CN101315306B

CN101315306B - 采场矿压机械模拟实验台

Info

Publication number: CN101315306B
Application number: CN2008101283318A
Authority: CN
Inventors: 范炜琳; 郭惟嘉; 蒋宇静; 张新国; 陈连军
Original assignee: Shandong University of Science and Technology
Current assignee: Shandong University of Science and Technology
Priority date: 2008-06-23
Filing date: 2008-07-08
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2028-07-08
Also published as: CN101315306A

Abstract

本发明公开了一种相似模拟和物理模拟相结合的采场矿压机械模拟试验台，它是在长方体试验框架下向上依次布置有模拟采高升降装置、模拟煤层底板橡胶板、模拟煤层气囊、层状结构的模拟老顶模型块和加载气囊。本发明试验台用于研究采场推进过程中上覆岩层运动状态与煤层支承压力变化关系、采场来压时支架阻力与上覆岩层运动状态关系、采场推进过程中上覆岩层的运动状态、煤层支承压力以及底板应力分布关系等问题。

Description

采场矿压机械模拟实验台

技术领域

本发明涉及采场矿压实验室用的试验台。

背景技术

研究采场支承压力的发展变化与上覆岩层运动之间的关系以及来压时刻支架与围岩(顶板)间相互作用的关系，是解决采场矿压及其控制问题的基础。但由于采场支承压力发展变化其影响因素的复杂性和现场实际研究中采场上覆岩运动的不可见性，这都给采场矿压的理论研究带来了极大的困难。利用模拟试验台进行矿压模拟实验，是研究采场矿压行之有效的重要途径。传统的矿压模拟试验台，是在长方体试验框架内填入模拟煤层和顶板的相似材料制成模型，人工一点点掏掉煤层模拟材料，使顶板模拟材料自然脱落，模拟出采矿的推进过程。试验人员直接观察采场推进过程中上覆岩层的运动情况，从而研究顶板支承压力的发展变化规律以及支架一围岩(顶板)间的相互关系问题。虽然上述相似材料模拟研究法对采场矿压的研究有一些实验效果，但是，随着矿压理论的不断发展，在实际的实验研究中，存在着以下主要方面的问题：

1.由于实验模型对相似材料本身的物理力学特性有较强的依赖性。使材料的许多相似指标无法满足。如：材料的塑性力学性质等。

2.实验模型在成型手段和方法上，无法保证相似材料的试件实验与模型模拟实验的一致性，因此试验结果的重复性较差。

3.实验中模拟岩梁的裂断及其运动的结构状态时无法人为控制，导致关键的实验数据无法获得。

发明内容

本发明的目的在于克服传统试验台存在的上述问题，发明一种相似模拟和物理模拟相结合的采场矿压机械模拟试验台。该试验台用于研究采场推进过程中上覆岩层运动状态与煤层支承压力变化关系、采场来压时支架阻力与上覆岩层运动状态关系、采场推进过程中上覆岩层的运动状态、煤层支承压力以及底板应力分布关系等问题。

本发明的技术方案是：它包括一个长方体试验框架，在框架内从下向上依次布置有模拟采高升降装置、模拟煤层底板橡胶板、模拟煤层气囊、层状结构的模拟老顶模型块和加载气囊；

上面所述的模拟采高升降装置是沿试验框架长度方向上布置有导向固定架，固定架上布置有若干套由电机和起重螺旋构成的升降架。

上面所述的模拟煤层的气囊，由若干个气囊沿试验框架长度方向紧密排列，每个气囊上带有压力变送器按钮开关和气压电磁阀，并与进气总管连接。

上面所述的层状结构的模拟老顶模型块根据采场实验情况层状布置，每层由若干橡胶块和硬质材料块连接成整体，橡胶块与硬质材料块粘结，在岩梁断裂的每个受拉部位的结合面上用电磁铁吸合，并在该断裂面上用双铰折页铰接。

上面所述的加载胶囊是一个整体储水或充气的胶囊，胶囊上带有阀门。

上面所述的模拟煤层底板橡胶板内加工有检测孔，检测孔内安装有检测应力的传感器。

当用本试验台仅模拟煤层顶板时，无需再布置模拟煤层底板橡胶板。

本发明可实现以下采场矿压的模拟：

1.煤层的模拟：

煤层是实验中需要开采的部分。用气泵向模拟煤层的气囊充气，所有气囊充足时模拟煤层未开采状态。通过气压电磁阀控制气囊的放气量模拟煤层在支承压力的作用下由弹性状态向塑性状态的转化状态；逐个将气体全部放掉可模拟煤层的开采状态，即采场工作面的推进情况。通过压力变送器可检测气囊的压力从而换算成煤层支承压力。

2.煤层老顶传递岩梁的模拟：

老顶传递岩梁是采场矿压实验中老顶力学结构状态随煤层开采而变化的那一部分。

通过橡胶、塑料或金属材料块连接构成的一层层模型块，模拟老顶运动状态和岩梁的力学结构性能。

通过电磁铁的开断，模拟老顶的裂断情况；通过橡胶夹层的拉伸压缩模拟老顶的弯曲情况；通过双铰折页处的折曲状态模拟老顶裂断后其力学结构状态和运动特征。

3.煤层底板的模拟：

当需要模拟煤层底板情况时，通过用不同硬度的橡胶板复合成煤层底板模型，并在橡胶板内设置一定密度的压力检测孔，放置相应的传感器，以测试煤层底板的应力分布情况。

4.煤层老顶荷载的模拟：根据相似条件，对顶板以上的载荷压力进行模拟，通过向加压胶囊中充入气压或水压，在反力支架的作用下对老顶模型进行加载模拟试验。

5.采高的模拟

通过升降装置的高度调整，可以模拟不同的采煤高度，也可模拟控制老顶触矸的位置，从而可模拟不同采高的采场矿压情况。

总之，本发明采用了物理模拟与相似模拟相结合的方法，对采场矿压进行各种模拟，可满足试验中对材料塑性指标的要求，保证模型试验的一致性。而且根据实验要求，老顶模型可“积木”式拼接，灵活控制岩梁断裂和运动状况，容易获得关键数据。

附图说明

图1是本发明实施例的主视示意图；

图2是图1的侧视图；

图3是模拟煤层底板橡胶板布置结构图；

图4是图3的F-F断面图；

图5是模拟煤层气囊工作原理结构图；

图6是模拟老顶层状结构模型块的其中一层的结构图；

图7是采高升降装置的构造图。

图例说明：1-长方体试验框架；2-加载胶囊；3-模拟老顶模型块；4-模拟煤层气囊；5-模拟煤层底板橡胶板；6-采高升降装置；7-电机；8-甘杆；9-丝杆；10-支撑架；11-上梁；12-下梁；13-气管；14-按纽开关；15-气压电磁阀；16-电源线；17-压力变送器；18-检测孔；19-应力传感器；20-橡胶块；21-硬质材料块；22-双铰折页；23-电磁铁；24-升降板。

具体实施方式

参照附图对本发明的实施例进一步说明。

图1、图2示出了实施例的整体结构，它是包括一个长4m、宽0.3m、高2m的长方体试验框架1，框架1内从下向上依次布置有模拟采高升降装置6、模拟煤层底板的橡胶板5、模拟煤层气囊4、层状结构的模拟老顶模型块3和加载气囊2。加载胶囊2是一个整体胶囊，胶囊内充气或充水。

图1所示的模拟采高升降装置6的详细构造如图7所示。它是在试验框架1的下部布置有导向固定架，导向固定架由上梁11、下梁12和导杆8组成并沿试验框架1长度方向布置；导向固定架上顺序安装由电机7和起重螺旋构成的升降架；起重螺旋包括丝杆9、带螺纹孔的升降板24，升降板24上固定有支撑架10。电机7转动带动丝杠9转动从而使支撑板10做升降运动。

图1所示的层状结构的模拟老顶模型块3的详细结构如图6所示，图6中显示了五层结构，每层由橡胶块20和硬质材料块21连接组成。橡胶块20和硬质材料块21之间粘结，每相邻硬质材料块21之间用双铰折页22铰接，折断拉伸部位除铰接外再用电磁铁23吸合；硬质材料块21采用塑料、金属等均可。

图1所示的模拟煤层气囊4的详细结构如图5所示。它是由若干单个气囊沿试验框架1长度方向紧密排列组成，每个单气囊上带有压力变送器17、按钮开关14和气压电磁阀15，并与进气总管连接。

图1所示的模拟煤层底板橡胶板5的构造如图3、图4所示。它是在模拟煤层底板橡胶板5的纵断面上布置有检测孔18，检测孔18内安装应力传感器19。

上述电机、电磁铁23、气压电磁阀15连接到电源控制器上的输入端上，通过电源开关控制启闭。

Claims

1.一种采场矿压机械模拟实验台，其特征是，它包括一个长方体试验框架，在试验框架内从下向上依次布置有模拟采高升降装置、模拟煤层气囊、层状结构的模拟老顶模型块和加载气囊；

上面所述的模拟采高升降装置是沿试验框架长度方向上布置有导向固定架、固定架上布置有若干套由电机和起重螺旋构成的升降架；

上面所述的模拟煤层气囊，由若干个气囊沿试验框架长度方向紧密排列，每个气囊上带有压力变送器、按钮开关和气压电磁阀，并与进气总管连接；

上面所述的层状结构的模拟老顶模型块根据采场实验情况层状布置，每层由若干橡胶块和硬质材料块连接成整体，橡胶块与硬质材料块粘结，在岩梁断裂的每个受拉部位的结合面上用电磁铁吸合，并在该断裂面上用双铰折页铰接；

上面所述的加载气囊是一个整体储水或充气的胶囊，胶囊上带有阀门。

2.如权利要求1所述的采场矿压机械模拟实验台，其特征是，在模拟采高升降装置和模拟煤层气囊之间布置有模拟煤层底板橡胶板，橡胶板内加工有检测孔，检测孔内安装有检测应力的传感器。