CN114062642A - 水密封条件下模型试验煤柱水平加载机构及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及煤炭开采领域，提供一种水密封条件下模型试验煤柱水平加载机构及方法，机构包括：水平加载系统，其包括水平加载伺服电机、丝杠及水平加载板，所述水平加载伺服电机的输出轴与丝杠的其中一端连接，丝杠的另一端与水平加载板连接，所述水平加载板用于顶抵在待测煤柱上；反力架，其用于安装所述水平加载伺服电机。本发明可对试验模型留设的煤柱按力或者按位移施加水平荷载，加载过程伺服可控可调；水平加载过程高度可调，适应不同位置煤层及多煤层留设煤柱的水平加载要求；水平加载过程可实现水密封，防止水体泄露；操作简单快捷，成本较低，具有较强适用性。
Description
技术领域
本发明涉及煤炭开采领域，特别涉及一种水密封条件下模型试验煤柱水平加载机构及方法。
背景技术
煤炭开采水资源保护与利用对煤炭开发战略西移和保障国家能源安全具有重要支撑作用。目前我国每年产生矿井水约80亿t，矿井水年损失量达60亿t，相当于每年工业和民用缺水量(100亿t)的60％，因此保护利用矿井水资源更为重要，也是煤炭开发长期面临的重大难题。
目前煤炭开采水资源保护利用领域主要沿着三条路径进行技术探索：一是设法阻止矿井水的产生，即进行限高和充填开采技术研究，但因影响开采效率和煤炭回采率降低等问题，无法有效实施；二是设法在地面储存矿井水，但面临缺乏足够储水空间、储水成本高、蒸发浪费且水体污染严重等技术难题，难以实施；三是在井下储存矿井水，但遇到了与传统理念相违背，无成熟技术可借鉴等难题，必须通过理念创新和技术创新，开发利用安全高效和规模化的储水技术。因此，在前两种技术路径难以有效实施的情况下，井下储存矿井水成为煤矿开采水资源保护与利用的合理发展方向。
现有绝大多数井下采空区存储地下水的物理模拟试验是通过机械手段开挖预埋煤层，形成煤矿采矿区及煤柱，只是在模型顶部施加垂直荷载模拟上覆岩层地应力，个别试验中通过间接手段对模型施加水平荷载，然后注入水体，使水体自流，模拟地下水的运移路径与存储状态。但是，上述物理模拟方法存在以下不足：
1、绝大多数物理模拟试验设备无法对模型施加水平荷载，使模型处于单向加载状态，而不是现场实际水平和垂直荷载组合作用下，对模型的变形破坏形式产生极大影响。
2、即使能施加水平荷载，但是水平加载方式不够智能，无法兼顾水密封要求，对水体运移路径的模拟准确性产生影响。水平加载的位置不可调，无法选择按力或者按位移加载。
鉴于此，为克服上述技术缺陷，本发明提供一种水密封条件下模型试验煤柱水平加载机构及方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水密封条件下模型试验煤柱水平加载机构，其可对试验模型留设的煤柱按力或者按位移施加水平荷载，加载过程伺服可控可调；水平加载过程高度可调，适应不同位置煤层及多煤层留设煤柱的水平加载要求。
为达上述目的，本发明提供一种水密封条件下模型试验煤柱水平加载机构，其包括：
水平加载系统，其包括水平加载伺服电机、丝杠及水平加载板，所述水平加载伺服电机的输出轴与丝杠的其中一端连接，丝杠的另一端与水平加载板连接，所述水平加载板用于顶抵在待测煤柱上；
反力架，其用于安装所述水平加载伺服电机；
侧梁，其与所述反力架相对设置；
前梁和后梁，所述前梁和后梁相对设置，并且所述前梁、反力架、后梁和侧梁依次连接以形成围置所述待测煤柱的模型。
所述的水密封条件下模型试验煤柱水平加载机构，其中，所述反力架上沿高度方向设置有多个加载孔，每个加载孔的周边均设置有多个螺纹孔，所述水平加载伺服电机通过目标煤层所对应位置的多个螺纹孔安装在反力架上。
所述的水密封条件下模型试验煤柱水平加载机构，其中，未安装水平加载伺服电机的加载孔及螺纹孔处于密封状态。
所述的水密封条件下模型试验煤柱水平加载机构，其中，所述丝杠上套设有套管，所述套管和丝杠之间以黄油填充。
所述的水密封条件下模型试验煤柱水平加载机构，其中，所述水平加载板上安装有位移传感器或测力计监测系统。
本发明还提供一种采用上述的水密封条件下模型试验煤柱水平加载机构实施的方法，其包括以下步骤：
(1)首先将所述前梁、反力架、后梁和侧梁依次连接并围置所述待测煤柱，拆下所述后梁，自下而上填料以布置煤层，留设待测煤柱以及与该待测煤柱最接近的煤柱；
(2)解除与煤层相应高度对应的反力架上对加载孔和螺纹孔的密封，同时以加载孔的高度向待测煤柱及最接近煤柱钻圆形孔洞，将所述丝杠依次穿过最接近煤柱和待测煤柱；
(3)将丝杠靠近待测煤柱的一端穿设有水平加载板，所述水平加载板顶抵在待测煤柱上，所述丝杠的另一端与水平加载伺服电机的输出端连接；
(4)随着铺设过程逐步安装所述后梁直至后梁全部安装完毕，实现模型密封；
(5)水平加载伺服电机旋转带动丝杠旋转，从而推动水平加载板对待测煤柱施加水平荷载，当待测煤柱被破坏时，获得此时的加载力或加载位移。
所述的方法，其中，按力加载时，所述水平加载板上安装有测力计监测系统，测力计监测系统与加载控制系统耦合，实时调整伺服电机转速，从而控制加载的力。
所述的方法，其中，按位移加载时，所述水平加载板上安装有位移传感器，位移传感器将测得的数值传输给加载控制系统，所述加载控制系统控制伺服电机的转速，从而控制丝杠的转速，进而控制水平加载板的前进速度及位移。
所述的方法，其中，在步骤(3)中，先在加载孔内放置中空密封套管，套管内涂抹黄油，再使丝杠穿过所述套管，以实现对水进行密封。
所述的方法，其中，未安装水平加载伺服电机的加载孔及螺纹孔由螺栓和垫片进行密封。
本发明的有益效果在于：
(1)可对试验模型留设的煤柱按力或者按位移施加水平荷载，加载过程伺服可控可调；
(2)水平加载过程高度可调，适应不同位置煤层及多煤层留设煤柱的水平加载要求；
(3)水平加载过程可实现水密封，防止水体泄露；
(4)操作简单快捷，成本较低，具有较强适用性。
附图说明
图1为根据本发明的反力架的主视图；
图2为根据本发明的水平加载系统的立体图；
图3为水平加载机构在应用时的主视图；
图4为水平加载机构在应用时的俯视图；
图5为根据本发明的模型的立体图；
图6为拆下后梁时的立体图；
图7为随着自下而上填料以布置煤层而逐步安装后梁的立体图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
如图1至图3所示，本发明提供一种水密封条件下模型试验煤柱水平加载机构，其主要包括：反力架1、水平加载系统2、侧梁3、前梁4以及后梁5。
具体请参照图1，所述反力架1大致呈立柱结构，所述反力架1上沿高度方向设置有多个加载孔11，每相邻的两个加载孔11之间的距离可以相同或不同。所述加载孔11的周边设置有多个螺纹孔12，用于安装水平加载伺服电机21，因此通过将所述水平加载伺服电机21安装在不同高度的加载孔11上以改变水平加载伺服电机21的高度(图1中示出了其中一个电机安装位置14)，从而调节水平加载的位置，适应不同位置煤层及多煤层留设煤柱的水平加载要求。需要说明的是，无需水平加载时，将反力架1上的加载孔11及螺纹孔12通过螺栓及垫片进行密封。优选地，所述反力架1的底部设有梯形的底座13，以确保反力架1在加载过程中在反作用力的作用下保持直立，且不会产生位移。
所述侧梁3与所述反力架1相对设置(如图4所示)。
所述前梁4和后梁5相对设置，并且所述前梁4、反力架1、后梁5和侧梁3依次连接以形成围置所述待测煤柱6的模型再请参照图2，所述水平加载系统2主要包括：水平加载伺服电机21、丝杠22、水平加载板23以及套管24。所述水平加载伺服电机21的输出轴通过键槽与丝杠22的其中一端连接，丝杠22的另一端与水平加载板23连接，所述水平加载板23上安装有位移传感器(图中未示出)和/或测力计监测系统(图中未示出)。
需对模型内部煤柱施加水平荷载时，首先移除前后反力梁，模拟开挖部分煤层，留设需施加水平荷载的煤柱(本文中也称为“待测煤柱6”)以及与该待测煤柱最接近的煤柱7，取下与煤层相应高度对应的反力架1上用于密封加载孔11和螺纹孔12的螺栓和垫片，同时以加载孔的高度向待测煤柱及最接近煤柱钻圆形孔洞，将所述丝杠22依次穿过最接近煤柱和待测煤柱，丝杠22靠近待测煤柱的一端设置有水平加载板23，所述水平加载板23顶抵在待测煤柱上，所述丝杠22的另一端与水平加载伺服电机21的输出端连接，所述水平加载伺服电机21安装在所述反力架1上的预先拆除螺栓和垫片的加载孔11上，其中，所述水平加载伺服电机21的输出轴穿过所述加载孔21而向所述待测煤柱的方向延伸。水平加载伺服电机21旋转带动丝杠22旋转，从而推动水平加载板23对待测煤柱施加水平荷载，当待测煤柱被破坏时，获得此时的加载力或加载位移，以对今后的研究及施工提供指导依据。如需在水平加载过程中进行密封，可先在加载孔11内放置具有一定长度的中空密封套管24，套管内涂抹黄油，再使丝杠22穿过所述套管24，便可对水进行密封，如图2所示。
本发明的水平加载机构可按力或者按位移加载，按力加载时，加载板前端设置测力计，测力计监测系统与加载控制系统耦合，实时调整伺服电机转速，从而控制加载的力；按位移加载时，通过加载控制系统控制伺服电机的转速，从而控制丝杠的转速，进而控制加载板的前进速度及位移。
本发明还提供一种水密封条件下模型试验煤柱水平加载方法，其主要包括以下步骤：
(1)首先将所述前梁4、反力架1、后梁5和侧梁3依次连接并围置所述待测煤柱(如图5所示)，拆下所述后梁5(如图6所示)，自下而上填料以布置煤层，留设待测煤柱以及与该待测煤柱最接近的煤柱；
(2)取下与煤层相应高度对应的反力架1上用于密封加载孔11和螺纹孔12的螺栓和垫片，同时以加载孔的高度向待测煤柱及最接近煤柱钻圆形孔洞，将所述丝杠22依次穿过最接近煤柱和待测煤柱；
优选地，如需在水平加载过程中进行密封，可先在加载孔11内放置具有一定长度的中空密封套管24，套管内涂抹黄油，再使丝杠22穿过所述套管24，便可对水进行密封，如图2所示；
(3)将丝杠22靠近待测煤柱的一端设置有水平加载板23，所述水平加载板23顶抵在待测煤柱上，所述丝杠22的另一端与水平加载伺服电机21的输出端连接，所述水平加载伺服电机21安装在所述反力架1上的预先拆除螺栓和垫片的加载孔11上，其中，所述水平加载伺服电机21的输出轴穿过所述加载孔21而向所述待测煤柱的方向延伸；
(4)随着铺设过程逐步安装所述后梁5直至后梁5全部安装完毕(如图7所示)，实现模型密封；
(5)水平加载伺服电机21旋转带动丝杠22旋转，从而推动水平加载板23对待测煤柱施加水平荷载，当待测煤柱被破坏时，获得此时的加载力或加载位移。
其中，按力加载时，加载板前端设置测力计，测力计监测系统与加载控制系统耦合，实时调整伺服电机转速，从而控制加载的力；按位移加载时，通过加载控制系统控制伺服电机的转速，从而控制丝杠的转速，进而控制加载板的前进速度及位移。
综上所述，本发明的有益效果在于：
(1)可对试验模型留设的煤柱按力或者按位移施加水平荷载，加载过程伺服可控可调；
(2)水平加载过程高度可调，适应不同位置煤层及多煤层留设煤柱的水平加载要求；
(3)水平加载过程可实现水密封，防止水体泄露；
(4)操作简单快捷，成本较低，具有较强适用性。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
Claims (10)
1.一种水密封条件下模型试验煤柱水平加载机构，其特征在于，包括：
水平加载系统，其包括水平加载伺服电机、丝杠及水平加载板，所述水平加载伺服电机的输出轴与丝杠的其中一端连接，丝杠的另一端与水平加载板连接，所述水平加载板用于顶抵在待测煤柱上；以及
反力架，其用于安装所述水平加载伺服电机；
侧梁，其与所述反力架相对设置；
前梁和后梁，所述前梁和后梁相对设置，并且所述前梁、反力架、后梁和侧梁依次连接以形成围置所述待测煤柱的模型。
2.根据权利要求1所述的水密封条件下模型试验煤柱水平加载机构，其特征在于，所述反力架上沿高度方向设置有多个加载孔，每个加载孔的周边均设置有多个螺纹孔，所述水平加载伺服电机通过目标煤层所对应位置的多个螺纹孔安装在反力架上。
3.根据权利要求1所述的水密封条件下模型试验煤柱水平加载机构，其特征在于，未安装水平加载伺服电机的加载孔及螺纹孔处于密封状态。
4.根据权利要求1所述的水密封条件下模型试验煤柱水平加载机构，其特征在于，所述丝杠上套设有套管，所述套管和丝杠之间以黄油填充。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的水密封条件下模型试验煤柱水平加载机构，其特征在于，所述水平加载板上安装有位移传感器或测力计监测系统。
6.一种采用权利要求1至5中任一项所述的水密封条件下模型试验煤柱水平加载机构实施的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)首先将所述前梁、反力架、后梁和侧梁依次连接并围置所述待测煤柱，拆下所述后梁，自下而上填料以布置煤层，留设待测煤柱以及与该待测煤柱最接近的煤柱；
(2)解除与煤层相应高度对应的反力架上对加载孔和螺纹孔的密封，同时以加载孔的高度向待测煤柱及最接近煤柱钻圆形孔洞，将所述丝杠依次穿过最接近煤柱和待测煤柱；
(3)将丝杠靠近待测煤柱的一端穿设有水平加载板，所述水平加载板顶抵在待测煤柱上，所述丝杠的另一端与水平加载伺服电机的输出端连接；
(4)随着铺设过程逐步安装所述后梁直至后梁全部安装完毕，实现模型密封；
(5)水平加载伺服电机旋转带动丝杠旋转，从而推动水平加载板对待测煤柱施加水平荷载，当待测煤柱被破坏时，获得此时的加载力或加载位移。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，按力加载时，所述水平加载板上安装有测力计监测系统，测力计监测系统与加载控制系统耦合，实时调整伺服电机转速，从而控制加载的力。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，按位移加载时，所述水平加载板上安装有位移传感器，位移传感器将测得的数值传输给加载控制系统，所述加载控制系统控制伺服电机的转速，从而控制丝杠的转速，进而控制水平加载板的前进速度及位移。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在步骤(3)中，先在加载孔内放置中空密封套管，套管内涂抹黄油，再使丝杠穿过所述套管，以实现对水进行密封。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的方法，其特征在于，未安装水平加载伺服电机的加载孔及螺纹孔由螺栓和垫片进行密封。
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