CN108036882A - 一种用于放顶煤开采应力观测的光弹实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明所述的用于放顶煤开采应力观测的光弹实验装置，包括终端设备以及依次平行安置在同一水平线的光源设备、组合镜片Ⅰ、测试模型、组合镜片Ⅱ和记录装置；通过终端设备开闭光源设备的平行光源，设定测试模型的应力值，平行光源透过所述组合镜片Ⅰ和组合镜片Ⅱ将测试模型内部的应力分布成像平行投射到所述记录装置中进行记录，记录装置将记录信息传递至终端设备。本发明解决了现阶段传统的相似模拟应力观测方法结果与现场实际偏差较大，观测点有限，无法连续重复观测的不足，实现了放煤过程的精准模拟，全面观测支架周围、煤体、上覆岩层各处的应力分布情况，光弹颗粒能重复利用，可以实现放煤、落煤、移架周期循环观测，数据连续完整。

Description

一种用于放顶煤开采应力观测的光弹实验装置

技术领域

本发明涉及放顶煤开采应力观测装置技术领域，尤其涉及一种用于放顶煤开采应力观测的光弹实验装置

背景技术

中国作为全世界主要能源产出和消耗大国，煤炭在能源结构中起着重要的作用，现阶段，我国在厚煤层开采过程中，主要应用综合机械化放顶煤开采方法。室内散体实验能准确便捷地模拟顶煤放出规律，放煤过程中围岩应力的变化对设备选型，放煤工艺设计有很重要作用。目前，对围岩应力应变观测主要为在相似模拟实验中，将应力应变计预先放置于岩层，观测记录开挖后应力应变计的数据情况，这种方法不能适应于散体放煤实验中应力测量，观测数据不连续，实验结果准确度较低。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出一种用于放顶煤开采应力观测的光弹实验装置，光弹性实验是在光弹性仪上，利用光学仪器对应力进行测量的一种方法，用具有双折射性能材料制成光弹颗粒模拟模型，光弹颗粒受力后，平行光透过模型，在受力强度不同的区域显示不同亮度，利用光弹颗粒模拟煤岩散体形态，根据形成力链的情况分析受力情况，从而实现持续对围岩应力应变观测，并提高了观测准确率。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

本发明提供了一种用于放顶煤开采应力观测的光弹实验装置，包括终端设备以及依次平行安置在同一水平线的光源设备、组合镜片Ⅰ、测试模型、组合镜片Ⅱ和记录装置；

所述光源设备与所述终端设备连接，所述测试模型与所述终端设备连接，所述记录装置与所述终端设备连接；

通过所述终端设备开闭所述光源设备的平行光源，设定所述测试模型的应力值，所述平行光源透过所述组合镜片Ⅰ和所述组合镜片Ⅱ将所述测试模型内部的应力分布成像平行投射到所述记录装置中进行记录，所述记录装置将记录信息传递至所述终端设备。

优选的，所述测试模型包括电机、加压片、双层玻璃板、光弹颗粒、放煤支架、导向杆、行走丝杠、导向杆和回收槽；

所述电机通过升降丝杠Ⅰ与所述加压片连接，所述加压片与所述双层玻璃板连接，所述光弹颗粒置于所述双层玻璃板的夹层中，所述双层玻璃板的底部通过放煤挡板与所述回收槽连接，所述行走丝杠平行设置在所述放煤挡板的下方，所述放煤支架通过升降丝杠Ⅱ与所述行走丝杠连接，所述行走丝杠通过螺旋伞齿轮与所述导向杆连接，所述导向杆与所述行走丝杠平行。

优选的，所述升降丝杠Ⅰ固定在所述加压片上，所述升降丝杠Ⅰ设有升降螺母Ⅰ，通过位置限制杆将所述升降螺母Ⅰ与所述双层玻璃板相对位置设置，所述升降丝杠Ⅱ设有升降螺母Ⅱ。

优选的，所述放煤支架是由第一梁、第二梁和第三梁组成的矩形支架，所述第一梁与所述第二梁连接，所述第二梁与所述第三梁铰接，所述第一梁与所述升降丝杠Ⅱ固定连接。

优选的，所述光弹颗粒为环氧树脂材料制成，厚度为t，所述光弹颗粒分为圆形和正方形两种，圆形光弹颗粒的半径为r，圆形光弹颗粒用以所述放煤支架上方和后方的煤体与岩体，正方形光弹颗粒的边长为b，正方形光弹颗粒用以所述放顶煤支架前方煤壁与采煤机开采范围的煤体，2r>b。

优选的，所述双层玻璃板是由两块平行放置的玻璃板连接而成的中空结构；

所述加压片是厚度为t的钢板，用于对所述光弹颗粒施加垂直压力。

优选的，所述放煤挡板的厚度为t，宽度为b，所述放煤挡板插放于所述双层玻璃板的底部与所述回收槽之间，所述放煤挡板的数量为多个，当抽出其中一个放煤挡板时，其上方的正方形光弹颗粒落下。

优选的，所述回收槽为三角形状，所述回收槽的顶部与所述双层玻璃板的底部平行，所述回收槽的底部与所述回收槽的顶部的夹角为20-30°，所述回收槽的侧面设有开口，所述光弹颗粒掉落所述回收槽内沿所述回收槽的底面滑出。

优选的，所述光源设备为发射白光的灯管，所述终端设备为计算机，所述记录装置为高速相机。

优选的，所述组合镜片Ⅰ由起偏镜和1/4波片组成，所述起偏镜位于近光源侧，所述起偏镜与所述1/4波片平行放置；

所述组合镜片Ⅱ由1/4波片和检偏镜组成，所述检偏镜位于远离光源侧，所述1/4波片与所述检偏镜平行放置。

通过上述本发明技术方案可以看出，本发明解决了现阶段传统的相似模拟应力观测方法结果与现场实际偏差较大，观测点有限，无法连续重复观测的不足，实现了放煤过程的精准模拟，全面观测支架周围、煤体、上覆岩层各处的应力分布情况，光弹颗粒能重复利用，可以实现放煤、落煤、移架周期循环观测，数据连续完整。

本发明可用于散体二维模拟实验中放顶煤开采应力观测，计算机控制加压，压力恒定，模拟效果准确，螺旋丝杠控制尾梁姿态与支架行走，操作简单，本装置可根据地质条件对各种复杂赋存条件进行模拟，实验过程透明可视。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所述光弹实验装置的主视结构示意图；

图2为本发明实施例所述光弹实验装置的侧视结构示意图；

图3为本发明实施例所述光弹实验装置中测试模型的主视结构示意图；

图4为本发明实施例所述光弹实验装置中测试模型的侧视结构示意图；

图5为本发明实施例所述光弹实验装置中放煤挡板放置的主视结构示意图；

图6为本发明实施例所述光弹实验装置中放煤挡板放置的侧视结构示意图；

图7为本发明实施例所述光弹实验装置中掩护梁与尾梁铰接的结构示意图。

【附图标记】

1-平行光源、2-组合镜片Ⅰ、3-测试模型、4-组合镜片Ⅱ、5-高速相机、6-笔记本电脑、7-底座、8-电动机、9-升降丝杠Ⅰ、10-升降螺母Ⅰ、11-位置限制杆、12-加压片、13-顶梁、14-掩护梁、15-尾梁、16-升降丝杠Ⅱ、17-升降螺母Ⅱ、18-螺旋伞齿轮、19-光弹颗粒、20-放煤挡板、21-导向杆、22-行走丝杠、23-回收槽、24-玻璃板。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

实施例一

本实施例提供一种用于放顶煤开采应力观测的光弹实验装置，光弹实验在光弹仪上进行，利用光学仪器对应力进行测量，光弹颗粒为具有双折射性能材料制成，其受力后，因受力强度大小显示不同亮度，根据力链的分布分析应力情况；根据此原理提出本实施例所述的光弹实验装置。

在本实施例中，所述光弹实验装置包括平行光源、组合镜片Ⅰ、测试模型、组合镜片Ⅱ、高速相机、笔记本电脑、底座、电动机、升降丝杠Ⅰ、升降螺母Ⅰ、位置限制杆、加压片、顶梁、掩护梁、尾梁、升降丝杠Ⅱ、升降螺母Ⅱ、螺旋伞齿轮、光弹颗粒、放煤挡板、导向杆、行走丝杠、回收槽和玻璃板；

在本实施例中，如图1所示，所述光弹性实验装置包括光源1、组合镜片Ⅰ2、测试模型3、组合镜片Ⅱ4和高速相机5，所述的光源1、组合镜片Ⅰ2、测试模型3、组合镜片Ⅱ4、高速相机5均为固定在底座7上，使各结构在同一水平线，组合镜片Ⅰ2、测试模型3、组合镜片Ⅱ4平行放置；所述的光源1、测试模型3、高速相机5与笔记本电脑6相连，由笔记本电脑6控制。

在本实施例中，如图2、图3、图4所示，所述测试模型3由电动机8、升降丝杠Ⅰ9、升降螺母Ⅰ10、位置限制杆11、加压片12、顶梁13、掩护梁14、尾梁15、升降丝杠Ⅱ16、升降螺母Ⅱ17、螺旋伞齿轮18、光弹颗粒19、放煤挡板20、导向杆21、行走丝杠22、回收槽23和玻璃板24组成；所述的位置限制杆11将升降螺母Ⅰ10与玻璃板24相对位置固定，加压板12与升降丝杠Ⅰ9用销钉固定；所述的玻璃板24平行放置，两玻璃板中间预留3mm空隙，两侧用亚克力板连接固定，玻璃板24下部与回收槽23连接，中间用放煤挡板20隔开。所述的放顶煤支架位于测试模板3下部，与行走丝杠22相连；所述的顶梁13与掩护梁14相连，所述顶梁13用厚度为3mm的钢板制成；所述的掩护梁14与尾梁15铰接相连，如图7所示；所述的顶梁13与升降丝杠Ⅱ16固定，升降丝杠Ⅱ16与导向杆21用螺旋伞齿轮18链接。

本实施例还提供了所述光弹性实验装置的具体实验步骤，如下：

(1)实验前，依据实验测试情况将光弹颗粒装入测试模型，安装加压片，将平行光源、组合镜片Ⅰ、测试模型、组合镜片Ⅱ、高速相机放置在试验台底座卡槽位置，连接笔记本电脑，调试高速相机位置，使其完整拍摄测试模型，打开平行光源，关闭实验室其他光源，行成暗室环境。

(2)放置加压片加载压力，并保持压力恒定；

(3)撤出尾梁下方放煤挡板，旋转导向杆至尾梁垂直状态，光弹颗粒均匀掉落停滞1s后反方向旋转导向杆，尾梁恢复，关闭放梁口；

(4)拔出正方形颗粒下的放煤挡板，一列正方形颗粒全部落下，落下的该列方形颗粒即表示采煤机割一刀落煤，正方形边长表示采煤机截深。

(5)旋转行走丝杠支架右移5mm，同时将一块放煤挡板插回尾梁左侧光弹颗粒下方，阻挡光弹颗粒掉落。

(6)步骤(3)(4)(5)为一个放煤、落煤、移架周期，每完成一个动作相机拍照记录，重复步骤(3)(4)(5)记录光弹颗粒中应力分布变化情况。

(7)根据模拟实例，支架移至相应位置后停止实验，将相机数据传入电脑。

实施例二

本实施例提供了一种用于放顶煤开采应力观测的光弹实验装置，包括终端设备以及依次平行安置在同一水平线的光源设备、组合镜片Ⅰ、测试模型、组合镜片Ⅱ和记录装置；

所述光源设备与所述终端设备连接，所述测试模型与所述终端设备连接，所述记录装置与所述终端设备连接；

通过所述终端设备开闭所述光源设备的平行光源，设定所述测试模型的应力值，所述平行光源透过所述组合镜片Ⅰ和所述组合镜片Ⅱ将所述测试模型内部的应力分布成像平行投射到所述记录装置中进行记录，所述记录装置将记录信息传递至所述终端设备。

在本实施例中，所述测试模型包括电机、加压片、双层玻璃板、光弹颗粒、放煤支架、导向杆、行走丝杠、导向杆和回收槽；

所述电机通过升降丝杠Ⅰ与所述加压片连接，所述加压片与所述双层玻璃板连接，所述光弹颗粒置于所述双层玻璃板的夹层中，所述双层玻璃板的底部通过放煤挡板与所述回收槽连接，所述行走丝杠平行设置在所述放煤挡板的下方，所述放煤支架通过升降丝杠Ⅱ与所述行走丝杠连接，所述行走丝杠通过螺旋伞齿轮与所述导向杆连接，所述导向杆与所述行走丝杠平行；

在本实施例中，所述放煤支架是由第一梁、第二梁和第三梁组成的矩形支架，所述第一梁与所述第二梁连接，所述第二梁与所述第三梁铰接，所述第一梁与所述升降丝杠Ⅱ固定连接；

在本实施例中，所述第一梁为顶梁，所述第二梁为掩护梁，所述第三梁为尾梁，顶梁与掩护梁相连，可以采用厚度为3mm的钢板制成，掩护梁与尾梁铰接相连，其结构是一种以销轴连接的榫卯式连接结构，如图7所示。

导向杆用以控制尾梁姿态，通过螺旋伞齿轮将旋转方向转动90°，从而实现尾梁旋转，模拟放煤过程。

行走丝杠用以控制放煤支架左右移动，实现架移。

在本实施例中，所述升降丝杠Ⅰ可以采用销钉的方式固定在所述加压片上，所述升降丝杠Ⅰ设有升降螺母Ⅰ，通过位置限制杆将所述升降螺母Ⅰ与所述双层玻璃板相对位置设置，所述升降丝杠Ⅱ设有升降螺母Ⅱ；

位置限制器与升降螺母Ⅰ焊接相连，达到固定升降螺母的目的，在升降螺母与玻璃板相对位置保持不变的情况下，实现将升降丝杠的力通过加压片均匀传递到光弹颗粒。

在本实施例中，所述光弹颗粒为环氧树脂材料制成，厚度为t，所述光弹颗粒分为圆形和正方形两种，圆形光弹颗粒的半径为r，圆形光弹颗粒用以所述放煤支架上方和后方的煤体与岩体，正方形光弹颗粒的边长为b，正方形光弹颗粒用以所述放顶煤支架前方煤壁与采煤机开采范围的煤体，2r>b。

在本实施例中，所述双层玻璃板是由两块平行放置的玻璃板连接而成的中空结构；两块玻璃板平行放置，中间预留宽度为t的空隙，两侧采用亚克力板固定连接；

所述加压片是厚度为t的钢板，用于对所述光弹颗粒施加垂直压力，用于模拟上覆岩层的垂直压力。

在本实施例中，所述放煤挡板的厚度为t，宽度为b，所述放煤挡板插放于所述双层玻璃板的底部与所述回收槽之间，所述放煤挡板的数量为多个，当抽出其中一个放煤挡板时，其上方的正方形光弹颗粒落下。落下的该列正方形光弹颗粒表示采煤机割一刀落煤，即采煤机截深与正方形边长相等；放煤挡板放置的结构示意如图5、图6所示。

上述t值一般为2-3mm，r值一般为4mm，b值一般为5mm，如图4所示，光弹材料填充于两块玻璃板之间；圆形和方形颗粒半径与边长按放煤挡板的宽度设定，正方形边长与放煤挡板宽度一致，抽出一块放煤挡板落下一列正方形颗粒，为保证圆形颗粒下落不明显，圆形颗粒直径大于正方形边长，若改成范围值需保证所有圆形和所有正方形颗粒厚度一致。

在本实施例中，所述回收槽为三角形状，所述回收槽的顶部与所述双层玻璃板的底部平行，所述回收槽的底部与所述回收槽的顶部的夹角为20-30°，所述回收槽的侧面设有开口，所述光弹颗粒掉落所述回收槽内沿所述回收槽的底面滑出。

在本实施例中，所述光源设备为发射白光的灯管，所述终端设备为计算机，所述记录装置为高速相机；

在本实施例中，计算机可采用笔记本电脑，用以控制平行光源开闭，测试模型定值加压，以及高速相机成像后照片记录处理。

在本实施例中，所述组合镜片Ⅰ由起偏镜和1/4波片组成，所述起偏镜位于近光源侧，所述起偏镜与所述1/4波片平行放置；

所述组合镜片Ⅱ由1/4波片和检偏镜组成，所述检偏镜位于远离光源侧，所述1/4波片与所述检偏镜平行放置。

综上所述，本发明解决了现阶段传统的相似模拟应力观测方法结果与现场实际偏差较大，观测点有限，无法连续重复观测的不足，实现了放煤过程的精准模拟，全面观测支架周围、煤体、上覆岩层各处的应力分布情况，光弹颗粒能重复利用，可以实现放煤、落煤、移架周期循环观测，数据连续完整。本发明可用于散体二维模拟实验中放顶煤开采应力观测，计算机控制加压，压力恒定，模拟效果准确，螺旋丝杠控制尾梁姿态与支架行走，操作简单，本装置可根据地质条件对各种复杂赋存条件进行模拟，实验过程透明可视。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种用于放顶煤开采应力观测的光弹实验装置，其特征在于，包括终端设备以及依次平行安置在同一水平线的光源设备、组合镜片Ⅰ、测试模型、组合镜片Ⅱ和记录装置；

所述光源设备与所述终端设备连接，所述测试模型与所述终端设备连接，所述记录装置与所述终端设备连接；

通过所述终端设备开闭所述光源设备的平行光源，设定所述测试模型的应力值，所述平行光源透过所述组合镜片Ⅰ和所述组合镜片Ⅱ将所述测试模型内部的应力分布成像平行投射到所述记录装置中进行记录，所述记录装置将记录信息传递至所述终端设备。

2.根据权利要求1所述的光弹实验装置，其特征在于，所述测试模型包括电机、加压片、双层玻璃板、光弹颗粒、放煤支架、导向杆、行走丝杠、导向杆和回收槽；

所述电机通过升降丝杠Ⅰ与所述加压片连接，所述加压片与所述双层玻璃板连接，所述光弹颗粒置于所述双层玻璃板的夹层中，所述双层玻璃板的底部通过放煤挡板与所述回收槽连接，所述行走丝杠平行设置在所述放煤挡板的下方，所述放煤支架通过升降丝杠Ⅱ与所述行走丝杠连接，所述行走丝杠通过螺旋伞齿轮与所述导向杆连接，所述导向杆与所述行走丝杠平行。

3.根据权利要求2所述的光弹实验装置，其特征在于，

所述升降丝杠Ⅰ固定在所述加压片上，所述升降丝杠Ⅰ设有升降螺母Ⅰ，通过位置限制杆将所述升降螺母Ⅰ与所述双层玻璃板相对位置设置，所述升降丝杠Ⅱ设有升降螺母Ⅱ。

4.根据权利要求3所述的光弹实验装置，其特征在于，

所述放煤支架是由第一梁、第二梁和第三梁组成的矩形支架，所述第一梁与所述第二梁连接，所述第二梁与所述第三梁铰接，所述第一梁与所述升降丝杠Ⅱ固定连接。

5.根据权利要求2所述的光弹实验装置，其特征在于，

所述光弹颗粒为环氧树脂材料制成，厚度为t，所述光弹颗粒分为圆形和正方形两种，圆形光弹颗粒的半径为r，圆形光弹颗粒用以所述放煤支架上方和后方的煤体与岩体，正方形光弹颗粒的边长为b，正方形光弹颗粒用以所述放顶煤支架前方煤壁与采煤机开采范围的煤体，2r>b。

6.根据权利要求2所述的光弹实验装置，其特征在于，

所述双层玻璃板是由两块平行放置的玻璃板连接而成的中空结构；

所述加压片是厚度为t的钢板，用于对所述光弹颗粒施加垂直压力。

7.根据权利要求2所述的光弹实验装置，其特征在于，

所述放煤挡板的厚度为t，宽度为b，所述放煤挡板插放于所述双层玻璃板的底部与所述回收槽之间，所述放煤挡板的数量为多个，当抽出其中一个放煤挡板时，其上方的正方形光弹颗粒落下。

8.根据权利要求2所述的光弹实验装置，其特征在于，

所述回收槽为三角形状，所述回收槽的顶部与所述双层玻璃板的底部平行，所述回收槽的底部与所述回收槽的顶部的夹角为20-30°，所述回收槽的侧面设有开口，所述光弹颗粒掉落所述回收槽内沿所述回收槽的底面滑出。

9.根据权利要求1所述的光弹实验装置，其特征在于，

所述光源设备为发射白光的灯管，所述终端设备为计算机，所述记录装置为高速相机。

10.根据权利要求1所述的光弹实验装置，其特征在于，

所述组合镜片Ⅰ由起偏镜和1/4波片组成，所述起偏镜位于近光源侧，所述起偏镜与所述1/4波片平行放置；

所述组合镜片Ⅱ由1/4波片和检偏镜组成，所述检偏镜位于远离光源侧，所述1/4波片与所述检偏镜平行放置。