CN106814179A - 流固耦合相似模拟试验装置的试验方法 - Google Patents

流固耦合相似模拟试验装置的试验方法 Download PDF

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连会青
尹尚先
刘德民
李小明
杨德方
韩永
郑贵强
武斌
陈建东
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    • G01N33/24—Earth materials

Abstract

本发明公开了一种流固耦合相似模拟试验装置的试验方法。该流固耦合相似模拟试验装置的试验方法为：首先将模拟地层材料按层状分布填充于模拟箱体中，利用注水装置注水模拟含水层；然后用水平方向液压加载系统对模拟箱体两侧水平加压，以模拟围压，最后，用垂直方向液压加载系统对模拟箱体进行垂直压力加载，以模拟不同深度荷载。该流固耦合相似模拟试验装置的试验方法能够适用于不同实验需求。该流固耦合相似模拟试验装置的试验方法能够实现精准调压，并模拟地层不同深度荷载，可施加不均匀压力。

Description

流固耦合相似模拟试验装置的试验方法
技术领域
本发明涉及煤炭开采领域，特别涉及一种流固耦合相似模拟试验装置的试验方法。
背景技术
现有技术采用刚性二维平面模型对高效开采覆岩运移、顶板含水层突水溃砂潜在风险等一系列现象进行流固耦合相似模拟实验。
该二维平面模型无法真实反映井下开采立体三维空间层位关系；单纯的固体材料相似模拟，无法实现固液耦合、含水层突水溃沙、覆岩导水裂隙带发育等煤矿开采过程水害模拟；现有相似模拟试验台为二维平面模型，在施加侧向压力、巷道掘进与支护、井筒开凿应力场模拟等方面都显得力不从心。
另外，现有二维平面模型的密闭性不好，无法准确实现含水层模拟；模拟过程中岩层运移的宏观可视性较差，微观数据的采集精度较低；流体不能沿着采动过程中形成的裂隙流动；含水层、导水通道中的水压和水量无法及时调控和监测。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单合理的流固耦合相似模拟试验装置的试验方法，该流固耦合相似模拟试验装置的试验方法能够适用于不同实验需求。该流固耦合相似模拟试验装置的试验方法能够实现精准调压，并模拟地层不同深度荷载，可施加不均匀压力。
为实现上述目的，本发明提供了一种流固耦合相似模拟试验装置的试验方法，流固耦合相似模拟试验装置包括：台架，其包括：底座、立柱、横梁和导轨，所述导轨位于横梁的下方，为多条并排设置，所述底座通过其下表面能够滑动的设置在该导轨上，所述底座的上表面为箱体支撑面；模拟箱体，其为顶端开口的长方体形状，采用可拆卸墙板通过螺钉连接而成，该模拟箱体的内部具有内胆；垂直方向液压加载系统，其包括：第一可伸缩加压装置和上加压板，所述上加压板设置在第一可伸缩加压装置的下方，所述第一可伸缩加压装置通过上加压板对所述模拟箱体进行垂直压力加载；以及水平方向液压加载系统，其包括：第二可伸缩加压装置以及分别设置在第二可伸缩加压装置两端的抗压板和侧加压板，所述第二可伸缩加压装置通过侧加压板抵接模拟箱体对其进行侧向压力加载；该流固耦合相似模拟试验装置的试验方法为：首先将模拟地层材料按层状分布填充于模拟箱体中，利用注水装置注水模拟含水层；然后用水平方向液压加载系统对模拟箱体两侧水平加压，以模拟围压，最后，用垂直方向液压加载系统对模拟箱体进行垂直压力加载，以模拟不同深度荷载。
优选地，上述技术方案中，导轨为并排设置的四条。
优选地，上述技术方案中，立柱、底座和横梁均采用槽钢材料制作。
优选地，上述技术方案中，内胆的正面由玻璃钢制成，其余三面由橡胶构成。
优选地，上述技术方案中，第一可伸缩加压装置和第二可伸缩加压装置均为加压油缸。
优选地，上述技术方案中，第一可伸缩加压装置包括：设置在所述模拟箱体的顶部中央的二十五个加压油缸和设置在所述模拟箱体的顶部两侧的各三十五个油缸。
优选地，上述技术方案中，垂直方向液压加载系统和水平方向液压加载系统共设置有三个控制台。
优选地，上述技术方案中，垂直方向液压加载系统和水平方向液压加载系统还共设置有三个蓄能器。
优选地，上述技术方案中，模拟箱体的后方还设置有辅助液压推拉装置。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：该流固耦合相似模拟试验装置的试验方法能够适用于不同实验需求。该流固耦合相似模拟试验装置的试验方法能够实现精准调压，并模拟地层不同深度荷载，可施加不均匀压力。
附图说明
图1是本发明的流固耦合相似模拟的试验装置的立体结构示意图。
图2是本发明的流固耦合相似模拟的试验装置的主视结构示意图。
图3是本发明的流固耦合相似模拟的试验装置的水平方向液压加载系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
如图1和图2所示，根据本发明具体实施方式的流固耦合相似模拟试验装置具体包括：台架、模拟箱体3、垂直方向液压加载系统和水平方向液压加载系统，其中，模拟箱体3能够在宽度方向移动的设置在台架内，能够推进和拉出，以适用于不同实验需求，模拟箱体3的正面采用玻璃钢可视化，易于观察记录。该模拟箱体内部设有防水密封的内胆，提高实验精度。水平方向液压加载系统用于对模拟箱体3进行侧向压力加载，为固液耦合相似模拟材料提供侧向应力。垂直方向液压加载系统用于对模拟箱体3进行垂直压力加载，为固液耦合相似模拟材料提供垂直应力。垂直方向液压加载系统和水平方向液压加载系统的加压可控，还设置有三个蓄能器，达到稳定垂直方向液压加载系统和水平方向液压加载系统压力的目的。
具体来讲，台架包括：底座4、立柱2、横梁1和导轨5，其中，立柱2设置在横梁1的两端形成长方体框架支撑结构，总体长度为2496mm，宽度为1558mm，高度为2878mm。导轨5位于横梁1的下方，为多条并排设置，底座4通过其下表面能够滑动的设置在该导轨5上，底座4的上表面为箱体支撑面，用于放置模拟箱体3，使得模拟箱体3能够在宽度方向移动的设置在台架内，能够推进和拉出，以适用于不同实验需求。优选的，导轨5为并排设置的四条。立柱2采用槽钢材料制作，中间开设有注水孔。底座4采用槽钢材料制作，并具有斜支撑加强结构。横梁1采用槽钢材料加工，所用钢板厚度误差不超过0.5mm，焊接牢靠坚固。
模拟箱体3为顶端开口的长方体形状，采用可拆卸墙板通过螺钉连接而成，单侧面分为七行五列，与水平方向液压加载系统一一对应。可拆卸墙板的外部设置有铁块，用于连接水平方向液压加载系统的可伸缩加压装置进行侧向压力加载。模拟箱体3的内部具有内胆，具有很好的防水密封性，用于填充模拟地层材料，该内胆的正面由玻璃钢制成，便于对模拟的观察，记录。该内胆的其余三面由橡胶构成。优选的，模拟箱体3的长度2000mm，宽度为1200mm，高度为1600mm，能够满足2000×1200×1400mm的模拟实体，实验时，宽度可以选择200/400/600/800/1000mm，高度可以选择200/400/600/800/1000/1200/1400mm。优选的，模拟箱体3的后方还设置有辅助液压推拉装置，用于辅助推拉模拟箱体，使其连同底座4在该导轨5上滑动。
垂直方向液压加载系统淘汰铁块等机械加载方式，采用电液伺服顶板压力加载系统，模拟上覆岩层直至地表的岩层重量。该垂直方向液压加载系统具体包括：第一可伸缩加压装置9和上加压板6，上加压板6设置在第一可伸缩加压装置9的下方，第一可伸缩加压装置9通过上加压板6对模拟箱体3进行垂直压力加载，为固液耦合相似模拟材料提供垂直应力。优选的，第一可伸缩加压装置9为加压油缸。优选的，第一可伸缩加压装置9包括：设置在模拟箱体3的顶部中央的25个加压油缸和设置在模拟箱体3的顶部两侧的各35个油缸，其中，模拟箱体3的顶部中央的每个油缸加压面积200×400mm2，模拟箱体3的顶部两侧的各35个油缸，每个油缸加压面积为200×200mm2，第一可伸缩加压装置9的三组油缸压力可调，行程0-250mm，压力范围0-10MPa。
如图3所示，水平方向液压加载系统分别设置在模拟箱体3的两侧，采用电液伺服水平侧向压力加载，为固液耦合相似模拟材料提供侧向应力。该水平方向液压加载系统具体包括：第二可伸缩加压装置10以及分别设置在第二可伸缩加压装置10两端的抗压板8和侧加压板7，第二可伸缩加压装置10通过侧加压板7抵接模拟箱体3的可拆卸墙板的铁块，对模拟箱体3进行侧向压力加载。优选的，第二可伸缩加压装置10为加压油缸。优选的，在各侧的模拟箱体3第二可伸缩加压装置10分为七行五列，与模拟箱体3外部铁块一一对应。
垂直方向液压加载系统和水平方向液压加载系统共设置有三个控制台，分别控制三组油缸的压力，控制台上有各组油缸的数字压力表，显示各组油缸的压力变化。垂直方向液压加载系统和水平方向液压加载系统还共设置有三个蓄能器，达到稳定三组油缸压力的目的。
实验过程：将模拟地层材料按层状分布填充于箱体中，利用注水装置注水模拟含水层。用水平方向液压加压装置两侧水平加压模拟围压，顶部根据需求加压模拟不同深度荷载。当下部煤层采空，上部地层会产生裂隙，水会延裂隙流下，可能出现溃砂现象。通过埋设在地层中的传感器传出各项参数，以及正面观察水的下渗规律进行规律总结。
综上，该流固耦合相似模拟试验装置的试验方法在宽度方向增加自由度，使得宽度可调，以适用于不同实验需求。该流固耦合相似模拟试验装置的试验方法的水平液压加载模块化，每块可单独控压，实现精准调压。顶部垂直加压可控，模拟地层不同深度荷载，可施加不均匀压力。该流固耦合相似模拟试验装置的试验方法的模拟箱体能够推进和拉出，正面采用玻璃钢可视化，易于观察记录。该模拟箱体内部设有防水密封内胆，提高实验精度。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (9)

1.一种流固耦合相似模拟试验装置的试验方法，其特征在于，该流固耦合相似模拟试验装置包括：
台架，其包括：底座、立柱、横梁和导轨，所述导轨位于横梁的下方，为多条并排设置，所述底座通过其下表面能够滑动的设置在该导轨上，所述底座的上表面为箱体支撑面；
模拟箱体，其为顶端开口的长方体形状，采用可拆卸墙板通过螺钉连接而成，该模拟箱体的内部具有内胆；
垂直方向液压加载系统，其包括：第一可伸缩加压装置和上加压板，所述上加压板设置在第一可伸缩加压装置的下方，所述第一可伸缩加压装置通过上加压板对所述模拟箱体进行垂直压力加载；以及
水平方向液压加载系统，其包括：第二可伸缩加压装置以及分别设置在第二可伸缩加压装置两端的抗压板和侧加压板，所述第二可伸缩加压装置通过侧加压板抵接模拟箱体对其进行侧向压力加载；
该流固耦合相似模拟试验装置的试验方法为：首先将模拟地层材料按层状分布填充于模拟箱体中，利用注水装置注水模拟含水层；然后用水平方向液压加载系统对模拟箱体两侧水平加压，以模拟围压，最后，用垂直方向液压加载系统对模拟箱体进行垂直压力加载，以模拟不同深度荷载。
2.根据权利要求1所述的流固耦合相似模拟试验装置的试验方法，其特征在于，所述导轨为并排设置的四条。
3.根据权利要求1所述的流固耦合相似模拟试验装置的试验方法，其特征在于，所述立柱、底座和横梁均采用槽钢材料制作。
4.根据权利要求1所述的流固耦合相似模拟试验装置的试验方法，其特征在于，所述内胆的正面由玻璃钢制成，其余三面由橡胶构成。
5.根据权利要求4所述的流固耦合相似模拟试验装置的试验方法，其特征在于，所述第一可伸缩加压装置和第二可伸缩加压装置均为加压油缸。
6.根据权利要求5所述的流固耦合相似模拟试验装置的试验方法，其特征在于，所述第一可伸缩加压装置包括：设置在所述模拟箱体的顶部中央的二十五个加压油缸和设置在所述模拟箱体的顶部两侧的各三十五个油缸。
7.根据权利要求6所述的流固耦合相似模拟试验装置的试验方法，其特征在于，所述垂直方向液压加载系统和水平方向液压加载系统共设置有三个控制台。
8.根据权利要求7所述的流固耦合相似模拟试验装置的试验方法，其特征在于，所述垂直方向液压加载系统和水平方向液压加载系统还共设置有三个蓄能器。
9.根据权利要求1所述的流固耦合相似模拟试验装置的试验方法，其特征在于，所述模拟箱体的后方还设置有辅助液压推拉装置。
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