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路天煤矿综采放顶煤相似材料模拟试验装置

一、路天煤矿综采放顶煤相似材料模拟试验装置简介

综采放顶煤技术是高效开采厚煤层的重要方法，其核心是通过工作面支架支护顶板，同时利用矿山压力使顶煤自行冒落并通过放煤口放出，实现煤层的高效回收。在露天煤矿开采中，顶煤冒落规律、顶板稳定性及支架受力特征直接影响开采效率与安全。

相似材料模拟试验通过相似原理，用人工材料模拟地质体（煤层、顶底板岩石等）的物理力学行为，可直观再现开采过程中顶煤冒落、顶板变形及应力分布规律，弥补现场试验成本高、周期长、难以系统调控参数的缺陷，为露天煤矿综采放顶煤的工艺优化和安全设计提供理论依据。

二、路天煤矿综采放顶煤相似材料模拟试验装置组成

1.模拟框架系统

l结构设计：采用高强度钢材打造框架主体，确保在长期使用及复杂加载条件下保持结构稳定。框架尺寸根据路天煤矿实际地质条件及相似比设计，可灵活调整以适应不同模拟需求。

l边界条件模拟：框架四周设置可调节边界约束装置，能模拟不同的地质边界条件，如固定边界、自由边界或弹性边界，精准还原路天煤矿的实际开采环境。

2.相似材料制备与铺设系统

l材料制备：配备专业的材料搅拌设备，可精确控制骨料（如河砂、石英砂等）、胶结剂（如水泥、石膏等）及添加剂（如减水剂、速凝剂等）的配比，确保相似材料的物理力学性质与路天煤矿煤岩高度相似。

l铺设装置：设计自动铺设与压实设备，能够按照预定的煤层及岩层厚度分层铺设相似材料，并通过振动压实或静压方式保证材料的密实度均匀性，模拟不同地质层的压实状态。

3.加载与监测系统

l加载系统：顶部采用液压加载装置，可模拟上覆岩层的自重应力。同时，可根据需要设置侧向加载设备，模拟水平方向的地应力，全面反映路天煤矿开采时煤岩体的受力情况。

l监测系统：在模拟框架内预埋多种传感器，包括压力传感器、位移传感器、应变片等，实时监测煤岩体在开采模拟过程中的应力变化、位移变形及应变情况。数据采集系统具备高速、高精度采集能力，可将监测数据实时传输至计算机进行分析处理。此外，装置还配备高清摄像系统，从不同角度记录模拟过程，便于后续观察分析。

4.放顶煤模拟系统

l放煤机构：设计可调节的放煤口装置，能够模拟不同的放煤工艺，如单轮顺序放煤、多轮间隔放煤等。放煤口的大小、形状及开启方式均可根据试验需求灵活调整，以研究不同放煤参数对顶煤回收率及煤岩运移规律的影响。

l顶煤破碎模拟：在顶煤区域设置机械破碎装置或采用预设裂隙等方式，模拟顶煤在开采过程中的破碎过程，使模拟结果更贴合实际开采情况。

三、路天煤矿综采放顶煤相似材料模拟试验装置优势

1.高度模拟真实性：紧密结合路天煤矿的地质条件和开采工艺，从材料选择到装置设计，全方位保证模拟的真实性，为研究提供可靠数据。

2.灵活可调节性：各系统参数可灵活调整，适应不同研究方向和试验需求，提高装置的通用性和适用性。

3.先进监测技术：采用先进的传感器和数据采集技术，实现对模拟过程的全面、实时监测，为研究人员提供丰富、准确的数据支持。

4.安全可靠：在结构设计和材料选择上充分考虑安全性，确保装置在长期运行过程中的可靠性，保障试验人员和设备的安全。

四、路天煤矿综采放顶煤相似材料模拟试验装置应用场景

1.开采工艺研究：用于研究不同采放比、放煤顺序、推进速度等对顶煤回收率和煤岩稳定性的影响，优化综采放顶煤工艺。

2.地质条件适应性分析：模拟不同地质构造（如断层、褶皱等）和煤岩特性下的开采过程，评估地质条件对开采的影响，为制定合理的开采方案提供依据。

安全开采研究：通过监测煤岩体在开采过程中的应力、位移变化，研究顶板垮落、煤壁片帮等灾害的发生机制，为保障煤矿安全生产提供技术支持。

五、路天煤矿综采放顶煤相似材料模拟试验装置试验内容与典型研究方向

1.顶煤冒落规律研究

通过模拟不同采放比，记录顶煤冒落步距、冒落高度及时间分布，分析“裂隙发育 - 破碎 - 冒落” 的演化过程，优化放煤时机。

2.顶板稳定性分析

监测顶板下沉曲线、离层量及支架载荷，研究顶板初次来压和周期来压步距，评估顶板垮落风险，为支架工作阻力设计提供依据。

3.地质参数影响试验

对比不同煤层倾角（0°~30°）、顶板岩性（坚硬 / 软弱）、断层发育情况对放顶煤效果的影响，明确不利地质条件的防控措施。

4.工艺参数优化

测试不同推进速度下的顶煤回收率和支架受力，确定最优开采参数。