CN104458404A - 基于支柱增阻形态的覆岩破断动载特征提取的实验装置 - Google Patents

Abstract

一种基于支柱增阻形态的覆岩破断动载特征提取的实验装置，适用于煤炭开采过程中上覆岩层破断运动规律及其动载特征提取和反演的实验研究。包括压力试验机和数据采集仪，压力试验机上设有试验平台，试验平台上设有液压支柱，液压支柱上设有乳化液管接口，乳化液管接口通过高强度耐压乳化液管连接有集成阀座，集成阀座上设有监测仪组和阀门，集成阀座通过高强度耐压乳化液管连接有乳化液泵；设置在液压缸外壳上的拉绳式位移变送器与集成阀座上的压力变送器均通过电缆线连接到数据采集仪的输入端上。其结构简单，测量精度高，稳定可靠，且安全性高。

Description

基于支柱增阻形态的覆岩破断动载特征提取的实验装置

技术领域

本发明涉及一种覆岩破断动载特征提取的实验装置，尤其适用于煤炭开采过程中上覆岩层破断运动规律及其动载特征提取和反演的实验研究。

背景技术

近年来，随着我国煤炭开发力度的不断加大，随之引发的各类顶板事故也愈加频发，顶板切落压架、端面漏矸冒顶等事故都直接影响着人员、设备的安全以及矿井的高效生产，研究揭示煤炭开采引起的上覆岩层的破断运动规律及其动载特征是解决上述顶板灾害问题的基础。目前，传统的方法是采用理论分析或实验室相似材料模拟和数值模拟方法进行采动覆岩运动规律的研究，但由于煤炭开采地质条件的复杂多变，采用单一固定的理论方法或模拟模型难免与实际情况存在较大误差，且此类方法也不能将工作面实际开采过程中的矿压显现情况嵌入到计算模型中进行验证，由此造成采用相关方法应用于现场的顶板控制设计有时并不适用。

发明内容

技术问题：本发明的目的是克服已有技术中的不足之处，提供一种结构简单、易操作、实验误差小，利用支柱受载后的增阻形态特征准确反演并提取出采动覆岩破断动载特征的实验装置。

技术方案：为实现上述技术目的，本发明的基于支柱增阻形态的覆岩破断动载特征提取的实验装置，它包括压力试验机和数据采集仪，压力试验机上设有试验平台，试验平台上设有加压移动横梁，加压移动横梁下端设有压盘，试验平台上通过加压移动横梁设有液压支柱，液压支柱上设有乳化液管接口，乳化液管接口通过高强度耐压乳化液管连接有集成阀座，集成阀座上设有监测仪组和阀门，集成阀座通过高强度耐压乳化液管连接有乳化液泵；

所述液压支柱包括液压缸，液压缸的底部设有相互配合用于挤压岩层模拟试件的底座和扩展底座，液压缸上设有拉绳式位移变送器和乳化液管接口，液压缸的两侧设有起重吊环，液压缸的活柱顶部设有顶梁，顶梁上设有可调节的并与压力试验机加压移动横梁下端的压盘相匹配的顶梁固定夹，拉绳式位移变送器上牵引出的柔性钢丝绳一端固定在液压支柱活柱顶部的顶梁上，以此监测液压支柱活柱的伸缩位移；

所述集成阀座上的监测仪组包括压力变送器和机械压力表，阀门为安全阀，集成阀座上设有进液口和出液口，所述进液口与液压支柱通过高强度耐压乳化液管相连接，出液口通过截止阀使用高强度耐压乳化液管与乳化液泵相连接；

其中，设置在液压缸外壳上的拉绳式位移变送器与集成阀座上的压力变送器均通过电缆线连接到数据采集仪的输入端上，能将压力变送器和拉绳式位移变送器上的电流变化信号实时采集和记录，并将信号解析为对应的压力值和位移值显示并存储起来。

所述的拉绳式位移变送器型号为WFD20-300-4-20MA，压力变送器型号为MIK-P300-30，数据采集仪型号为SIN-R203D，压力试验机为MTS Criterion64.106型液压伺服万能试验机；所述的液压缸通过顶梁固定夹将液压缸顶梁固定在压力试验机的加压移动横梁下端的压盘上，扩展底座嵌套在压力试验机的试验平台上；所述的压力试验机可以设置多种加载方案，包括预载荷和最终载荷大小、加载的速率，是否变速率加载；所述的当压力试验机施加的载荷量达到安全阀的开启的预设压力阀值时，安全阀开启泄液。

有益效果：本发明利用液压支柱模拟煤矿井下工作面的液压支架，并采用压力试验机的加载来模拟上覆岩层破断运动时传递的载荷，通过改变压力试验机的加载量、加载速度及其加速度，真实地反映液压支柱在上覆岩层破断运动作用下的受力环境和状态，可重复进行液压支柱在不同受载条件下的压力变化情况、增阻形态特征、以及活柱下缩动态变化情况等参数的精确测定；同时，还能通过改变安全阀的开启压力，进行上述参数在液压支柱不同额定工作阻力下的变化规律测定，由此利用测定的各类参数与现场实际的开采条件，就可进行采动覆岩破断动载特征的反演和提取，系统结构简单，测量精度高，稳定性可靠，且安全性好。

与现有技术相比，具有如下优点：

（1）利用压力试验机模拟覆岩载荷，使得模拟载荷具有多样、准确的特性；

（2）采用压力变送器与拉绳式位移传感器能够准确、同步采集液压支柱受载后的增阻特性及活柱伸缩位移关键数据；

（3）采用液压柱底座与扩展底座间夹持岩层模拟试件，更符合实际采场支护顶底板非刚性的条件，数据更可靠，同时岩层模拟试件模拟了实际采场底板的非刚性状况。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图；

图2为本发明的试验加载示意图。

图中：1－顶梁固定夹，2－顶梁，3－起重吊环，4－液压缸，5－底座，6－扩展底座，7—拉绳式位移变送器，8—集成阀座，9—压力变送器，10－机械压力表，11－安全阀，12－截止阀，13－乳化液泵，14－数据采集仪，15－电缆线，16－高强度耐压乳化液管，17－压盘，18－岩层模拟试件，19—压力试验机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步描述：

如图1所示，本发明的基于支柱增阻形态的覆岩破断动载特征提取的实验装置，包括压力试验机19和数据采集仪14，压力试验机19上设有试验平台，试验平台上设有加压移动横梁，加压移动横梁下端设有压盘17，试验平台上通过加压移动横梁设有液压支柱，液压支柱上设有乳化液管接口，乳化液管接口通过高强度耐压乳化液管16连接有集成阀座8，集成阀座8上设有监测仪组和阀门，集成阀座8通过高强度耐压乳化液管16连接有乳化液泵13；

所述液压支柱包括液压缸4，液压缸4的底部设有相互配合用于挤压岩层模拟试件18的底座5和扩展底座6，液压缸4上设有拉绳式位移变送器7和乳化液管接口，液压缸4的两侧设有起重吊环3，液压缸4的活柱顶部设有顶梁2，顶梁2上设有可调节的并与压力试验机19加压移动横梁下端的压盘17相匹配的顶梁固定夹1，拉绳式位移变送器7上牵引出的柔性钢丝绳一端固定在液压支柱活柱顶部的顶梁2上，以此监测液压支柱活柱的伸缩位移；

所述集成阀座8上的监测仪组包括压力变送器9和机械压力表10，阀门为安全阀11，集成阀座8上设有进液口和出液口，所述进液口与液压支柱通过高强度耐压乳化液管16相连接，出液口通过截止阀12使用高强度耐压乳化液管16与乳化液泵13相连接；

其中，设置在液压缸4外壳上的拉绳式位移变送器7与集成阀座8上的压力变送器9均通过电缆线15连接到数据采集仪14的输入端上，能将压力变送器9和拉绳式位移变送器7上的电流变化信号实时采集和记录，并将信号解析为对应的压力值和位移值显示并存储起来。

所述的拉绳式位移变送器7型号为WFD20-300-4-20MA，压力变送器9型号为MIK-P300-30，数据采集仪14型号为SIN-R203D，压力试验机19为MTS Criterion64.106型液压伺服万能试验机。

使用本发明的基于支柱增阻形态的覆岩破断动载特征提取的实验装置进行实验测试的步骤如下：

在液压缸4下方的底座5与扩展底座6间加入做好的岩层模拟试件18，然后通过起重机将液压支柱起重至压力试验机19上方的试验平台上方，并将扩展底座6嵌套在压力试验机19的试验平台上；，开启乳化液泵13对液压支柱的液压缸4进行给压升柱，当液压缸4的活柱顶梁2接触到压力试验机19的移动横梁下端的压盘17时，停止给压；通过顶梁固定夹1将液压缸顶梁2固定在压力试验机19加压移动横梁下端的压盘17上； 

对压力试验机19的加载方案程序进行设计，包括预载荷和最终载荷大小、加载的速率，是否变速率加载等，如此可以通过改变这些参数来设计不同的加载方案，在压力试验机19加载过程中，数据采集仪14实时间隔采集和记录压力变送器9和拉绳式位移变送器7上通过电缆线16传输的电流信号，并将电流信号解析为对应的压力值和位移值，将其呈现在数据采集仪14的显示屏上，同时存储起来供后期分析处理之用，得到了液压支柱受载过程中的压力变化情况、增阻形态、以及活柱下缩动态变化情况；

当压力试验机19施加的载荷量达到安全阀11的开启的预设压力阀值时，安全阀11开启泄液，完成压力试验机19的加载方案实验流程；

重复上述步骤，使用压力试验机19加载不同方案，同时设定不同的安全阀11的开启压力阀值，进行新的实验测试。

Claims (5)

1.一种基于支柱增阻形态的覆岩破断动载特征提取的实验装置，其特征在于：它包括压力试验机（19）和数据采集仪（14），压力试验机（19）上设有试验平台，试验平台上设有加压移动横梁，加压移动横梁下端设有压盘（17），试验平台上通过加压移动横梁设有液压支柱，液压支柱上设有乳化液管接口，乳化液管接口通过高强度耐压乳化液管（16）连接有集成阀座（8），集成阀座（8）上设有监测仪组和阀门，集成阀座（8）通过高强度耐压乳化液管（16）连接有乳化液泵（13）；

所述液压支柱包括液压缸（4），液压缸（4）的底部设有相互配合用于挤压岩层模拟试件（18）的底座（5）和扩展底座（6），液压缸（4）上设有拉绳式位移变送器（7）和乳化液管接口，液压缸（4）的两侧设有起重吊环（3），液压缸（4）的活柱顶部设有顶梁（2），顶梁（2）上设有可调节的并与压力试验机（19）加压移动横梁下端的压盘（17）相匹配的顶梁固定夹（1），拉绳式位移变送器（7）上牵引出的柔性钢丝绳一端固定在液压支柱活柱顶部的顶梁（2）上，以此监测液压支柱活柱的伸缩位移；

所述集成阀座（8）上的监测仪组包括压力变送器（9）和机械压力表（10），阀门为安全阀（11），集成阀座（8）上设有进液口和出液口，所述进液口与液压支柱通过高强度耐压乳化液管（16）相连接，出液口通过截止阀（12）使用高强度耐压乳化液管（16）与乳化液泵（13）相连接；

其中，设置在液压缸（4）外壳上的拉绳式位移变送器（7）与集成阀座（8）上的压力变送器（9）均通过电缆线（15）连接到数据采集仪（14）的输入端上，能将压力变送器（9）和拉绳式位移变送器（7）上的电流变化信号实时采集和记录，并将信号解析为对应的压力值和位移值显示并存储起来。

2. 根据权利要求1所述的基于支柱增阻形态的覆岩破断动载特征提取的实验装置，其特征在于：所述的拉绳式位移变送器（7）型号为WFD20-300-4-20MA，压力变送器（9）型号为MIK-P300-30，数据采集仪（14）型号为SIN-R203D，压力试验机（19）为MTS Criterion64.106型液压伺服万能试验机。

3. 根据权利要求1所述的基于支柱增阻形态的覆岩破断动载特征提取的实验装置，其特征在于：所述的液压缸（4）通过顶梁固定夹（1）将液压缸顶梁（2）固定在压力试验机（19）的加压移动横梁下端的压盘（17）上，扩展底座（6）嵌套在压力试验机（19）的试验平台上。

4. 根据权利要求1所述的基于支柱增阻形态的覆岩破断动载特征提取的实验装置，其特征在于：所述的压力试验机（19）可以设置多种加载方案，包括预载荷和最终载荷大小、加载的速率，是否变速率加载。

5. 根据权利要求1所述的基于支柱增阻形态的覆岩破断动载特征提取的实验装置，其特征在于：所述的当压力试验机（19）施加的载荷量达到安全阀（11）的开启的预设压力阀值时，安全阀（11）开启泄液。