CN102866032B - 相似材料模拟试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明相似材料模拟试验系统涉及一种测量或测试力、应力及位移的仪器，特别是涉及一种用于实验室的利用相似材料模拟监测煤层开挖时支架受载及位移变化的试验系统。其目的是为了提供一种可获得支架与围岩相互作用时支架的实时压力与位移的相似材料模拟试验系统。本发明相似材料模拟试验系统，包括模型支架1、至少一根活柱2、活塞21、立柱3，立柱3内部彼此连通构成液体容腔4，液体容腔内设有液体；还包括第一量筒5和第二量筒6，第一量筒和第二量筒的高度均高于活塞，第一量筒和第二量筒之间在侧壁连通有连接管7；第一量筒的下端通过软管41与液体容腔4连通；还包括分别用于测量两量筒内液位的两个射频电容式液位变送器8和9。

Description

相似材料模拟试验系统

技术领域

本发明涉及一种测量或测试力、应力及位移的仪器，特别是涉及一种用于实验室的利用相似材料模拟监测煤层开挖时支架受载及位移变化的试验系统。

背景技术

目前，在煤层开挖时，常用支架支撑煤层顶底板，以便提供安全回采空间，而支架能否适应该地质条件，则成为工作面能否安全回采的关键。为了采用相似原理模拟实际支架的受载情况，有一种用于实验室的传统的相似材料模拟试验支架，根据模拟试验的结果对支架的适应性和选型进行判断。如申请号为00226585.0、公开号为CN2430746、公开日为2001年5月16日的中国实用新型专利，公开了一种相似材料立体模拟实验支架，不过由此支架构成的试验系统，其测得的压力值是支架固定时的定值，不能全面的反映支架与围岩的相互作用过程，因为实际的支架在受载时会产生位移，而该实验支架是固定而不活动的，该试验系统不能连续的获得支架与围岩相互作用时支架的实时压力与位移，所以不便于对支架的适应性和选型提供可靠的参考。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种可获得支架与围岩相互作用时支架的实时压力与位移的相似材料模拟试验系统。

本发明相似材料模拟试验系统，包括模型支架，其中所述模型支架上固定有至少一根向下伸出的活柱，所述活柱的下端设有活塞，还包括对应所述活柱数量的立柱，所述活塞对应密封滑动连接在所述立柱内，所述立柱内部彼此连通构成液体容腔，所述液体容腔内设有液体；

还包括第一量筒和第二量筒，第一量筒和第二量筒的高度均高于所述活塞，所述第一量筒和第二量筒之间在侧壁连通有连接管，所述连接管连通第一量筒的一端高出另一端；所述第一量筒的下端通过软管与所述液体容腔连通；

还包括第一射频电容式液位变送器和第二射频电容式液位变送器，第一射频电容式液位变送器的电极竖直设置在所述第一量筒内，第二射频电容式液位变送器的电极竖直设置在所述第二量筒内，所述第一射频电容式液位变送器和第二射频电容式液位变送器通过信号传输电缆电连接至计算机。

本发明相似材料模拟试验系统，其中所述活柱的根数为两根。

本发明相似材料模拟试验系统与现有技术不同之处在于本发明相似材料模拟试验系统中模型支架不是固定不动的，模型支架通过活柱推动活塞挤压液体容腔内的液体，通过液位的高度可以反映模型支架的受载压力及位移，通过射频电容式液位变送器可以测量得到相应的液位高度，这样就可以根据相似原理实时得出实际支架的受载及位移曲线，为实际支架的适应性和选型判断提供参考。为了模拟支架的额定工作阻力，采用两个量筒，之间用连接管连接，当液位达到连接管位置时，液体溢出，用来模拟支架的受载压力达到额定工作阻力之后将不再升高。射频电容式液位变送器为现有技术中已较成熟的技术，可以直接将液位数据传输给计算机。

本发明相似材料模拟试验系统中活柱的根数为两根时，相比只采用一根活柱和立柱，支撑的稳定性要好，相比三根或以上根数的活柱，结构要简单。

下面结合附图对本发明相似材料模拟试验系统作进一步说明。

附图说明

图1为本发明相似材料模拟试验系统第一个实施例的正视图；

图2为本发明相似材料模拟试验系统第一个实施例的使用状态图。

具体实施方式

如图1所示的本发明相似材料模拟试验系统第一个实施例，包括模型支架1，模型支架1的具体结构与待选型的真实支架的结构相对应，在此不再赘述，模型支架1上固定有两根向下伸出的活柱2，活柱2的下端设有活塞21，还包括对应活柱2数量的立柱3，活塞21对应密封滑动连接在立柱3内，立柱3内部彼此连通构成液体容腔4，液体容腔4内设有液体，这样模型支架1向下移动时，会挤压液体容腔4内的液体；还包括第一量筒5和第二量筒6，第一量筒5和第二量筒6的高度均高于活塞21，第一量筒5和第二量筒6之间在侧壁连通有连接管7，连接管7连通第一量筒5的一端高出另一端；第一量筒5的下端通过软管41与液体容腔4连通；还包括第一射频电容式液位变送器8和第二射频电容式液位变送器9，第一射频电容式液位变送器8的电极81竖直设置在第一量筒5内，第二射频电容式液位变送器9的电极91竖直设置在第二量筒6内，第一射频电容式液位变送器8和第二射频电容式液位变送器9通过信号传输电缆11电连接至计算机10。这样，第一量筒5内液体的液位达到连接管7的位置后，将从连接管7流入第二量筒6，第一射频电容式液位变送器8用于测量第一量筒5内的液位，第二射频电容式液位变送器9用于测量第二量筒6内的液位。

如图2所示，使用时，开挖模型切眼模拟实际的煤层开采，将模型支架1放入，由于第一量筒5和第二量筒6的高度高于活塞21的高度，活塞21处将承受该高度差造成的液压，此液压可以用来平衡支架承受的压力。调整液体的总量，使第一量筒5内的液位处于刻度线A位置，此时，刻度线A用于模拟支架的初撑力。连接管7与第一量筒5的连接口处的刻度线B模拟支架的额定工作阻力，即表示当模型支架1受载下缩使液体从第一量筒5内溢出至连接管7时，模型支架1承受的压力将不再升高。为了模拟现场实际开挖的时间和尺寸效应，每刀煤开挖时间和进尺严格遵循现场实际工序，割煤、降架、移架、升架，此时支架上部岩层变化会以压力的形式传递给支架，支架会通过位移反映出来，从而挤压液体容腔4。这样，模型支架1承受的压力将可以通过模型支架1的尺寸、液体的密度、第一量筒5内的液位、第一量筒5相对于活塞21的高度计算得到。由于液体受挤压时总体积不变，在模型支架1的承受压力未达到额定工作阻力时，模型支架1的位移可以通过第一量筒5内的液位、第一量筒5的内壁横截面积和活塞21的尺寸计算得到，当模型支架1的承受压力达到额定工作阻力后，模型支架1的位移可以继续通过第二量筒6内的液位、第二量筒6的内壁横截面积和活塞21的尺寸计算得到。所以伴随模型支架1的承载并下移，第一射频电容式液位变送器8和第二射频电容式液位变送器9均可以实时获得液位数据，传送给计算机显示和处理。在开挖下一步时，支架要先降架后移动，移动完毕后，把第二量筒6内的液体倒回第一量筒5内，使第一量筒5内的液位保持在刻度线A位置，使支架1恢复到初撑状态。根据简单的力学理论，即可计算得知模型支架1的受载与位移随时间变化的曲线，利用相似原理，可以计算出实际支架的实时受载压力和位移值，从而为对实际支架的适应性和选型提供参考。相似原理的计算过程在各力学相关教科书中皆有说明，为一般从事力学研究的技术人员所知晓，在此不再赘述。本实施例中，活柱2的根数还可以为一根、三根或以上。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (1)

1.一种相似材料模拟试验系统，包括模型支架(1)，其特征在于：所述模型支架(1)上固定有至少一根向下伸出的活柱(2)，所述活柱(2)的下端设有活塞(21)，还包括对应所述活柱(2)数量的立柱(3)，所述活塞(21)对应密封滑动连接在所述立柱(3)内，所述立柱(3)内部彼此连通构成液体容腔(4)，所述液体容腔(4)内设有液体；

还包括第一量筒(5)和第二量筒(6)，第一量筒(5)和第二量筒(6)的高度均高于所述活塞(21)，所述第一量筒(5)和第二量筒(6)之间在侧壁连通有连接管(7)，所述连接管(7)连通第一量筒(5)的一端高出另一端；所述第一量筒(5)的下端通过软管(41)与所述液体容腔(4)连通；所述第一量筒(5)上设有模拟支架初撑力的刻度线A和模拟支架额定工作阻力的刻度线B，所述刻度线A位于所述第一量筒(5)的下部，所述刻度线B位于所述连接管(7)与第一量筒(5)的连接口处；

还包括第一射频电容式液位变送器(8)和第二射频电容式液位变送器(9)，第一射频电容式液位变送器(8)的电极(81)竖直设置在所述第一量筒(5)内，第二射频电容式液位变送器(9)的电极(91)竖直设置在所述第二量筒(6)内，所述第一射频电容式液位变送器(8)和第二射频电容式液位变送器(9)通过信号传输电缆(11)电连接至计算机(10)；所述活柱(2)的根数为两根。