CN112697596A - 可移动的多功能煤岩层相似模拟实验台 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可移动的多功能煤岩层相似模拟实验台，包括实验台框架、加压横梁、底座、底板，所述加压横梁横置于实验台框架内，两端固定于实验台框架上，所述底座设于实验台框架下方，所述底板置于实验台框架的下框条上；底座上设有多个下加压机构，实验台框架的下框条上设有通孔，通孔可供下加压机构的移动端通过，实验台框架的侧框条下部设有凹槽，加压横梁下方设有多个上加压机构，上加压机构的移动端铰接有加压板。本发明实现了倾斜煤岩层的模拟实验，不破坏煤层原有应力条件；实现模型区域垂直方向、左右方向、前后方向的调节，降低了设备成本；施压压力可控，调节方便。

Description

可移动的多功能煤岩层相似模拟实验台

技术领域

本发明涉及地质岩层相似模拟实验装置，具体涉及一种可双向加 压、倾角可变的相似模拟实验台。

背景技术

在煤层开采工作中，由于大多数煤开采工作发生在地下，由采动 引起的覆岩结构动态变化与地表沉降规律难以直观监测，而通过现场 实测所占用的周期又长，同时消耗人力、物力和财力又大。因此，需 要借助相似模拟实验装置进行煤岩层相似材料的铺设成型，并进行相 关实验数据的检测和分析，进而指导生产实践。现有的矿山压力模拟 实验台基本采用支架固定的结构，移动不便、且不能适应多要求模拟 比例，不能实现双向加压，更不能实现对施压的大小进行可控制调节。 为了解决上述问题，市面上出现了各种实验台。例如：

公开号为CN203881663U的中国专利公开了一种侧向加压相似模 拟实验装置，该装置通过螺栓将侧挡板固定在立柱上，实现了侧向加 压。但由于是依赖螺栓压紧侧挡板提供压力，不可调节。

公开号为CN110108852A的中国专利公开了一种加载可控和尺寸 可调的相似模拟试验装置，该装置包括框体，框体上设有左挡板、右 加载板、上加载板、前挡板和后挡板，左挡板可沿框体上下滑动，右 加载板、上加载板上设有加载装置，右加载板可左右移动，上加载板 可上下左右移动。该装置实现了模型区域尺寸可调，但仅仅是垂直方 向的调节，未能实现装置横向可调节，而且该装置结构过于复杂，模 型的铺设和拆卸不方便。

公开号为CN204405655U的中国专利公开了一种适于任意倾角煤 层相似模拟的实验装置，该装置包括底座，底座左右两端连接有两根 立柱，底座上设有上顶板，上顶板开有通透孔，通透孔下设有千斤顶， 上顶板上设有抽拉式底板，抽拉式底板左端与左立柱滑动连接，右端 与右立柱铰接，实现了倾角的任意调节。但是，该装置改变了地应力， 破坏了煤层附近的原有应力条件；加压时，抽拉式地板沿着铰接点有 转动的趋势，使模型与立柱、上方的横梁挤压，产生不规则的应力。

公开号为CN208239213U的中国专利公开了一种矿山压力及岩层 控制相似模拟试验装置，该装置包括底座和框架，底座下方设有万向 轮能够自由移动，框架上端通螺杆连接有加压横梁，加压横梁上设有 多个液压千斤顶，液压千斤顶上设有加压平面。该装置解决了岩层厚 度单一，数据监控困难，移动不便等问题。但是，由于只提供了地应 力模拟，忽略了煤层侧应力，因此只能解决单一应力问题；其次加压 板的角度不能调节，因而只能模拟水平煤层，而现实生产中煤层大多 以倾斜形式赋存；而且，在进行模拟开挖的过程中，需要人工开挖， 操作复杂，费时费力；另外，当加载压力较大时，由于加压横梁对螺 杆的反力、螺杆对框架的反力，容易使横梁、框架上的螺纹孔损坏失 效。同时此装置采用万向轮作为试验台的支撑装置，堆架试验时可能 会引起试验装置滑动，操作不便，且模型成型后，底座受力不均匀， 一定程度上，影响煤层内部的受力分布情况。

公开号为CN205301313U的中国专利公开了一种用于倾斜或急倾 斜煤层的相似模拟实验装置，该装置包括内框架和外框架，内框架左 边铰接有前后两根立柱，右边设有前后两根支撑柱，立柱与外框架滑 动连接，支撑柱与外框架固定连接，立柱与外框架之间设有多个水平 千斤顶，内框架底板下方设有多个顶升千斤顶，内框架顶板上均匀设 有多个液压头，液压头连接一块承压板。该装置通过内框架的变形实 现了倾角的调节，但水平千斤顶施压时必定会引起内框架产生变形的 趋势，从而使倾斜角、模型上下方向的压力发生改变，破坏煤层的原 有应力条件，使测量结果失真；另外，内框架的高度固定，不同厚度 的岩层模拟实验，需要对应制造不同型号的实验装置，成本高。

综上所述，现有技术存在如下问题：

(1)现有模拟试验装置只实现垂直加压，没有实现侧向和双向 加压，降低了试验的准确性；

(2)只适用于水平煤岩层的模拟，并不适合倾斜煤层的开挖试 验，降低了试验的真实性；

(3)破坏了煤岩层的原有应力条件和受力分布情况，给实验结 果带来误差；

(4)试验成型后，采用人工开挖，费时费力，不能够精确模拟 采煤机回采情况，与现场机械采煤存在一定误差；

(5)现有的模拟试验装置移动不方便，不利于提高试验效率， 底座受力不均，影响煤层内部应力分布；

(6)现有的模拟实验装置，实现了装置的垂直可伸缩扩展，但 仍不能做到实验装置的横向扩展。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种可移动的多功能煤岩层 相似模拟实验台。

本发明通过以下技术方案得以实现。

本发明提供的可移动的多功能煤岩层相似模拟实验台，包括实验 台框架、加压横梁、底座、底板，所述加压横梁横置于实验台框架内， 所述底座设于实验台框架下方，所述底板置于实验台框架的下框条 上；底座上设有多个下加压机构，实验台框架的下框条上设有通孔， 通孔可供下加压机构的移动端通过，实验台框架的侧框条下部设有凹 槽，加压横梁下方设有多个上加压机构，上加压机构的移动端铰接有 加压板。

本发明不仅可用于水平煤岩层的相似模拟实验，还可以用于任意 倾角的倾斜煤岩层，并且能够同时对煤岩层模型的上方和下方施加载 荷，提供了更多、更复杂的应力组合工况；用于倾斜煤层时，将底板 的一端置于凹槽内稳定放置，不会改变地应力，不破坏煤层原有应力 条件，压板随着铰接轴转动，保持与煤岩层上面平行接触，使得压力 保持均匀。

所述凹槽为沿高度分布的多条，左侧框条上的凹槽与右侧框条上 的凹槽相互错开。

所述加压板为相互独立的多段加压子板结构，每一段加压子板与 一个上加压机构铰接。

所述实验台框架的侧框条上部设有固定孔和紧固件，固定孔沿高 度方向分布，并左右成对设置，紧固件穿过固定孔与加压横梁连接。 卸下紧固件可将加压横梁移动至不同高度的固定孔上，从而实现模型 区域垂直方向的调节，适应不同厚度的实验模型。

所述加压横梁上方还设有伸缩机构，伸缩机构的固定端连接实验 台框架，移动端连接加压横梁。

所述伸缩机构位于加压横梁的中部。

所述底座下方设有走轮，走轮至少有前后两排，每一排走轮不少 于4个，前后两排走轮之间相互错开。

还包括推车把手，推车把手与实验台框架的侧框条连接。

所述底座上还设有支腿，支腿为伸缩支腿。

还包括侧板和横向加压机构，横向加压机构的固定端与实验台框 架的侧框条连接，移动端与侧板接触，侧板通过索具悬挂于加压横梁 上。实现了模拟实验的侧向加压和横向、侧向同时双向加压，并且压 力可调节。另外，通过调节侧板相对于侧框条的距离，可调节模型区 域左右方向的大小。

所述可移动的多功能煤岩层相似模拟实验台有两台以上并前后 重叠，相邻的两台可移动的多功能煤岩层相似模拟实验台，对应的侧 板相互接触或一体连接，对应的底板相互接触或一体连接。实现实验 台模型区域前后方向的扩展。

还包括液压箱，液压箱与横向加载机构、下加载机构之间连接有 液压管路，横向加载机构、下加载机构为液压千斤顶，液压千斤顶的 液压接口设有阀门。液压箱可以固定于加压横梁上。

所述上加压机构、下加压机构、横向加压机构还分别设置有计力 表。便于准确调节、观察各加载点的压力。

本发明的有益效果在于：

综上所述，本发明与现有技术相比，具有以下优点：

(1)实现了倾斜煤岩层的模拟实验，并且能够同时对煤岩层模 型的上方和下方施加载荷，提供了更多、更复杂的应力组合工况；

(2)用于倾斜煤层时，不会改变地应力，不破坏煤层原有应力 条件；

(3)实现模型区域垂直方向、左右方向、前后方向的调节，适 应不同尺寸的实验模型，大大提高了适应力，降低了设备成本；

(4)用于倾斜模型、大载荷加压、侧向加压等工况时，不会破 坏模型的应力条件，大大降低了试验误差；

(5)施压压力可控，调节方便。

附图说明

图1是本发明用于水平模型的结构示意图；

图2是本发明用于倾斜模型的结构示意图；

图3是两台本发明的实验台前后扩展的侧向结构示意图；

图4是走轮的分布示意图。

图中：1-实验台框架；2-加压横梁；201-上加压机构；202-紧固 件；3-液压箱；4-伸缩机构；5-加压板；6-横向加压机构；7-底座；8- 下加压机构；9-支腿；10-走轮；11-计力表；12-推车把手；13-底板； 14-侧板；15-凹槽。

具体实施方式

下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限 于所述。

如图1～2所示为本发明的结构示意图：

本发明提供了一种可移动的多功能煤岩层相似模拟实验台，包括 实验台框架1、加压横梁2、底座7、底板13，所述加压横梁2横置于实 验台框架1内，所述底座7设于实验台框架1下方，所述底板13置于实 验台框架1的下框条上；底座7上设有多个下加压机构8，实验台框架1 的下框条上设有通孔，通孔可供下加压机构8的移动端通过，实验台 框架1的侧框条下部设有凹槽15，加压横梁2下方设有多个上加压机构 201，上加压机构201的移动端铰接有加压板5。

本发明不仅可用于水平煤岩层的相似模拟实验，还可以用于任意 倾角的倾斜煤岩层，并且能够同时对煤岩层模型的上方和下方施加载 荷，提供了更多、更复杂的应力组合工况；用于倾斜煤层时，将底板 13的一端置于凹槽15内稳定放置，不会改变地应力，不破坏煤层原有 应力条件，压板随着铰接轴转动，保持与煤岩层上面平行接触，使得 压力保持均匀。

如图3所示，所述凹槽15为沿高度分布的多条，左侧框条上的凹 槽15与右侧框条上的凹槽15相互错开。从而，增加加压板5倾斜角度 范围，且调节精度更精确。

所述加压板5为相互独立的多段加压子板结构，每一段加压子板 与一个上加压机构201铰接。

当上加压机构201伸缩速度不一致时、或倾斜角度改变时，不会 由于上加压机构201与加压板5之间的连接活动余量不足而卡死。通过 该设置，使模型的上平面各加载点可独立调整，互不干涉，更准确地 模拟煤岩层上方的复杂载荷情况。

相邻的加压子板之间可以铰接，也可以不连接；铰接时，活动余 量较原有整体结构的加载板有提升，各段加压子板可相互约束，不会 由于自重不平衡而发生过大角度的倾斜，不连接时，加压板5的倾角 适应范围大，各段加压子板可独立操作。

所述实验台框架1的侧框条上部设有固定孔和紧固件202，固定孔 沿高度方向分布，并左右成对设置，紧固件202穿过固定孔并与加压 横梁2连接。通过紧固件202将加压横梁2固定在固定孔位置，卸下紧 固件202可将加压横梁2移动至不同高度的固定孔上，从而实现模型区 域垂直方向的调节，适应不同厚度的实验模型。紧固件202可以为螺 栓或销子。

所述加压横梁2上方还设有伸缩机构4，伸缩机构4的固定端连接 实验台框架1，移动端连接加压横梁2。当卸下紧固件202时，通过伸 缩机构4支撑加压横梁2，并控制加压横梁2的上下移动，便于操作和 升降过程的自动控制。

所述伸缩机构4位于加压横梁2的中部。具体地，实验台框架1还 设有上框条，伸缩机构4的固定端设于上框条上。

可见，加压横梁2既可以设置为两端固定在实验台框架1上，也可 以仅由伸缩机构支撑，两端不固定。加压时，加载压力越大，加压横 梁2所受的弯矩越大，当加压横梁2产生轻微形变时，就会使上加压机 构201产生松弛现象，要保持实验要求的压力，就需要进一步对上加 压机构201加压，从而带来不确定因素，对模型的应力状态造成一定 的破坏，造成实验误差。因此，在本实施例中，选择了由固定孔和紧 固件202将加压横梁2两端固定，伸缩机构4设于加压横梁2的中部的设 置方式。

伸缩机构4在不启动的状态下，可以对加压横梁2提供支持力，减 小了加压横梁2的变形量，从而使不确定因素大大减小，消除实验误 差。将加压横梁2进行固支梁模型分析，该设置将原固支梁模型分割 成了两段固支梁，每段固支梁长度减半，载荷减半，从而将加压横梁 2的变形量减小了75％以上，大大减小了实验误差。

如图4所示，所述底座7下方设有走轮10，走轮10至少有前后两排， 每一排走轮10不少于4个，前后两排走轮10之间相互错开。走轮10用 于移动实验台，提高实验效率，通过该设置，使底座7受力均匀，并 且几乎无变形，因而不会破坏模型的地应力分布。走轮10的布置最好 是等间隔均布。

还包括推车把手12，推车把手12与实验台框架1的侧框条连接。 便于控制实验台移动。

所述底座7上还设有支腿9，支腿9为伸缩支腿。实验时，支腿9 一方面可减轻走轮10的承重，另一方面可防止走轮10制动不良而导致 实验过程中实验台走动。

还包括侧板14和横向加压机构6，横向加压机构6的固定端与实验 台框架1的侧框条连接，移动端与侧板14接触，侧板14通过索具悬挂 于加压横梁2上。

通过该设置，实现了模拟实验的侧向加压和横向、侧向同时双向 加压，并且压力可调节，进而，本发明实现了四个方向组合式加压的 模拟实验，提供了全方位的应力工况组合。另外，通过调节侧板14 与侧框条之间的距离，可调节模型区域左右方向的大小。

在倾斜煤岩层模型模拟实验中，底板13一端较高、另一端较低， 此时只需收紧一端的索具，使侧板14不与底板13干涉即可。

如图3所示，所述可移动的多功能煤岩层相似模拟实验台有两台 以上并前后重叠，相邻的两台可移动的多功能煤岩层相似模拟实验 台，对应的侧板14相互接触或一体连接，对应的底板13相互接触或一 体连接。

通过该设置，实现了实验台模型区域前后方向的扩展。再加上横 梁的高度可调节、侧板14的位置可调节，从而，同一型号的实验台及 其组合可适用于多种尺寸的实验模型，大大增加了适用性。而传统的 实验台，当模型的厚度(即高度)、长度、或宽度中任意尺寸有较大 变化时，就需要更换另一种型号的实验台，使实验台型号繁多，适应 性差，造成成本剧烈增加。

还包括液压箱3，液压箱3与横向加载机构、下加载机构之间连接 有液压管路，横向加载机构、下加载机构为液压千斤顶，液压千斤顶 的液压接口设有阀门。液压箱3可以固定于加压横梁2上。

通过液压箱3能够快速、准确地调节加载压力，调节一个千斤顶 时，只需将其他千斤顶阀门关闭，操作简单，提高了操作效率。

所述上加压机构201、下加压机构8、横向加压机构6还分别设置 有计力表11。便于准确调节、观察各加载点的压力。

所述上加压机构201、下加压机构8、横向加压机构6、伸缩机构4， 可以选自千斤顶、液压伸缩杆、气动伸缩杆、电动伸缩杆中任一种或 几种。由于电动伸缩杆方便控制，其伸缩过程不通过弹簧液压控制， 不会产生弹性压迫力，上加压机构201和伸缩机构4优选为电动伸缩 杆。

所述实验台框架1的侧框条、下框条可以用槽钢制作，底座7可以 用板材制作，底座7与下框条连接，下加载机构固定端设于底座7上， 移动端可穿过下框条上的孔，对底板13进行加压。

采用本发明进行煤岩层相似模拟实验的使用方法为：

先进性模型设计，根据模拟对象煤层厚度、间距等尺寸确定实验 时所采用的模型尺寸，根据模型尺寸调节实验台的加压横梁2、侧板 14位置，确定是否进行多台实验台前后扩展，在正式开展模拟实验前， 先将实验台清理干净，并将在实验台前后两侧固定挡板；

称取实验材料质量，搅拌均匀，一层一层铺设在实验台的模型区 域内，铺设时在实验材料中预埋应变片，具体铺设步骤和厚度根据具 体实验情况而定，并将实验材料夯实；

带模型干燥后，拆除前后挡板，得实验模型，根据相似理论计算 出模型各部分的载荷情况，在模型对应位置施加压力；

进行煤层开挖，每次开挖后进行应力和位移检测，逐步开挖可模 拟整个工作面的推进过程，进而进行后续的数据采集和分析。

Claims (10)

1.一种可移动的多功能煤岩层相似模拟实验台，其特征在于：实验台框架(1)、加压横梁(2)、底座(7)、底板(13)，所述加压横梁(2)横置于实验台框架(1)内，所述底座(7)设于实验台框架(1)下方，所述底板(13)置于实验台框架(1)的下框条上；底座(7)上设有多个下加压机构(8)，实验台框架(1)的下框条上设有通孔，通孔可供下加压机构(8)的移动端通过，实验台框架(1)的侧框条下部设有凹槽(15)，加压横梁(2)下方设有多个上加压机构(201)，上加压机构(201)的移动端铰接有加压板(5)。

2.如权利要求1所述的可移动的多功能煤岩层相似模拟实验台，其特征在于：所述加压板(5)为相互独立的多段加压子板结构，每一段加压子板与一个上加压机构(201)铰接。

3.如权利要求1所述的可移动的多功能煤岩层相似模拟实验台，其特征在于：所述实验台框架(1)的侧框条上部设有固定孔和紧固件(202)，固定孔沿高度方向分布，并左右成对设置，紧固件(202)穿过固定孔与加压横梁(2)连接。

4.如权利要求3所述的可移动的多功能煤岩层相似模拟实验台，其特征在于：所述加压横梁(2)上方还设有伸缩机构(4)，伸缩机构(4)的固定端连接实验台框架(1)，移动端连接加压横梁(2)。

5.如权利要求4所述的可移动的多功能煤岩层相似模拟实验台，其特征在于：所述伸缩机构(4)位于加压横梁(2)的中部。

6.如权利要求1所述的可移动的多功能煤岩层相似模拟实验台，其特征在于：所述底座(7)下方设有走轮(10)，走轮(10)至少有前后两排，每一排走轮(10)不少于4个，前后两排走轮(10)之间相互错开。

7.如权利要求1所述的可移动的多功能煤岩层相似模拟实验台，其特征在于：还包括侧板(14)和横向加压机构(6)，横向加压机构(6)的固定端与实验台框架(1)的侧框条连接，移动端与侧板(14)接触，侧板(14)通过索具悬挂于加压横梁(2)上。

8.如权利要求7所述的可移动的多功能煤岩层相似模拟实验台，其特征在于：所述可移动的多功能煤岩层相似模拟实验台可由两台以上前后重叠，相邻的两台可移动的多功能煤岩层相似模拟实验台，对应的侧板(14)相互接触或一体连接，对应的底板(13)相互接触或一体连接。

9.如权利要求1所述的可移动的多功能煤岩层相似模拟实验台，其特征在于：还包括液压箱(3)，液压箱(3)与横向加载机构、下加载机构之间连接有液压管路，横向加载机构、下加载机构为液压千斤顶，液压千斤顶的液压接口设有阀门。

10.如权利要求1所述的可移动的多功能煤岩层相似模拟实验台，其特征在于：所述上加压机构(201)、下加压机构(8)、横向加压机构(6)还分别设置有计力表(11)。

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