CN108896731A - 一种便携可拆卸式矿柱稳定性及底板载荷传递模拟装置 - Google Patents

一种便携可拆卸式矿柱稳定性及底板载荷传递模拟装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种便携可拆卸式矿柱稳定性及底板载荷传递模拟装置，属于矿柱稳定性及底板载荷传递模拟装置的技术领域，包括顶压加载部、侧压加载部、底部支撑部和挡板；顶压加载部包括顶梁、压头、液压泵以及用于压靠在岩体模拟物顶部的上承压板和两块上压板；侧压加载部的数量为两个，等距离布置在压头两侧，包括侧梁、侧承压板、侧压板、侧压施加螺栓、螺杆和弹簧；底部支撑部包括与所述顶梁相对设置的底梁；挡板通过连接件分别与侧梁的正面和背面连接。该装置能便携可拆卸的实现岩体模拟物上部不同部分的伺服加载和恒定压力加载、岩体模拟物侧压加载以及上部和侧向共同加载。

Description

一种便携可拆卸式矿柱稳定性及底板载荷传递模拟装置
技术领域
本发明涉及矿柱稳定性及底板载荷传递模拟装置的技术领域，特别是涉及一种便携可拆卸式矿柱稳定性及底板载荷传递模拟装置。
背景技术
对于矿山开采来说，矿柱的留设是不可避免的。在全世界矿山存在大量的矿柱，这些矿柱的失稳会造成地表的突然垮塌，造成地表构筑物和人员的损失和伤亡。另外，矿柱的存在对于下部矿体（煤层）的开采造成很大困扰，其底板载荷传递规律的明确对于下部矿体（煤层）的巷道布置、矿压控制措施的制定具有决定性作用。因此，矿柱稳定性及底板载荷传递的研究具有重要意义。
为了更加科学精确地矿山压力控制，采矿工程领域的工程技术人员和研究人员都在矿山压力显现规律及矿柱稳定性分析方面做着大量的实验研究。由于煤矿井下开采的特殊性，导致现场实际研究中采场上覆岩层运动的不可见性和煤矿井下现场实验的局限性，这给井下采场矿压研究和矿柱稳定性分析带来了极大的困难。
目前普遍采用且行之有效方法是相似模拟实验，相似模拟实验通过对不同岩层（包括岩体内的不连续面等）进行相似模拟铺设，然后按照相似比进行工作面开挖，可以直观地模拟采场推进过程中上覆岩层运动、支撑压力和矿柱形态的变化规律，并获知采场支架与围岩及顶板的相互关系和采场矿柱与顶板、底板及相邻矿柱间的相互作用关系。目前类似的装置有：电液伺服控制相似模拟实验台和高压气罐加压相似模拟试验台。但是上述装置存在以下不足：
①不能精确的控制加载方式，传统相似模拟试验台顶压加载只能整体采用伺服控制方式加载，不能分别对各部分进行加载；
②制造及使用成本太高，目前使用的二维平面物理模拟实验架的尺寸规格普遍较大，模型制作费时耗力，占用空间大；
③现有装置都是固定在地面上的，拆卸和搬运困难。
发明内容
本发明的目的在于提供一种便携可拆卸式矿柱稳定性及底板载荷传递模拟装置，配合电液伺服控制压力机使用，要解决的技术问题是在二维平面物理模拟实验中，如何便携可拆卸的实现岩体模拟物上部不同部分的伺服加载和恒定压力加载、岩体模拟物侧压加载以及上部和侧向共同加载，模拟煤柱稳定性和底板载荷传递问题。
本发明提供一种便携可拆卸式矿柱稳定性及底板载荷传递模拟装置，包括顶压加载部、侧压加载部、底部支撑部和挡板；顶压加载部包括顶梁、压头、液压泵以及用于压靠在岩体模拟物顶部的上承压板和两块上压板；侧压加载部的数量为两个，等距离布置在压头两侧，包括侧梁、侧承压板、侧压板、侧压施加螺栓、螺杆和弹簧；底部支撑部包括与所述顶梁相对设置的底梁；顶梁的中部设置有压头布设孔；上承压板位于两块所述上压板之间，且上承压板和两块上压板的总面积与岩体模拟物顶部的面积相适应；压头穿过压头布设孔压靠在上承压板上；液压泵位于顶梁和上压板之间，数量为两个，等距离布置在压头的两侧；侧梁的两端分别与顶梁和底梁可拆卸连接，内侧面上设置有侧梁螺纹孔和内壁光滑侧梁通孔；每个侧梁上侧梁螺纹孔的数量至少为两个；侧梁通孔等距离布置在每个侧梁螺纹孔两侧；侧承压板紧贴在侧梁内侧面上，具有与侧梁螺纹孔对应的侧承压板盲孔以及与侧梁通孔对应的且内壁光滑的侧承压板通孔；侧压板位于侧梁内侧，数量与侧梁螺纹孔对应，侧压板上设置有与侧承压板通孔对应的侧压板盲孔；侧压施加螺栓穿过侧梁螺纹孔，尾部抵靠在侧承压板盲孔内，头部位于侧梁螺纹孔外；螺杆穿过侧梁通孔和侧承压板通孔，第一端抵靠在侧压板盲孔内，第二端位于侧梁通孔外；弹簧套设在螺杆位于侧承压板和侧压板之间的杆体上；挡板通过连接件分别与侧梁的正面和背面连接。
进一步地，侧梁的两端分别通过螺栓和螺母与顶梁和底梁连接。
进一步地，挡板通过螺栓和螺母分别与所述侧梁的正面和背面连接。
进一步地，侧压板的内侧面上设置有橡胶垫。
进一步地，顶梁、侧梁、底梁和挡板均为槽钢；侧梁的两端焊接连接板，腰部设置有侧梁螺纹孔和侧梁通孔，腰部两侧的翼板上设置有用于与挡板连接的侧梁连接孔；连接板上设置有用于与顶梁和底梁连接的连接板连接孔。
进一步地，便携可拆卸式矿柱稳定性及底板载荷传递模拟装置，还包括预设在岩体模拟物内的力学传感器和与力学传感器连接的力学检测分析系统。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
将顶梁、侧梁、底梁、侧承压板和侧压板连接好，将最下层的挡板安装好，岩体模拟物从下到上逐层铺设，随着岩体模拟物高度的增加，逐层增加挡板，直至侧压板的最高点，待岩体模拟物达到与地下岩体物理性质相似后，将上承压板和上压板铺设在岩体模拟物的顶部，安装压头和液压泵，将该装置及装置内的岩体模拟物置于伺服压力机上，伺服压力机可对压头施压实现对岩体模拟物的伺服载荷加载，液压泵对岩体模拟物施加恒定压力实现对岩体模拟物的的恒定压力加载，达到模拟采场顶板对煤柱的应力集中效应，进而可有效模拟集中载荷在下部岩层中的传递规律和实现煤柱稳定性地监测；通过旋转侧压施加螺栓向内推动侧承压板压缩弹簧从而推动侧压板对岩体模拟物施加侧压，由于在做岩体相似模拟实验时，岩体在受压破坏前的状态下变形量很小，可以忽略不计，所以侧压施加螺栓对岩体施加的侧压F在数值上等于弹簧的弹力，即 F=KX，其中K为弹簧的弹性系数，X为弹簧总的形变量，故而可以通过侧压施加螺栓的旋进程度来达到有效控制侧压施加大小的目的，由于每个侧梁上侧压板的数量至少为两个，可实现对岩体模拟物侧向不同部分的加载；因此，本发明提供的装置可以较好地实现电液伺服加载和固定载荷（包括上部固定载荷和侧向固定载荷）同时加载不同区域，分别模拟煤柱稳定性和底板载荷传递规律的相似模拟实验。在实验完成后，可将顶梁、侧梁、底梁、侧承压板和侧压板等各部件拆卸，方便携带和运搬，配合不同的伺服压力机，给实验的进行提供了很大的便利。同时，由于该装置结构简单，可制作成较小尺寸，所占空间较小，利于存储；制作简单，工作量低；所消耗的材料较少，能较好实现绿色节能的目标，同时达到节省试验资金的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1是本发明实施例提供的便携可拆卸式矿柱稳定性及底板载荷传递模拟装置的结构示意图；
图2是图1所示装置中顶梁的主视图；
图3是图1所示装置中侧梁的主视图；
图4是图3所示侧梁的侧视图；
图5是图1所示装置中侧承压板的主视图；
图6是图5所示侧承压板的侧视图；
图7是图1所示装置中侧压板的主视图；
图8是图7所示侧压板的侧视图；
图9是图1所示装置在伺服压力机上的安装示意图。
标号：101-顶梁；102-压头；103-液压泵；104-上承压板；105-上压板；106-压头布设孔；201-侧梁；202-侧承压板；203-侧压板；204-侧压施加螺栓；205-螺杆；206-弹簧；207-侧梁螺纹孔；208-侧梁通孔；209-侧承压板盲孔；210-侧承压板通孔；211-侧压板盲孔；212-橡胶垫；301-底梁；400-伺服压力机。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供一种便携可拆卸式矿柱稳定性及底板载荷传递模拟装置，如图1所示，包括顶压加载部、侧压加载部、底部支撑部和挡板；顶压加载部包括顶梁101、压头102、液压泵103以及用于压靠在岩体模拟物顶部的上承压板104和两块上压板105；侧压加载部的数量为两个，等距离布置在压头102两侧，包括侧梁201、侧承压板202、侧压板203、侧压施加螺栓204、螺杆205和弹簧206；底部支撑部包括与顶梁101相对设置的底梁301；如图2所示，顶梁101的中部设置有压头布设孔106；上承压板104位于两块上压板105之间，且上承压板104和两块上压板105的总面积与岩体模拟物顶部的面积相适应；压头102穿过压头布设孔106压靠在上承压板104上；液压泵103位于顶梁101和上压板105之间，数量为两个，等距离布置在压头102的两侧；如图3所示，侧梁201的两端分别与顶梁101和底梁301可拆卸连接，内侧面上设置有侧梁螺纹孔207和内壁光滑的侧梁通孔208；每个侧梁201上侧梁螺纹孔207的数量至少为两个；侧梁通孔208等距离布置在每个侧梁螺纹孔207两侧；侧承压板202紧贴在侧梁201内侧面上，如图5和图6所示，具有与侧梁螺纹孔207对应的侧承压板盲孔209以及与侧梁通孔208对应的且内壁光滑的侧承压板通孔210；侧压板203位于侧梁201内侧，数量与侧梁螺纹孔207对应，如图7和图8所示，侧压板203上设置有与侧承压板通孔210对应的侧压板盲孔211；侧压施加螺栓204穿过侧梁螺纹孔207，尾部抵靠在侧承压板盲孔209内，头部位于侧梁螺纹孔207外；螺杆205穿过侧梁通孔208和侧承压板通孔210，第一端抵靠在侧压板盲孔211内，第二端位于侧梁通孔208外；弹簧206套设在螺杆205位于侧承压板202和侧压板203之间的杆体上；挡板通过连接件分别与侧梁201的正面和背面连接。
进一步地，上承压板104和两块上压板105具有不同规格，以适应不同型号的伺服压力机。
进一步地，侧梁201的两端分别通过螺栓和螺母与顶梁101和底梁301连接。
进一步地，挡板通过螺栓和螺母分别与侧梁201的正面和背面连接。螺栓连接便于拆卸且连接牢固。
进一步地，侧压板203的内侧面上设置有橡胶垫212。橡胶垫212与岩体模拟物接触，当岩体模拟物被压缩而向下移动时，起到减阻作用。橡胶垫212与侧压板203相适应。
进一步地，顶梁101、侧梁201、底梁301和挡板均为槽钢；如图3所示，侧梁201的两端焊接连接板，腰部设置有侧梁螺纹孔207和侧梁通孔208，如图4所示，腰部两侧的翼板上设置有用于与挡板连接的侧梁连接孔；连接板上设置有用于与顶梁101和底梁301连接的连接板连接孔。
进一步地，便携可拆卸式矿柱稳定性及底板载荷传递模拟装置，还包括预设在岩体模拟物内的力学传感器和与所述力学传感器连接的力学检测分析系统。在对岩体模拟物施加压力时，压力传感器将检测到的压力值传递给外接的力学检测分析系统中，进行分析检测。
实施例2
本实施例以实施例1所述的便携可拆卸式矿柱稳定性及底板载荷传递模拟装置为基础，提供具体尺寸。
如图2所示，顶梁101的长度为500mm，腰部的压头布设孔106直径为55mm，腰部在距两端10mm处各钻一个直径为11~12mm的螺孔但不攻丝，可穿入M10螺栓。
压头102为圆柱状，由45号钢制成，直径50mm，高120mm。
上承压板104厚5mm,宽80mm，长有50mm、75mm、100mm、125mm和150mm五种尺寸；上压板105厚5mm，宽80mm，长度150mm、137.5mm、125mm、112.5mm和100mm；承压板104和两个上压板105总长度始终为350mm，与顶梁101间距50mm。
侧梁201的长度为500mm，如图3所示，腰部设置有两个侧梁螺纹孔207和四个侧梁通孔208，侧梁螺纹孔207和侧梁通孔208为12mm的圆形孔，对应M10螺栓，距侧梁201下端的距离为55mm，105mm，155mm，265mm，315mm，365mm；如图4所示，翼板上距上端95mm，185mm，275mm，365mm，455mm处钻直径为11~12mm的圆形螺孔但不攻丝，并保证可穿入M10螺栓，或者在上述位置钻直径为9~10mm的圆形螺孔，对应穿入M8螺栓。
侧承压板202厚5mm，宽80mm，长150mm，如图5和图6所示，在侧承压板202中间位置处钻侧承压板盲孔209，侧承压板盲孔209国标细牙对应M10螺栓，在距侧承压板202端部位置25mm处各钻一个侧承压板通孔210，侧承压板通孔210为12mm的螺孔但不攻丝，对应M10螺栓。
如图5所示，侧压板203厚5mm，宽80mm，长200mm，在距侧压板203端部位置50mm处各钻一个圆形螺孔，为侧压板盲孔211，侧压板盲孔211国标细牙对应M10螺栓。
橡胶垫212的厚度为2-5mm。
弹簧206的弹性系数为50N/mm-200N/mm。
底梁301的长度为500mm，腰部在距两端10mm处各钻一直径11cm的圆形螺孔但不攻丝，可穿入M10螺栓。
以上仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种便携可拆卸式矿柱稳定性及底板载荷传递模拟装置，其特征在于，包括顶压加载部、侧压加载部、底部支撑部和挡板；
所述顶压加载部包括顶梁、压头、液压泵以及用于压靠在岩体模拟物顶部的上承压板和两块上压板；
所述侧压加载部的数量为两个，等距离布置在压头两侧，包括侧梁、侧承压板、侧压板、侧压施加螺栓、螺杆和弹簧；
所述底部支撑部包括与所述顶梁相对设置的底梁；
所述顶梁的中部设置有压头布设孔；
所述上承压板位于两块所述上压板之间，且所述上承压板和两块上压板的总面积与岩体模拟物顶部的面积相适应；
所述压头穿过所述压头布设孔压靠在所述上承压板上；
所述液压泵位于所述顶梁和上压板之间，数量为两个，等距离布置在所述压头的两侧；
所述侧梁的两端分别与顶梁和底梁可拆卸连接，内侧面上设置有侧梁螺纹孔和内壁光滑侧梁通孔；
每个所述侧梁上侧梁螺纹孔的数量至少为两个；
所述侧梁通孔等距离布置在每个所述侧梁螺纹孔两侧；
所述侧承压板紧贴在侧梁内侧面上，具有与所述侧梁螺纹孔对应的侧承压板盲孔以及与所述侧梁通孔对应的且内壁光滑的侧承压板通孔；
所述侧压板位于侧梁内侧，数量与所述侧梁螺纹孔对应，侧压板上设置有与所述侧承压板通孔对应的侧压板盲孔；
所述侧压施加螺栓穿过所述侧梁螺纹孔，尾部抵靠在所述侧承压板盲孔内，头部位于所述侧梁螺纹孔外；
所述螺杆穿过所述侧梁通孔和侧承压板通孔，第一端抵靠在所述侧压板盲孔内，第二端位于所述侧梁通孔外；
所述弹簧套设在所述螺杆位于侧承压板和侧压板之间的杆体上；所述挡板通过连接件分别与所述侧梁的正面和背面连接。
2.根据权利要求1所述的便携可拆卸式矿柱稳定性及底板载荷传递模拟装置，其特征在于，所述侧梁的两端分别通过螺栓和螺母与顶梁和底梁连接。
3.根据权利要求1或2所述的便携可拆卸式矿柱稳定性及底板载荷传递模拟装置，其特征在于，所述挡板通过螺栓和螺母分别与所述侧梁的正面和背面连接。
4.根据权利要求3所述的便携可拆卸式矿柱稳定性及底板载荷传递模拟装置，其特征在于，所述侧压板的内侧面上设置有橡胶垫。
5.根据权利要求3所述的便携可拆卸式矿柱稳定性及底板载荷传递模拟装置，其特征在于，所述顶梁、侧梁、底梁和挡板均为槽钢；
所述侧梁的两端焊接连接板，腰部设置有所述侧梁螺纹孔和侧梁通孔，腰部两侧的翼板上设置有用于与所述挡板连接的侧梁连接孔；
所述连接板上设置有用于与顶梁和底梁连接的连接板连接孔。
6.根据权利要求5所述的便携可拆卸式矿柱稳定性及底板载荷传递模拟装置，其特征在于，还包括预设在岩体模拟物内的力学传感器和与所述力学传感器连接的力学检测分析系统。
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