CN105719559B - 一种模拟井下巷道收敛变形实验装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟井下巷道收敛变形实验装置及其使用方法，涉及工程安全监测技术领域，包括机架装置，信息处理装置，巷道收敛装置和变形测量装置；本发明在充分了解井下巷道失稳机理的前提下，抓住巷道破坏的几个关键因素以及表观现象，设计出一套能够模拟井下巷道收敛变形的实验装置，能直观表现井下巷道形变的发生过程，配合实时分析解说能更加直观的说明产生井下巷道收敛及导致安全事故的原因和失稳机理，为系统、有针对性地进行深部巷道大变形安全工程的进阶研究创造了条件，同时也设计出一套用于监测井下巷道变形的非接触测量装置，演示了可行的具体监测方法，为井下工程的安全保证提供了新的方式。

Description

一种模拟井下巷道收敛变形实验装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及工程安全监测技术领域，具体涉及一种模拟井下巷道收敛变形实验装置及其使用方法。

背景技术

现今，我国正处在经济高速发展和转型的时期，各个行业均发展迅速，与此同时，大规模的能源开采应用以及生产规模的迅速提升，导致我们需要面对比以往更加严峻的安全问题；矿压失稳引起的巷道变形、坍塌事故越发严重，对井下作业的工人构成了巨大的人身威胁。

随着我国浅部煤炭资源的枯竭，地下开采深度越来越大，在深部高应力环境中，浅层表现为硬岩特性的岩层呈现出软岩特性，巷道围岩长期变形，但无论是初次支护的新掘巷道还是实施了多次支护的修复巷道，其巷道支护体破坏都经历一个过程，总是从某一个或几个部位首先产生变形、损坏、破坏、进而整个巷道面失稳。具体表现特征是：沿巷道断面各个方向的位移速度及其量值不同，总是从剧烈变形的部位发生裂纹，鳞状剥落，片状冒落，变形破坏区域逐渐扩大，最终导致整体失稳。但无论何种机理引起的失稳，都会持续一定的时间及变形阶段，基本为：开挖、初期加速变形、线性变形(或稳定期)、加速度变形、失稳破坏等几个过程，这就给巷道安全监测及安全分析预测提供了基本的理论支持。目前，深部巷道大变形已经成为深部工程安全的瓶颈之一。

通过专利检索，存在以下已知的技术方案：

专利1：

申请号：201120226048.6，申请日：2011-06-29，授权公告日：2012-01-18，一种嵌入式巷道底鼓相似模拟实验装置，在橡胶囊体中部设置有与橡胶囊体内相联通的充气管，充气管上设置进气阀和安装有压力表的三通管，进气阀通过管道与打气筒相联通，橡胶囊体的右侧设置装有排气阀与囊体内相联通的排气管，橡胶囊体的左侧设置安装有排气阀与橡胶囊体内相联通的排气管。本实用新型采用给橡胶囊体内充气，使橡胶囊体鼓胀顶起模拟岩层，实现对巷道底鼓的模拟，实时监测并采集底鼓所造成的压力以及变形位移量，以掌握巷道底鼓过程底板岩层底鼓力的变化。本实用新型具有结构简单、操作方便、测试精度高等优点，可用于做相似模拟实验。

专利2：

申请号：201320507400.2，申请日：2013-08-19，授权公告日：2014-03-05，一种巷道围岩二维应力模拟平面实验装置，包括设在底座两侧的左立柱和右立柱，左立柱、右立柱顶端固定有横梁，横梁下方设有上千斤顶和上传力板，右立柱内侧设有中空管支撑架，中空管支撑架上设置有侧向千斤顶和侧向传力板，侧向传力板上固定有定向杆，还包括试模铺填时用于侧护的槽钢。本实用新型具有设计合理、结构简单、操作简便、能同时进行垂直和水平方向加载等优点，可作为相似模拟平面实验装置，进行巷道不同侧压系数条件下的相似模拟加载实验，进行巷道断面参数的确定、巷道支护方式的选择、巷道变形破坏的预测等模拟实验。

专利3：

申请号：201410483291.4，申请日：2014-09-19，授权公告日：2014-12-10，本发明公开了一种大型巷道支护实验室模拟系统，包括大型巷道支护模拟系统、加压传力系统和支护数据采集系统，大型巷道支护模拟系统由大型巷道外形模拟机构和支护模拟机构组成；加压传力系统包括底座、侧向加压传力机构、轴向加压传力机构、侧压动力系统和轴压动力系统；支护数据采集系统包括轴向引伸计、径向引伸计、计算机、EDC数字控制器和加压控制器；每根锚杆外露在橡胶圈内部的端部均安装有声发射传感器。本发明还公开了一种大型巷道支护实验室模拟方法。本发明能够根据不同矿井的地质情况真实模拟井下巷道的支护效果以及巷道在压力作用下产生巷帮变形、底鼓的条件，且能够模拟出巷道在扰动作用下蠕变失稳变形状态。

通过以上的检索发现，以上技术方案没有影响本发明的新颖性；并且以上专利文件的相互组合没有破坏本发明的创造性。

发明内容

(一)解决的技术问题

本发明所要解决的技术问题是提供了一种模拟井下巷道收敛变形实验装置及其使用方法，在充分了解井下巷道失稳机理的前提下，抓住巷道破坏的几个关键因素以及表观现象，设计出一套能够模拟井下巷道收敛变形的实验装置，以克服浅部煤炭资源的枯竭，矿压失稳引起的巷道变形、坍塌事故越发严重，对井下作业的工人构成了巨大的人身威胁，深部巷道大变形已经成为深部工程安全研究瓶颈的问题。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种模拟井下巷道收敛变形实验装置，包括机架装置(1)，信息处理装置(2)，巷道收敛装置(3)和变形测量装置(4)，所述机架装置(1)连接有信息处理装置(2)和巷道收敛装置(3)，所述巷道收敛装置(3)连接有变形测量装置(4)；所述机架装置(1)包括主支架(101)，操作面板(102)和滚轮(103)，所述主支架(101)连接有操作面板(102)，所述主支架(101)底部连接有滚轮(103)，所述主支架(101)还连接有外壳；所述主支架(101)均布对称连接有四个巷道收敛装置(3)，所述巷道收敛装置(3)包括位移电机(301)，齿轮(302)，齿条(303)，滑轨(304)，轨道(305)，限位传感器(306)和拉线传感器(307)，所述主支架(101)上设有位移电机(301)，轨道(305)和拉线传感器(307)，所述位移电机(301)连接有齿轮(302)，所述齿轮(302)连接有齿条(303)，所述轨道(305)连接有滑轨(304)，所述滑轨(304)连接有拉线传感器(307)，所述轨道(305)上设有限位传感器(306)，所述齿条(303)和滑轨(304)固定连接有模拟巷道(5)。

进一步的，所述变形测量装置(4)包括测距仪支架(401)，步进电机(402)和全断面扫描仪(403)，所述四个巷道收敛装置(3)中，左右两个巷道收敛装置(3)内侧主支架(101)上均设有测距仪支架(401)，左右两个巷道收敛装置(3)其中一个内侧主支架(101)上设有步进电机(402)，所述步进电机(402)连接有全断面扫描仪(403)。

进一步的，所述主支架(101)连接有信息处理装置(2)，所述信息处理装置(2)包括供电模块(201)，中央逻辑控制器(202)，数据接收模块(203)和无线数据发射模块(204)，所述供电模块(201)连接有中央逻辑控制器(202)，数据接收模块(203)和无线数据发射模块(204)，所述中央逻辑控制器(202)连接有数据接收模块(203)和无线数据发射模块(204)。

进一步的，所述操作面板(102)上设有触摸屏(1021)，所述触摸屏(1021)上设有运行动态演示区(1022)，按键区(1023)和运行指示灯区(1024)。

一种模拟井下巷道收敛变形实验装置的使用方法，包括以下步骤：

1)通过操作面板(102)选择既定的自动形变方式程序或手动自定义操作形变方式进行形变；

2)无线数据发射模块(204)将接收到的命令传递至中央逻辑控制器(202)，中央逻辑控制器(202)启动巷道收敛装置(3)和变形测量装置(4)；

3)中央逻辑控制器(202)根据设定的形变方式综合控制四个位移电机(301)带动齿轮(302)转动，进而带动齿条(303)以及连接于齿条(303)和滑轨(304)上的巷道模型(5)沿导轨(305)往返直线运动；

4)限位传感器(306)提供位移量保护，拉线传感器(307)反馈位置信息，中央逻辑控制器(202)控制触摸屏(1021)的运行动态演示区(1022)和运行指示灯区(1024)显示运行状态及位移数值，整体提示形变状态；

5)步进电机(402)带动全断面扫描仪(403)旋转，对内壁形状进行360度范围的检测，通过无线数据发射模块(204)将结果发送并显示于显示屏(1023)中；

6)操作者分析信息，进行记录或进行其他操作。

(三)有益效果

本发明设计出一套能够模拟井下巷道收敛变形的实验装置，可以用于井下巷道收敛变形的教学演示，能直观表现井下巷道形变的发生过程，配合实时分析解说能更加直观的说明产生井下巷道收敛及导致安全事故的原因和失稳机理，为系统、有针对性地进行深部巷道大变形安全工程的进阶研究创造了条件，同时也设计出一套用于监测井下巷道变形的非接触测量装置，演示了可行的具体监测方法，为井下工程的安全保证提供了新的方式。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明机架装置的结构示意图；

图3为本发明操作面板的主视图；

图4为本发明信息处理装置的主视图；

图5为本发明巷道收敛装置的主视图；

图6为本发明巷道收敛装置的侧视剖视图；

图7为本发明变形测量装置的结构示意图；

图8为本发明模拟巷道的形变示意图；

图9为本发明整体数据处理框图。

图中：

1、机架装置；101、主支架；102、操作面板；1021、触摸屏；1022、运行动态演示区；1023、按键区；1024、运行指示灯区；103、滚轮；

2、信息处理装置；201、供电模块；202、中央逻辑控制器；203、数据接收模块；204、无线数据发射模块；

3、巷道收敛装置；301、电机；302、齿轮；303、齿条；304、滑轨；305、轨道；306、限位传感器；307、拉线传感器；

4、变形测量装置；401、测距仪支架；402、步进电机；403、全断面扫描仪；

5、模拟巷道；501、正常模拟巷道；502、形变模拟巷道。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图8所示，为模拟巷道5在形变实验后的结构示意图，其中非形变部分为正常模拟巷道501，形变部分为形变模拟巷道502。

结合图1～9所示，包括机架装置1，信息处理装置2，巷道收敛装置3和变形测量装置4，所述机架装置1连接有信息处理装置2和巷道收敛装置3，所述巷道收敛装置3连接有变形测量装置4；所述机架装置1包括主支架101，操作面板102和滚轮103，所述主支架101连接有操作面板102，所述主支架101底部连接有滚轮103，所述主支架101还连接有外壳；所述主支架101均布对称连接有四个巷道收敛装置3，所述巷道收敛装置3包括位移电机301，齿轮302，齿条303，滑轨304，轨道305，限位传感器306和拉线传感器307，所述主支架101上设有位移电机301，轨道305和拉线传感器307，所述位移电机301连接有齿轮302，所述齿轮302连接有齿条303，所述轨道305连接有滑轨304，所述滑轨304连接有拉线传感器307，所述轨道305上设有限位传感器306，所述齿条303和滑轨304固定连接有模拟巷道5。

优选的，所述变形测量装置4包括测距仪支架401，步进电机402和全断面扫描仪403，所述四个巷道收敛装置3中，左右两个巷道收敛装置3内侧主支架101上均设有测距仪支架401，左右两个巷道收敛装置3其中一个内侧主支架101上设有步进电机402，所述步进电机402连接有全断面扫描仪403。

优选的，所述主支架101连接有信息处理装置2，所述信息处理装置2包括供电模块201，中央逻辑控制器202，数据接收模块203和无线数据发射模块204，所述供电模块201连接有中央逻辑控制器202，数据接收模块203和无线数据发射模块204，所述中央逻辑控制器202连接有数据接收模块203和无线数据发射模块204。

优选的，所述操作面板102上设有触摸屏1021，所述触摸屏1021上设有运行动态演示区1022，按键区1023和运行指示灯区1024。

主支架101由方钢焊接构成，底部有便于移动的滚轮103，模拟巷道5表面为奥松板饰面，表面以真实岩石地层节理喷绘，模拟巷道5变形的部分采用柔性材料连接，在模拟巷道5收敛变形过程中在外观上始终保持模拟巷道5的完整性。

四个巷道收敛装置3位于模拟巷道5的中间部位，其运动构建均为独立的，可分别演示下部上移的“底鼓”变形、左右两侧向内位移的“平移收敛”变形、以及顶部向下位移的“顶板下沉”变形，另外，还可同步演示四部分的同步收敛变形。

数据接收模块203和无线数据发射模块204在无人操作的情况下，可实现数据的自动采集和无线发射，实现自动采集及远程监测，可极大的提高监测的自动化程度，且通过无线数据发射模块204实现了机体和操作界面的分离，模拟井上井下之间的无线通讯。

具体使用时，包括以下步骤：

1)通过操作面板102选择既定的自动形变方式程序或手动自定义操作形变方式进行形变；

2)无线数据发射模块204将接收到的命令传递至中央逻辑控制器202，中央逻辑控制器202启动巷道收敛装置3和变形测量装置4；

3)中央逻辑控制器202根据设定的形变方式综合控制四个位移电机301带动齿轮302转动，进而带动齿条303以及连接于齿条303和滑轨304上的巷道模型5沿导轨305往返直线运动；

4)限位传感器306提供位移量保护，拉线传感器307反馈位置信息，中央逻辑控制器202控制触摸屏1021的运行动态演示区1022和运行指示灯区1024显示运行状态及位移数值，整体提示形变状态；

5)步进电机402带动全断面扫描仪403旋转，对内壁形状进行360度范围的检测，通过无线数据发射模块204将结果发送并显示于显示屏1023中；

6)操作者分析信息，进行记录或进行其他操作。

滑轨304与轨道305相对运动的具体过程为电动机301带动齿轮302转动，齿轮302和齿条303相互作用，实现平移移动的收敛和扩大动作，平移过程中模拟巷道5的形变部分与滑轨304固定连接，跟随滑轨304在轨道305上前后滑动，实现稳定移动。

滑轨305上安装有限位传感器306，用于限定位移部分的最大最小行程，当运行到预定的位移极限时自动断开电动机301电源，起到保护作用。

综上，本发明实施例具有如下有益效果：可以用于井下巷道收敛变形的教学演示，能直观表现井下巷道形变的发生过程，配合实时分析解说能更加直观的说明产生井下巷道收敛及导致安全事故的原因和失稳机理，为系统、有针对性地进行深部巷道大变形安全工程的进阶研究创造了条件，同时也设计出一套用于监测井下巷道变形的非接触测量装置，演示了可行的具体监测方法，为井下工程的安全保证提供了新的方式。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种模拟井下巷道收敛变形实验装置，包括机架装置(1)，其特征在于：还包括信息处理装置(2)，巷道收敛装置(3)和变形测量装置(4)，所述机架装置(1)连接有信息处理装置(2)和巷道收敛装置(3)，所述巷道收敛装置(3)连接有变形测量装置(4)；所述机架装置(1)包括主支架(101)，操作面板(102)和滚轮(103)，所述主支架(101)连接有操作面板(102)，所述主支架(101)底部连接有滚轮(103)，所述主支架(101)还连接有外壳；所述主支架(101)均布对称连接有四个巷道收敛装置(3)，所述巷道收敛装置(3)包括位移电机(301)，齿轮(302)，齿条(303)，滑轨(304)，轨道(305)，限位传感器(306)和拉线传感器(307)，所述主支架(101)上设有位移电机(301)，轨道(305)和拉线传感器(307)，所述位移电机(301)连接有齿轮(302)，所述齿轮(302)连接有齿条(303)，所述轨道(305)连接有滑轨(304)，所述滑轨(304)连接有拉线传感器(307)，所述轨道(305)上设有限位传感器(306)，所述齿条(303)和滑轨(304)固定连接有模拟巷道(5)。

2.根据权利要求1所述的一种模拟井下巷道收敛变形实验装置，其特征在于：所述变形测量装置(4)包括测距仪支架(401)，步进电机(402)和全断面扫描仪(403)，所述四个巷道收敛装置(3)中，左右两个巷道收敛装置(3)内侧主支架(101)上均设有测距仪支架(401)，左右两个巷道收敛装置(3)其中一个内侧主支架(101)上设有步进电机(402)，所述步进电机(402)连接有全断面扫描仪(403)。

3.根据权利要求2所述的一种模拟井下巷道收敛变形实验装置，其特征在于：所述主支架(101)连接有信息处理装置(2)，所述信息处理装置(2)包括供电模块(201)，中央逻辑控制器(202)，数据接收模块(203)和无线数据发射模块(204)，所述供电模块(201)连接有中央逻辑控制器(202)，数据接收模块(203)和无线数据发射模块(204)，所述中央逻辑控制器(202)连接有数据接收模块(203)和无线数据发射模块(204)。

4.根据权利要求1所述的一种模拟井下巷道收敛变形实验装置，其特征在于：所述操作面板(102)上设有触摸屏(1021)，所述触摸屏(1021)上设有运行动态演示区(1022)，按键区(1023)和运行指示灯区(1024)。