CN111063247A - 一种可旋转式相似材料模拟实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于相似材料模拟实验技术领域，涉及一种可旋转式相似材料模拟实验装置及方法，外加横杆、外加竖杆均与旋转轴焊接固定在一起，旋转轴固定在支撑杆的顶部，支撑杆的两端分别与旋转轴和模型架底座焊接固定在一起，实验台通过外加横杆、外加竖杆、旋转轴与支撑杆连接在一起，通过旋转轴的旋转实现实验台的旋转；加压板与中部千斤顶固定在一起，中部千斤顶与实验台顶梁固定在一起，加压板将中部千斤顶的压力均匀施加在铺设的相似材料上；上部千斤顶分别与模型架顶梁、实验台顶梁铰接，下部千斤顶分别与模型架底座、实验台底板铰接，通过实验台的旋转将倾斜岩层的铺设过程变为水平岩层的铺设过程，大大减小了实验难度，操作简单且有效。

Description

一种可旋转式相似材料模拟实验装置及方法

技术领域：

本发明属于相似材料模拟实验技术领域，涉及一种针对倾斜岩层的可旋转式相似材料模拟实验装置及方法。

背景技术：

相似材料模拟实验是以实际地质情况为依据，按照一定的比例在室内对原始岩层进行模拟的一种实验手段。与进行实际地质实验相比，室内相似材料模拟实验具有自身的优越性，尤其当地质条件复杂，现场实验难以进行时，室内实验的优势就更加明显，因此，室内相似材料模拟实验的应用十分广泛。

在对水平岩层进行模拟时，只需要按照常规操作，在实验平台铺设即可，但当岩层具有一定倾角，尤其是倾角较大，例如采矿领域较为常见的急倾斜煤层及岩层时，目前的相似材料模拟实验平台由于其较为固定，不能进行灵活的旋转操作，故而在进行上述倾斜岩层铺设时，较为困难，同时难以保证岩层倾角保持不变。因此亟需一种专门针对倾斜岩层的相似材料模拟实验平台。

目前，也有一些针对斜岩层的相似材料模拟实验平台，例如CN201811386851.9公开了一种可旋转相似材料模拟试验装置及试验方法，该装置包括：框架，包括底板和立柱，立柱设置在底板的四周；试验台，旋转安装在框架的中间位置处，试验台包括相似材料填充槽、加压缸和挡板件，挡板件对称设置在相似材料填充槽的前后两侧，挡板件包括多个条形挡板，多个条形挡板沿相似材料填充槽的高度方向依次叠加放置，加压缸设置在最上层条形挡板的上方，相似材料填充槽用于填充铺设相似材料；摆动圈，固定设置在试验台的外侧；驱动机构，用于驱动摆动圈相对于框架旋转一设定角度；但是该装置较为复杂，装置数目多，且整个试验台重量基本由底部的辅助轮所承担，辅助轮在起到旋转作用的同事还要承担整个试验台、相似材料及摆动圈可达数吨的重量，极易引起辅助轮的损坏，此外采取电机驱动摆动圈，对电机功率要求高，无论是稳定性还是实现的容易度均不如千斤顶；CN201320178389X公开了一种可旋转相似材料模拟试验台，其包括长方体试验框架、支架和位于长方体试验框架一侧的摆动圈，在摆动圈上均匀设置有把柄和刻度线，在长方体试验框架上交叉设置有两条连接杆，在连接杆的交叉点处设置有转槽，转槽通过连接轴与摆动圈的中心处相连接。在需要对倾斜或急倾斜煤层进行模拟时，可以转动把柄使摆动圈旋转，摆动圈经过连接轴带动长方体试验框架进行转动，该可旋转式试验台可实现覆岩及底板岩层接近于实际情况的受力模拟，为现场倾斜或急倾斜煤层开采后的矿压变化预测奠定了基础；但是采用手动方式进行旋转，对于可达数吨重的试验台来说较难实现，即使实现也非常费力；此外手动旋转，很难控制旋转的精度，缺少限位安全装置，既无法保证旋转精度又无法保证旋转角度后固定不变，存在安全隐患。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，针对目前相似材料模拟实验平台难以模拟倾斜岩层的问题，设计提供一种可旋转式相似材料模拟实验装置及方法，用于对倾斜及急倾斜岩层进行相似材料模拟实验。

为了实现上述目的，本发明所述可旋转式相似材料模拟实验装置的主体结构包括模型架、实验台、上部千斤顶、下部千斤顶、外加竖杆、外加横杆、支撑杆、圆形螺栓孔、固定杆、固定底座、条形螺栓孔和旋转轴，其中实验台包括实验台底板、由左侧板和右侧板组成的实验台侧板、由前挡板和后挡板组成的矩形挡板、实验台顶梁、中部千斤顶、加压板；模型架底座、模型架竖梁、模型架顶梁均采用型钢材料并采用焊接方式固定在一起组成模型架，模型架竖梁由左竖梁和右竖梁组成；矩形挡板两端、实验台侧板、固定杆两端均设有圆形螺栓孔，固定底座中部设有条形螺栓孔，固定底座焊接固定在模型架底座上，固定杆通过圆形螺栓孔、条形螺栓孔将实验台侧板与固定底座焊接固定在一起，固定杆的数量与长度根据实验需求确定；矩形挡板沿竖直方向依次放置，通过两端圆形螺栓孔与实验台侧板焊接固定在一起，实验台侧板、实验台底板、矩形挡板共同构成箱式无盖结构的工作槽；外加横杆与左侧板以及右侧板焊接固定在一起，外加竖杆与实验台顶梁以及实验台底板焊接固定在一起，外加横杆、外加竖杆均与旋转轴焊接固定在一起，旋转轴固定在支撑杆的顶部，支撑杆的两端分别与旋转轴和模型架底座焊接固定在一起，实验台通过外加横杆、外加竖杆、旋转轴与支撑杆连接在一起，通过旋转轴的旋转实现实验台的旋转；加压板与中部千斤顶固定在一起，中部千斤顶与实验台顶梁固定在一起，加压板将中部千斤顶的压力均匀施加在铺设的相似材料上；上部千斤顶分别与模型架顶梁、实验台顶梁铰接，下部千斤顶分别与模型架底座、实验台底板铰接，以实现旋转的目的。

本发明对倾斜岩层进行相似材料模拟实验的具体步骤如下(未进行实验时固定杆处于工作状态)：

S1：拆除固定杆，使实验台处于可旋转状态；

S2：对上部千斤顶和下部千斤顶加压，在液压作用下，实验台通过旋转轴进行旋转，直至旋转至设定角度即岩层倾角；

S3：根据原始岩层厚度及实验设计，逐步将矩形挡板通过圆形螺栓孔8加装在实验台侧板上，并形成工作槽；

S4：安装固定杆，保证实验台的稳定性；

S5：按照实验设计，将相似材料逐层平铺进工作槽，夯实一层岩层后，继续铺设上一层岩层并夯实，直至将所有岩层铺设完毕，此过程与一般相似材料模拟实验过程无异；

S6：逐根拆除固定杆，解除实验台侧板与固定底座间的固定，上部千斤顶和下部千斤顶泄压，将实验台复位，复位后，再将固定杆重新固定，以增加实验台的稳定性；

S7：静置一段时间待相似材料晾干后，拆除矩形挡板，中部千斤顶通过加压板将应力均匀施加在相似材料上。

本发明与现有技术相比，针对倾斜岩层，通过实验台的旋转，将倾斜岩层的铺设过程变为水平岩层的铺设过程，大大减小了实验难度，操作简单且有效。

附图说明：

图1为本发明所述可旋转式相似材料模拟实验装置的主体结构原来示意图。

图2为本发明所述可旋转式相似材料模拟实验装置旋转一定角度后的正视图。

图3为本发明所述可旋转式相似材料模拟实验装置的左视图。

图4为本发明所述可旋转式相似材料模拟实验装置铰接方式示意图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本发明进行详细的说明。

实施例：

本实施例主要由模型架1和实验台2两大主体结构组成，其结构如图1所示，模型架1由模型架底座1-1、模型架竖梁1-2、模型架顶梁1-3焊接组成，模型架底座1-1、模型架竖梁1-2、模型架顶梁1-3均采用型钢材料，模型架竖梁1-2由左竖梁1-2-1和右竖梁1-2-2组成；

实验台2包括实验台底板2-1，实验台侧板2-2，矩形挡板2-3，实验台顶梁2-4，中部千斤顶2-5和加压板2-6；实验台侧板2-2分为左侧板2-2-1和右侧板2-2-2，矩形挡板2-3由前挡板2-3-1和后挡板2-3-2组成，矩形挡板2-3两端、实验台侧板2-2均设有圆形螺栓孔8；矩形挡板2-3沿竖直方向依次放置，通过两端圆形螺栓孔8与实验台侧板2-2固定在一起，实验台侧板2-2、实验台底板2-1、矩形挡板2-3共同构成箱式无盖结构的工作槽；外加横杆6与左侧板2-2-1以及右侧板2-2-2焊接在一起，外加竖杆5与实验台顶梁2-4以及实验台底板2-1焊接在一起，外加横杆6、外加竖杆5均与旋转轴12焊接在一起，旋转轴12焊接在支撑杆7的顶部，支撑杆7的两端分别与旋转轴12和模型架底座1-1固定在一起，实验台2通过外加横杆6、外加竖杆5、旋转轴12就与支撑杆7连接在一起，旋转轴12可进行旋转；加压板2-6与中部千斤顶2-5固定在一起，中部千斤顶2-5与实验台顶梁2-4固定在一起，加压板2-6作用在于将中部千斤顶2-5的压力均匀施加在铺设的相似材料上；

固定底座10焊接在模型架底座1-1上，固定底座10中部开有条形螺栓孔11，固定杆9两端设有圆形螺栓孔8，固定杆9的作用在于通过圆形螺栓孔8、条形螺栓孔11将实验台侧板2-2和固定底座10固定在一起，增加实验台2的稳定性；固定杆9长度并不唯一，根据需要固定杆9有多根，多根固定杆9长度不同；

上部千斤顶3分别与模型架顶梁1-3、实验台顶梁2-4连接，下部千斤顶4分别与模型架底座1-1、实验台底板2-1连接，以上连接方式均为铰接，铰接方式如图4所示。

本实施例可实现实验台2最大60°的旋转，根据所需模拟岩层的倾角大小，可改变模型架1、实验台2、上部千斤顶3、下部千斤顶4及相关结构的尺寸，同时考虑到实验装置前后对称特性，也可在本发明基础上加设地面旋转装置，实现实验台2顺时针旋转或者采用其他方法实现。

本实施例对倾斜岩层进行相似材料模拟实验的具体步骤如下(未进行实验时固定杆处于工作状态)：

S1：拆除固定杆9，使实验台2处于可旋转状态；

S2：对上部千斤顶3和下部千斤顶4加压，在液压作用下，实验台2通过旋转轴12进行旋转，直至旋转至设定角度即岩层倾角；

S3：根据原始岩层厚度及实验设计，逐步将矩形挡板2-3通过圆形螺栓孔8加装在实验台侧板2-2上，并形成工作槽；

S4：安装固定杆9，保证实验台2的稳定性；

S5：按照实验设计，将相似材料逐层平铺进工作槽，夯实一层岩层后，继续铺设上一层岩层并夯实，直至将所有岩层铺设完毕，此过程与一般相似材料模拟实验过程无异；

S6：逐根拆除固定杆9，解除实验台侧板2-2与固定底座10间的固定，上部千斤顶3和下部千斤顶4泄压，将实验台2复位，复位后，再将固定杆9重新固定，以增加实验台2的稳定性；

S7：静置一段时间待相似材料晾干后，拆除矩形挡板2-3，中部千斤顶2-5通过加压板2-6将应力均匀施加在相似材料上。

Claims (2)

1.一种可旋转式相似材料模拟实验装置，其特征在于主体结构包括模型架、实验台、上部千斤顶、下部千斤顶、外加竖杆、外加横杆、支撑杆、圆形螺栓孔、固定杆、固定底座、条形螺栓孔和旋转轴，其中实验台包括实验台底板、由左侧板和右侧板组成的实验台侧板、由前挡板和后挡板组成的矩形挡板、实验台顶梁、中部千斤顶、加压板；模型架底座、模型架竖梁、模型架顶梁均采用型钢材料并采用焊接方式固定在一起组成模型架，模型架竖梁由左竖梁和右竖梁组成；矩形挡板两端、实验台侧板、固定杆两端均设有圆形螺栓孔，固定底座中部设有条形螺栓孔，固定底座焊接固定在模型架底座上，固定杆通过圆形螺栓孔、条形螺栓孔将实验台侧板与固定底座焊接固定在一起，固定杆的数量与长度根据实验需求确定；矩形挡板沿竖直方向依次放置，通过两端圆形螺栓孔与实验台侧板焊接固定在一起，实验台侧板、实验台底板、矩形挡板共同构成箱式无盖结构的工作槽；外加横杆与左侧板以及右侧板焊接固定在一起，外加竖杆与实验台顶梁以及实验台底板焊接固定在一起，外加横杆、外加竖杆均与旋转轴焊接固定在一起，旋转轴固定在支撑杆的顶部，支撑杆的两端分别与旋转轴和模型架底座焊接固定在一起，实验台通过外加横杆、外加竖杆、旋转轴与支撑杆连接在一起，通过旋转轴的旋转实现实验台的旋转；加压板与中部千斤顶固定在一起，中部千斤顶与实验台顶梁固定在一起，加压板将中部千斤顶的压力均匀施加在铺设的相似材料上；上部千斤顶分别与模型架顶梁、实验台顶梁铰接，下部千斤顶分别与模型架底座、实验台底板铰接，以实现旋转的目的。

2.一种采用如权利要求1所述装置对倾斜岩层进行相似材料模拟实验的方法，其特征在于具体步骤如下：

S1：拆除固定杆，使实验台处于可旋转状态；

S2：对上部千斤顶和下部千斤顶加压，在液压作用下，实验台通过旋转轴进行旋转，直至旋转至设定角度即岩层倾角；

S3：根据原始岩层厚度及实验设计，逐步将矩形挡板通过圆形螺栓孔8加装在实验台侧板上，并形成工作槽；

S4：安装固定杆，保证实验台的稳定性；

S5：按照实验设计，将相似材料逐层平铺进工作槽，夯实一层岩层后，继续铺设上一层岩层并夯实，直至将所有岩层铺设完毕，此过程与一般相似材料模拟实验过程无异；

S6：逐根拆除固定杆，解除实验台侧板与固定底座间的固定，上部千斤顶和下部千斤顶泄压，将实验台复位，复位后，再将固定杆重新固定，以增加实验台的稳定性；

S7：静置一段时间待相似材料晾干后，拆除矩形挡板，中部千斤顶通过加压板将应力均匀施加在相似材料上。

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