CN101377479B

CN101377479B - 采场矿压三维物理模拟试验台

Info

Publication number: CN101377479B
Application number: CN2008101572017A
Authority: CN
Inventors: 郭惟嘉; 张新国; 范炜琳; 尹立明; 张文泉
Original assignee: Shandong University of Science and Technology
Current assignee: Shandong University of Science and Technology
Priority date: 2008-09-25
Filing date: 2008-09-25
Publication date: 2011-12-28
Anticipated expiration: 2028-09-25
Also published as: CN101377479A

Abstract

本发明公开一种采场矿压三维物理模拟试验台，特征是包括：用于承载模型的框架式模型台，框架式模型台包括上开放口，位于前、后、左与右方的侧墙板，及底座板；至少在底座板上设置开采口，开采口处设有可拆卸的封堵板条；用于使框架式模型台在设定最大倾斜角度范围内整体倾斜的摆动结构；用于在框架式模型台的开放口方向上对模型施压的加载装置。本发明能模拟大倾角煤层开采实验及模拟煤层深部开采试验，同时还可以模拟底板采煤试验及模拟中部采煤试验等等。

Description

采场矿压三维物理模拟试验台

技术领域

本发明涉及采场矿压实验室使用的试验台。

背景技术

相似材料模拟研究是目前矿山工业中矿山压力的研究手段之一，是近百年来矿山研究中的一个新领域，相似模拟正从不断实践和研究中得到完善和发展。相似研究是根据前苏联学者兹涅佐夫提出的相似理论，并以此为依据而形成的一整套从物理试验、力学试验、模型试验直到工程实践的研究方法，为矿山压力的测定在实验室中观测矿山压力提供了一条新路子。

相似模拟可分为两种。一种是实验室中的物理模型法，这是一种利用实物的方法，统称相似模拟。首先测定工作面岩层的物理力学参数，然后在一定的模型架中以一定比例制成模型，使其物理力学性质按相同比例变化，以模拟的方法去分析研究现场真实的全过程及规律，这种方法就叫相似模拟法。另一种是数学模拟法，使用电子计算机按一定的程序开发替代物理过程进行模拟计算而取得结果。

用相似模拟法进行矿压研究可起到的作用如下：

辅助矿山压力的现场实测研究，能取得更完美的效果。现场矿山压力研究，需要较多的人力、物力，付出的工作量很大，耗时多，周期长，费用大，而围岩的变化过程和内应力作用情况都不可能直接观测到，在观测时又经常受到生产活动的影响，难以取得较好的成果。模型试验可以直接观测到矿山压力实验的整个过程和内应力作用情况，能人为地改变矿山压力中围岩的条件进行新技术、新方案的试验，并且能提供较有价值的参考数据，从而解决目前理论分析中尚不能解决的一些难题。但是，相似模拟方法也有一定的局限性，现场岩石力学及矿山压力的活动规律、受力状态等比较复杂，弱面、层理、节理较多，发育不同，直接影响了矿山压力的活动规律。因此，相似模拟方法必须与现场实测、理论分析等方法相互配合使用，方可达到预期的效果。

总之，相似模型试验是否取得与矿山现场相似的结果，取决于对岩层的物理、力学性质的提取，取决于相似材料的选择和模型制作技术的优势，尤其取决于试验台设计制作水平的高低。目前的一些三维物理模拟实验台主要存在如下问题：

一是不能最大限度地模拟煤层大倾角开采试验。

二是对模型体的变形观测上仅仅停留在模型的表面，不能深入观测模型内部的变化。

三是无法模拟深部煤层的开采。

发明内容

本发明的任务在于提供一种采场矿压三维物理模拟试验台，该试验台能够模拟煤层大倾角开采实验等。

其技术解决方案是：

一种采场矿压三维物理模拟试验台，包括：

用于承载模型的框架式模型台，框架式模型台包括上开放口，位于前、后、左与右方的侧墙板，及底座板；至少在底座板上设置开采口，开采口处设有可拆卸的封堵板条；

用于使框架式模型台在设定最大倾斜角度范围内整体倾斜的摆动结构；

用于在框架式模型台的开放口方向上对模型施压的加载装置。

上述设定最大倾斜角度为30°～45°；上述加载装置施加设定最大压力为800～1000千克。

上述框架式模型台，沿一垂直面分体设计成前部半模型台及后部半模型台，在对模型加载及开采试验过程中前部半模型台与后部半模型台联接固定成一整体，之后可根据需要对联接处进行拆分，前部半模型台与后部半模型台之间能够相对平移一段使模型得以露出一部。

上述框架式模型台，在左侧设置多根左立柱，在右侧设置同样数量的右立柱，左立柱与右立柱之间位置一一对应，左立柱及右立柱与框架式模型台固定在一起，在任一对左立柱与右立柱之间设置一横梁，上述加载装置中的油缸设置在横梁上；对上述一个左立柱而言，该左立柱包括主柱体和柱座，在柱座与主柱体之间设置左侧液压千斤顶，对上述一个右立柱而言，该右立柱包括主柱体和柱座，主柱体与柱座之间设置右侧铰接结构；上述摆动结构包括上述左侧液压千斤顶及右侧铰接结构。

上述侧墙板，采取多根板条从上至下依次拼接构成，板条与相应加固部之间为可拆分联接。

上述前部半模型台的底部设置滚动轮，前部半模型台与后部半模型台相邻一对左立柱之间及相邻一对右立柱之间分别设置一只能同步运行的油缸；上述前部半模型台与后部半模型台同侧墙板或底座板对接后通过一过渡联接板件可拆分联接。

上述过渡联接板件，开设至少左右两列螺纹孔，在同侧墙板或底座板对接处左右侧板体上分别开设对应的螺纹孔列；通过在过渡联接板件与左右侧板体之间各对应螺纹孔组旋紧螺栓实现侧墙板或底座板对接。

在上述位于前方的侧墙板上设置高强度钢化玻璃区形成观察窗。

本发明具有的有益技术效果主要是：由于框架式模型台可在设定最大倾斜角度范围内整体倾斜，能模拟大倾角煤层开采实验。

此外还可具有以下有益技术效果等等：

1、加载装置施加设定最大压力800～1000千克，能够模拟煤层深部开采试验。

2、不仅可以模拟底板采煤试验，还可模拟中部采煤试验。

3、通过观察窗能直接观察岩层变化。

4、前部半模型台与后部半模型台之间能够相对平移一段使模型得以露出一部，以便对模型露出部分进行切割作出模型剖面，得以通过对剖面观察研究得出支承压力在模型中的传播规律。

附图说明

图1为本发明一种实施方式结构原理示意图。

图2主要示出了上述实施方式中的底座板部分。

图3主要示出了上述实施方式中的摆动结构部分。

图4主要示出了上述实施方式中的前部半模型台与后部半模型台之间的一种结合形态。

下面结合附图对本发明进行说明：

具体实施方式

实施方式1，参看图1、图2、图3及图4，一种采场矿压三维物理模拟试验台，包括用于承载模型的框架式模型台，框架式模型台包括上开放口1，位于前、后、左与右方的侧墙板2、3、4、5，及底座板6。上述侧墙板2、3、4、5，各采取多根板条从上至下依次拼接构成，板条与相应加固部间为可拆分联接，在需要模拟中部采煤试验时，可在相应侧板上拆卸对应板条即可进行；在底座板6上设置开采口，开采口处设有可拆卸的封堵板条7，在需要模拟底板采煤试验时，拆卸封堵板条7即可进行。在位于前方的侧墙板2上设置高强度钢化玻璃区形成观察窗8。上述框架式模型台，在左侧设置多根左立柱9，在右侧设置同样数量的右立柱10，左立柱与右立柱之间位置一一对应，左立柱及右立柱与框架式模型台固定在一起，在任一对左立柱与右立柱之间设置一横梁11，下述加载装置中的油缸12设置在横梁11上；对上述一个左立柱9而言，该左立柱包括主柱体和柱座，在柱座与主柱体之间设置左侧液压千斤顶13，对上述一个右立柱10而言，该右立柱包括主柱体和柱座，主柱体与柱座之间设置右侧铰接结构14；摆动结构包括上述左侧液压千斤顶13及右侧铰接结构14，该摆动机构能使框架式模型台在设定最大倾斜角度如30°、40°或45°内整体倾斜，用以进行模拟大倾角煤层开采实验。用于在框架式模型台的开放口方向上对模型施压的加载装置，本实施方式中加载装置设有六只油缸12，每个横梁设有两只，加载装置所有油缸施加设定最大压力可为800、900或1000千克。框架式模型台，沿一垂直面分体设计成前部半模型台A及后部半模型台B，在对模型加载及开采试验过程中前部半模型台A与后部半模型台B联接固定成一整体，之后可根据需要对联接处进行拆分，前部半模型台与后部半模型台之间能够相对平移一段使模型得以露出一部；更进一步的技术措施为：上述前部半模型台A的底部设置滚动轮15，前部半模型台A与后部半模型台B相邻一对左立柱之间及相邻一对右立柱之间分别设置一只能同步运行的油缸16；上述前部半模型台A与后部半模型台B同侧墙板或底座板对接后通过一过渡联接板件17可拆分联接，如上述过渡联接板件，开设至少左右两列螺纹孔，在同侧墙板或底座板对接处左右侧板体上分别开设对应的螺纹孔列，通过在过渡联接板件与左右侧板体之间各对应螺纹孔组旋紧螺栓实现侧墙板或底座板对接。

本发明的工作过程可大致是：

根据一定的相似配比，把煤矿上覆岩层的情况转变成实验室相似的模型配比，把沙子、碳酸钙、石膏和水按一定的配比分层压实在框架式模型台内，把不能够模拟的岩层按一定的转化荷载加在加载装置中的油缸上，然后模拟煤层的开挖。当遇有煤层为大倾角时，利用摆动结构，即液压千斤顶将框架式模型台一侧顶起、另一侧绕铰接结构转动(摆动)，最终使框架式模型台整体倾斜达到设定大倾角时停止，然后把沙子、碳酸钙、石膏和水按一定的配比分层压实在框架式模型台内，把不能够模拟的岩层按一定的转化荷载加在加载装置的油缸上，随后模拟煤层的开挖。在台内模型开挖稳定变形后，拆解过渡连接板件，并通过油缸推动前部半模型台平移一段距离使模型得以露出一部，利用切割工具把模型切开剖面，以便更准确地观察模型的内部情况。

实施方式2，框架式模型台无需设计成上述方式中记载的前部半模型台A及后部半模型台B两部分。其他部分可与实施方式1中对应部分采取相同的技术措施。

与本发明有关的控制系统、测试系统及液压系统等，技术人员在上述精神的教导下结合本发明具体应用情形应能设计出。如控制系统中可采用数字化仪表进行压力的测量和控制；测试系统中可采用江苏东华测试技术有限公司生产的DH3815静态应变测量系统，能够进行压力、位移等物理量的多点高速巡回检测，对输出电压小于20mv的电压信号分辨率可达万分之一。

Claims

1.一种采场矿压三维物理模拟试验台，特征是包括：

用于在框架式模型台的开放口方向上对模型施压的加载装置；

所述框架式模型台，在左侧设置多根左立柱，在右侧设置同样数量的右立柱，左立柱与右立柱之间位置一一对应，左立柱及右立柱与框架式模型台固定在一起，在任一对左立柱与右立柱之间设置一横梁，上述加载装置中的油缸设置在横梁上；对上述一个左立柱而言，该左立柱包括主柱体和柱座，在柱座与主柱体之间设置左侧液压千斤顶，对上述一个右立柱而言，该右立柱包括主柱体和柱座，主柱体与柱座之间设置右侧铰接结构；上述摆动结构包括上述左侧液压千斤顶及右侧铰接结构。

2.根据权利要求1所述的采场矿压三维物理模拟试验台，其特征在于：所述设定最大倾斜角度为30°～45°；上述加载装置施加设定最大压力为800～1000千克。

3.根据权利要求1所述的采场矿压三维物理模拟试验台，其特征在于：所述框架式模型台，沿一垂直面分体设计成前部半模型台及后部半模型台，在对模型加载及开采试验过程中前部半模型台与后部半模型台联接固定成一整体，之后对联接处进行拆分，前部半模型台与后部半模型台之间能够相对平移一段使模型得以露出一部。

4.根据权利要求1或2所述的采场矿压三维物理模拟试验台，其特征在于：所述侧墙板，采取多根板条从上至下依次拼接构成，板条与相应加固部之间为可拆分联接。

5.根据权利要求3所述的采场矿压三维物理模拟试验台，其特征在于：所述侧墙板，采取多根板条从上至下依次拼接构成，板条与相应加固部之间为可拆分联接。

6.根据权利要求3或5所述的采场矿压三维物理模拟试验台，其特征在于：所述前部半模型台的底部设置滚动轮，前部半模型台与后部半模型台相邻一对左立柱之间及相邻一对右立柱之间分别设置一只能同步运行的油缸；所述前部半模型台与后部半模型台同侧墙板或底座板对接后通过一过渡联接板件可拆分联接。

7.根据权利要求6所述的采场矿压三维物理模拟试验台，其特征在于：所述过渡联接板件，开设至少左右两列螺纹孔，在同侧墙板或底座板对接处左右侧板体上分别开设对应的螺纹孔列；通过在过渡联接板件与左右侧板体之间各对应螺纹孔组旋紧螺栓实现侧墙板或底座板对接。

8.根据权利要求1所述的采场矿压三维物理模拟试验台，其特征在于：在所述位于前方的侧墙板上设置高强度钢化玻璃区形成观察窗。

9.根据权利要求7所述的采场矿压三维物理模拟试验台，其特征在于：在所述位于前方的侧墙板上设置高强度钢化玻璃区形成观察窗。