CN104713779B - 一种矿用模拟试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矿用模拟试验装置，包括试验箱体和至少两组加载单元，在试验箱体的上部安装有导轨，导轨的两端分别伸出于试验箱体的外侧；每组加载单元能够沿导轨滑动地安装在导轨上；每组加载单元包括至少一根加载横梁，每根加载横梁上设置有多台加载电机，每台加载电机的电机输出端上均设置有用于向待测对象施加压力的加载板；加载横梁滑动地安装在导轨上，加载电机的一端连接在加载横梁上，电机输出端垂直向下设置，且电机输出端上连接有垂直设置的丝杠，加载板连接在丝杠上，加载板从顶部开口伸入试验箱体内；加载板与电机输出端之间还连接有压力传感器；每组加载单元中还包括用于驱动加载单元沿着导轨移动的驱动单元。

Description

一种矿用模拟试验装置

技术领域

本发明涉及地下工程模拟试验技术领域，尤其涉及一种能够进行三维模拟试验、平面模拟试验和对含水层疏排功能模拟试验的矿用模拟试验装置。

背景技术

地下工程室内模型试验装置，无论是平面的还是立体的，在国内外均比较成熟，如美国、德国、波兰等国家的相关试验室，以及国内铁道科学研究院、交通部重庆公路科学研究所、中国矿业大学、总参工程兵第三研究所、西安科技大学、山东科技大学等单位都有相关的试验装备。

但现有的相似材料模拟试验设备，其结构复杂、体积大，加载时通过气缸加载，并且气缸固定安装在顶板上，无法左右移动，如需打开上部的加载装置时，需要使用吊车将整个上部构件吊起，操作繁琐，并且费用高。并且现有的相似材料模拟设备，其通过气缸带动整块加载板下压，不能根据不同的需要，对不同部位进行加压，仅能针对一种类型的材料进行操作。

现有的相似材料模拟试验设备，一般一台设备仅能进行一种类型的试验模拟，并且在相似材料模型试验中模拟压力水具有一定的困难，既要保证地层压力和水压力的模拟加载相互独立，又要保证整个试验装置的密封，因此试验难度很大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种结构简单，操作方便，能够进行三维模拟试验、平面模拟试验和对含水层疏排功能模拟试验的矿用模拟试验装置。

本发明技术方案提供一种矿用模拟试验装置，包括具有顶部开口的试验箱体和安装在所述试验箱体上方的至少两组加载单元，所述试验箱体上设置有密封门；在所述试验箱体的上部安装有导轨，所述导轨的两端分别伸出于所述试验箱体的外侧，所述导轨的两端分别通过支撑杆支撑连接在所述试验箱体上；每组所述加载单元能够沿所述导轨滑动地安装在所述导轨上；每组所述加载单元包括至少一根加载横梁，每根所述加载横梁上设置有多台加载电机，每台所述加载电机的电机输出端上均设置有用于向待测对象施加压力的加载板；所述加载横梁滑动地安装在所述导轨上，所述加载电机的一端连接在所述加载横梁上，所述电机输出端垂直向下设置，且所述电机输出端上连接有垂直设置的丝杠，所述加载板连接在所述丝杠上，所述加载板从所述顶部开口伸入所述试验箱体内；所述加载板与所述电机输出端之间还连接有压力传感器；每组所述加载单元中还包括用于驱动所述加载单元沿着所述导轨移动的驱动单元。

进一步地，每组所述加载单元包括多根所述加载横梁，每组所述加载单元的多根所述加载横梁之间通过连接板连接在一起。

进一步地，所述驱动单元包括驱动电机，所述试验箱体的上方设置有两根平行设置的所述导轨，所述导轨上设置有导轨槽，所述驱动电机安装在所述加载横梁上，并且所述驱动电机的两个输出端上均连接有滚轮，两个所述滚轮分别配置在两条所述导轨槽内。

进一步地，该矿用模拟试验装置还包括用于放置入所述试验箱体内对含水层进行疏排水模拟试验的含水层疏排水试验箱体；所述含水层疏排水试验箱体的底板上设置有进水孔和排水孔，所述排出孔上安装有流量计；多个所述加载板可选择性地顶紧在所述排水试验箱体的顶板上。

进一步地，该矿用模拟试验装置还包括用于放置入所述试验箱体内对待试验材料进行平面模拟试验的平面试验箱体，所述平面试验箱体的宽度小于30cm；多个所述加载板可选择性地顶紧在所述平面试验箱体的顶板上。

进一步地，该矿用模拟试验装置还包括用于放置入所述试验箱体内对待试验材料进行三维模拟试验的三维试验箱体；多个所述加载板可选择性地顶紧在所述三维试验箱体的顶板上。

进一步地，所述试验箱体内还设置有用于监测待试验材料的压力和温度的监测器。

进一步地，所述矿用模拟试验装置还包括计算控制单元，所述监测器与所述压力传感器均通过数据线与所述计算控制单元连接。

采用上述技术方案，具有如下有益效果：

通过在顶板上设置导轨，将加载单元滑动地安装在导轨上，可以实现两组加载单元左右滑动，利于操作，并可以对不同宽度的试验箱体进行加压。每个加载单元通过一个加载电机向一块加载板进行加压，便于灵活调整所需加压位置，可以实现对待测物料的侧压试验。

通过试验箱体，可以对待试验材料进行三维模拟，通过设置含水层疏排水试验箱体，可以对地下含水层疏排水进行试验。通过设置平面试验箱体，可以对待试验材料进行平面模拟试验，从而通过一套设备可以实现将三维模拟试验、平面模拟试验和对含水层疏排功能模拟试验集于一体，方便使用与操作，并降低了成本。

附图说明

图1为本发明提供的一种矿用模拟试验装置的主视图；

图2为图1所示的矿用模拟试验装置的侧视图；

图3为矿用模拟试验装置上部设置有架在横梁的结构示意图；

图4为导轨上设置有加载单元的俯视图；

图5为加载电机、丝杠和加载板的连接示意图；

图6为设置有两组加载横梁，每组加载横梁上设置有多个加载电机的示意图；

图7为向三维试验箱体的顶板施加压力的示意图；

图8为含水层疏排水试验箱体的结构示意图；

图9为平面试验箱体的结构示意图；

附图标记对照表：

1-试验箱体； 11-密封门； 12-支撑杆；

2-加载单元； 21-加载横梁； 22-加载电机；

23-压力传感器； 24-加载板； 25-连接板；

26-丝杠； 27-电机输出端； 3-导轨；

31-导轨槽； 4-监测器； 5-含水层疏排水试验箱体；

51-底板； 52-进水孔； 53-排水孔；

54-流量计； 55-斜井结构； 56-顶板；

6-平面试验箱体； 61-顶板； 7-驱动单元；

71-驱动电机； 72-滚轮； 8-三维试验箱体；

81-顶板； 82-观测孔。

具体实施方式

下面结合附图来进一步说明本发明的具体实施方式。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

如图1-6所示，本发明提供的一种矿用模拟试验装置，包括密闭的试验箱体1和安装在试验箱体1上方的至少两组加载单元2，试验箱体1上设置有密封门11。

在试验箱体1的上部安装有导轨3，导轨3的两端分别伸出于试验箱体1的外侧，导轨3的两端分别通过支撑杆12支撑连接在试验箱体1上。

每组加载单元2能够沿导轨3滑动地安装在导轨3上。每组加载单元2包括至少一根加载横梁21，每根加载横梁21上设置有多台加载电机22，每台加载电机22的电机输出端27上均设置有用于向待测对象施加压力的加载板24。

加载横梁21滑动地安装在导轨3上，加载电机21的一端连接在加载横梁21上，电机输出端27垂直向下设置，且电机输出端27上连接有垂直设置的丝杠26，加载板24连接在丝杠26上，加载板24从顶部开口伸入试验箱体1内。

加载板24与电机输出端27之间还连接有压力传感器23，每组加载单元2中还包括用于驱动加载单元2沿着导轨3移动的驱动单元7。

也即是，该矿用模拟试验装置包括试验箱体1，试验箱体1上部具有开口，用于顶部加载单元1向放置在试验箱体1内的待检测材料施加压力。在试验箱体1相对的两侧分别开设密封门11，用于待试验材料进出，并在将待实验材料放置入试验箱体1之后，该密封门11关闭起到密封作用，避免与外界干扰。该密封门11优选地选择有机玻璃制成。

在试验箱体1的上方，也即是试验箱体1的顶板11的上方设置导轨3，优选地设置两条平行条规3。在导轨3上配置可以滑动地至少两组加载单元2，用于向待检测对象或物料施加压力，模拟地表所承受的外部压力。

每组加载单元2都包括加载横梁21、加载电机22、压力传感器23和加载板24。

加载横梁21滑动地安装在导轨3上，加载电机22的上端连接在加载横梁21上，其电机输出端27与加载板24连接，并且在加载板24与加载电机22的输出端之间设置有压力传感器23，用于检测加载电机22所施加的压力。电机输出端27上连接有丝杠26，加载板24连接在丝杠26上，通过丝杠26将电机的转动转变为直线运动，从而带动加载板24上下移动。

在每组加载单元2中还包括有驱动单元7，用于驱动加载单元2沿着导轨3移动。通过设置该驱动单元7，可以驱动加载单元2移动，使得两组加载单元2能够朝向同向或异向移动。

并且，导轨3的两端分别伸出在实验箱体1之外，可以在需要打开试验箱体1的顶部开口时，直接通过驱动两组加载单元2分别向导轨3的端部移动，实现打开试验箱体1的顶部，而无需采用吊机等装置，将整个加载单元2移开。

并且，还可以通过驱动加载单元2移动至合适位置，对不同位置的待实验对象进行加压检测，提高了试用范围。

由于每个加载单元2中包括多台加载电机22，每台加载电机22的下方单独设置有一块加载板24，由此，可以通过单独控制不同加载电机22来控制不同的加载板24，实现对不同位置的对象进行加压，并且可以实现对待测对象弯曲应力检测模拟，便于灵活调整所需加压位置

工作时，加载电机22工作，将压力传递至加载板24，加载板24顶紧在待测对象上，从而将压力传递至待测对象上，最终传递至在试验箱体1内的待试验材料。模拟地下工程结构所在地层，通过顶部伺服加载电机22和加载板24，施加模型地层上部地层压力，模拟初始地应力。

由此，本发明提供的一种矿用模拟试验装置，保证了试验的密封性能，并可以对不同宽度的试验箱体进行加压。每个加载单元通过一个加载电机向一块加载板进行加压，便于灵活调整所需加压位置。

较佳地，如图3-4所示，每组加载单元2包括多根加载横梁21，每组加载单元2的多根加载横梁21之间通过连接板25连接在一起。从而可以实现每组加载单元2一体移动，一体带动加载横梁21上的多台加载电机22移动。

较佳地，如图1和图4所示，驱动单元7包括驱动电机71，试验箱体1的上方设置有两根平行设置的导轨3，导轨3上设置有导轨槽31，驱动电机71安装在加载横梁21上，并且驱动电机71的两个输出端上均连接有滚轮72，两个滚轮72分别配置在两条导轨槽31内。

通过设置驱动电机71，并将其输出端的滚轮72配置在导轨槽31内，可以通过驱动电机71带动加载单元2及其加载横梁21沿着导轨3移动，方便操作。

较佳地，如图8所示，该矿用模拟试验装置还包括用于放置入试验箱体1内对含水层进行疏排水模拟试验的含水层疏排水试验箱体5；含水层疏排水试验箱体5的底板51上设置有进水孔52和排水孔53，排出孔53上安装有流量计54，多个加载板24可选择性地顶紧在排水试验箱体5的顶板56上。

多个加载板24可以根据需要全部顶紧在顶板56上，也可以根据需要选择部分顶紧在顶板56上，称之为多个加载板24可选择性地顶紧在排水试验箱体5的顶板56上。

当需要对含水层进行疏排水模拟试验时，将含水层材料装入含水层疏排水试验箱体5内，并在含水层材料内开设斜井结构55，模拟地下工程结构所在地层，并在铺设相似材料的同时，将需要模拟的地下结构预埋其中(例如图中斜井结构55)；通过顶部加载电机22和加载板24，向顶板56施加模型地层上部地层压力，模拟初始地应力；关闭排水孔53，打开进水孔52，通过进水孔52向模型内部注水，并达到一定水压；之后关闭进水孔52，打开排水孔53，通过流量计54控制排水速度，监测地层和结构的位移和应力变化情况，实现地层疏排水固流耦合相似材料模型试验。

较佳地，如图9所示，该矿用模拟试验装置还包括用于放置入试验箱体1内对待试验材料进行平面模拟试验的平面试验箱体6，平面试验箱体6的宽度小于30cm，多个加载板24可选择性地顶紧在平面试验箱体6的顶板61上。

多个加载板24可以根据需要全部顶紧在顶板61上，也可以根据需要选择部分顶紧在顶板61上，称之为多个加载板24可选择性地顶紧在平面试验箱体6的顶板61上。

通过添加平面试验箱体6或试验框架，将试验箱体的宽度减小至所需值(30cm)，同样经过相似模型材料铺设、顶部加载电机22加压、地下工程结构开挖等步骤，进行平面相似材料模型试验。

如图7所示，该矿用模拟试验装置还包括用于放置入试验箱体1内对待试验材料进行三维模拟试验的三维试验箱体8；多个加载板24可选择性地顶紧在三维试验箱体8的顶板81上。三维模拟地下工程结构所在地层，通过顶部伺服加载电机22和加载板24，施加模型地层上部地层压力，模拟初始地应力。对地层初始情况模拟完成以后，可以打开密封门11，进行地下工程结构的开挖模拟，进行三维相似材料模型试验。

多个加载板24可以根据需要全部顶紧在顶板81上，也可以根据需要选择部分顶紧在顶板81上，称之为多个加载板24可选择性地顶紧在三维试验箱体8的顶板81上。

为了便于观测，在三维试验箱体8上设置有观测孔82。

较佳地，如图2所示，试验箱体1内还设置有用于监测待试验材料的压力和温度的监测器4。用于监测内部待试验材料的变化，进行实验观察。

较佳地，矿用模拟试验装置还包括计算控制单元，监测器4与压力传感器23均通过数据线与所述计算控制单元连接，用于将数据输出，外部观察实验，方便操作。

密封门11上设置有观测孔，用于实验者观测内部变化及实验情况。

本发明中提到的三维模拟实验，是指模拟材料在地表下所承受压力时，三维空间内变化情况。本发明中所提到的平面模拟试验，是指模拟材料在地表下所承受压力时，某个平面内的变化情况。

综上，本发明提供的矿用模拟试验装置，其加载单元可以根据需要移动，方便操作，并可以进行三维、平面以及含水层疏排水模型试验，解决了在密封条件下，施加和减小地层水压，模拟含水层疏排水所产生地层沉降的问题。

根据需要，可以将上述各技术方案进行结合，以达到最佳技术效果。

以上所述的仅是本发明的原理和较佳的实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在本发明原理的基础上，还可以做出若干其它变型，也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种矿用模拟试验装置，包括具有顶部开口的试验箱体和安装在所述试验箱体上方的两组加载单元，其特征在于，

所述试验箱体上设置有密封门；

在所述试验箱体的上部安装有导轨，所述导轨的两端分别伸出于所述试验箱体的外侧，所述导轨的两端分别通过支撑杆支撑连接在所述试验箱体上；

每组所述加载单元能够沿所述导轨滑动地安装在所述导轨上；

每组所述加载单元包括至少一根加载横梁，每根所述加载横梁上设置有多台加载电机，每台所述加载电机的电机输出端上均设置有用于向待测对象施加压力的加载板；

所述加载横梁滑动地安装在所述导轨上，所述加载电机的一端连接在所述加载横梁上，所述电机输出端垂直向下设置，且所述电机输出端上连接有垂直设置的丝杠，所述加载板连接在所述丝杠上，所述加载板从所述顶部开口伸入所述试验箱体内；

所述加载板与所述电机输出端之间还连接有压力传感器；

每组所述加载单元中还包括用于驱动所述加载单元沿着所述导轨移动的驱动单元；

在需要打开所述试验箱体的所述顶部开口时，通过所述驱动单元驱动两组所述加载单元分别向所述导轨的端部移动，以打开所述试验箱体的所述顶部开口。

2.根据权利要求1所述的一种矿用模拟试验装置，其特征在于，每组所述加载单元包括多根所述加载横梁，每组所述加载单元的多根所述加载横梁之间通过连接板连接在一起。

3.根据权利要求1或2所述的一种矿用模拟试验装置，其特征在于，所述驱动单元包括驱动电机，

所述试验箱体的上方设置有两根平行设置的所述导轨，所述导轨上设置有导轨槽，

所述驱动电机安装在所述加载横梁上，并且所述驱动电机的两个输出端上均连接有滚轮，两个所述滚轮分别配置在两条所述导轨槽内。

4.根据权利要求3所述的一种矿用模拟试验装置，其特征在于，该矿用模拟试验装置还包括用于放置入所述试验箱体内对含水层进行疏排水模拟试验的含水层疏排水试验箱体；

所述含水层疏排水试验箱体的底板上设置有进水孔和排水孔，所述排出孔上安装有流量计；

多个所述加载板可选择性地顶紧在所述排水试验箱体的顶板上。

5.根据权利要求3所述的一种矿用模拟试验装置，其特征在于，该矿用模拟试验装置还包括用于放置入所述试验箱体内对待试验材料进行平面模拟试验的平面试验箱体，所述平面试验箱体的宽度小于30cm；

多个所述加载板可选择性地顶紧在所述平面试验箱体的顶板上。

6.根据权利要求3所述的一种矿用模拟试验装置，其特征在于，该矿用模拟试验装置还包括用于放置入所述试验箱体内对待试验材料进行三维模拟试验的三维试验箱体；

多个所述加载板可选择性地顶紧在所述三维试验箱体的顶板上。

7.根据权利要求1所述的一种矿用模拟试验装置，其特征在于，所述试验箱体内还设置有用于监测待试验材料的压力和温度的监测器。

8.根据权利要求7所述的一种矿用模拟试验装置，其特征在于，所述矿用模拟试验装置还包括计算控制单元，所述监测器与所述压力传感器均通过数据线与所述计算控制单元连接。