CN114061874B - 一种模拟地表振动作用下采空区地层动力响应的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种模拟地表振动作用下采空区地层动力响应的实验装置，有效解决了采空区上面车辆振动载荷作用下采空区沉降机制实验模拟的难题，而且该装置还能模拟上面车辆振动载荷作用对不同倾角煤层或地层采空区沉降机制及规律，通过模拟采空区地表车辆经过时产生的振动作用对采空区其及上覆地层动力响应，从而更好地开展上部车辆振动作用下采空区沉降机制及规律研究。

Description

一种模拟地表振动作用下采空区地层动力响应的实验装置

技术领域

本发明涉及一种实验装置，特别是一种模拟地表振动作用下采空区地层动力响应的实验装置。

背景技术

随着经济的快速发展，高速道路交通常常会穿越采空区，尤其是快速高铁动载对采空区诱发的沉降尚处于探索阶段。国内外在采空区深陷理论已有一定的研究基础。但随着高速铁路的建设，高速车辆行进中产生的动荷载将诱发采空区产生沉降。采空区地层对地表振动荷载的动力影响机制需开展深入研究。由于实际的地层因经受长期的地质作用，多数地层具有不同的倾角。因此，开展研究不同倾角地层环境中伏采空区上部车辆的动力作用下的地层沉降动力诱发机理研究很有必要。

目前采空区在地表车辆动载作用的动力响应及诱发沉降机理仍需进一步完善。需要一种能够开展变倾角地层的采空区沉降机制的装置，不仅需要对不同倾角下的地层进行模拟，还要对采空区上部地表行驶的车辆振动荷载开展模拟，进而对模拟地表车辆行进过程中的振动荷载对采空区诱发沉降实现试验研究。从而探索采空区具有不同倾角地层对上部振动荷载的动力响应机制开展有效而可行的物理模型试验研究，为实际工程服务。

发明内容

针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明提供了一种模拟地表振动作用下采空区地层动力响应的实验装置，有效解决了在模拟采空区沉降实验过程中的不同倾角的模拟层很难有效模拟的难题，并且在填充完成后的实验阶段无法保证模拟层所倾斜的角度是实验所需要的角度，同时解决了在模拟过程中上部行走车辆时，车辆移动过程中的振动效果对下方的采空区的影响，其解决的技术方案是，包括传感器，其特征在于，还包括用于承载各个模拟层及各个传感器的沉降模拟箱，沉降模拟箱下端面左侧与支撑座上端面左侧之间转动连接，转轴与沉降模拟箱下端面之间固定连接，转轴伸出支撑座部位固定连接有角度指针，沉降模拟箱由方形底板、固定连接在底板前侧面的前挡板、固定连接在下底板后侧面的后挡板组成，下底板左侧面与右侧面上均开设有穿透前挡板与后挡板的弧形槽，弧形槽内均转动连接有转动杆，转动杆上均固定连接有倾斜板，倾斜板宽度与前挡板后侧面到后挡板前侧面之间距离相同，转动杆伸出前挡板部位均固定连接有垂直于转动杆轴线的指针，固定连接在前挡板上的与指针相配合的刻度盘，倾斜板上端转动连接有平行杆，左侧倾斜板左侧和右侧倾斜板右侧的前挡板与后挡板之间分别固定连接有支撑板，左侧支撑板与左侧倾斜板之间设有倾斜板角度调节装置，右侧支撑板与右侧倾斜板之间设有倾斜板角度固定装置，位于下底板下底面右侧与支撑座右侧之间设有液压千斤顶。

一种模拟地表振动作用下采空区地层动力响应的实验装置，其特征在于，还包括上部车辆载荷模拟装置，所述上部车辆载荷模拟装置包括分别固定连接在支撑座前后侧面上的支撑件，各个支撑件左右两端分别固定连接有竖向布置的导向杆，各个支撑件中间部位均转动连接有升降螺纹杆，各个升降螺纹杆下端分别固定连接有同步带轮，两同步带轮间经同步带进行连接，位于前侧的升降螺纹杆经固定连接在前支撑件上的升降电机进行驱动，位于各个升降螺纹杆上均螺纹连接有横向布置的升降块，各个升降块均经导向杆进行导向，两升降块之间平行布置且位于两升降块靠近侧面上转动连接有横向螺纹杆，两横向螺纹杆均通过横向转动电机进行同步驱动，两横向螺纹杆分别螺纹连接横向移动件的一端，横向移动件中间部位经平行布置的纵向螺纹杆与纵向导向杆进行连接，纵向螺纹杆经固定连接在横向移动件一端的纵向转动电机进行驱动，纵向螺纹杆上螺纹连接有经纵向导向杆进行导向的纵向移动块，纵向移动块上端固定连接有振动电机，位于纵向移动块下端固定有模拟杆，模拟杆上转动连接有移动轮。

作为优选，所述倾斜板角度调节装置包括纵向转动连接在左侧支撑板上的螺纹套，螺纹套内转动连接有螺纹调节杆，螺纹调节杆右端转动连接有左连接套，左连接套左端与螺纹调节杆右端之间转动连接，左连接套右端与左侧倾斜板左侧面之间纵向转动连接。

作为优选，所述倾斜板角度固定装置包括纵向转动连接在右支撑板上的定位套，定位套内侧面上均匀间隔排布有多个卡齿，定位套内滑动连接有定位杆，定位杆上固定有与定位套内卡齿相配合的卡块，当卡块与卡齿错位时定位杆与定位套之间滑动连接，当定位杆转动九十度时卡块与卡齿之间相配合并使定位杆与定位套之间不能进行滑动运动。

作为优选，所述定位杆左端转动连接有右连接套，右连接套左端与右侧倾斜板右侧面之间纵向转动连接，右连接套右端与定位杆左端面之间转动连接。

作为优选，所述弧形槽内转动连接的转动杆与弧形槽之间密封转动连接，所述转动杆上固定连接的倾斜板与前挡板和后挡板之间密封滑动连接。

作为优选，所述平行杆由前平行杆与后平行杆组成，前平行杆左端与左倾斜板上端面前端之间纵向转动连接，前平行杆右端与右倾斜板上端面前端之间纵向转动连接，后平行杆左端与左倾斜板上端面后端之间纵向转动连接，后平行杆右端与有倾斜板上端面后端之间纵向转动连接，所述前平行杆与后平行杆上端面之间始终保持在一个平面，前平行杆与后平行杆前侧面之间平行。

作为优选，所述液压千斤顶位于支撑座上端面右侧向下开设的收容槽内，液压千斤顶上端与下底板下底面右侧之间纵向转动连接，液压千斤顶下端与收容槽下底面之间纵向转动连接。

作为优选，所述后挡板上开设有挖煤口。

本发明有益效果是：解决了以下问题；1.在使用过程中能准确的调整沉降模拟箱的倾斜角度的问题；2.在调节过程中能准确的反应出倾斜角度，将倾斜板的倾斜角度与模拟箱倾斜角度调整为一致，能有效提高实验数据的准确性；3.沉降模拟箱的倾斜角度与倾斜板的支撑角度能进行比较；4.在进行实验时左右两侧的倾斜板始终保持竖直状态；5.在填装模拟层过程中能将模拟箱先调整到实验时的角度，再进行填装实验模拟层，能使填装的模拟层的角度及厚度都是符合实验时所需要的模拟层的厚度；6.在设置传感器时使传感器始终与倾斜板保持平行就能保证在实验时传感器为竖直状态，使实验数据更加准确；7.在需要模拟上端地层受行走车辆的压力而移动时对采空区造成的影响时启动上部车辆载荷模拟装置能有效模拟车辆移动状态；8.能通过前后两端的升降螺纹杆对模拟车辆的重量进行模拟，使得实验数据更加准确以及合理；9.移动轮移动状态可以模拟汽车前后行走以及左右行走的状态。

附图说明

图1为本发明整体示意图。

图2为本发明C区域放大图。

图3为本发明整体示意图第二视角。

图4为本发明整体示意图第二视角A区域放大图。

图5为本发明整体示意图第二视角B区域放大图。

图6为本发明整体示意图第二视角D区域放大图。

图7为本发明剖视图。

图8为本发明剖视图F区域局部放大图。

附图标记

1.支撑座，2.液压千斤顶，3.沉降模拟箱，4.转轴，5.角度指针，6.下底板，7.前挡板，8.后挡板，9.弧形槽，10.转动杆，11.倾斜板，12.刻度盘，13.平行杆，14.支撑板，15.倾斜板角度调节装置，16.倾斜板角度固定装置，17.螺纹套，18.螺纹调节杆，19.左连接套，20.定位套，21.卡齿，22.定位杆，23.卡块，24.右连接套，25.收容槽，26.挖煤口，27.支撑件，28.导向杆，29.升降螺纹杆，30.同步带轮，31.同步带，32.升降电机，33.升降块，35.横向螺纹杆，36.横向转动电机，37.横向移动件，38.纵向螺纹杆，39.纵向导向杆，40.纵向转动电机，41.纵向移动块，42.振动电机，43.模拟杆，44.移动轮。

具体实施方式

以下结合附图1-8对本发明的具体实施方式做出进一步详细说明。

该实施例在使用时，先将实验装置的支撑座1放置在水平硬质地面上，此时调节液压千斤顶2将沉降模拟箱3右端向上升起到实验所需要的角度，此时沉降模拟箱3下端面左侧与支撑座1转动连接部位向前侧面伸出部位上固定连接的角度指针5指示出此时沉降模拟箱3的倾斜角度，然后在指针指示到需要的角度后停止液压千斤顶2并使液压千斤顶2保持原位，此时调整左侧倾斜板11左侧面上的倾斜角度调节装置上的螺纹调节杆18，使倾斜板11倾斜角度转动到与沉降模拟箱3倾斜角度相一致，由于左右两侧上的倾斜板11上端转动连接有平行杆13，平行杆13使左右两侧的倾斜板11的倾斜角度始终保持相同，然后将倾斜角度固定装置转动九十度，使倾斜板11的角度固定，此时将传感器放置在所要测量的部位，传感器的方向要与倾斜板11保持平行，接通传感器的电源并连接电脑，此时开始逐层铺设沉降模拟层，铺设第一层时其第一层上表面与水平面相一致，在铺设好后将模拟层进行铺平、压实，然后开始填充其上一层的模拟层，依次填充好后将液压千斤顶2放下，将沉降模拟装置放置三到五天，等地层相对稳定后再开始实验，实验时液压千斤顶2连通液压泵，模拟箱在液压力作用下右端向上升起，模拟箱整体产生倾斜，将模拟箱倾斜角度调整到与倾斜板11角度相同时停止液压千斤顶2的动作，且使液压千斤顶2保持原位，此时接通传感器的电源并连接信息处理电脑，将挖煤口26打开并模拟挖取煤层，并实时监测传感器传回的数据，收集好实验数据后将模拟箱内材料清空，将传感器收回，然后将液压千斤顶2回位，再逆时针旋转倾斜板角度固定装置16将倾斜板11定位取消，调整倾斜板角度调节装置15将倾斜板11回位，然后重新进行模拟箱不同倾斜角度时的实验并收集数据。

在使用过程中需要启动上部车辆载荷模拟装置进行模拟时，启动前端的升降螺纹杆上连接的升降电机，升降电机驱动前端的升降螺纹杆进行转动，由于两升降螺纹杆下端分别固定连接有同步带轮，两同步带轮间经同步带进行连接并传递动力，在前端的升降螺纹杆进行转动过程中通过同步带驱动位于后端的升降螺纹杆同步进行转动，在两升降螺纹杆进行转动过程中，位于各个升降螺纹杆上螺纹连接的升降块经过导向杆的导向作用下进行竖向方位的运动，在两升降螺纹杆进行转动过程中，两升降螺纹杆上分别螺纹连接的升降块实现向下的不同压力，在将升降块移动到相应位置后启动横向螺纹杆连接的横向转动电机，横向转动电机驱动横向螺纹杆进行转动，在横向螺纹杆进行转动过程中横向移动件移动到设定位置，在横向移动件进行移动过程中完成对汽车横向移动的模拟，在需要纵向方位进行模拟时启动纵向螺纹杆，纵向螺纹杆驱动纵向移动块沿纵向导向杆进行移动，在需要模拟汽车无规则移动时需要将线路进行规划，同时将规划后的线路导入到处理器中，处理器控制分析那个转动电机与纵向转动电机同时运动或变速运动，使得纵向移动块下端的模拟杆上转动连接的移动轮按设定路线进行移动，在纵向移动件进行移动过程中固定连接在纵向移动件上端的振动电机同步进行工作，使得模拟出汽车在行驶过程中的振动作用，同时在上部汽车振动载荷模拟装置进行工作过程中通过传感器同步进行检测。

与传感器输出端相连的数据采集仪和与数据采集仪相连的电脑，设置的下伏地层模拟层、设置在下伏地层模拟层上方的煤层模拟层、和设置在煤层模拟层上覆的多层地质模拟层F1、F2……Fn，并设置有挖煤口26，所述的挖煤口26上设置有调节法兰，所述的传感器包括位移传感器和压力传感器，所述的位移传感器和压力传感器通过数据线分别连接到相应的数据采集仪，所述多层地质模拟层F1、F2……Fn中均设置有位移传感器和压力传感器，还包括支撑座1，液压千斤顶2。

在设置传感器时使传感器始终与倾斜板保持平行就能保证在实验时传感器为竖直状态，使实验数据更加准确，本发明名称还可以为一种模拟变倾角地层采空区沉降机制的实验装置。

进一步的，顺时针旋转螺纹调节杆18，螺纹调节杆18向右进行运动，螺纹调节杆18向右运动时推动左连接套19向右进行移动，左连接套19向右进行移动时推动左倾斜板11向右进行转动并起到实时定位作用，当需要左倾斜板11回位时，逆时针转动左螺纹调节杆18，左倾斜板11在螺纹调节杆18的拉力下回位。

进一步的，在定位杆22未转动时定位套20内的卡齿21与定位杆22上的卡套之间交错排布，定位杆22与定位套20之间滑动连接，当定位杆22转动九十度后定位杆22上的卡块23与定位套20内的卡齿21之间进行重合，此时定位杆22与定位套20之间只能在外力作用下进行转动而不能进行滑动运动，从而起到对右侧倾斜板11的支撑定位作用，在使用完后。

进一步的，转动定位杆22时连接套由于与定位杆22之间转动连接，所以在定位杆22转动时会由于螺纹连接的作用推动连接套进行转动。

进一步的，弧形槽9与转动杆10之间密封转动连接是为了防止模拟层的土壤结构掉落，并在转动时不会受到杂物的影响。

进一步的，平行杆13的长度选择与下底板6长度保持一致，并使左倾斜板11与右倾斜板11之间始终保持平行，并组成平行四边形结构，这样左倾斜板11与右倾斜板11在动作时会同时动作并始终保持平行，前后方均安装平行杆13还能起到支撑作用，防止内部的模拟层在挤压力的作用下将左倾斜板11与右倾斜板11产生位移。

进一步的，液压千斤顶2连接有液压泵，液压泵连接有控制单元，液压泵在需要将下底板6支撑起一定角度时对液压泵内加压，液压泵将下底板6支撑起一定角度，在达到指定角度时停止并锁紧，使支撑板14保持在固定位置，当需要下底板6回位时，液压泵在控制单元控制下缓慢向下降，并收容在收容槽25内。

进一步的，在后挡板8上开设的收容槽25上设有开启门，当需要进行模拟开挖煤层时将开启门打开，在不使用时将开启门封闭，防止模拟层泄露。

Claims (8)

1.一种模拟地表振动作用下采空区地层动力响应的实验装置，包括传感器，其特征在于，还包括用于承载各个模拟层及各个传感器的沉降模拟箱（3），沉降模拟箱（3）下端面左侧与支撑座（1）上端面左侧之间转动连接，转轴（4）与沉降模拟箱（3）下端面之间固定连接，转轴（4）伸出支撑座（1）部位固定连接有角度指针（5），沉降模拟箱（3）由方形下底板（6）、固定连接在下底板（6）前侧面的前挡板（7）、固定连接在下底板（6）后侧面的后挡板（8）组成，下底板（6）左侧面与右侧面上均开设有穿透前挡板（7）与后挡板（8）的弧形槽（9），弧形槽（9）内均转动连接有转动杆（10），转动杆（10）上均固定连接有倾斜板，倾斜板宽度与前挡板（7）后侧面到后挡板（8）前侧面之间距离相同，转动杆（10）伸出前挡板（7）部位均固定连接有垂直于转动杆（10）轴线的指针，固定连接在前挡板（7）上的与指针相配合的刻度盘（12），倾斜板上端转动连接有平行杆，左侧倾斜板左侧和右侧倾斜板右侧的前挡板（7）与后挡板（8）之间分别固定连接有支撑板，左侧支撑板与左侧倾斜板之间设有倾斜板角度调节装置（15），右侧支撑板与右侧倾斜板之间设有倾斜板角度固定装置（16），位于下底板（6）下底面右侧与支撑座（1）右侧之间设有液压千斤顶（2）；

还包括上部车辆载荷模拟装置，所述上部车辆载荷模拟装置包括分别固定连接在支撑座前后侧面上的支撑件（27），各个支撑件左右两端分别固定连接有竖向布置的导向杆（28），各个支撑件中间部位均转动连接有升降螺纹杆（29），各个升降螺纹杆下端分别固定连接有同步带轮（30），两同步带轮间经同步带（31）进行连接，位于前侧的升降螺纹杆经固定连接在前支撑件上的升降电机（32）进行驱动，位于各个升降螺纹杆上均螺纹连接有横向布置的升降块（33），各个升降块均经导向杆进行导向，两升降块之间平行布置且位于两升降块靠近侧面上转动连接有横向螺纹杆（35），两横向螺纹杆均通过横向转动电机（36）进行同步驱动，两横向螺纹杆分别螺纹连接横向移动件（37）的一端，横向移动件中间部位经平行布置的纵向螺纹杆（38）与纵向导向杆（39）进行连接，纵向螺纹杆经固定连接在横向移动件一端的纵向转动电机（40）进行驱动，纵向螺纹杆上螺纹连接有经纵向导向杆进行导向的纵向移动块（41），纵向移动块上端固定连接有振动电机（42），位于纵向移动块下端固定有模拟杆（43），模拟杆上转动连接有移动轮（44）。

2.根据权利要求1所述一种模拟地表振动作用下采空区地层动力响应的实验装置，其特征在于，所述倾斜板角度调节装置（15）包括纵向转动连接在左侧支撑板上的螺纹套（17），螺纹套（17）内转动连接有螺纹调节杆（18），螺纹调节杆（18）右端转动连接有左连接套（19），左连接套（19）左端与螺纹调节杆（18）右端之间转动连接，左连接套（19）右端与左侧倾斜板左侧面之间纵向转动连接。

3.根据权利要求1所述一种模拟地表振动作用下采空区地层动力响应的实验装置，其特征在于，所述倾斜板角度固定装置（16）包括纵向转动连接在右侧支撑板上的定位套（20），定位套（20）内侧面上均匀间隔排布有多个卡齿（21），定位套（20）内滑动连接有定位杆（22），定位杆（22）上固定有与定位套（20）内卡齿（21）相配合的卡块（23），当卡块（23）与卡齿（21）错位时定位杆（22）与定位套（20）之间滑动连接，当定位杆（22）转动九十度时卡块（23）与卡齿（21）之间相配合并使定位杆（22）与定位套（20）之间不能进行滑动运动。

4.根据权利要求3所述一种模拟地表振动作用下采空区地层动力响应的实验装置，其特征在于，所述定位杆（22）左端转动连接有右连接套（24），右连接套（24）左端与右侧倾斜板右侧面之间纵向转动连接，右连接套（24）右端与定位杆（22）左端面之间转动连接。

5.根据权利要求1所述一种模拟地表振动作用下采空区地层动力响应的实验装置，其特征在于，所述弧形槽（9）内转动连接的转动杆（10）与弧形槽（9）之间密封转动连接，所述转动杆（10）上固定连接的倾斜板与前挡板（7）和后挡板（8）之间密封滑动连接。

6.根据权利要求1所述一种模拟地表振动作用下采空区地层动力响应的实验装置，其特征在于，所述平行杆由前平行杆与后平行杆组成，前平行杆左端与左侧倾斜板上端面前端之间纵向转动连接，前平行杆右端与右侧倾斜板上端面前端之间纵向转动连接，后平行杆左端与左侧倾斜板上端面后端之间纵向转动连接，后平行杆右端与右侧倾斜板上端面后端之间纵向转动连接，所述前平行杆与后平行杆上端面之间始终保持在一个平面，前平行杆与后平行杆前侧面之间平行。

7.根据权利要求1所述一种模拟地表振动作用下采空区地层动力响应的实验装置，其特征在于，所述液压千斤顶（2）位于支撑座（1）上端面右侧向下开设的收容槽（25）内，液压千斤顶（2）上端与下底板（6）下底面右侧之间纵向转动连接，液压千斤顶（2）下端与收容槽（25）下底面之间纵向转动连接。

8.根据权利要求1所述一种模拟地表振动作用下采空区地层动力响应的实验装置，其特征在于，所述后挡板（8）上开设有挖煤口（26）。