CN110196316A - 矿井开采裂隙场演化相似模拟试验台 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种矿井开采裂隙场演化相似模拟试验台，包括模型框，模型框内具有容纳填料的模型腔，模型腔的两端通过若干块可拆卸的封板封闭；模型腔的外周设有若干可独立控制的加载装置，若干个加载装置可从外周向模型腔内的煤岩层施加载荷；模型框连接有转动驱动装置，转动驱动装置驱动模型框转动，以使模型腔中的煤岩层具有一定倾角。本发明通过设置若干个加载装置，从外周向煤岩层施加载荷，实现周向应力加载，可更好模拟煤岩层的实际受力状态，更好的适应现场采矿、地质条件。而且每个加载装置可独立控制，由此便于根据具体情况，选择打开或关闭部分加载装置；而且模型腔内煤岩层倾角可调节，可模拟各种倾斜岩层时，裂隙场演化规律。

Description

矿井开采裂隙场演化相似模拟试验台

技术领域

本发明属于采矿工程领域，具体涉及一种矿井开采裂隙场演化相似模拟试验台。

背景技术

覆岩裂隙是瓦斯运移和扩散的重要通道，研究采动裂隙演化分布规律，对瓦斯抽采和瓦斯治理具有重要基础意义。岩体，它是一种很复杂的地质体，是非均质、各向异性、不连续和随机性很强的天然集合体，并且岩体还包含由各种不同矿物组成的岩块以及具有不同结构面特征的节理裂隙等。

相似模拟实验是利用现场真实的物理实体，在满足条件下，能更准确地模拟开挖施工过程的影响，因此相似材料模拟实验技术是研究岩体采动变形、应力变化、裂隙场演化的重要手段。

现有类似的相似模型试验台，围岩应力为顶部垂直加载，无法实现水平方向加载，从而只能模拟矿层开采后顶板裂隙场演化情况，无法模拟底鼓现象，这与矿井岩石实际受力状态不符；而且一般仅能模拟水平煤层或岩层(以下简称煤岩层)，对倾斜煤岩层的模拟铺设极不方便，人工铺设倾斜煤岩层施工难度大，且煤岩层极易铺设不均匀。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种矿井开采裂隙场演化相似模拟试验台，能对矿层的四周加载载荷，使模拟的矿层受力情况与矿井岩石实际受力状态更接近。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：矿井开采裂隙场演化相似模拟试验台，包括模型框，模型框内具有容纳煤岩层填料的模型腔，模型腔的两端通过若干块可拆卸的封板封闭；模型腔的外周设有若干可独立控制的加载装置，若干个加载装置可从外周向模型腔内的煤岩层施加载荷。

上述技术方案中，若干个加载装置从外周向煤岩层施加载荷，实现周向应力加载，可更好模拟煤岩层的实际受力状态，更好的适应现场采矿、地质条件。而且每个加载装置可独立控制，由此便于根据具体情况，选择打开或关闭部分加载装置。

在本发明的一种优选实施方式中，模型腔为圆盘状，该模型腔的轴线横向设置，若干封板设在圆盘状模型腔的前、后两端；若干加载装置周向均匀的分布在圆盘状模型腔的外周。加载载荷从周向均匀地对煤岩层施力，受力均匀，与实际受力情况更接近。

在本发明的一种优选实施方式中，还包括与模型框连接的转动驱动装置，转动驱动装置驱动模型框转动，以使模型腔中的煤岩层具有一定倾角。由此可方便的进行煤岩层各种角度赋存状态下的物理相似模型试验，且可根据实验情况自由设置煤岩层倾角；该相似模拟试验台适用于研究不同倾角的断层活化及裂隙演化试验。

在本发明的一种优选实施方式中，转动驱动装置包括减速电机，减速电机的输出轴通过第一联轴器同轴连接有传动轴，传动轴直接或间接与模型框固接。由此通过减速电机驱动传动轴转动，传动轴带动模型框转动一定角度，从而使模型腔内的煤岩层具有一定倾角。

在本发明的一种优选实施方式中，还包括支承模型框的转动支承装置，转动支承装置包括两个支承轮座，模型框为圆盘状，模型框的底部可在两个支承轮座上转动。

两个支承轮座对模型框进行支承，可减小传动轴和第二支架的弯矩；同时可减小减速电机的输出转矩，利于模型框的转动。

在本发明的另一种优选实施方式中，转动支承装置还包括与模型框的中心等高的成对设置的两个定位轮，模型框能在两个定位轮之间转动，由此导向。

两个定位轮，一方面在模型框转动过程中起导向作用，防止模型框偏斜；另一方面，两个支承轮座和定位轮在三个位置对模型框进行支承，支承效果更好。

在本发明的另一种优选实施方式中，还包括锁紧装置，该锁紧装置包括锁紧螺栓、固定的定分度盘、以及能够随模型框转动的动分度盘；定分度盘的端面上设有若干周向均匀分布的分度孔，若干分度孔所在圆周的圆心位于模型框的转动中心线上；动分度盘上设有定位孔，锁紧螺栓能够通过定位孔和任何一个分度孔而将动分度盘固定在定分度盘上。

设置锁紧装置后，进一步锁紧模型框，防止减速电机因意外打滑，提高系统的安全性、可靠性。

在本发明的另一种优选实施方式中，模型框的转动角度范围为0-180°,旋转速度为0.2-1r/min。模型框转动角度范围大，能模拟范围更广的倾角断层形成与裂隙扩演。

在本发明的另一种优选实施方式中，加载装置均包括液压缸和与液压缸的压杆固接的弧形块，各液压缸之间采用并联方式连接。并联方式连接，使加载装置加载压力均匀,运行平稳；给煤岩层加载时，与煤岩层直接接触的为弧形块，使得煤岩层受力更均匀。

在本发明的另一种优选实施方式中，封板由矩形钢方管制成，封板上均设有若干透气孔，封板横向设置。透气孔有利于模型腔内煤岩层中水分蒸发，使模型腔内的煤岩层尽快干燥达到试验开挖条件。

本发明的有益效果：

1)采用矩形钢方管作为封板，其刚度更强，长期实验后，不会造成模型夹板弯曲，装架后模型腔内表面平整，使测点布置、实验现象的观察和拍照效果更好。

2)封板上具有透气孔，有利于模型内水分蒸发是模型进款干燥达到试验开挖条件。

3)模型框可实现0～90°回旋，模型框旋转速度0.2-1r/min；可以方便的进行岩层各种角度赋存状态下的物理相似模型试验，且模拟的倾角准确，可根据实验情况自由设置岩层倾角。

4)模型腔外周设置若干加载装置，实现周向应力加载，可更好模拟岩层实际受力状态。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分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

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明的矿井开采裂隙场演化相似模拟试验台的主视结构示意图。

图2是图1的右视示意图。

图3是图2的俯视示意图。

图4是图1中的加载装置的结构示意图。

图5是图2中的转动驱动装置的放大图。

图6是图2中的锁紧装置的左视结构示意图。

说明书附图中的附图标记包括：支承轮座11、定位轮12、模型框2、模型腔21、封板3、透气孔31、压块32、加载装置4、液压缸41、弧形板42、转动驱动装置5、减速电机51、第一联轴器52、传动轴53、轴承座54、第二联轴器55、颈部551、端部552、锁紧装置6、定分度盘61、分度孔611、动分度盘62、锁紧螺栓63、第一支架71、第二支架72、支撑梁721、连接杆722、第三支架73。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例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例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“竖向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明提供了一种矿井开采裂隙场演化相似模拟试验台，如图1所示，在本发明的一种优选实施方式中，其包括模型框2，模型框2内具有容纳煤岩层填料的模型腔21，模型腔21的两个端面通过若干块可拆卸的封板3封闭；模型腔21的外周设有若干可独立控制的加载装置4，若干个加载装置4可从外周向模型腔21内的煤岩层施加载荷。

实际使用该相似模拟试验台时，先取下封板3，在模型框2的模型腔21中填充模拟实验的相似材料，相似材料的制作为现有技术，在此不赘述。具体地，从下到上分层进行填料，每层厚度可以为3cm，将相似材料均匀水平填装在模型腔21内，并进行抹平、压实；边填料边将封板3装上，填料完毕后，所有封板3也封装完毕，使模型腔21成为一个密闭腔体。根据实际情况，可在填料过程中埋设测量应力应变和位移的传感器以测量相关参数。

将相似材料填充在模型框2的模型腔21中形成相似煤岩层后，根据需要启动一定数量的加载装置4，加载装置4从外周，向煤岩层施加载荷，实现周向应力加载，可更好模拟煤岩层的实际受力状态，更好的适应现场采矿、地质条件。保持加载2-3天后，模型腔21内的煤岩层晾干，自上而下拆除封板3，并对预设的煤岩层进行开挖，结合全站仪，应力应变读数仪，相机等完成模型开挖与参数测量等工作。具体地相似模拟试验方法可参照CN208060275U中公开的试验方法，在此不再赘述。

如图1所示，在本发明的另一种优选实施方式中，优选封板3采用矩形钢方管制成，封板3上均设有若干透气孔31，封板3横向设置，封闭的两端通过压块32固定在模型框2上，并通过转动压块32实现封板3余模型框2的可拆卸连接。透气孔31增强透气性，便于相似材料的风干；矩形钢方管力学性能优于工字钢、槽钢等，使封板3的抗变形能力强，在长期使用过程中不易变形失效。

如图1和图2所示，在本发明的另一种优选实施方式中，模型框2为圆盘状，模型腔21也为圆盘状，模型框2和模型腔21的轴线横向设置，即模型框2为卧式圆盘，若干封板3设在圆盘状模型腔21的前、后两端(即图2中的左、右两端)；若干加载装置4周向均匀的分布在圆盘状模型腔21的外周。由此使得多个加载装置4施加的载荷从周向均匀地施加在煤岩层上，受力均匀，与实际受力情况更接近。

如图4所示，在本发明的另一种优选实施方式中，加载装置4为液压伺服加载机构，其包括液压缸41和与液压缸41的压杆固接的弧形块，弧形块使得模型腔21内煤岩层的周向受力更均匀。各液压缸41之间采用并联方式连接，保证各液压缸41的压杆能够同时伸出和收回,使得加载装置4压力均匀,运行平稳。

如图2和图3所示，在本发明的另一种优选实施方式中，该相似模拟试验台还包括与模型框2连接的转动驱动装置5，转动驱动装置5驱动模型框2转动，以使模型腔21中的煤岩层具有一定倾角。设置转动驱动装置5后，可方便的进行煤岩层各种角度赋存状态下的物理相似模型试验，且可根据实验情况自由设置煤岩层倾角；在模型腔21中铺设煤岩层时，仍然水平铺设，然后通过转动驱动装置使模型框转动以使煤岩层具有一定倾角，降低施工难度同时降低人的劳动强度。

在本实施方式中，如图2和5所示，转动驱动装置5设置在模型框2的后方(即图2中的右方)，转动驱动装置5包括通过螺栓连接在第一支架71上的减速电机51，第一支架71通过地脚螺栓与地面建筑结构固接；减速电机51输出轴的左端通过第一联轴器52同轴连接有传动轴53，传动轴53直接或间接与模型框2固接。由此通过减速电机51驱动传动轴53转动，传动轴53带动模型框2转动一定角度。

如图5所示，优选实施方式中，传动轴53间接与模型框2固接，传动轴53的左端同轴连接有第二联轴器55，该第二联轴器55与模型框2之间通过第二支架72连接。具体地，结合图3可知，第二支架72包括支撑梁721和两根横向设置的连接杆722，第二联轴器55通过螺栓与支撑梁721固接，支撑梁721的左端通过螺栓与两根连接杆722固接，连接杆722的左端通过螺栓与模型框2固接。进一步优选的实施方式中，第一支架71上通过螺栓还连接有对传动轴53进行支撑的轴承座54，轴承座54中设有轴承。

如图1和图2所示，在本发明的另一种优选实施方式中，该相似模拟试验台还包括支承模型框2的转动支承装置，转动支承装置包括两个支承轮座11，两个支承轮座11也通过地脚螺栓与地面建筑结构固接，模型框2的底部可在两个支承轮座11上转动。两个支承轮座11后对模型框2进行支承，可减小传动轴53和第二支架72的弯矩；同时可减小减速电机51的输出转矩，利于模型框2的转动。

如图1-图3所示，在本发明的另一种优选实施方式中，转动支承装置还包括与模型框2的中心等高的成对设置的两个定位轮12，地面建筑结构也通过地脚螺丝连接有位于模型框左侧的第三支架73，两个定位轮12安装在该第三支架73上；如图3所示，两个定位轮12分别设置在模型框2的两个端面的边缘，模型框2能在两个定位轮12之间转动，由此导向。两个定位轮12，一方面在模型框2转动过程中起导向作用，防止模型框2偏斜；另一方面，两个支承轮座11和定位轮12在三个位置对模型框2进行支承，支承效果更好。

如图2、图3和图5所示，在本发明的另一种优选实施方式中，该相似模拟试验台还包括锁紧装置6，该锁紧装置6设在第二支架72与转动驱动装置5之间，锁紧装置6包括锁紧螺栓63、与第一支架71通过螺栓固接的定分度盘61、以及能够随模型框2转动的动分度盘62。结合图6可知，定分度盘61的端面上设有若干周向均匀分布的分度孔611，若干分度孔611所在圆周的圆心位于模型框2的转动中心线上(即传动轴53的旋转中心线上)；动分度盘62上设有定位孔，锁紧螺栓63能够通过定位孔和任何一个分度孔611而将动分度盘62固定在定分度盘61上。设置锁紧装置6后，进一步锁紧模型框2，防止减速电机51因意外而打滑，提高该相似模拟实验台的安全性、可靠性。

在本实施方式中，如图5所示，第二联轴器55包括颈部551和端部552，动分度盘62套设在第二联轴器颈部551上，动分度盘62、第二联轴器端部552一起通过螺栓与支撑梁721固接，从而使动分度盘62在传动轴53的带动下一起随模型框2转动。

在本发明的另一种优选实施方式中，模型框2的转动角度范围为0-180°，优选0-90°,旋转速度为0.2-1r/min，即减速电机51的转速为0.2-1r/min。如图6所示，比如定分度盘61上、相邻两个分度孔611的圆心角a为5°，模型框2的转动角度范围为0-180°时，在定分度盘61的下部均匀地设置37个分度孔611；模型框2的转动角度范围为0-90°时，在定分度盘61的右下部均匀地设置19个分度孔611。动分度盘62和定分度盘61采用锁紧螺栓63定位锁紧，定位精度为±0.3°，定位精确。

在本说明书的描述中，参考术语“优选的实施方式”、“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.矿井开采裂隙场演化相似模拟试验台，其特征在于，包括模型框，模型框内具有容纳煤岩层填料的模型腔，模型腔的两端通过若干块可拆卸的封板封闭；模型腔的外周设有若干可独立控制的加载装置，若干个加载装置可从外周向模型腔内的煤岩层施加载荷。

2.如权利要求1所述的矿井开采裂隙场演化相似模拟试验台，其特征在于，所述模型腔为圆盘状，该模型腔的轴线横向设置，所述若干封板设在圆盘状模型腔的前、后两端；所述若干加载装置周向均匀的分布在所述圆盘状模型腔的外周。

3.如权利要求1所述的矿井开采裂隙场演化相似模拟试验台，其特征在于，还包括与所述模型框连接的转动驱动装置，转动驱动装置驱动所述模型框转动，以使模型腔中的煤岩层具有一定倾角。

4.如权利要求3所述的矿井开采裂隙场演化相似模拟试验台，其特征在于，所述转动驱动装置包括减速电机，减速电机的输出轴通过第一联轴器同轴连接有传动轴，传动轴直接或间接与所述模型框固接。

5.如权利要求3所述的矿井开采裂隙场演化相似模拟试验台，其特征在于，还包括支承所述模型框的转动支承装置，所述转动支承装置包括两个支承轮座，所述模型框为圆盘状，所述模型框的底部可在两个支承轮座上转动。

6.如权利要求5所述的矿井开采裂隙场演化相似模拟试验台，其特征在于，所述转动支承装置还包括与所述模型框的中心等高的成对设置的两个定位轮，模型框能在两个定位轮之间转动，由此导向。

7.如权利要求3-6之一所述的矿井开采裂隙场演化相似模拟试验台，其特征在于，还包括锁紧装置，该锁紧装置包括锁紧螺栓、固定的定分度盘、以及能够随所述模型框转动的动分度盘；定分度盘的端面上设有若干周向均匀分布的分度孔，若干分度孔所在圆周的圆心位于所述模型框的转动中心线上；所述动分度盘上设有定位孔，所述锁紧螺栓能够通过定位孔和任何一个分度孔而将所述动分度盘固定在所述定分度盘上。

8.如权利要求3-6之一所述的矿井开采裂隙场演化相似模拟试验台，其特征在于，所述模型框的转动角度范围为0-180°，旋转速度为0.2-1r/min。

9.如权利要求2-6之一所述的矿井开采裂隙场演化相似模拟试验台，其特征在于，所述加载装置均包括液压缸和与液压缸的压杆固接的弧形块，各液压缸之间采用并联方式连接。

10.如权利要求1-6之一所述的矿井开采裂隙场演化相似模拟试验台，其特征在于，所述封板由矩形钢方管制成，封板上均设有若干透气孔，封板横向设置。