CN115963012A - 一种用于监测变面长采场覆岩变形规律模型的试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于监测变面长采场覆岩变形规律模型的试验装置，包括框架系统，框架系统包括固定在地面上的支撑组件，支撑组件上安装有试验组件；承载系统，承载系统包括罩设在支撑组件外的承载组件，承载组件顶端安装有反力板，反力板位于支撑组件上方；液压加载系统，液压加载系统包括安装在反力板底端的加载装置，加载装置的输出端与试验组件对应设置并抵接；监测系统，监测系统安装在试验组件上，监测系统与外界的接收装置电性连接。本发明的试验装置使用简单方便，劳动强度小，测量精度高，极大促进了三维相似模拟实验的使用。
Description
技术领域
本发明涉及相似材料模拟试验技术领域，特别是涉及一种用于监测变面长采场覆岩变形规律模型的试验装置。
背景技术
随着煤炭产业的扩大生产，矿井地质条件不断恶化，随之出现了大量不规则采场。目前国内外采矿学界尚未对不规则采场进行准确定义，变面长采场是指在煤层开采过程中受地质构造、水文条件、岩层赋存特点、开采技术等因素的影响，工作面斜长发生改变(增长或缩短)的采场。随着开采环境的不断复杂化，在许多矿井生产作业中势必会出现变面长采场，加深对变面长采场覆岩结构演化规律与应力变化特征的研究变得尤为重要。采场覆岩的矿压变化特征及岩层移动的时空演化规律研究是煤矿开采领域的重要课题，对确保煤矿安全生采，实现经济稳增长意义重大。采场覆岩受岩层赋存特点、空间结构、开采条件等因素影响表现出不同的运动特征，因此对于变面长采场进行顶板防控的前提要素就是弄清其覆岩运动演化特征。
实验室相似材料模拟试验是以相似理论为基础的模型试验技术，是通过相似原理制作与原型相似的模型借此来研究解决复杂工程问题的一种重要方法。它能够有效避免现场监测数据难以获取的问题，并能更直观的与数值模拟结果相对比从而验证模拟结果的准确性。相似材料模型试验在采矿工程领域发挥了重要作用，通过对构建模型的运动过程及应力变化趋势等进行观测分析，能够全面掌握采场围岩的空间破断形态和力学演化特征，对现场实践和工程应用提供了重要的参考价值。
现有的相似材料模型试验框架多为二维形态，仅能进行平面应力模型试验，难以获取岩层变形过程中三维空间特征信息，虽在一定程度上加深了顶板破断规律研究的进展，但存在以下不足：
1)实验过程中需要用钢铲等工具人工开挖煤层，费时费力，且对上覆岩层扰动较大。
2)需要在顶部通过施压达到应力条件，目前大多使用配重块的形式进行人工堆叠，费时费力且存在操作风险。
3)实验开挖从某一边界开始，受边界条件影响大，不能实现密闭空间开采；
4)模型台架的四周挡板不易拆卸，给铺设材料和清除材料的过程带来很多不便。
5)针对对面变面长采场模拟开采装置较少，对研究变面长采场顶板破断的力学机理与岩层垮落的时空效应不够充分。
综上可见，现有二维平面应力模型无法获取三维空间特征信息，同时测试手段较为单一，且多为二维静态数据体，无法对模型进行动态实时监测。
因此，迫切需要一种监测变面长采场覆岩变形破坏规律的相似模型试验装置，并且搭载动态监测分析系统，从而能有效解决现有模型及监测方法中存在的三维空间自动化程度低、关键信息获取难度高等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于监测变面长采场覆岩变形规律模型的试验装置，以解决上述现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种用于监测变面长采场覆岩变形规律模型的试验装置，包括：
框架系统，所述框架系统包括固定在地面上的支撑组件，所述支撑组件上安装有试验组件；
承载系统，所述承载系统包括罩设在所述支撑组件外的承载组件，所述承载组件顶端安装有反力板，所述反力板位于所述支撑组件上方；
液压加载系统，所述液压加载系统包括安装在所述反力板底端的加载装置，所述加载装置的输出端与所述试验组件对应设置并抵接；
监测系统，所述监测系统安装在所述试验组件上，所述监测系统与外界的接收装置电性连接。
优选的，所述支撑组件包括四个呈矩形布置的立柱，四个所述立柱的侧壁底端之间固接有底板，任意相邻两所述立柱顶端之间固接有横梁；所述加载装置的输出端位于若干所述横梁的中心位置；相邻两所述立柱的外壁之间分别固接有若干围挡。
优选的，所述立柱的底端固接有底座，所述底座固定在地面上，所述底座被所述承载组件罩设住。
优选的，所述立柱的外壁开设有若干螺孔，所述围挡的四角贯穿开设有与所述螺孔对应设置的通孔，所述围挡通过螺栓安装在所述立柱之间；所述围挡包括若干金属挡板和若干钢化玻璃板，所述金属挡板和所述钢化玻璃板根据所述试验组件的观察需求布置。
优选的，所述试验组件包括若干逐层摆放在所述底板上的材料模型，所述材料模型与所述底板的形状相适配；所述材料模型的顶端与所述加载装置的输出端抵接；所述围挡与所述材料模型对应设置。
优选的，所述监测系统包括若干应变片和若干位移测点，所述应变片埋设在所述材料模型内，所述位移测点设置在相邻的材料模型之间；不同层位的所述位移测点通过连接线连接，所述连接线由位于正面的所述围挡上的预留孔伸出。
优选的，所述加载装置包括安装在所述反力板底端的液压活塞，所述液压活塞的输出端固接有液压枕，所述液压枕的底端与摆放在顶端的所述材料模型上的承压板抵接；所述液压活塞连通有储油罐，所述液压活塞电性连接有加载控制台；所述底板的底端抵接有千斤顶。
优选的，所述承载组件包括两个平行设置的承载板，所述承载板对称设置若干所述立柱的两侧，所述承载板上平行固接有若干承载柱，所述反力板固接在若干所述承载柱的顶端。
优选的，所述材料模型包括若干木条和若干预留板，所述木条外包裹有透明胶带。
本发明公开了以下技术效果：本发明的试验组件安装在支撑组件上，采用液压加载系统对试验组件顶端均匀施压，实现试验组件顶部均匀受力，舍弃采用重物堆叠施力方式，有效模拟采场顶板应力情况，且省时省力；本发明通过试验组件模拟煤层，直观的观察煤层的采场由“小”到“大”或由“大”到“小”采场的岩移变形规律、裂隙分布状态和力学演化特征，为构建多场耦合作用下变面采场煤层安全高效开采的评价体系奠定根基；通过多元的监测系统实现对开采过程中采场空间应力及覆岩空间运移规律实时监测，解决了三维相似材料模拟实验的测量难题；监测的数据记录和存储均由接收装置进行控制，减少了实验人员工作量；承载系统罩设在框架系统上，作为液压加载系统的反力支撑机构，使得液压加载机构实现向下的加载且保持稳定。本发明的试验装置使用简单方便，劳动强度小，测量精度高，极大促进了三维相似模拟实验的使用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明用于监测变面长采场覆岩变形规律模型的试验装置轴视图；
图2为本发明用于监测变面长采场覆岩变形规律模型的试验装置主视图；
图3为本发明框架系统结构示意图；
图4为本发明围挡结构示意图；
其中，1、框架系统；2、横梁；3、油管；4、预留孔；5、液压活塞；6、液压枕；7、金属挡板；8、立柱；9、底座；10、千斤顶；11、木条；12、预留板；13、材料模型；14、承压板；15、底板；16、钢化玻璃板；17、数据线束；18、加载控制台；19、储油罐；20、螺孔；21、螺栓；22、应变片；23、连接线；24、细套管；25、位移测点；26、承载板；27、承载柱；28、反力板；29、遮挡棚；30、通孔；31、油盘。
具体实施力方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施力方式对本发明作进一步详细的说明。
参照图1-4，本发明提供一种用于监测变面长采场覆岩变形规律模型的试验装置，包括：
框架系统1，框架系统1包括固定在地面上的支撑组件，支撑组件上安装有试验组件；
承载系统，承载系统包括罩设在支撑组件外的承载组件，承载组件顶端安装有反力板28，反力板28位于支撑组件上方；
液压加载系统，液压加载系统包括安装在反力板28底端的加载装置，加载装置的输出端与试验组件对应设置并抵接；
监测系统，监测系统安装在试验组件上，监测系统与外界的接收装置电性连接。
本发明的试验组件安装在支撑组件上，采用液压加载系统对试验组件顶端均匀施压，实现试验组件顶部均匀受力，舍弃采用重物堆叠施力方式，有效模拟采场顶板应力情况，且省时省力；本发明通过试验组件模拟煤层，直观的观察煤层的采场由“小”到“大”或由“大”到“小”采场的岩移变形规律、裂隙分布状态和力学演化特征，为构建多场耦合作用下变面采场煤层安全高效开采的评价体系奠定根基；通过多元的监测系统实现对开采过程中采场空间应力及覆岩空间运移规律实时监测，解决了三维相似材料模拟实验的测量难题；监测的数据记录和存储均由接收装置进行控制，减少了实验人员工作量；承载系统罩设在框架系统1上，作为液压加载系统的反力支撑机构，使得液压加载机构实现向下的加载且保持稳定。
进一步优化方案，支撑组件包括四个呈矩形布置的立柱8，四个立柱8的侧壁底端之间固接有底板15，任意相邻两立柱8顶端之间固接有横梁2；加载装置的输出端位于若干横梁2的中心位置；相邻两立柱8的外壁之间分别固接有若干围挡；立柱8的底端固接有底座9，底座9固定在地面上，底座9被承载组件罩设住。支撑组件由立柱8、横梁2、底座9、底板15焊接而成，整体采用高强度钢材，横梁2宽度与立柱8宽度一致，长度与底板15一致，底板15通过焊接方式固接于若干立柱8侧壁下端之间，底板15平行于地面且距地面有一定距离，四根立柱8垂直地面焊接于底座9上，支撑组件整体呈底部封闭四周及顶部开口的立方体形状，试验组件摆放在底板15上，加载系统的输出端从横梁2围成的方框内穿过抵接在试验组件的顶端，方便进行施压。
进一步优化方案，立柱8的外壁开设有若干螺孔20，围挡的四角贯穿开设有与螺孔20对应设置的通孔30，围挡通过螺栓21安装在立柱8之间；围挡包括若干金属挡板7和若干钢化玻璃板16，金属挡板7和钢化玻璃板16根据试验组件的观察需求布置。四根立柱8组成的方框的外壁固接有若干的围挡，围挡用于限制试验组件，防止施压时试验组件错位；围挡包括金属挡板7和钢化玻璃板16两种，仅材料不同，规格相同，钢化玻璃板16透明，可方便观察试验组件的移动；围挡两侧开有两排通孔30，围挡上的通孔30与立柱8上的螺孔20对应其且大小一致，通过螺栓21固定在立柱8上，立柱8侧面模拟煤层的木条11上端位层选用钢化玻璃板16，用于观察煤层开挖后上端覆岩的变形垮落状态，其余位置皆用金属挡板7固定于立柱8上，钢化玻璃板16可视情况替代金属挡板7安装于立柱8任何位置。
进一步优化方案，试验组件包括若干逐层摆放在底板15上的材料模型13，材料模型13与底板15的形状相适配；材料模型13的顶端与加载装置的输出端抵接；围挡与材料模型13对应设置；材料模型13包括若干木条11和若干预留板12，木条11外包裹有透明胶带。试验组件通过设置若干层的材料模型13来模拟煤层，材料模型13包括若干木条11和若干预留板12，底板15上铺设木条11和预留板12用于模拟煤层，木条11周边采用透明胶带封缠包裹减小摩擦，试验过程中铺设到煤层全部采用木条11替代，开采时缓缓抽出木条11实行等长推进，对于变面采场煤层形状多变的情况，木条11可根据实际煤层情况控制长短铺设，空余位置采用预留板12替代，预留板12形状可根据煤层形状制作，铺设木条11的同时铺设预留板12，使煤层整体形状呈长方体，煤层开采时逐步抽出木条11至开采结束，达到模拟变面采场煤层开采，更直观观察变面长采场覆岩变形破坏形状以及获得更准确的变面长采场覆岩变形破坏的数据用于研究其变形破坏的规律，本发明将煤层采用近似厚度的木条11代替铺设，木条11周边采用透明胶带封缠包裹减小摩擦，试验过程中铺设到煤层时全部采用薄木条11替代，开采时缓缓抽出木条11实行等长推进，可根据不同变面采场实际情况控制木条11长度，实现用木条11拼凑而成的模型与实际采场等样，直观观察采场由“小”到“大”或由“大”到“小”采场的岩移变形规律、裂隙分布状态和力学演化特征，为构建多场耦合作用下变面采场煤层安全高效开采的评价体系奠定根基。实现对开采过程中采场空间应力及覆岩空间运移规律实时监测，解决了三维相似材料模拟实验的测量难题。
进一步优化方案，监测系统包括若干应变片22和若干位移测点25，应变片22埋设在材料模型13内，位移测点25设置在相邻的材料模型13之间；不同层位的位移测点25通过连接线23连接，连接线23由位于正面的围挡上的预留孔4伸出。监测系统包括应变片22和位移测点25，其电性连接的接受设备包括应力监测仪、位移监测仪、覆岩裂隙监测仪(图中均未显示)，其中应力监测仪采用CM-2B-64静态应变仪测试系统，应变片22为与之配套使用的配套使用BX120-50AA电阻应变片，作为应力检测仪的应力传感器，铺设模型材料13时分别在模拟煤层上方两个不同层位的变长区间呈交叉网络状埋设应变片22，对变长工作面的过渡区间进行全面覆盖，模型加载前后各观测一次，作为基准；开挖前后各观测一次，通过应力监测仪获取应变，用相对应变量来反映开采期间的应力变化；位移监测仪与布置在煤层上方所处的两个层位之间的位移测点25电性连接，每个层面布置两排位移测线，位移测点25布置在位移测线上，位移测线均沿工作面走向布置(即沿模型宽度方向布置)，利用连接线23连接模拟煤层不同位层埋入的位移测点25，由正面围挡上的预留孔4引出后连接至位移监测仪进行位移数据采集，连接线23外套设有细套管24进行保护；覆岩裂隙监测仪采用并行直流电法仪，对覆岩破坏的异常空间进行电极探测，于试验模型的煤层上方层位铺设两层电极进行三维电场空间数据的采集与分析，数据导出等工序后，利用AGI公司的Earthimage3D软件进行数据反演成图。
进一步优化方案，加载装置包括安装在反力板28底端的液压活塞5，液压活塞5的输出端固接有液压枕6，液压枕6的底端与摆放在顶端的材料模型13上的承压板14抵接；液压活塞5连通有储油罐19，液压活塞5电性连接有加载控制台18；底板15的底端抵接有千斤顶10。液压活塞5通过油管3与储油罐19连通，进而为液压活塞5的施压提供动力；液压活塞5通过数据线束17与加载控制台18电性连接，通过加载控制台18控制加载的进行；液压活塞5的输出端通过固接的液压枕6施加应力于承压板14上，液压枕6的目的是扩大液压活塞5的施压面积，再通过承压板14扩大与模型材料的接触面积，使液压活塞5的压力均匀加载在模型材料上；底板15的底部通过千斤顶10施加应力，实现相似材料模型13均匀受载。
进一步的，储油罐19和加载控制台18结合设置，储油罐19的底端安装有油盘31，油盘31的顶端安装有遮挡棚29，遮挡棚29罩设在出储油罐19上。
进一步优化方案，承载组件包括两个平行设置的承载板26，承载板26对称设置若干立柱8的两侧，承载板26上平行固接有若干承载柱27，反力板28固接在若干承载柱27的顶端。承载板26固定在地面上，承载柱27用于支撑反力板28，为液压活塞5的施力提供反力基础，提高稳定性；同时承载系统罩设在支撑组件上，其四周可安装透明的防护板(图中未显示)，提高了对整个试验装置的保护性。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“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，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。
以上的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (9)
1.一种用于监测变面长采场覆岩变形规律模型的试验装置，其特征在于，包括：
框架系统(1)，所述框架系统(1)包括固定在地面上的支撑组件，所述支撑组件上安装有试验组件；
承载系统，所述承载系统包括罩设在所述支撑组件外的承载组件，所述承载组件顶端安装有反力板(28)，所述反力板(28)位于所述支撑组件上方；
液压加载系统，所述液压加载系统包括安装在所述反力板(28)底端的加载装置，所述加载装置的输出端与所述试验组件对应设置并抵接；
监测系统，所述监测系统安装在所述试验组件上，所述监测系统与外界的接收装置电性连接。
2.根据权利要求1所述的用于监测变面长采场覆岩变形规律模型的试验装置，其特征在于：所述支撑组件包括四个呈矩形布置的立柱(8)，四个所述立柱(8)的侧壁底端之间固接有底板(15)，任意相邻两所述立柱(8)顶端之间固接有横梁(2)；所述加载装置的输出端位于若干所述横梁(2)的中心位置；相邻两所述立柱(8)的外壁之间分别固接有若干围挡。
3.根据权利要求2所述的用于监测变面长采场覆岩变形规律模型的试验装置，其特征在于：所述立柱(8)的底端固接有底座(9)，所述底座(9)固定在地面上，所述底座(9)被所述承载组件罩设住。
4.根据权利要求2所述的用于监测变面长采场覆岩变形规律模型的试验装置，其特征在于：所述立柱(8)的外壁开设有若干螺孔(20)，所述围挡的四角贯穿开设有与所述螺孔(20)对应设置的通孔(30)，所述围挡通过螺栓(21)安装在所述立柱(8)之间；所述围挡包括若干金属挡板(7)和若干钢化玻璃板(16)，所述金属挡板(7)和所述钢化玻璃板(16)根据所述试验组件的观察需求布置。
5.根据权利要求2所述的用于监测变面长采场覆岩变形规律模型的试验装置，其特征在于：所述试验组件包括若干逐层摆放在所述底板(15)上的材料模型(13)，所述材料模型(13)与所述底板(15)的形状相适配；所述材料模型(13)的顶端与所述加载装置的输出端抵接；所述围挡与所述材料模型(13)对应设置。
6.根据权利要求5所述的用于监测变面长采场覆岩变形规律模型的试验装置，其特征在于：所述监测系统包括若干应变片(22)和若干位移测点(25)，所述应变片(22)埋设在所述材料模型(13)内，所述位移测点(25)设置在相邻的材料模型(13)之间；不同层位的所述位移测点(25)通过连接线(23)连接，所述连接线(23)由位于正面的所述围挡上的预留孔(4)伸出。
7.根据权利要求5所述的用于监测变面长采场覆岩变形规律模型的试验装置，其特征在于：所述加载装置包括安装在所述反力板(28)底端的液压活塞(5)，所述液压活塞(5)的输出端固接有液压枕(6)，所述液压枕(6)的底端与摆放在顶端的所述材料模型(13)上的承压板(14)抵接；所述液压活塞(5)连通有储油罐(19)，所述液压活塞(5)电性连接有加载控制台(18)；所述底板(15)的底端抵接有千斤顶(10)。
8.根据权利要求2所述的用于监测变面长采场覆岩变形规律模型的试验装置，其特征在于：所述承载组件包括两个平行设置的承载板(26)，所述承载板(26)对称设置若干所述立柱(8)的两侧，所述承载板(26)上平行固接有若干承载柱(27)，所述反力板(28)固接在若干所述承载柱(27)的顶端。
9.根据权利要求5所述的用于监测变面长采场覆岩变形规律模型的试验装置，其特征在于：所述材料模型(13)包括若干木条(11)和若干预留板(12)，所述木条(11)外包裹有透明胶带。
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