一种用于模拟煤层开采和充填的相似模拟实验装置的制作方法

本发明涉及煤矿开采模拟，尤其涉及一种用于模拟煤层开采和充填的相似模拟实验装置。

背景技术：

1、为了提高煤矿开采效率和安全性，在正式采煤之前，通常先采用相似模拟装置来模拟煤层开采，以为实际开采提供预测研究。

2、为了模拟煤层开挖，现有技术中，有些采用掏槽的方式，有些采用抽采管的方式。采用掏槽和抽采管的方式都需要拆开箱体侧板或箱体底板，模拟方式复杂。

3、基于此，现有技术中提出了采用石蜡来模拟煤层开采的方法。如公开号为cn110297070a的中国发明专利公开了一种用于煤层开挖的三维固液耦合相似模拟系统，其模拟煤层由石蜡制成，在煤层和下覆地层之间设有加热装置，通过融化石蜡来模拟煤层开挖。加热装置设有加热板，加热板由多个矩形加热片组成，每个加热片均能独立加热且加热功率可调。

4、上述技术的缺陷是，加热板处于石蜡煤层的底部，石蜡是从底部开始融化，顶部的石蜡融化慢，在下方的石蜡融化后，上方的石蜡会向下掉落，引起上方的相似岩层跨落，影响模拟效果。其加热板由多个加热片组成，每个加热片都需要单独连接导线以实现单独控制，而在体积受限的模拟箱中不便布置更多的线束。

5、在实际开采时，在有些工况下，需要一边开采一边对采空区充填，以降低液压支架承受的矿压。在相似实验过程中模拟出充填效果，将对实际开采提供充填理论指导，有利于提升采煤安全性。现有的相似模拟实验技术中，对采空区充填模拟研究较少。

6、公告号为cn214309532u的中国实用新型专利公开了一种可模拟充填采矿工艺的相似模拟实验装置，利用充填导管、充填泵对采空区充填。每次充填时都需要将整个采空区都要充填，不能模拟条带式充填的状况，也不能模拟一边采煤一边充填。

7、有鉴于此，提供一种用于模拟煤层开采和充填的相似模拟实验装置成为必要。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于模拟煤层开采和充填的相似模拟实验装置，其电极头处于石蜡相似煤层的大致中间位置，从内部逐渐溶解石蜡，石蜡的融化更加均匀，无需布置很多的线束，便于结构，还可以一边模拟煤层开采，一边模拟向采空区进行条带式充填，为煤炭开采提供了开采与充填的理论指导，有利于提升采煤的安全性。

2、本发明技术方案提供一种用于模拟煤层开采和充填的相似模拟实验装置，包括相似模拟箱、加热电极机构、蜡液回收箱和充填支架机构；

3、所述相似模拟箱包括模拟箱底板、前侧板、后侧板和透明玻璃板；所述模拟箱底板的上方设有石蜡相似煤层，所述模拟箱底板上间隔地设有多个漏液孔，所述漏液孔中设有电控阀门；

4、所述蜡液回收箱处于所述模拟箱底板的下方，用于回收从每个所述漏液孔流出的蜡液，所述蜡液回收箱中设有蜡液供给泵；

5、所述加热电极机构包括与所述后侧板连接并能够前后移动的绝缘套管和连接在所述绝缘套管一端的电极头；所述绝缘套管的主体部分及所述电极头预埋在所述石蜡相似煤层中，所述电极头处于靠近所述前侧板的一侧；

6、所述充填支架机构包括液压支架和设在所述液压支架的支架底板上的石蜡充填箱，所述石蜡充填箱通过蜡液供给管与所述蜡液供给泵连接；

7、在模拟开采时，所述电极头通电并随着所述绝缘套管逐步后退以逐步融化所述石蜡相似煤层，所述充填支架机构能够被移送进入采空区，通过所述石蜡充填箱向所述采空区充填石蜡块。

8、在其中一项可选技术方案中，所述后侧板上安装有用于驱动所述绝缘套管移动的驱动机构；

9、所述驱动机构包括与所述后侧板可枢转连接的第一内螺纹套筒和安装在所述后侧板外侧的驱动组件，所述驱动组件与所述第一内螺纹套筒传动连接；

10、所述绝缘套管的外表面设有外螺纹，所述绝缘套管穿过所述第一内螺纹套筒，所述第一内螺纹套筒与所述绝缘套管啮合传动。

11、在其中一项可选技术方案中，所述支架底板与所述前侧板之间连接有推动机构；

12、所述推动机构包括第二内螺纹套筒、固定轴套、外螺纹套管和动力组件；

13、所述第二内螺纹套筒与所述前侧板可枢转连接，所述动力组件安装在所述前侧板的外侧，并与所述第二内螺纹套筒传动连接；

14、所述支架底板中设有从前向后延伸的底板通道，所述底板通道处于所述石蜡充填箱的一侧，所述固定轴套设在所述底板通道的前端开口中，所述底板通道的后端开口处于所述支架底板的顶面；

15、所述外螺纹套管穿过所述第二内螺纹套筒，所述第二内螺纹套筒与所述外螺纹套管啮合传动；

16、所述外螺纹套管的后端穿过所述固定轴套，并伸入所述底板通道中；

17、所述外螺纹套管与所述固定轴套连接且保持轴向固定；

18、所述蜡液供给管从所述外螺纹套管的前端向后穿出所述后端开口，并连接至所述石蜡充填箱。

19、在其中一项可选技术方案中，所述外螺纹套管中设有保护套管，所述保护套管通过轴承安装在所述外螺纹套管中，所述蜡液供给管穿过所述保护套管。

20、在其中一项可选技术方案中，所述推动机构包括两个所述第二内螺纹套筒、两个所述固定轴套和两根所述外螺纹套管；

21、所述支架底板中设有两条所述底板通道，两条所述底板通道处于所述石蜡充填箱的相对两侧；

22、两个所述固定轴套相应地设在两条所述底板通道的所述前端开口中；

23、两个所述第二内螺纹套筒分别与所述前侧板可枢转连接，所述动力组件与两个所述第二内螺纹套筒分别传动连接；

24、两根所述外螺纹套管分别与两个所述第二内螺纹套筒和两个固定轴套相应配合；

25、所述蜡液供给管穿过一根所述外螺纹套管，导线和/或供油管穿过另一根所述外螺纹套管。

26、在其中一项可选技术方案中，所述前侧板面向所述后侧板的一侧设有用于容纳所述充填支架机构的容纳槽，所述容纳槽面向所述后侧板一侧的开口设有升降门；

27、在初始状态时，所述充填支架机构处于所述容纳槽中，所述升降门处于关闭状态；

28、在模拟开采时，所述升降门开启，所述充填支架机构通过所述推动机构推入采空区中。

29、在其中一项可选技术方案中，所述石蜡充填箱包括箱体背板、箱体顶板和两块箱体侧板；

30、所述箱体背板与所述支架底板固定连接，所述箱体顶板连接在所述箱体背板的上端并向前延伸；

31、两块所述箱体侧板分别与所述箱体背板、所述支架底板和所述箱体顶板滑动连接，所述箱体背板与所述箱体侧板之间连接有用于驱动所述箱体侧板直线滑动的推拉机构；

32、所述箱体顶板的后端设有用于开关两块所述箱体侧板之间的开口的卷帘门，所述支架底板中设有用于牵引所述卷帘门的牵引机构，所述牵引机构的拉索与所述卷帘门连接；

33、所述箱体背板的上部设有充填箱进液口，所述蜡液供给管的出液口与所述充填箱进液口连接；

34、所述箱体背板还设有用于将石蜡块推出的推出机构；

35、所述箱体侧板的前端处于所述支架底板的前侧边缘，所述支架底板的前侧边缘设有用于引导石蜡块下滑的引导斜面。

36、在其中一项可选技术方案中，所述箱体背板包括与所述支架底板固定连接的背板固定板、与所述背板固定板滑动连接的背板升降板和连接在所述背板升降板与所述背板固定板之间的背板升降致动机构；

37、所述箱体侧板包括与所述支架底板滑动连接的侧板固定板、与所述侧板固定板滑动连接的侧板升降板和连接在所述侧板升降板与所述侧板固定板之间的侧板升降致动机构；

38、所述侧板固定板与所述背板固定板滑动连接，所述侧板升降板与所述背板升降板滑动连接，所述箱体顶板与所述背板升降板固定连接，所述侧板升降板与所述箱体顶板滑动连接；

39、所述充填箱进液口设在所述背板升降板上，所述推出机构与所述背板固定板连接。

40、在其中一项可选技术方案中，所述相似模拟实验装置包括热水供给箱，所述热水供给箱中设有供水泵；

41、所述蜡液回收箱的箱壁中设有箱壁水腔，所述箱壁水腔中设有温度计；

42、所述供水泵通过第一供水管与所述箱壁水腔连接；

43、在所述蜡液回收箱回收蜡液时，所述箱壁水腔中充满热水。

44、在其中一项可选技术方案中，所述绝缘套管的管壁中设有管壁水腔，所述供水泵通过第二供水管与所述管壁水腔连接；

45、在模拟开采向后拉动所述绝缘套管时，所述管壁水腔中充满热水。

46、采用上述技术方案，具有如下有益效果：

47、本发明提供的相似模拟实验装置，在模拟开采时，将电极头通电，电极头随着绝缘套管逐步后退，从而逐步融化石蜡相似煤层以模拟煤层开采，在形成采空区后，将充填支架机构移送进入采空区，通过液压支架支护煤层顶板，然后通过石蜡充填箱向采空区充填石蜡块，形成条带式充填。其中，在石蜡相似煤层融化后，蜡液流入蜡液回收箱中，再供给至石蜡充填箱，蜡液在石蜡充填箱中固化后，可被推入采空区中进行充填，充分利用了石蜡材料的特性，无需额外设置充填材料，节约了材料，有利于降低成本。

48、本发明提供的相似模拟实验装置，其电极头处于石蜡相似煤层的大致中间位置，从内部逐渐溶解石蜡，石蜡的融化更加均匀，无需布置很多的线束，便于结构布置，还实现了一边模拟开采，一边移动充填支架机构并逐步充填采空区，获得的理论数据为煤炭开采作业提供了开采与充填的理论指导，有利于提升采煤作业的安全性。