CN107490666A - 一种模拟煤体成孔的软煤成型装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种模拟煤体成孔的软煤成型装置及方法，包括凹槽圆形底座，其凹槽内嵌入上下开口的圆筒；圆筒底部设有中心含内螺纹的圆形垫片；圆筒内设有预制孔圆柱，预制孔圆柱的直径与预制成孔型煤的孔径相同，预制孔圆柱的底部设有与圆形垫片的内螺纹匹配的外螺纹；圆筒内填充软煤样，软煤样上方设有中心带通孔的预制孔圆板，预制孔圆柱穿过通孔，预制孔圆板的直径等于圆筒的内径；预制孔圆板的上方设有提供垂直向下压力的压力装置。本发明含预制成孔的软煤型煤以煤作为基体材料最大程度上模拟了真实煤体孔壁的条件，同时预制成孔避免了后期钻孔所产生的煤体破碎开裂现象，形成的钻孔均匀完整，煤体无裂纹，密实坚固，预制成孔型煤成型效果好。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿井下煤体成孔锚固特性研究技术领域，具体涉及一种模拟煤体成孔的软煤成型装置及方法。
背景技术
在地下工程领域，锚杆支护因其具有主动支护和锚固效应，充分发挥围岩承载性能，有效控制围岩稳定，得到了广泛应用。在其支护范围内，锚固体与被锚固界面间力学性质研究一直是该领域内研究热点问题。从工程实际总结得出，锚固体与孔壁间拉脱滑移是常见锚固界面粘结破坏形式。
在煤矿支护方面，多出现锚固体从煤体中拉出和煤体破裂现象。现阶段实验室模拟煤体被锚固基体和锚固体界面力学特性多采用水泥基体和预埋锚杆浇筑方法。该方法在一定条件下，可以测定锚杆的拉力和锚固界面剪应力情况，但实际工程中，煤体强度较低，用较高的水泥砂浆模拟煤体破坏现象与实际不符，往往产生水泥基体不损坏而仅从钻孔拉出现象。
实验室在制作基体钻孔上，一种是成型后通过钻机钻孔，该方法虽很大程度上还原了现场实际操作过程，但也存在着钻进时挤钻、夹钻，钻孔难以居中，危险性比较大的问题，对于强度较高的水泥基体，钻孔难度更大。对于强度较低的煤体，后期钻孔往往导致煤体破碎、开裂，致使实验无法进行。因此在在研究煤体钻孔界面问题时应进行预制成孔，且采用煤作为实验基体。
综上所述，在研究煤体基体与锚固体界面力学性质方面存在基体材料强度较高，并非选用真正煤作为基体材料和后期钻孔难等较多的问题，目前还没有用模拟煤体预制成孔的软煤制作锚固基体来研究煤体钻孔界面力学性质的装置和相关方法。
发明内容
本发明的目的是：提出一种模拟煤体成孔的软煤成型装置及方法，它能形成含预制钻孔的软煤锚固基体，并用来研究煤体含钻孔时锚固体与煤体的界面力学性质，以克服现有技术的不足。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种模拟煤体成孔的软煤成型装置，包括凹槽圆形底座，其凹槽内嵌入上下开口的圆筒，凹槽直径等于圆筒外径；圆筒底部设有中心含内螺纹的圆形垫片，圆形垫片的直径等于圆筒的内径；圆筒内设有预制孔圆柱，预制孔圆柱的直径与预制钻孔型煤的孔径相同，预制孔圆柱的底部设有与圆形垫片的内螺纹匹配的外螺纹；圆筒内填充煤样，煤样顶部均匀抹平，煤样上方设有中心带通孔的预制孔圆板，预制孔圆柱穿过通孔，通孔的孔径等于预制孔圆柱的直径，预制孔圆板的直径等于圆筒的内径；预制孔圆板的上方设有提供垂直向下压力的压力装置，使预制孔圆板板面水平垂直向下运动。
进一步的，所述圆筒由两个半圆形筒扣合而成。
更进一步的，所述两个半圆形筒扣合而成的圆筒外侧设有刚性圆箍，形成环向约束作用。
进一步的，所述压力装置为压桶，压桶的上方设有压力机的压头，压头对压桶施加垂直向下的压力。
更进一步的，所述压力机与计算机连接，由计算机控制成型压力与保载时间。
进一步的，所述凹槽圆形底座和圆筒之间，预制孔圆板的孔壁、预制孔圆柱的表面分别涂抹有凡士林，以减小摩擦阻力。
基于上述装置的预制成孔软煤成型的制作方法，包括如下步骤：
步骤1：将凹槽圆形底座置于压力机上，后将两个半圆形筒扣合后形成一个完整圆筒，并卡在凹槽圆形底座的凹槽中，顶部用刚性圆箍紧固于扣合形成的圆筒，形成环向约束作用；
步骤2：预制孔圆柱通过外螺纹与圆形垫片的内螺纹连接，形成一个整体，后将该整体置于扣合形成的圆筒内部底端；
步骤3：向圆筒内部添加软煤样，并将煤样顶部均匀抹平；将预制孔圆板套于预制孔圆柱上；将压筒放于预制孔圆板的上方；压筒上方为压力机的压头；通过计算机调节压力机的压头紧贴压筒；设置计算机控制成型压力与保载时间，设置完毕后开始运行，压头产生向下挤压作用力，压制预制成孔煤体；
步骤4：达到预期的成型压力和保载时间后，通过计算机控制压力机压头上升，而后将压筒从圆筒内抽出，将刚性圆箍轻敲卸下，轻轻活动两个半圆形钢筒，将两个半圆形筒拆开，从凹槽圆形底座中拿出，此时拿掉已成型煤顶部的预制孔圆板，将预制孔圆柱从圆形垫片上旋转卸下，即可完成预制成孔的软煤型煤。
有益效果：含预制成孔的软煤型煤以煤作为基体材料最大程度上模拟了真实煤体孔壁的条件，同时预制成孔避免了后期钻孔所产生的煤体破碎开裂现象，形成的钻孔均匀完整，煤体无裂纹，密实坚固，预制成孔型煤成型效果好。该装置和方法形成的预制成孔型煤是对研究钻孔内锚固体与煤体锚固界面力学性质的基础补充。同时该装置可拆卸，脱模简单，组装快速，可重复利用，有效节约实验成本。
附图说明
附图1是本发明的结构示意图。
附图2是本发明成型后的预制成孔型煤示意图。
图中：1—凹槽圆形底座，2a—圆形垫片、2b—圆形垫片内螺纹，3a，3b—半圆形筒，4—软煤样，5—预制孔圆板，6—刚性圆箍，7a—预制孔圆柱、7b—预制孔圆柱外螺纹，8—压筒，9—压头，10—压力机，11—计算机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步描述：
本发明的模拟煤体成孔的软煤成型装置包括：凹槽圆形底座1，中心带内螺纹2b的圆形垫片2a，半圆形筒3a、3b，预制孔圆板5，刚性圆箍6，底部设置外螺纹7b的预制孔圆柱7a，压筒8。两个半圆形筒3a、3b扣合后形成一个完整圆筒，卡在凹槽圆形底座1中，底座凹槽直径等于扣和形成的圆筒外径。刚性圆箍6紧固于扣合形成的圆筒顶端，形成环向约束作用，顶部刚性圆箍6内径等于圆筒外径。预制孔圆柱7a通过外螺纹7b与含内螺纹2b的圆形垫片2a连接，圆形垫片内螺纹2b与预制孔圆柱外螺纹7b相匹配。圆形垫片2a与预制孔圆柱7a形成的整体置于圆筒内部底端，预制孔圆柱7a居中。预制孔圆板5含与预制孔圆柱7a相匹配的圆孔，套于预制孔圆柱7a上，预制孔圆板5内径等于预制孔圆柱7a外径。通过压筒8作用于预制孔圆板5，压筒8外径等于扣和形成的圆筒内径，产生向下挤压作用力，形成预制钻孔型煤。
使用上述装置预制成孔软煤成型的方法，包括如下步骤：
(1)将凹槽圆形底座1置于压力机10上，后将两个半圆形筒3a、3b扣合后形成一个完整圆筒，并卡在圆形底座的凹槽中。其内部均匀涂抹凡士林，以减小压缩过程摩擦阻力。顶部用刚性圆箍6紧固于扣合形成的圆筒，形成环向约束作用。
(2)预制孔圆柱7a通过外螺纹7b与圆形垫片内螺纹2b连接，形成一个整体，在预制孔圆柱7a表面均匀涂抹凡士林，后将圆形垫片2a端置于扣合形成的圆筒内部底端，此时预制孔圆柱7a居中。
(3)向圆形钢筒内部添加适量软煤样4，并将软煤样4顶部均匀抹平，将预制孔圆板5孔壁均匀涂抹凡士林，此时将预制孔圆板5套于预制孔圆柱7a上，压筒8表面均匀涂抹凡士林，后将压筒8作用于预制孔圆板5，控制计算机11，调节压力机10的压头9紧贴压筒8，此时设置计算机11控制成型压力20KN与保载时间800s，设置完毕后开始运行，压头9产生向下挤压作用力，压制预制成孔煤体。
(4)达到预期的成型压力20KN和保载时间800s后，通过计算机11控制压力机压头9上升，而后将压筒8从圆筒内抽出，将刚性圆箍6轻敲卸下，轻轻活动两个半圆形筒3a、3b，将两个半圆形筒3a、3b拆开，从凹槽圆形底座1中拿出，此时拿掉软煤型煤顶部的预制孔圆板5，将预制孔圆柱7a从圆形垫片2a上旋转卸下，即可完成预制成孔的软煤型煤如图2。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种模拟煤体成孔的软煤成型装置，其特征在于，包括凹槽圆形底座(1)，其凹槽内嵌入上下开口的圆筒，圆形凹槽的直径等于圆筒外径；圆筒底部设有中心含内螺纹(2b)的圆形垫片(2a)，圆形垫片(2a)的直径等于圆筒的内径；圆筒内设有预制孔圆柱(7a)，预制孔圆柱(7a)的直径与预制钻孔型煤的孔径相同，预制孔圆柱(7a)的底部设有与圆形垫片(2a)的内螺纹(2b)匹配的外螺纹(7b)；圆筒内填充软煤样，软煤样顶部均匀抹平，煤样上方设有中心带通孔的预制孔圆板(5)，预制孔圆柱(7a)穿过通孔，通孔的孔径等于预制孔圆柱(7a)的直径，预制孔圆板(5)的直径等于圆筒的内径；预制孔圆板(5)的上方设有提供垂直向下压力的压力装置，使预制孔圆板(5)板面水平垂直向下运动。
2.根据权利要求1所述的一种模拟煤体成孔的软煤成型装置，其特征在于，所述圆筒由两个半圆形筒(3a)、(3b)扣合而成。
3.根据权利要求2所述的一种模拟煤体成孔的软煤成型装置，其特征在于，所述两个半圆形筒(3a)、(3b)扣合而成的圆筒外侧设有刚性圆箍(6)，形成环向约束作用。
4.根据权利要求1所述的一种模拟煤体成孔的软煤成型装置，其特征在于，所述压力装置为压桶(8)，压桶(8)的上方设有压力机(10)的压头(9)，压头(9)对压桶(8)施加垂直向下的压力。
5.根据权利要求4所述的一种模拟煤体成孔的软煤成型装置，其特征在于，所述压力机(10)与计算机(11)连接，由计算机(11)控制成型压力与保载时间。
6.根据权利要求1所述的一种模拟煤体成孔的软煤成型装置，其特征在于，所述凹槽圆形底座(1)和圆筒之间，预制孔圆板(5)的孔壁、预制孔圆柱(7a)的表面分别涂抹有凡士林。
7.基于权利要求2所述装置的模拟煤体成孔的软煤成型方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：将凹槽圆形底座(1)置于压力机(10)上，后将两个半圆形筒(3a)、(3b)扣合后形成一个完整圆筒，并卡在凹槽圆形底座(1)的凹槽中，顶部用刚性圆箍(6)紧固于扣合形成的圆筒，形成环向约束作用；
步骤2：预制孔圆柱(7a)通过外螺纹(7b)与圆形垫片(2a)的内螺纹(2b)连接，形成一个整体，后将该整体置于扣合形成的圆筒内部底端；
步骤3：向圆筒内部添加软煤样，并将软煤样顶部均匀抹平；将预制孔圆板(5)套于预制孔圆柱(7a)上；将压筒(8)放于预制孔圆板(5)的上方；压筒(8)上方为压力机(10)的压头(9)；通过计算机(11)调节压力机(10)的压头(9)紧贴压筒(8)；设置计算机(11)控制成型压力与保载时间，设置完毕后开始运行，压头(9)产生向下挤压作用力，压制预制成孔煤体；
步骤4：达到预期的成型压力和保载时间后，通过计算机(11)控制压力机(10)压头(9)上升，而后将压筒(8)从圆筒内抽出，将刚性圆箍(4)卸下，将两个半圆形筒(3a)、(3b)拆开，从凹槽圆形底座(1)中拿出，此时拿掉型煤顶部的预制孔圆板(5)，将预制孔圆柱(7a)从圆形垫片(2a)上旋转卸下，即可完成预制成孔的软煤型煤。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 221008 Research Institute of China University of Mining and Technology,, Jiangsu Applicant after: CHINA University OF MINING AND TECHNOLOGY Address before: 221008 Research Institute, China University of Mining and Technology, Xuzhou University, Jiangsu, China, Applicant before: CHINA University OF MINING AND TECHNOLOGY |
|
| CB02 | Change of applicant information | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20171219 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |