CN206863026U - 一种机械施工条件下采空区稳定性模拟试验装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种机械施工条件下采空区稳定性模拟试验装置。其技术方案是：模拟装置位于承载装置下部中心处，模拟装置的模拟采空区（17）朝内均匀装有4~10个传感器组，各传感器（18）通过数据采集器（15）对应的输入端与计算机（16）连接。立柱（1）上部对称固定有2根槽钢（8）组成的横梁组，纵梁（3）两端通过螺栓与槽钢（8）的纵梁定位螺孔（6）固定连接；纵梁（3）的倒梯形滑道活动地装有倒梯形滑块（20），倒梯形滑块（20）与丝杠（2）螺纹连接，倒梯形滑块（20）与电液伺服作动器（5）的固定作端连接。本实用新型成本低廉、结构简单和使用方便，不仅能模拟不同地质类型和采空区不同位置的加载，且能实现自动监测，试验结果符合实际。
Description
技术领域
本实用新型属于相似模拟试验装置技术领域。具体涉及一种机械施工条件下采空区稳定性模拟试验装置。
背景技术
我国一些露天开采矿区，受初期民采及历史原因的影响，在露天开采境界内往往遗留浅埋采空区。在露天矿山逐层向下开采过程中，采空区上覆岩层厚度逐渐减小，且在采空区所对应的覆盖层上作业的大型电铲等机械施工设备产生的动能及其自重，形成了对下伏采空区顶板的加载环境。在机械施工的条件下，下伏采空区产生的变形破坏效应，将导致采空区产生新的冒落、塌陷。当下伏采空区变形破坏范围发展到一定程度，使采空区顶板安全厚度不足时，将严重威胁露天矿作业人员和大型采掘设备的安全。因此，为保证采空区上部安全生产，有必要对机械施工条件下采空区稳定性进行研究。
在岩土工程研究中，物理相似模拟试验是一种直观、经济、便捷和有效的方法。它根据相似原理将现实岩土工程的尺寸、物理力学参数和载荷进行一定比例的缩小，配制对应物理力学参数的相似材料，构筑对应尺寸模型，施加相应的荷载和边界条件，观测相似模型产生的微观变化和宏观表征现象，再根据相似准则，分析反推原型所产生的力学现象，在一定程度上可以反映出岩土工程的真实变形破坏情况，在地下开采、边坡工程、隧道工程、水利工程等领域研究中应用广泛。相似模拟试验也是研究机械施工条件下采空区稳定性的有效途径，可以采用相似模拟试验装置来研究机械施工条件下采空区稳定性问题。
目前，针对机械施工条件下采空区稳定性的研究主要是通过理论分析、现场监控量测以及室内数值模拟分析方式实现，而通过室内相似模拟试验开展研究的实例较少，且已有模拟试验装置主要采用静力加载方式，与现场机械施工设备的动荷载状态不符，对实验结果造成不必要的误差，降低了试验的精度和可靠度。
发明内容
本实用新型旨在开发现有技术缺陷，目的在于提供一种成本低廉、结构简单和使用方便的机械施工条件下采空区稳定性模拟试验装置；该装置不仅能模拟不同地质类型和采空区不同位置的加载，且能实现自动监测、试验结果符合实际和试验适应面广。
为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：所述模拟试验装置由模拟装置、数据采集装置、承载装置和电液伺服加载系统组成。
模拟装置由模型箱体、岩土层和模拟采空区构成。模型箱体是由底板和四个侧板围成的长方形箱体，模型箱体内填有岩土层，岩土层为1～5层。在岩土层宽边的一侧侧面朝内预留有模拟采空区，模拟采空区的中心线平行于模型箱体的长边，模拟采空区的竖直中心线与模型箱体的竖直中心线重合，模拟采空区的上边缘与岩土层上表面距离为200～800mm。所述模拟采空区的横截面呈矩形，矩形的几何相似常数Cl为：
式中：b为实际采空区的宽度，mm；
b1为模拟采空区的宽度，mm；
h为实际采空区的高度，mm；
h1为模拟采空区的高度，mm。
数据采集装置包括数据采集器、计算机和传感器组。在模拟采空区的开口处朝内均匀地预埋有2×(2～5)个传感器组，2×(2～5)个传感器组分别预埋于各自对应的模拟采空区的横截面处，每个传感器组在模拟采空区的左侧、右侧和上侧分别对应地预埋有1～3个传感器，所述左侧和右侧预埋的传感器呈对称布置，每个传感器的预埋位置与模拟采空区内壁的距离为30～50mm。每个传感器的输出端与数据采集器的输入端连接，数据采集器的输出端与计算机连接。
所述2×(2～5)个传感器组由2～5个位移传感器组和2～5个压力传感器组组成，位移传感器组和压力传感器组交替设置。位移传感器组由位移传感器组成，压力传感器组由压力传感器组成。
承载装置由4根立柱、1根纵梁和2个横梁组组成。4根立柱以模型箱体中心对称设置，4根立柱位于模型箱体外侧。4根立柱均为H型钢，每个立柱上部的两侧翼板边缘处对称地设有一排横梁定位螺孔，每排横梁定位螺孔孔距相等，所述孔距为80～100mm。
模型箱体两侧的立柱上部对称地固定有1个横梁组，2个横梁组平行于模型箱体的宽边。每个横梁组由2根槽钢组成，2根槽钢对称地固定在立柱的两侧，所述固定是每2根槽钢通过螺栓与立柱上部两侧相应的横梁定位螺孔连接。槽钢的上平面翼板均匀地设有纵梁定位螺孔，纵梁定位螺孔的孔距为40～60mm，每个横梁组的槽钢的纵梁定位螺孔错开设置。
纵梁两端的下平面两侧设有耳板，所述耳板通过螺栓与槽钢的纵梁定位螺孔固定连接。纵梁下平面朝内开有截面为倒梯形的滑道，倒梯形滑道内活动地装有倒梯形滑块，倒梯形滑块中心位置处设有丝杠螺孔，丝杠与所述丝杠螺孔螺纹连接，丝杠一端安装有手动轮。
电液伺服加载系统包括电液伺服作动器、液压伺服油源、电液伺服计算机控制系统和试验数据动态采集处理系统。电液伺服作动器的固定端通过螺栓与倒梯形滑块的连接盘固定连接，电液伺服作动器的工作端与加载板固定连接。电液伺服作动器的输出端与液压伺服油源的入口端通过油管连接，液压伺服油源的出口端与电液伺服计算机控制系统的输入端连接，电液伺服计算机控制系统的输出端与试验数据动态采集处理系统连接。
所述模型箱体的四个侧板为透明模型体，四个侧板的材质为有机玻璃；模型箱体长为2000～3000mm，宽为1000～2000mm，高为1000～2000mm。
所述传感器为位移传感器或为压力传感器。
所述加载板的长宽尺寸为50×50mm、100×100mm、150×150mm和200×200mm中的一种，加载板厚度均为50mm。
所述倒梯形滑块是由梯形滑块与连接盘组成的整体；所述连接盘为凸台状，凸台的小端面与梯形滑块的小端面连接，凸台的环形面设有通孔；所述倒梯形滑块的横截面尺寸与纵梁的倒梯形滑道的截面尺寸相同。
由于采用上述技术方案，本实用新型与现有技术相比具有如下积极效果：
本实用新型根据地质体原型和模拟试验相似原理，在模型箱体中自下而上逐层浇筑岩土层，并预留模拟采空区，故本装置能模拟不同地质类型。
本实用新型的承载装置主要有H型钢和槽钢组成，成本低廉。本实用新型可通过横梁定位螺孔调整横梁组的高度，即可调整电液伺服作动器与岩土层上表面间的距离；还可通过纵梁定位螺孔，调整纵梁距离岩土层长边的距离；又可通过手动轮使丝杠带动倒梯形滑块沿长边移动；即不仅能调整电液伺服作动器的高度，且能在水平方向上移动，故本装置结构简单和使用方便，实现了对模拟采空区不同位置的加载。
本实用新型的数据采集装置与试验数据动态采集处理系统能同时进行数据采集，自动监测模拟采空区受压与位移变化，故本装置能实现不同位置的自动监测。
本实用新型在使用时能在电液伺服计算机控制系统上设定电液伺服作动器的振动频率、振动振幅及振动类型，模拟机械施工设备作为动荷载对采空区的反复加载状况，受力机理与实际情况吻合较好，真实反映了现场机械施工设备状态，故本装置试验结果符合实际。
本实用新型在使用时，根据机械施工设备与地表接触面积大小，由相似原理选择合适类型的加载板尺寸，以模拟采空区的受力面积，故本装置试验适应面广。
因此，本实用新型具有成本低廉、结构简单和使用方便的特点，不仅能模拟不同地质类型和采空区不同位置的加载，且能实现自动监测，试验结果符合实际和试验适应面广。
附图说明
图1为本实用新型的一种结构示意图；
图2为图1中A-A剖面放大示意图；
图3为图2中倒梯形滑块20的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本实用新型作进一步的描述，并非对其保护范围的限制。
实施例1
一种机械施工条件下采空区稳定性模拟试验装置。所述模拟试验装置如图1所示，由模拟装置、数据采集装置、承载装置和电液伺服加载系统组成。
如图1所示，模拟装置由模型箱体10、岩土层14和模拟采空区17构成。模型箱体10是由底板和四个侧板围成的长方形箱体，模型箱体10内填有岩土层14，岩土层14为3层。在岩土层14宽边的一侧侧面朝内预留有模拟采空区17，模拟采空区17的中心线平行于模型箱体10的长边，模拟采空区17的竖直中心线与模型箱体10的竖直中心线重合，模拟采空区17的上边缘与岩土层14上表面距离为500mm。所述模拟采空区17的横截面呈矩形，矩形的几何相似常数Cl为：
式(1)中：b为实际采空区的宽度，10000mm；
b1为模拟采空区17的宽度，200mm；
h为实际采空区的高度，15000mm；
h1为模拟采空区17的高度，300mm。
如图1所示，数据采集装置包括数据采集器15、计算机16和传感器组。在模拟采空区17的开口处朝内均匀地预埋有2×2个传感器组，2×2个传感器组分别预埋于各自对应的模拟采空区17的横截面处，每个传感器组在模拟采空区17的左侧、右侧和上侧分别对应地预埋有2个传感器18，所述左侧和右侧预埋的传感器18呈对称布置，每个传感器18的预埋位置与模拟采空区17内壁的距离为30～40mm。每个传感器18的输出端与数据采集器15的输入端连接，数据采集器15的输出端与计算机16连接。
所述2×2个传感器组由2个位移传感器组和2个压力传感器组组成，位移传感器组和压力传感器组交替设置。位移传感器组由位移传感器组成，压力传感器组由压力传感器组成。
如图1所示，承载装置由4根立柱1、1根纵梁3和2个横梁组组成。4根立柱1以模型箱体10中心对称设置，4根立柱1位于模型箱体10外侧。4根立柱1均为H型钢，每个立柱1上部的两侧翼板边缘处对称地设有一排横梁定位螺孔9，每排横梁定位螺孔9孔距相等，所述孔距为80～90mm。
如图1所示，模型箱体10两侧的立柱1上部对称地固定有1个横梁组，2个横梁组平行于模型箱体10的宽边。每个横梁组由2根槽钢8组成，2根槽钢8对称地固定在立柱1的两侧，所述固定是每2根槽钢8通过螺栓与立柱1上部两侧相应的横梁定位螺孔9连接。槽钢8的上平面翼板均匀地设有纵梁定位螺孔6，纵梁定位螺孔6的孔距为40～60mm，每个横梁组的槽钢8的纵梁定位螺孔6错开设置。
如图1和图2所示，纵梁3两端的下平面两侧设有耳板7，所述耳板7通过螺栓与槽钢8的纵梁定位螺孔6固定连接。纵梁3下平面朝内开有截面为倒梯形的滑道，倒梯形滑道内活动地装有倒梯形滑块20，倒梯形滑块20中心位置处设有丝杠螺孔，丝杠2与所述丝杠螺孔螺纹连接，丝杠2一端安装有手动轮19。
如图1所示，电液伺服加载系统包括电液伺服作动器5、液压伺服油源11、电液伺服计算机控制系统12和试验数据动态采集处理系统13。电液伺服作动器5的固定端通过螺栓与倒梯形滑块20的连接盘22固定连接，电液伺服作动器5的工作端与加载板4固定连接。电液伺服作动器5的输出端与液压伺服油源11的入口端通过油管连接，液压伺服油源11的出口端与电液伺服计算机控制系统12的输入端连接，电液伺服计算机控制系统12的输出端与试验数据动态采集处理系统13连接。
如图1所示，所述模型箱体10的四个侧板为透明模型体，四个侧板的材质为有机玻璃；模型箱体10长为2000～2600mm，宽为1000～1600mm，高为1000～1600mm。
所述传感器为位移传感器或为压力传感器。
所述加载板4的长宽尺寸为100×100mm，加载板4厚度均为50mm。
如图2和图3所示，所述倒梯形滑块20是由梯形滑块21与连接盘22组成的整体；所述连接盘22为凸台状，凸台的小端面与梯形滑块21的小端面连接，凸台的环形面设有通孔；所述倒梯形滑块20的横截面尺寸与纵梁3的倒梯形滑道的截面尺寸相同。
实施例2
一种机械施工条件下采空区稳定性模拟试验装置。除下述参数外，其余同实施例1：
所述岩土层14为1～2层。
所述模拟采空区17的上边缘与岩土层14上表面距离为200～500mm。所述模拟采空区17的横截面呈矩形，矩形的几何相似常数Cl为：
式(1)中：b为实际采空区的宽度，15000mm；
b1为模拟采空区17的宽度，300mm；
h为实际采空区的高度，10000mm；
h1为模拟采空区17的高度，200mm。
在模拟采空区17的开口处向内均匀地预埋有2×3个传感器组；所述2×3个传感器组由3个位移传感器组和3个压力传感器组组成。
每个传感器组在模拟采空区17的左侧、右侧和上侧分别对应地预埋有3个传感器18；每个传感器18的预埋位置与模拟采空区17内壁的距离为35～45mm。横梁定位螺孔9孔距相等，所述孔距为85～95mm。
所述模型箱体10长为2200～2800mm，宽为1200～1800mm，高为1200～1800mm。
所述加载板4的长宽尺寸为50×50mm或150×150mm。
实施例3
一种机械施工条件下采空区稳定性模拟试验装置。除下述参数外，其余同实施例1：
所述岩土层14为4～5层。
所述模拟采空区17的上边缘与岩土层14上表面距离为500～800mm。
所述模拟采空区17的横截面呈矩形，矩形的几何相似常数Cl为：
式(1)中：b为实际采空区的宽度，20000mm；
b1为模拟采空区17的宽度，400mm；
h为实际采空区的高度，5000mm；
h1为模拟采空区17的高度，100mm。
在模拟采空区17的开口处向内均匀地预埋有2×4～5个传感器组；所述2×4～5个传感器组由4～5个位移传感器组和4～5个压力传感器组组成。
每个传感器组在模拟采空区17的左侧、右侧和上侧分别对应地预埋有1个传感器18；每个传感器18的预埋位置与模拟采空区17内壁的距离为40～50mm。横梁定位螺孔9孔距相等，所述孔距为90～100mm。
所述模型箱体10长为2400～3000mm，宽为1400～2000mm，高为1400～2000mm。
所述加载板4的长宽尺寸为200×200mm。
本具体实施方式与现有技术相比具有如下积极效果：
本具体实施方式根据地质体原型和模拟试验相似原理，在模型箱体10中自下而上逐层浇筑岩土层14，并预留模拟采空区17，故本装置能模拟不同地质类型。
本具体实施方式的承载装置主要有H型钢和槽钢8组成，成本低廉。本具体实施方式可通过横梁定位螺孔9调整横梁组的高度，即可调整电液伺服作动器5与岩土层14上表面间的距离；还可通过纵梁定位螺孔6，调整纵梁3距离岩土层14长边的距离；又可通过手动轮19使丝杠2带动倒梯形滑块20沿长边移动；即不仅能调整电液伺服作动器5的高度，且能在水平方向上移动，故本装置结构简单和使用方便，实现了对模拟采空区17不同位置的加载。
本具体实施方式的数据采集装置与试验数据动态采集处理系统13能同时进行数据采集，自动监测模拟采空区17受压与位移变化，故本装置能实现不同位置的自动监测。
本具体实施方式在使用时能在电液伺服计算机控制系统12上设定电液伺服作动器5的振动频率、振动振幅及振动类型，模拟机械施工设备作为动荷载对采空区的反复加载状况，受力机理与实际情况吻合较好，真实反映了现场机械施工设备状态，故本装置试验结果符合实际。
本具体实施方式在使用时，根据机械施工设备与地表接触面积大小，由相似原理选择合适类型的加载板4尺寸，以模拟采空区的受力面积，故本装置试验适应面广。
因此，本具体实施方式具有成本低廉、结构简单和使用方便的特点，不仅能模拟不同地质类型和采空区不同位置的加载，且能实现自动监测，试验结果符合实际和试验适应面广。
Claims (5)
1.一种机械施工条件下采空区稳定性模拟试验装置，其特征在于所述模拟试验装置由模拟装置、数据采集装置、承载装置和电液伺服加载系统组成；
模拟装置由模型箱体(10)、岩土层(14)和模拟采空区(17)构成；模型箱体(10)是由底板和四个侧板围成的长方形箱体，模型箱体(10)内填有岩土层(14)，岩土层(14)为1～5层；在岩土层(14)宽边的一侧侧面朝内预留有模拟采空区(17)，模拟采空区(17)的中心线平行于模型箱体(10)的长边，模拟采空区(17)的竖直中心线与模型箱体(10)的竖直中心线重合，模拟采空区(17)的上边缘与岩土层(14)上表面距离为200～800mm；所述模拟采空区(17)的横截面呈矩形，矩形的几何相似常数Cl为：
式(1)中：b为实际采空区的宽度，mm，
b1为模拟采空区(17)的宽度，mm，
h为实际采空区的高度，mm，
h1为模拟采空区(17)的高度，mm；
数据采集装置包括数据采集器(15)、计算机(16)和传感器组；在模拟采空区(17)的开口处向内均匀地预埋有2×(2～5)个传感器组，2×(2～5)个传感器组分别预埋于各自对应的模拟采空区(17)的横截面处，每个传感器组在模拟采空区(17)的左侧、右侧和上侧分别对应地预埋有1～3个传感器(18)，所述左侧和右侧预埋的传感器(18)呈对称布置，每个传感器(18)的预埋位置与模拟采空区(17)内壁的距离为30～50mm；每个传感器(18)的输出端与数据采集器(15)的输入端连接，数据采集器(15)的输出端与计算机(16)连接；
所述2×(2～5)个传感器组由2～5个位移传感器组和2～5个压力传感器组组成，位移传感器组和压力传感器组交替设置；位移传感器组由位移传感器组成，压力传感器组由压力传感器组成；
承载装置由4根立柱(1)、1根纵梁(3)和2个横梁组组成；4根立柱(1)以模型箱体(10)中心对称设置，4根立柱(1)位于模型箱体(10)外侧；4根立柱(1)均为H型钢，每个立柱(1)上部的两侧翼板边缘处对称地设有一排横梁定位螺孔(9)，每排横梁定位螺孔(9)孔距相等，所述孔距为80～100mm；
模型箱体(10)两侧的立柱(1)上部对称地固定有1个横梁组，2个横梁组平行于模型箱体(10)的宽边；每个横梁组由2根槽钢(8)组成，2根槽钢(8)对称地固定在立柱(1) 的两侧，所述固定是每2根槽钢(8)通过螺栓与立柱(1)上部两侧相应的横梁定位螺孔(9)连接；槽钢(8)的上平面翼板均匀地设有纵梁定位螺孔(6)，纵梁定位螺孔(6)的孔距为40～60mm，每个横梁组的槽钢(8)的纵梁定位螺孔(6)错开设置；
纵梁(3)两端的下平面两侧设有耳板(7)，所述耳板(7)通过螺栓与槽钢(8)的纵梁定位螺孔(6)固定连接；纵梁(3)下平面朝内开有截面为倒梯形的滑道，倒梯形滑道内活动地装有倒梯形滑块(20)，倒梯形滑块(20)中心位置处设有丝杠螺孔，丝杠(2)与所述丝杠螺孔螺纹连接，丝杠(2)一端安装有手动轮(19)；
电液伺服加载系统包括电液伺服作动器(5)、液压伺服油源(11)、电液伺服计算机控制系统(12)和试验数据动态采集处理系统(13)；电液伺服作动器(5)的固定端通过螺栓与倒梯形滑块(20)的连接盘(22)固定连接，电液伺服作动器(5)的工作端与加载板(4)固定连接；电液伺服作动器(5)的输出端与液压伺服油源(11)的入口端通过油管连接，液压伺服油源(11)的出口端与电液伺服计算机控制系统(12)的输入端连接，电液伺服计算机控制系统(12)的输出端与试验数据动态采集处理系统(13)连接。
2.根据权利要求1所述的机械施工条件下采空区稳定性模拟试验装置，其特征在于所述模型箱体(10)的四个侧板为透明模型体，四个侧板的材质为有机玻璃；模型箱体(10)长为2000～3000mm，宽为1000～2000mm，高为1000～2000mm。
3.根据权利要求1所述的机械施工条件下采空区稳定性模拟试验装置，其特征在于所述传感器为位移传感器或为压力传感器。
4.根据权利要求1所述的机械施工条件下采空区稳定性模拟试验装置，其特征在于所述加载板(4)的长宽尺寸为50×50mm、100×100mm、150×150mm和200×200mm中的一种，加载板(4)厚度均为50mm。
5.根据权利要求1所述的机械施工条件下采空区稳定性模拟试验装置，其特征在于所述倒梯形滑块(20)是由梯形滑块(21)与连接盘(22)组成的整体；所述连接盘(22)为凸台状，凸台的小端面与梯形滑块(21)的小端面连接，凸台的环形面设有通孔；所述倒梯形滑块(20)的横截面尺寸与纵梁(3)的倒梯形滑道的截面尺寸相同。
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| CN107340380A (zh) * | 2017-07-10 | 2017-11-10 | 武汉科技大学 | 一种机械施工荷载作用下采空区稳定性模拟试验装置 |
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2017
- 2017-07-10 CN CN201720828851.4U patent/CN206863026U/zh active Active
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| CN107340380A (zh) * | 2017-07-10 | 2017-11-10 | 武汉科技大学 | 一种机械施工荷载作用下采空区稳定性模拟试验装置 |
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|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |