CN107014673A - 一种三维动载荷加载大型相似材料模拟平台 - Google Patents
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Abstract
一种三维动载荷加载大型相似材料模拟平台,包括柔性传力橡胶、箱体和模拟平台;所述位移传感器设置于导轨和顶部盖板之间,且前盖板、侧盖板、后盖板、顶部盖板与液压缸、导轨、位移传感器、压力传感器共同构成盖板加载装置;所述柔性传力橡胶置于前盖板、侧盖板、后盖板和顶部盖板的内侧。该三维动载荷加载大型相似材料模拟平台设有柔性传力橡胶,柔性传力橡胶具有柔软、易变性、本身体积不可压缩等特性,箱体侧面开有注水管路,在煤层开采后,可以用于向采空区充进充填材料以及向模拟岩层注水,向模拟煤层加入高压气体模拟瓦斯等实验,可以满足不同的实验要求。
Description
技术领域
本发明涉及矿山领域矿体岩体应力分布测试技术领域,尤其涉及一种三维动载荷加载大型相似材料模拟平台。
背景技术
随着矿体的开采,煤岩体的应力平衡状态被打破,当矿体开采后,形成了地下空间,引起煤岩体应力重新分布,并一直延续到煤岩体内形成新的平衡为止。在应力重新分布过程中,使围岩产生变形、移动、破坏,从而对工作面、巷道及围岩产生压力。而对于生产实际中所产生的问题又难以直观的显现出来,我们不得不进行相关的模拟试验,来获取相关数据,以解决生产实际问题。
本发明人发现,现有的相似材料模拟平台局限于二维相似材料模拟以及三维静载荷相似材料模拟试验系统,虽在一定程度上加深了地下开挖工程研究的进展,但存在以下不足:
1)模型尺寸较小,做模拟试验时的几何比将会很小,在实践中发现做模型试验几何比过小将不能很好的反应开挖带来的影响;
2)模型尺寸都是固定的不能调整,这会导致有时几何比太小,有时会导致空间太大浪费材料;
3)力的加载方向过于单一,难以实现三向加载,不能更好的反应现场实际;
4)模拟岩体应力应变监测过于简单,准确度不够,缺少对开采扰动的监测;
5)矿层开挖必须将试件箱打开后人工手动开挖,这将引起卸荷效应,与实际工况不符;
6)装置上架过程基本上靠手工搬运,不方便操作;
7)之前的相似材料模拟实验平台应力加载系统多为手动,人为手动控制力的加载不够准确,难以保证受力的稳定性。
于是,发明人有鉴于此,秉持多年该相关行业丰富的设计开发及实际制作的经验,针对现有的结构及缺失予以研究改良,提供一种三维动载荷加载大型相似材料模拟平台,以期达到更具有更加实用价值性的目的;
对于现有技术而言,本发明能够在实验室模拟相似材料的物理实验,在模拟煤层开采的同时监测动态的应力应变,尤其是监测开采过程中所产生的动力扰动。通过顶板载荷加载装置模拟地应力和重力,随着煤层的开挖,相似材料模拟的上覆岩层会在重力作用下发生变形和移动。该实验平台能够测试出不同充填材料配比、不同煤层赋存条件下模拟煤岩层的变形特征和上覆岩层移动规律,在实验室里实现了进行开采效果的相似模拟实验,是一种可靠、经济、简单的实验手段。
发明内容
本发明的目的在于提供一种三维动载荷加载大型相似材料模拟平台,以解决上述背景技术中提出的模型尺寸较小,模型尺寸都是固定的不能调整,力的加载方向过于单一,模拟岩体应力应变监测过于简单,矿层开挖必须将试件箱打开后人工手动开挖,这将引起卸荷效应,与实际工况不符,装置上架过程基本上靠手工搬运,不方便操,之前的相似材料模拟实验平台应力加载系统多为手动,人为手动控制力的加载不够准确,难以保证受力的稳定性的问题
本发明三维动载荷加载大型相似材料模拟平台的目的与功效,由以下具体技术手段所达成:
一种三维动载荷加载大型相似材料模拟平台,其中,该三维动载荷加载大型相似材料模拟平台包括有:
基座、前盖板、侧盖板、后盖板,顶部盖板、模拟岩层、模拟巷道、模拟煤层、小型机械化割煤刀具、振动传感器、微型高速摄像机、导轨、液压缸、压力传感器、位移传感器,柔性传力橡胶、箱体和模拟平台;
所述基座置于箱体的底部;所述箱体是由基座上设置有与其垂直的前盖板、侧盖板、后盖板,顶部盖板,共同形成的一个由榀模块化设计组成的方形独立加载框架;所述箱体内充填有相似材料模拟岩层,所述沿模拟岩层横向设置有已经开挖部分的模拟巷道;所述模拟巷道同一层位的对立部分设有模拟煤层;所述模拟巷道的开挖端通过前盖板中心孔与外界相连,且中心孔可随时关闭可密封;所述模拟巷道的前端设置有小型机械化割煤刀具;所述小型机械化割煤刀具上装有振动传感器和微型高速摄像机;所述导轨安装于前盖板、侧盖板、后盖板和顶部盖板的顶端;所述液压缸设置于导轨的内部;所述压力传感器设置于液压缸和顶部盖板之间;所述位移传感器设置于导轨和顶部盖板之间,且前盖板、侧盖板、后盖板、顶部盖板与液压缸、导轨、位移传感器、压力传感器共同构成盖板加载装置;所述柔性传力橡胶置于前盖板、侧盖板、后盖板和顶部盖板的内侧。
进一步的,所述箱体侧面开有注水管路。
进一步的,所述液压缸、刚性传力盖板(前盖板、侧盖板、后盖板和顶部盖板)和柔性传力橡胶共同组成应力加载系统。
进一步的,所述模拟平台整体为三维四面加载设置。
进一步的,所述在加载顶板内部模拟岩层顶部装有振动传感器。
进一步的,所述小型机械化割煤刀具9的底部设置有前后行走导轨。
与现有结构相较之下,本发明具有如下优点:
1.本发明柔性传力橡胶的设置,柔性传力橡胶具有柔软、易变性、本身体积不可压缩等特性。
2.本发明振动传感器关的设置,振动传感器用来监测煤体开采的动力扰动,通过数据分析系统,分析应力应变与动力扰动之间的关系,真实的还原生产现场实际。
3.本发明麦模拟平台本体设置,模拟平台本体整体为三维四面加载设置,可模拟真实三向地应力。
4.本发明箱体的设置,箱体侧面开有注水管路,在煤层开采后,可以用于向采空区充进充填材料以及向模拟岩层注水,向模拟煤层加入高压气体模拟瓦斯等实验,可以满足不同的实验要求。
5.本发明小型机械化割煤刀具的设置,小型机械化割煤刀具为自动控制设置,可通过微型高速摄像机以及应力应变监测反馈,随时调整切割进尺
附图说明
图1为本发明三维结构示意图;
图2为本发明正视结构示意图;
图3为本发明侧视结构示意图;
图4为本发明盖板结构示意图。
图中:1-基座,2-前盖板,3-侧盖板,4-后盖板,5-顶部盖板,6-模拟岩层,7-模拟巷道,8-模拟煤层,9-小型机械化割煤刀具,10-振动传感器,11-微型高速摄像机,12-导轨,13-液压缸,14-压力传感器,15-位移传感器,16-柔性传力橡胶,17-箱体,18-模拟平台。
具体实施方式
下面,将详细说明本发明的实施例,其实例显示在附图和以下描述中。虽然将结合示例性的实施例描述本发明,但应当理解该描述并非要把本发明限制于该示例性的实施例。相反,本发明将不仅覆盖该示例性的实施例,而且还覆盖各种替换的、改变的、等效的和其他实施例,其可包含在所附权利要求所限定的本发明的精神和范围内。
参见图1至附图4,一种三维动载荷加载大型相似材料模拟平台,包括有:
基座1、前盖板2、侧盖板3、后盖板4,顶部盖板5、模拟岩层6、模拟巷道7、模拟煤层8、小型机械化割煤刀具9、振动传感器10、微型高速摄像机11、导轨12、液压缸13、压力传感器14、位移传感器15,柔性传力橡胶16、箱体17和模拟平台本体18;
基座1置于箱体17的底部;箱体17是由基座1上设置有与其垂直的前盖板2、侧盖板3、后盖板4,顶部盖板5,共同形成的一个由5榀模块化设计组成的方形独立加载框架;箱体17内充填有相似材料模拟岩层6,沿模拟岩层6横向设置有已经开挖部分的模拟巷道7;模拟巷道7同一层位的对立部分设有模拟煤层8;模拟巷道7的开挖端通过前盖板2中心孔与外界相连,且中心孔可随时关闭可密封;模拟巷道7的前端设置有小型机械化割煤刀具9;小型机械化割煤刀具9上装有振动传感器10和微型高速摄像机11;导轨12安装于前盖板2、侧盖板3、后盖板4和顶部盖板5的顶端;液压缸13设置于导轨12的内部;压力传感器14设置于液压缸13和顶部盖板5之间;位移传感器15设置于导轨12和顶部盖板5之间,且前盖板2、侧盖板3、后盖板4、顶部盖板5与液压缸13、导轨12、位移传感器15、压力传感器14共同构成盖板加载装置;柔性传力橡胶16置于前盖板2、侧盖板3、后盖板4和顶部盖板5的内侧。
压力传感器14具体型号为:感器24位AD转换内部集成放大芯片HX711位移传感器15具体型号为:品牌:millay型PM11;
微型高速摄像机11具体型号为:watec微型黑白高速摄像机wat-535ex2;
振动传感器10具体型号为:MEAS CM-01B振动传感器;
位移传感器15、压力传感器14、微型高速摄像机11与振动传感器10的具体结构与工作原理为现有成熟技术,在此不做累述。
如上述的三维动载荷加载大型相似材料模拟平台的较佳实施例,其中,箱体17侧面开有注水管路,在煤层开采后,可以用于向采空区充进充填材料以及向模拟岩层6注水,向模拟煤层8加入高压气体模拟瓦斯等实验,可以满足不同的实验要求;
如上述的三维动载荷加载大型相似材料模拟平台的较佳实施例,其中,液压缸13、刚性传力盖板(前盖板2、侧盖板3、后盖板4和顶部盖板5)和柔性传力橡胶16共同组成应力加载系统,柔性传力橡胶6具有柔软、易变性、本身体积不可压缩等特性;
如上述的三维动载荷加载大型相似材料模拟平台的较佳实施例,其中,模拟平台本体18整体为三维四面加载设置,可模拟真实三向地应力;
如上述的三维动载荷加载大型相似材料模拟平台的较佳实施例,其中,在加载顶板5内部模拟岩层6顶部装有振动传感器10,此振动传感器10用来监测煤体开采的动力扰动,通过数据分析系统,分析应力应变与动力扰动之间的关系,真实的还原生产现场实际。
如上述的三维动载荷加载大型相似材料模拟平台的较佳实施例,小型机械化割煤刀具9的底部设置有前后行走导轨,且小型机械化割煤刀具9与小型机械化割煤刀具9上装有振动传感器10和微型高速摄像机11组成构成煤体开采装置,小型机械化割煤刀具9为自动控制设置,可通过微型高速摄像机1以及应力应变监测反馈,随时调整切割进尺。
本实施例的工作原理:
在该三维动载荷加载大型相似材料模拟平台模拟井下采掘过程中不同充填材料配比、不同煤层赋存条件下充填料的变形特征和上覆岩层移动在采动影响下的规律时,按照设计好的相似材料配比进行填料,按照既定方案放置应力应变以及振动传感器10,之后逐层进行压实,将前盖板2、侧盖板3、后盖板4和顶部盖板5加压,根据生产实际所得到的地应力规律,根据计算机控制,对相似材料箱体17进行三向加压,本发明的根据三向动载荷加压更真实的还原煤层所处的深部开采环境。而在一定的压力环境下,根据模型尺寸比例设计开挖量,通过计算机控制小型机械化割煤刀具9割煤,同时通过微型高速摄像机11以及应力应变监测数据随时分析此时的动态情况,在割煤时所产生的动力扰动也会在振动传感器10测之下,通过数据分析系统,随时分析在小型机械化割煤刀具9工作与停止时应力应变是否存在相关性,进而平台真实的还原了生产实际开采巷道所处的高应力环境,已及工作面采动所带来的动力扰动影响。
需要说明的是,本发明使用到的标准零件均可以从市场上购买,异形件根据说明书的和附图的记载均可以进行订制,各个零件的具体连接方式均采用现有技术中成熟的螺栓、铆钉、焊接等常规手段,机械、零件和设备均采用现有技术中,常规的型号,发明人在此不再详述。
综上,尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,对于本领域的技术人员来说,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,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种三维动载荷加载大型相似材料模拟平台,其特征在于:所述的三维动载荷加载大型相似材料模拟平台包括有:
基座、前盖板、侧盖板、后盖板,顶部盖板、模拟岩层、模拟巷道、模拟煤层、小型机械化割煤刀具、振动传感器、微型高速摄像机、导轨、液压缸、压力传感器、位移传感器,柔性传力橡胶、箱体和模拟平台;
所述基座置于模拟平台的底部;所述箱体是由基座,基座上设置有与其垂直的前盖板、侧盖板、后盖板,顶部盖板,共同形成的一个由榀模块化设计组成的方形独立加载框架;所述箱体内充填有相似材料模拟岩层,所述沿模拟岩层横向设置有已经开挖部分的模拟巷道;所述模拟巷道同一层位的对立部分设有模拟煤层;所述模拟巷道的开挖端通过前盖板中心孔与外界相连,且中心孔可随时关闭可密封;所述模拟巷道的前端设置有小型机械化割煤刀具;所述小型机械化割煤刀具上装有振动传感器和微型高速摄像机;所述导轨安装于前盖板、侧盖板、后盖板和顶部盖板的顶端;所述液压缸设置于导轨的内部;所述压力传感器设置于液压缸和顶部盖板之间;所述位移传感器设置于导轨和顶部盖板之间,且前盖板、侧盖板、后盖板、顶部盖板与液压缸、导轨、位移传感器、压力传感器共同构成盖板加载装置;所述柔性传力橡胶置于前盖板、侧盖板、后盖板和顶部盖板的内侧。
2.根据权利要求所述的三维动载荷加载大型相似材料模拟平台,其特征在于:所述箱体侧面开有注水管路。
3.根据权利要求所述的三维动载荷加载大型相似材料模拟平台,其特征在于:所述液压缸、刚性传力盖板(前盖板、侧盖板、后盖板和顶部盖板)和柔性传力橡胶共同组成应力加载系统。
4.根据权利要求所述的三维动载荷加载大型相似材料模拟平台,其特征在于:所述模拟平台整体为三维四面加载设置。
5.根据权利要求所述的三维动载荷加载大型相似材料模拟平台,其特征在于:所述在加载顶板内部模拟岩层顶部装有振动传感器。
6.根据权利要求所述的三维动载荷加载大型相似材料模拟平台,其特征在于:所述小型机械化割煤刀具的底部设置有前后行走导轨。
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