CN106601111B - 大型真三轴巷道顶板支护模拟试验台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及巷道支护技术领域，尤其涉及一种大型真三轴巷道顶板支护模拟试验台，包括：基座，基座用于放置巷道模型；支架，支架设于基座的外侧周围；垂直加载单元，垂直加载单元设于基座上，用于向巷道模型施加向下的Z向载荷；以及水平加载单元，水平加载单元设于支架上，用于向巷道模型施加X向挤压载荷和Y向挤压载荷。可实现对巷道模型进行三轴受力状态模拟分析、通过改变Z向、X向和Y向的载荷大小可模拟各种三轴应力状态、可实现最大比例尺为1:2的巷道模型的三轴受力状态模拟分析，从而为巷道顶板支护设计和施工提供更加准确的理论依据。

Description

大型真三轴巷道顶板支护模拟试验台

技术领域

本发明涉及巷道支护技术领域，尤其涉及一种大型真三轴巷道顶板支护模拟试验台。

背景技术

目前，国外矿山模型试验台多为对采场进行模型试验研究，如美国犹他州的10m采场模型试验台，在模拟采场矿山压力显现方面做了大量研究；澳大利亚煤炭工业研究所拥有尺寸为10.2m×1.9m×0.4m的ACIRL工作面模型试验台，研究了诸如顶板岩层坍落性质、支架初撑力和工作阻力、工作面支架应力对顺槽的影响以及长壁开采效果等问题。国内存在不少巷道模型试验台，包括煤炭科学研究总院北京开采所的巷道平面模型试验台，中国矿业大学研制的真三轴巷道平面模型试验台、锚固复合承载体测试系统等。

根据国内外矿山模型试验台的研究现状可知，国外对于适用巷道的模型试验台较少，国内的巷道模型试验台多为平面模型试验台，无法对巷道模型进行三轴受力状态模拟分析，且无论是平面模型试验台还是三轴模型试验台，都存在只能进行小比例尺模型试验的缺点。对于巷道支护的模型试验而言，小比例尺模型试验模拟支护材料无论在几何、力学性能上都很难与真实的支护材料相似，无法对支护材料受力、变形进行监测分析，也无法保证模拟支护材料与真实支护材料的相似性，也就无法对支护材料支护作用进行研究，无法全面、客观的评价支护材料的支护效果。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提供一种大型真三轴巷道顶板支护模拟试验台，以解决现有技术中的巷道模型试验台为平面模型试验台，无法对巷道模型进行三轴受力状态模拟分析的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种大型真三轴巷道顶板支护模拟试验台，包括：基座，基座用于放置巷道模型；支架，支架设于基座的外侧周围；垂直加载单元，垂直加载单元设于基座上，用于向巷道模型施加向下的Z向载荷；以及水平加载单元，水平加载单元设于支架上，用于向巷道模型施加X向挤压载荷和Y向挤压载荷。

根据本发明，垂直加载单元包括垂直压板和与垂直压板连接的若干个垂直驱动件，垂直压板与基座相对设置；垂直驱动件用于驱动垂直压板沿Z向运动，使得垂直压板能够抵压于巷道模型的上端面。

根据本发明，垂直压板包括若干个与若干个垂直驱动件一一对应的均压靴。

根据本发明，垂直加载单元还包括设于垂直压板上方的上梁，上梁通过拉杆与支撑座连接，垂直驱动件设于上梁上。

根据本发明，基座包括两个相对设置的支撑座，两个支撑座通过下梁连接，上梁的两端分别与两个支撑座连接。

根据本发明，垂直加载单元并列设有多个，多个垂直加载单元的上梁通过剪力板连接。

根据本发明，水平加载单元包括四个水平压板和与水平压板连接的若干个水平驱动件，四个水平压板围合成用于容纳巷道模型的矩形空间；水平驱动件用于驱动水平压板沿X/Y向运动，使得水平压板能够抵压于巷道模型的侧面。

根据本发明，水平加载单元还包括设于支架上的反力梁组件，反力梁组件位于四个水平压板的外侧周围，水平驱动件设于反力梁组件上。

根据本发明，反力梁组件与水平压板之间设有用于测量水平压板的位移量的测量组件。

根据本发明，反力梁组件通过能够实现升降的升降组件与支架连接。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案提供的大型真三轴巷道顶板支护模拟试验台具有如下优点：

本发明的大型真三轴巷道顶板支护模拟试验台采用真三轴设计，通过垂直加载单元能够对放置于基座上的向巷道模型施加向下的Z向载荷，通过水平加载单元能够对向巷道模型施加X向挤压载荷和Y向挤压载荷，从而可以实现对巷道模型进行三轴受力状态模拟分析，并且，通过改变Z向、X向和Y向的载荷大小可以模拟各种三轴应力状态。此外，该大型真三轴巷道顶板支护模拟试验台能够进行大比例尺模型试验，可实现最大比例尺为1:2的巷道模型的三轴受力状态模拟分析，从而可为巷道顶板支护设计和施工提供更加准确的理论依据。

附图说明

图1是本发明实施例大型真三轴巷道顶板支护模拟试验台的轴测示意图；

图2是本发明实施例大型真三轴巷道顶板支护模拟试验台的主视示意图；

图3是本发明实施例大型真三轴巷道顶板支护模拟试验台的侧视示意图；

图4是本发明实施例大型真三轴巷道顶板支护模拟试验台的顶视示意图；

图5是图4中A部的放大示意图；

图6是图4中B部的放大示意图；

图7是图4中C部的放大示意图。

图中：1：支撑座；2：支架；3：拉杆；4：上梁；5：第一螺母；6：垂直液压缸；7：缸底座；8：螺钉；9：回程板；10：均压靴；11：第一剪力板；12：第二剪力板；13：第三螺母；14：第四螺栓；15：第二螺母；16：升降液压缸；17：X向反力梁；18：Y向反力梁；19：第一螺栓；20：下梁；21：导向杆；22：X向压板；23：上梁拉杆；24：第二螺栓；25：浮靴；26：挡圈；27：回程螺栓；28：孔用弹性挡圈；29：Y向压板；30：挂板；31：第三螺栓；32：水平液压缸；33：传感器顶针；34：弹簧挡圈；35：端盖；36：第四螺母；37：弹簧。

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中的附图，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的一部分实施例，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做出创造性劳动的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1至图7所示，本发明的大型真三轴巷道顶板支护模拟试验台的一种实施例。本实施例的大型真三轴巷道顶板支护模拟试验台包括：基座、支架、垂直加载单元和水平加载单元。其中，基座用于放置巷道模型。在基座上设有垂直加载单元，垂直加载单元用于向巷道模型施加向下的Z向载荷。支架设于基座的外侧周围，在支架上设有水平加载单元，水平加载单元用于向巷道模型施加X向挤压载荷和Y向挤压载荷。需要说明的是，本文中的Z向、X向和Y向是本实施例的大型真三轴巷道顶板支护模拟试验台按常规放置时的、如图1所示的三维空间坐标系的三个坐标轴延伸的方向。

如图1所示，本实施例的基座并列设置有四组，每组包括两个相对设置的支撑座1，两个支撑座1之间设有下梁20，下梁20的两端分别通过第一螺栓19与两个支撑座1连接。两个支撑座1通过下梁20连接，可以防止支撑座1在巷道模型受较大载荷时发生线外扩张。相互并列的四个支撑座1之间通过第一剪力板11连接成一体，以增加巷道模型受力时四组基座整体的支撑稳定性。当然，基座的数量并不局限于本实施例，也可以设置为其它的数量。

如图1所示，与四组基座相对应地，本实施例的垂直加载单元也设有四组，每组垂直加载单元包括垂直压板、设于垂直压板上方的上梁4和设于上梁4与垂直压板之间的五个垂直驱动件。如图2所示，在本实施例中，上梁4的两端分别通过拉杆3与一组基座的两个支撑座1连接，拉杆3的两端分别与上梁4和支撑座1螺纹连接，并通过第一螺母5紧固。如图1和图3所示，相互并列的四个上梁4在其两端通过第二剪力板12连接，第二剪力板12通过螺栓与上梁4连接，由此成整体结构，从而增加受力时的稳定性。如图1和图4所示，在四个上梁4的顶部设有两个与四个上梁4同时连接的上梁拉杆23，上梁拉杆23通过第二螺栓24与上梁4的顶部固定连接，可以起到减小上梁4在小惯性矩方向的变形。如图2所示，垂直驱动件设于上梁4上，本实施例的垂直驱动件为垂直液压缸6。每组垂直加载单元的垂直压板包括五个独立的、与五个垂直液压缸6一一对应的均压靴10，均压靴10与基座相对设置。垂直液压缸6的缸底座7与上梁4通过螺钉8固定连接，垂直液压缸6的活塞杆通过球铰与均压靴10连接，并且在球铰上设有回程板9，以防止均压靴10脱落。通过垂直液压缸6的作用，可以驱动均压靴10沿Z向运动，使得均压靴10能够抵压于巷道模型的上端面，从从而实现对巷道模型施加向下的Z向载荷。通过多个均压靴10的设置，可实现对巷道模型施加均匀的Z向载荷。通过改变垂直液压缸6内压力的大小可以调节Z向载荷的大小。当然，垂直加载单元的数量、垂直驱动件的数量以及均压靴10的数量并不局限于本实施例，也可以设置为其它的数量。

如图1所示，支架2设于基座的外侧周围，本实施例的支架2设有四个，分别设于基座外侧周围的四个角上。在支架2上设有水平加载单元。本实施例的水平加载单元包括设于支架2上的反力梁组件、四个水平压板和设于反力梁组件与水平压板之间的若干个水平驱动件。其中，四个水平压板位于基座的上表面和均压靴10之间，并围合成用于容纳巷道模型的矩形空间。水平压板朝向巷道模型的表面为光面，用于与巷道模型的侧面接触。反力梁组件位于四个水平压板的外侧周围，反力梁组件包括四个依次连接并围合成矩形的反力梁，四个反力梁与四个水平压板一一相对。在每个反力梁与水平压板之间设有四个水平驱动件，本实施例的水平驱动组件为水平液压缸32。如图4和图5所示，水平液压缸32设于反力梁上，且水平液压缸32的活塞杆与水平压板连接。具体地，在水平压板上设有浮靴25，水平压板通过插设于浮靴25的回程螺栓27与水平液压缸32的活塞杆连接，在浮靴25朝向水平液压缸32的端面的边缘处设有挡圈26及孔用弹性挡圈28。由此实现通过水平液压缸32的活塞杆的伸缩运动驱动水平压板沿X/Y向运动，使得水平压板能够抵压于巷道模型的侧面，从而实现对巷道模型施加X向挤压载荷和Y向挤压载荷。

进一步，在每个反力梁与水平压板之间设有两组用于测量水平压板的位移量的测量组件。具体地，如图4和图6所示，本实施例的测量组件为设于反力梁与水平压板之间的导向杆21和传感器顶针33。反力梁上设有贯通孔，水平压板上与该贯通孔相对应的位置处设有导向孔，导向杆21的一端穿设于反力梁上的贯通孔，并通过第四螺母36紧固于反力梁上，导向杆21的另一端可滑动地插设于水平压板上的导向孔内。导向杆21设有轴向贯通的台阶孔，该台阶孔包括靠近水平压板的小径孔和远离水平压板的大径孔。传感器顶针33呈台阶状，其包括大径段和小径段。传感器顶针33可滑动地插设于导向杆21的台阶孔中，且传感器顶针33的大径段位于导向杆21台阶孔的小径孔中并与水平压板接触、传感器顶针33的小径段位于导向杆21台阶孔的大径孔中。如图7所示，在导向杆21远离水平压板的一端，导向杆21台阶孔的大径孔与传感器顶针33之间设有端盖35，且端盖35与大径孔螺纹连接。在导向杆21台阶孔的大径孔内设有套设于传感器顶针33的小径段的弹簧37，弹簧的37的一端抵靠于端盖35，弹簧的37的另一端抵靠于传感器顶针33的小径段与大径段之间的台阶面，且弹簧37与该台阶面之间设有弹簧挡圈34。由此，通过弹簧37对传感器顶针33台阶面的抵压，可使传感器顶针33的大径段的始终保持与水平压板压紧接触。由此，当水平压板在水平液压缸32的驱动下发生位移而使巷道模型发生变形时，可通过传感器顶针33实时测量水平压板的位移量，从而获得巷道模型的变形量。

具体到本实施例，如图1和图4所示，四个水平压板分别为两个沿X向相对设置的X向压板22和两个沿Y向相对设置的Y向压板29。四个反力梁分别为两个与X向压板22相对设置的X向反力梁17和两个与Y向压板29相对设置的Y向反力梁18。如图3和图4所示，Y向反力梁18通过设于Y向反力梁18两端的挂板30与X向反力梁17连接，挂板30通过第三螺栓31和第四螺栓14与X向反力梁17连接，第四螺栓14通过第二螺母15紧固。在本实施例中，由X向反力梁和Y向反力梁连接构成的反力梁组件通过能够实现升降的升降组件与支架2连接。如图3所示，该升降组件为升降液压缸16，具体地，支架2设有通孔，升降液压缸16设于该通孔内，升降液压缸16的活塞杆通过第三螺母13与X向反力梁17紧固连接。由此，通过升降液压缸16的活塞杆的伸缩运动，可实现反力梁组件的升降调节。

本实施例的大型真三轴巷道顶板支护模拟试验台采用真三轴设计，通过垂直加载单元能够对放置于基座上的向巷道模型施加向下的Z向载荷，通过水平加载单元能够对向巷道模型施加X向挤压载荷和Y向挤压载荷，从而可以实现对巷道模型进行三轴受力状态模拟分析，并且，通过改变Z向、X向和Y向的载荷大小可以模拟各种三轴应力状态。此外，该大型真三轴巷道顶板支护模拟试验台能够进行大比例尺模型试验，可实现最大比例尺为1:2的巷道模型的三轴受力状态模拟分析，从而可为巷道顶板支护设计和施工提供更加准确的理论依据。

最后应说明的是：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 (5)

1.一种大型真三轴巷道顶板支护模拟试验台，其特征在于，包括：

基座，所述基座用于放置巷道模型；

支架，所述支架设于所述基座的外侧周围；

垂直加载单元，所述垂直加载单元设于所述基座上，用于向所述巷道模型施加向下的Z向载荷；以及

水平加载单元，所述水平加载单元设于所述支架上，用于向所述巷道模型施加X向挤压载荷和Y向挤压载荷；所述水平加载单元包括四个水平压板和与所述水平压板连接的若干个水平驱动件，四个所述水平压板围合成用于容纳所述巷道模型的矩形空间；所述水平驱动件用于驱动所述水平压板沿X/Y向运动，使得所述水平压板能够抵压于所述巷道模型的侧面；所述水平加载单元还包括设于所述支架上的反力梁组件，所述反力梁组件位于四个所述水平压板的外侧周围，所述水平驱动件设于所述反力梁组件上；所述反力梁组件通过能够实现升降的升降组件与所述支架连接，所述升降组件为升降液压缸；

所述反力梁组件与所述水平压板之间设有用于测量所述水平压板的位移量的测量组件，所述测量组件包括导向杆和传感器顶针，所述导向杆设有轴向贯通的台阶孔，所述台阶孔包括靠近所述水平压板的小径孔和远离所述水平压板的大径孔，所述传感器顶针包括大径段和小径段；传感器顶针可滑动地插设于所述台阶孔中，在所述导向杆远离所述水平压板的一端，所述大径孔与所述传感器顶针之间设有端盖，且所述端盖与大径孔螺纹连接，所述大径孔内设有套设于所述小径段的弹簧，所述弹簧的一端抵靠于所述端盖，所述弹簧的另一端抵靠于所述小径段与所述大径段之间的台阶面，且所述弹簧与所述台阶面之间设有弹簧挡圈。

2.根据权利要求1所述的大型真三轴巷道顶板支护模拟试验台，其特征在于，所述垂直加载单元包括垂直压板和与所述垂直压板连接的若干个垂直驱动件，所述垂直压板与所述基座相对设置；所述垂直驱动件用于驱动所述垂直压板沿Z向运动，使得所述垂直压板能够抵压于所述巷道模型的上端面。

3.根据权利要求2所述的大型真三轴巷道顶板支护模拟试验台，其特征在于，所述垂直压板包括若干个与所述若干个垂直驱动件一一对应的均压靴。

4.根据权利要求2所述的大型真三轴巷道顶板支护模拟试验台，其特征在于，所述垂直加载单元还包括设于所述垂直压板上方的上梁，所述基座包括两个相对设置的支撑座，两个所述支撑座通过下梁连接，所述上梁的两端分别与两个所述支撑座连接，所述上梁通过拉杆与所述支撑座连接，所述垂直驱动件设于所述上梁上。

5.根据权利要求4所述的大型真三轴巷道顶板支护模拟试验台，其特征在于，所述垂直加载单元并列设有多个，多个所述垂直加载单元的上梁通过剪力板连接。