一半以上，顶煤回收率大多在60％左右，在一些设备先进，管理合理的综放面顶煤回收率也只有85％左右。目前综放工作面放煤方式都是以单放煤口或者不连续的多个放煤口放煤，由于放煤口面积有限，顶煤冒落不畅，带来放煤效率低、顶煤回收率不高、混矸率高等诸多问题。基于此背景，本发明根据相似理论，构建了能够模拟综放工作面不同工艺放煤的群组协同放煤装置，通过液压系统控制液压支架插板的伸缩从而实现多个放煤口的打开闭合，通过螺旋杆的转动实现液压支架的移架，实现不同放煤工艺条件下的顶煤回收率和含矸率的测量，四周有机玻璃板的设置，可以记录分析放煤过程中的煤矸运动规律，从而优化放煤工艺，提高放煤效率、顶煤回收率，降低含矸率。发明内容本发明的目的在于提供一种综放工作面三维群组协同放煤模拟装置及实验方法，以解决上述背景技术中提出的技术问题。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种综放工作面三维群组协同放煤模拟装置，其包括实验装置框架、液压支架、螺旋杆、泡沫支撑体、闭合插板、模拟顶煤矸石的散体材料、液压支架底部螺母结构、闭合插板载体结构、放煤步距隔板、液压油泵、控制器；其特征在于，所述液压支架设置在实验装置框架的底板上，所述实验装置框架的底板上的一侧还设置有泡沫支撑体，所述泡沫支撑体上支撑设置有所述放煤步距隔板；所述闭合插板载体结构焊接在实验装置框架的底板上；且所述闭合插板为抽屉式插板，其放置在闭合插板载体结构上，可闭合实验装置框架底板开口部分；所述放煤步距隔板以及液压支架的上方分层填充设置有模拟顶煤矸石的散体材料；所述液压支架的底部采用液压支架底部螺母结构螺纹连接的螺旋杆进行驱动连接，以便由所述螺旋杆进行驱动移动，以便实现液压支架的前移动作；所述液压支架与液压油泵驱动连接，且所述液压油泵由所述控制器进行控制，以便实现打开或关闭不同数量的放煤口。进一步，作为优选，所述实验装置框架的底部四个角上焊接设置有装置底座。进一步，作为优选，所述实验装置框架的底板为长条间隔式布置。进一步，作为优选，所述放煤步距隔板上标有刻度，一个刻度代表一个放煤步距。进一步，作为优选，放煤步距隔板为可抽动式，放置在实验装置框架中部开口位置。进一步，作为优选，所述液压支架包括支架底座、立柱、液压支架顶梁、液压支架尾梁、尾梁油缸和尾梁插板，其中，所述支架底座的底部设置所述液压支架底部螺母结构，所述液压支架底座上采用立柱支撑设置有液压支架顶梁，所述液压支架顶梁的端部连接所述液压支架尾梁，所述液压支架尾梁上采用所述尾梁油缸连接有所述尾梁插板，所述尾梁插板由所述尾梁油缸进行驱动伸缩，以便实现放煤口的开闭控制。进一步，作为优选，所述模拟顶煤矸石的散体材料包括多层粒径不同的结构。进一步，作为优选，所述螺旋杆的端部伸出实验装置框架的一侧端部。进一步，作为优选，所述实验框架的四周为PVC有机玻璃板。此外，本发明还提供了一种综放工作面三维群组协同放煤模拟装置的实验方法，其特征在于，其包括下述步骤：1确定相似参数：通过现场地质条件、放煤工艺和实验室条件下的对比，计算确定几何、时间、容重相似系数的大小；几何相似系数：aL＝LmLy式中：Lm-模型尺寸；m。Ly-原型尺寸，m。时间相似系数：式中：tm-模型时间；ty-原型时间；容重相似系数：aγ＝γmγy式中：γm-模型容重，Nm3；γy-原型容重，Nm3；2准备相似模拟材料：通过对现场煤矸样品的测量和实验，根据相似参数选取合适的散体材料作为实验材料来模拟破碎的顶煤和矸石；3铺设相似模拟材料：根据相似系数以及现场顶煤、矸石厚度，在实验装置上按特定厚度和顺序铺设一层层的散体材料来模拟破碎的煤层和直接顶，将顶煤分成三个粒径大小不同的级别；5倾向方向多放煤口协同放煤模拟：通过控制器控制液压油泵给尾梁油缸供液，实现尾梁插板的伸缩，从而做到打开或关闭不同数量的放煤口，多个放煤口协同放煤，群组协同放煤方法包括起始放煤过程、中间放煤过程和末端放煤过程；起始放煤过程：多放煤口协同放煤起始放煤方式有“同时打开逆次关闭”“顺次等差打开”“顺次间隔等差打开”，以“同时打开逆次关闭”起始放煤方式，首先通过控制器同时打开n个放煤口，然后以一定的时间间隔逆次关闭各放煤口，起始放煤结束后煤岩分界面会形成一个近似倾斜的直线；中间放煤过程：在起始放煤条件的基础上，同时打开n个放煤口，按照见矸关门的原则关闭见矸的放煤口，同时打开一个临近的放煤口，始终保持n个放煤口同时放煤；末端放煤过程：末端放煤是多放煤口放煤的最后一个阶段，即最后一个n个放煤口放煤过程，按照见矸关门的原则，将最后一个n个放煤口依次关闭，直至最后一个放煤口关闭，倾向方向放煤过程结束；6走向方向放煤模拟：倾向方向放煤结束后，依次抽出泡沫支撑体，将放煤步距隔板拉出一个步距，通过转动螺旋杆，将液压支架前移与放煤步距隔板相接，同时移动闭合插板紧跟尾梁，与尾梁相接，然后重复步骤5，放出该步距液压支架上部顶煤；然后依次重复上述步骤，进行下一轮放煤，直至将所有顶煤放出；7放出材料测量及结果分析：用筛子将模拟顶煤和矸石的散体材料分成两部分，分别称出其质量，算出顶煤回收率和含矸率，观察并分析放煤过程中煤矸分界线的移动规律；顶煤回收率：C＝McρcL1L2H式中：Mc-放出散体顶煤的质量，kg；ρc-堆积散体顶煤的密度，kgm3；L1-放煤区域底部长，m；L2-放煤区域底部宽，m；H-模拟煤层的厚度，m；含矸率：R＝MrMc+Mr式中：Mc-放出散体顶煤的质量，kg；Mr-放出散体矸石的质量，kg。与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、本发明根据相似理论，构建了能够模拟综放工作面不同工艺放煤的群组协同放煤装置，通过液压系统控制液压支架插板的伸缩从而实现任意多个放煤口的打开闭合，通过螺旋杆的转动实现液压支架的移架，放煤步距隔板和泡沫支撑体可以防止顶煤冒落，放煤步距隔板上一个刻度可以代表一个放煤步距，四周有机玻璃板的设置，可以记录分析放煤过程中的煤矸运动规律。本装置为研究群组协同放煤方法在不同地质条件下的放煤工艺参数提供了实验室模拟条件。2、本装置自动化程度高，操作简单，更接近现场放煤情况，走向方向和倾向方向放煤均可模拟，可以避免现有实验装置造成的边界效应，通过对放出的散体材料的测量可以算出顶煤回收率和含矸率，从而对放煤工艺进行优化，提高放煤效率、顶煤回收率，降低含矸率。3、本发明提出的一种综放工作面三维群组协同放煤实验方法可实现多放煤口共同作业，提高放煤效率，可以使煤矸分界面形成一条近似倾斜的直线，减少矸石层混入煤层中，提高顶煤回收率和含矸率。附图说明图1为综放工作面三维群组协同放煤模拟装置侧面图；图2为综放工作面三维群组协同放煤模拟装置主视图；图3为综放工作面三维群组协同放煤模拟装置平台面图；图4为综放工作面三维群组协同放煤模拟装置液压支架主视图；图5为综放工作面三维群组协同放煤模拟装置液压支架侧视图；图6为综放工作面三维群组协同放煤模拟装置闭合插板及其载体结构图；图7为综放工作面三维群组协同放煤模拟装置液压系统示意图；其中，1.实验装置框架；2.液压支架；3.螺旋杆；4.泡沫支撑体；5.装置底座；6.闭合插板；7.模拟顶煤矸石的散体材料；8.液压支架底部螺母结构；9.闭合插板载体结构；10.液压支架顶梁；11.液压支架尾梁；12.放煤步距隔板；尾梁油缸13；尾梁插板14；液压油泵15；控制器16。具体实施方式请参阅图1～7，本发明实施例中，一种综放工作面三维群组协同放煤模拟装置，其包括实验装置框架1、液压支架2、螺旋杆3、泡沫支撑体4、闭合插板6、模拟顶煤矸石的散体材料7、液压支架底部螺母结构8、闭合插板载体结构9、放煤步距隔板12、液压油泵15、控制器16；其特征在于，所述液压支架2设置在实验装置框架1的底板上，所述实验装置框架1的底板上的一侧还设置有泡沫支撑体4，所述泡沫支撑体4上支撑设置有所述放煤步距隔板12；所述闭合插板载体结构9焊接在实验装置框架1的底板上；且所述闭合插板6为抽屉式插板，其放置在闭合插板载体结构9上，可闭合实验装置框架1底板开口部分；所述放煤步距隔板12以及液压支架2的上方分层填充设置有模拟顶煤矸石的散体材料7；所述液压支架2的底部采用液压支架底部螺母结构8螺纹连接的螺旋杆3进行驱动连接，以便由所述螺旋杆3进行驱动移动，以便实现液压支架的前移动作；所述液压支架2与液压油泵15驱动连接，且所述液压油泵15由所述控制器16进行控制，以便实现打开或关闭不同数量的放煤口。在本实施例中，所述实验装置框架1的底部四个角上焊接设置有装置底座5。所述实验装置框架1的底板为长条间隔式布置。所述放煤步距隔板12上标有刻度，一个刻度代表一个放煤步距，放煤步距隔板12为可抽动式，放置在实验装置框架1中部开口位置。其中，所述液压支架2包括支架底座、立柱、液压支架顶梁10、液压支架尾梁11、尾梁油缸13和尾梁插板14，其中，所述支架底座的底部设置所述液压支架底部螺母结构8，所述液压支架底座上采用立柱支撑设置有液压支架顶梁10，所述液压支架顶梁10的端部连接所述液压支架尾梁11，所述液压支架尾梁11上采用所述尾梁油缸13连接有所述尾梁插板14，所述尾梁插板14由所述尾梁油缸13进行驱动伸缩，以便实现放煤口的开闭控制。所述模拟顶煤矸石的散体材料7包括多层粒径不同的结构。所述螺旋杆3的端部伸出实验装置框架1的一侧端部。所述实验框架1的四周为PVC有机玻璃板。此外，本发明还提供了一种综放工作面三维群组协同放煤模拟方法；其特征在于，其包括下述步骤：1确定相似参数：通过现场地质条件、放煤工艺和实验室条件下的对比，计算确定几何、时间、容重等相似系数的大小。以15m厚煤岩层为例，结合实验装置尺寸取模拟高度为1.5m，则，几何相似系数：aL＝LmLy＝110式中：Lm-模型尺寸；m。Ly-原型尺寸，m。时间相似系数：式中：tm-模型时间；ty-原型时间。容重相似系数：ar＝γmγy＝0.6式中：γm-模型容重，Nm3；γy-原型容重，Nm3。2准备相似模拟材料：通过对现场煤矸样品的测量和实验，根据相似参数选取合适的散体材料7作为实验材料来模拟破碎的顶煤和矸石。例通过现场测量放出的煤块大小为0.1m～0.4m，直接顶岩块块度为0.4m～0.8m，则按之前几何相似系数选取粒径为1cm～4cm和4cm～8cm的散体颗粒分别模拟破碎煤层和直接顶。3铺设相似模拟材料：根据相似系数以及现场顶煤、矸石厚度，在实验装置上按特定厚度和顺序铺设一层层的散体材料7来模拟破碎的煤层和直接顶，将顶煤分成三个粒径大小不同的级别。以15m厚煤岩层为例，煤岩层块度从下往上逐渐变大，将11m厚煤层分三层，分别用1cm～2cm，2cm～3cm，3cm～4cm粒径的颗粒模拟不同块度大小的煤层，用4cm～8cm的粒径的颗粒模拟破碎的直接顶。5倾向方向多放煤口协同放煤模拟：通过控制器16控制液压油泵15给尾梁油缸13供液，实现尾梁插板14的伸缩，从而做到打开或关闭不同数量的放煤口，多个放煤口协同放煤。群组协同放煤方法包括起始放煤过程、中间放煤过程和末端放煤过程。起始放煤过程：多放煤口协同放煤起始放煤方式有“同时打开逆次关闭”“顺次等差打开”“顺次间隔等差打开”。以“同时打开逆次关闭”起始放煤方式为例，首先通过控制器同时打开n个放煤口，然后以一定的时间间隔比如10s逆次关闭各放煤口，起始放煤结束后煤岩分界面会形成一个近似倾斜的直线。中间放煤过程：在起始放煤条件的基础上，同时打开n个放煤口，按照见矸关门的原则关闭见矸的放煤口，同时打开一个临近的放煤口，始终保持n个放煤口同时放煤。末端放煤过程：末端放煤是多放煤口放煤的最后一个阶段，即最后一个n个放煤口放煤过程，按照见矸关门的原则，将最后一个n个放煤口依次关闭，直至最后一个放煤口关闭，倾向方向放煤过程结束。6走向方向放煤模拟：倾向方向放煤结束后，依次抽出泡沫支撑体4，将放煤步距隔板12拉出一个步距，通过转动螺旋杆3，将液压支架2前移与放煤步距隔板12相接，同时移动闭合插板6紧跟尾梁11，与尾梁11相接，然后重复步骤5，放出该步距液压支架2上部顶煤。然后依次重复上述步骤，进行下一轮放煤，直至将所有顶煤放出。7放出材料测量及结果分析：用筛子将模拟顶煤和矸石的散体材料7分成两部分，分别称出其质量，算出顶煤回收率和含矸率，观察并分析放煤过程中煤矸分界线的移动规律。顶煤回收率：C＝McρcL1L2H式中：Mc-放出散体顶煤的质量，kg；ρc-堆积散体顶煤的密度，kgm3；L1-放煤区域底部长，m；L2-放煤区域底部宽，m；H-模拟煤层的厚度，m。含矸率：R＝MrMc+Mr式中：Mc-放出散体顶煤的质量，kg；Mr-放出散体矸石的质量，kg。以上所述的，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

权利要求：1.一种综放工作面三维群组协同放煤模拟装置，其包括实验装置框架1、液压支架2、螺旋杆3、泡沫支撑体4、闭合插板6、模拟顶煤矸石的散体材料7、液压支架底部螺母结构8、闭合插板载体结构9、放煤步距隔板12、液压油泵15、控制器16；其特征在于，所述液压支架2设置在实验装置框架1的底板上，所述实验装置框架1的底板上的一侧还设置有泡沫支撑体4，所述泡沫支撑体4上支撑设置有所述放煤步距隔板12；所述闭合插板载体结构9焊接在实验装置框架1的底板上；且所述闭合插板6为抽屉式插板，其放置在闭合插板载体结构9上，可闭合实验装置框架1底板开口部分；所述放煤步距隔板12以及液压支架2的上方分层填充设置有模拟顶煤矸石的散体材料7；所述液压支架2的底部采用液压支架底部螺母结构8螺纹连接的螺旋杆3进行驱动连接，以便由所述螺旋杆3进行驱动移动，以便实现液压支架的前移动作；所述液压支架2与液压油泵15驱动连接，且所述液压油泵15由所述控制器16进行控制，以便实现打开或关闭不同数量的放煤口。2.根据权利要求1所述的一种综放工作面三维群组协同放煤模拟装置，其特征在于，所述实验装置框架1的底部四个角上焊接设置有装置底座5。3.根据权利要求2所述的一种综放工作面三维群组协同放煤模拟装置，其特征在于，所述实验装置框架1的底板为长条间隔式布置。4.根据权利要求2所述的一种综放工作面三维群组协同放煤模拟装置，其特征在于，所述放煤步距隔板12上标有刻度，一个刻度代表一个放煤步距。5.根据权利要求4所述的一种综放工作面三维群组协同放煤模拟装置，其特征在于，放煤步距隔板12为可抽动式，放置在实验装置框架1中部开口位置。6.根据权利要求1所述的一种综放工作面三维群组协同放煤模拟装置，其特征在于，所述液压支架2包括支架底座、立柱、液压支架顶梁10、液压支架尾梁11、尾梁油缸13和尾梁插板14，其中，所述支架底座的底部设置所述液压支架底部螺母结构8，所述液压支架底座上采用立柱支撑设置有液压支架顶梁10，所述液压支架顶梁10的端部连接所述液压支架尾梁11，所述液压支架尾梁11上采用所述尾梁油缸13连接有所述尾梁插板14，所述尾梁插板14由所述尾梁油缸13进行驱动伸缩，以便实现放煤口的开闭控制。7.根据权利要求1所述的一种综放工作面三维群组协同放煤模拟装置，其特征在于，所述模拟顶煤矸石的散体材料7包括多层粒径不同的结构。8.根据权利要求1所述的一种综放工作面三维群组协同放煤模拟装置，其特征在于，所述螺旋杆3的端部伸出实验装置框架1的一侧端部。9.根据权利要求1所述的一种综放工作面三维群组协同放煤模拟装置，其特征在于，所述实验框架1的四周为PVC有机玻璃板。10.根据权利要求1所述的一种综放工作面三维群组协同放煤模拟装置的实验方法，其特征在于，其包括下述步骤：1确定相似参数：通过现场地质条件、放煤工艺和实验室条件下的对比，计算确定几何、时间、容重相似系数的大小；几何相似系数：aL＝LmLy式中：Lm-模型尺寸；m。Ly-原型尺寸，m。时间相似系数：式中：tm-模型时间；ty-原型时间；容重相似系数：ar＝γmγy式中：γm-模型容重，Nm3；γy-原型容重，Nm3；2准备相似模拟材料：通过对现场煤矸样品的测量和实验，根据相似参数选取合适的散体材料7作为实验材料来模拟破碎的顶煤和矸石；3铺设相似模拟材料：根据相似系数以及现场顶煤、矸石厚度，在实验装置上按特定厚度和顺序铺设一层层的散体材料7来模拟破碎的煤层和直接顶，将顶煤分成三个粒径大小不同的级别；5倾向方向多放煤口协同放煤模拟：通过控制器16控制液压油泵15给尾梁油缸13供液，实现尾梁插板14的伸缩，从而做到打开或关闭不同数量的放煤口，多个放煤口协同放煤，群组协同放煤方法包括起始放煤过程、中间放煤过程和末端放煤过程；起始放煤过程：多放煤口协同放煤起始放煤方式有“同时打开逆次关闭”“顺次等差打开”“顺次间隔等差打开”，以“同时打开逆次关闭”起始放煤方式，首先通过控制器同时打开n个放煤口，然后以一定的时间间隔逆次关闭各放煤口，起始放煤结束后煤岩分界面会形成一个近似倾斜的直线；中间放煤过程：在起始放煤条件的基础上，同时打开n个放煤口，按照见矸关门的原则关闭见矸的放煤口，同时打开一个临近的放煤口，始终保持n个放煤口同时放煤；末端放煤过程：末端放煤是多放煤口放煤的最后一个阶段，即最后一个n个放煤口放煤过程，按照见矸关门的原则，将最后一个n个放煤口依次关闭，直至最后一个放煤口关闭，倾向方向放煤过程结束；6走向方向放煤模拟：倾向方向放煤结束后，依次抽出泡沫支撑体4，将放煤步距隔板拉出一个步距，通过转动螺旋杆，将液压支架前移与放煤步距隔板相接，同时移动闭合插板紧跟尾梁，与尾梁相接，然后重复步骤5，放出该步距液压支架上部顶煤；然后依次重复上述步骤，进行下一轮放煤，直至将所有顶煤放出；7放出材料测量及结果分析：用筛子将模拟顶煤和矸石的散体材料分成两部分，分别称出其质量，算出顶煤回收率和含矸率，观察并分析放煤过程中煤矸分界线的移动规律；顶煤回收率：C＝McρcL1L2H式中：Mc-放出散体顶煤的质量，kg；ρc-堆积散体顶煤的密度，kgm3；L1-放煤区域底部长，m；L2-放煤区域底部宽，m；H-模拟煤层的厚度，m；含矸率：R＝MrMc+Mr式中：Mc-放出散体顶煤的质量，kg；Mr-放出散体矸石的质量，kg。

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