CN207622908U - 一种围岩钻孔应力监测实验教学演示装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种围岩钻孔应力监测实验教学演示装置，包括主控计算机、围岩及钻孔模型、液压控制系统和钻孔应力监测系统，液压控制系统包括液压千斤顶，围岩及钻孔模型包括外壳和设置在外壳内的模拟钻孔，液压千斤顶对模拟钻孔施加作用力；钻孔应力监测系统包括液压油枕，钻孔应力监测系统用于采集液压油枕内的油压并将采集到的信号实时传输至主控计算机。本实用新型能够以直观、清晰的方式达到教学目的。

Description

一种围岩钻孔应力监测实验教学演示装置

技术领域

本实用新型属于实验教学演示设备技术领域，尤其涉及一种用于采矿工程专业教学演示的围岩钻孔应力监测实验教学演示装置。

背景技术

围岩应力是巷道支护设计、煤柱留设尺寸设计及稳定性评价时需要重点分析的一个监测量，对煤矿的安全生产具有重要意义，是采矿工程专业教学中需要重点讲解的知识点；而钻孔应力监测系统作为监测围岩应力变化的主要设备，是采矿工程专业教学中需要重点介绍的一种矿压监测设备。根据采矿工程相关课程,学生需要对煤矿井下围岩应力的大小在采掘中的变化有直观的认识，但由于采矿类专业性强，到煤矿井下实地参观受到诸多限制，所以采用试验教学是采矿工程学科重要的教学手段。

但根据目前的教学实践来看，矿压压力实测仪器设备的教学主要以学生参观、课堂讲解演示为主，学生动手操作性不强，相关模拟设备较少，目前为止鲜有能提供学生感知、进行试验教学的钻孔应力监测实验教学演示模型，很大程度上制约了教学工作的展开和教学效果的取得。因此，将被动的、演示讲演性的教学方式，转变为主动地、自主操作的教学方式、提高试验教学的教学效果，一直是教学工作者尤为关注的问题。

实用新型内容

为解决目前矿山压力实测仪器仪表教学相关实验设备不足、学生动手能力不强的问题，本实用新型提供了一种围岩钻孔应力监测实验教学演示装置，以方便教学，提高试验教学的教学效果。

本实用新型所采用的技术方案为：

一种围岩钻孔应力监测实验教学演示装置，包括主控计算机、钻孔应力发生器和钻孔应力监测系统，所述钻孔应力发生器包括围岩及钻孔模型、液压控制系统，所述液压控制系统和钻孔应力监测系统均与所述主控计算机相连；所述液压控制系统包括液压千斤顶，所述围岩及钻孔模型包括外壳、设置在外壳顶端的承压钢板及设置在外壳内的模拟钻孔，液压千斤顶位于承压钢板的上方，外壳内还设置有分别位于模拟钻孔上方和下方以对模拟钻孔实现夹持的上传压夹块和下传压夹块，液压千斤顶对所述承压钢板施加压力，并通过承压钢板和上、下传压夹块的传递，将液压千斤顶的压力转化为夹持力施加到模拟钻孔上；所述钻孔应力监测系统包括液压油枕和应力采集及传输机构，液压油枕安置于模拟钻孔内并与所述应力采集及传输机构相连，应力采集及传输机构用于采集液压油枕内的油压并将采集到的油压信号实时传输至所述主控计算机。

所述钻孔应力发生器还包括反力架，液压千斤顶和所述围岩及钻孔模型均安置于反力架内，反力架为液压千斤顶对围岩及钻孔模型的加载提供限制，使液压千斤顶的压力传递至围岩及钻孔模型。

所述液压控制系统还包括数控液压泵站及数控液压泵站压力控制软件，数控液压泵站与液压千斤顶相连，数控液压泵站压力控制软件安装在主控计算机内，主控计算机通过数控液压泵站压力控制软件控制数控液压泵站给所述液压千斤顶加载，并通过不同的加载量和加载速率模拟不同情况下围岩内应力的变化过程。

所述应力采集及传输机构包括依次相连的钻孔应力监测分站、通讯分站、通讯接口及钻孔应力监测系统上位机软件，所述钻孔应力监测分站与液压油枕相连，钻孔应力监测系统上位机软件安装在主控计算机内，所述钻孔应力监测分站、通讯分站、通讯接口及钻孔应力监测系统上位机软件相互配合，实时监测液压油枕内的压力变化，并在主控计算机上存储和显示压力数值及压力的变化过程。

所述外壳内还设置有多根用于防止承压钢板与上、下传压夹块之间发生错动的定位杆，各定位杆的顶端抵接承压钢板的底端面，各定位杆的下部穿过上、下传压夹块后抵接外壳的底端面。

所述外壳内还填充有充填物，充填物布满承压钢板、定位杆、上传压夹块、模拟钻孔以及下传压夹块之间的间隙。

所述模拟钻孔为一根弹性管。

由于采用了上述技术方案，本实用新型所取得的有益效果为：

1、本实用新型通过主控计算机控制液压系统给围岩及钻孔模型加载，模拟采动过程中围岩应力变化，并通过液压油枕和钻孔应力监测系统监测并储存显示围岩应力的大小及变化过程，解决了目前矿山压力实测仪器仪表教学，学生动手操作性不强的问题，达到了本实用新型的目的。

2、利用本实用新型，可实现操作者自主安装连接液压油枕、钻孔应力监测系统，自主控制围岩应力变化，学习并应用钻孔应力监测系统，并通过钻孔应力监测系统数据分析围岩应力变化过程。通过建立可监测的压力监测系统和由液压系统控制的机械模型相结合的物理实验模型，得到一种围岩钻孔应力监测实验教学演示装置及其实验方法，能够以直观、清晰的方式达到试验教学的目的，培养学生兴趣，引导学生创新，促进采矿学科教学。

附图说明

图1为本实用新型中一种围岩钻孔应力监测实验教学演示装置的系统示意图。

图2为图1的A处局部放大图。

图3为本实用新型中围岩及钻孔模型的正视图。

图4为本实用新型中围岩及钻孔模型的侧视图。

图5为本实用新型中围岩及钻孔模型的俯视图。

图6为某一实验条件下得到的钻孔应力实时监测曲线图。

其中，

1、主控计算机 2-反力架 3-围岩及钻孔模型 31、外壳 32、承压钢板 33、定位杆34.1、上传压夹块 34.2、下传压夹块 35、模拟钻孔 36、充填物 41、数控液压泵站 42、液压千斤顶 51、钻孔应力监测分站 52、通讯分站 53、通讯接口 54、液压油枕

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本实用新型作进一步的详细说明，但本实用新型并不限于这些实施例。

如图1至图5所示，一种围岩钻孔应力监测实验教学演示装置，包括主控计算机1、钻孔应力发生器和钻孔应力监测系统。

所述钻孔应力发生器包括反力架2、围岩及钻孔模型3和液压控制系统。

所述液压控制系统包括数控液压泵站41、液压千斤顶42和数控液压泵站压力控制软件。数控液压泵站压力控制软件安装在主控计算机1上，数控液压泵站41与主控计算机1连接，主控计算机1可以数控液压泵站压力控制软件控制数控液压泵站41给所述液压千斤顶42加载，并通过不同的加载量和加载速率模拟不同情况下围岩内应力的变化过程。

所述液压千斤顶42安置于反力架2内，所述围岩及钻孔模型3亦安置于反力架内，反力架为液压千斤顶42和围岩及钻孔模型3的加载提供限制，使液压千斤顶42的压力可以顺利传递至围岩及钻孔模型。

如图3、图4、图5所示，所述围岩及钻孔模型3包括外壳31、承压钢板32、定位杆33、上传压夹块34.1、下传压夹块34.2、模拟钻孔35和充填物36。所述上、下传压夹块与模拟钻孔35相接触的部位均设置有与所述模拟钻孔35的外壁相适配的弧形夹持面。

所述外壳31为透明材质。各所述定位杆33的顶端抵接承压钢板32的底端面，各定位杆33的下部穿过上、下传压夹块后抵接外壳31的底端面，定位杆33起定位作用，防止承压钢板32与上、下传压夹块之间发生错动。所述充填物36为弹性材料，用于模拟围岩，在围岩及钻孔模型受载时，充填物36受力压缩，当卸载后，充填物36卸载恢复。通过承压钢板32和上、下传压夹块的配合，将液压千斤顶42的压力转化为夹持力施加到模拟钻孔35上，模拟钻孔35为一根弹性管，在夹持力的作用下变形，模拟采场围岩受力变形破坏。

如图1所示，所述钻孔应力监测系统包括钻孔应力监测分站51、通讯分站52、通讯接口53、液压油枕54和钻孔应力监测系统上位机软件。所述钻孔应力上位机软件安装于主控计算机1上，可以实时显示并记录钻孔应力监测分站数据，钻孔应力监测分站51与液压油枕54连接，可以实时监测液压油枕54液压油囊内压力变化。

所述的围岩钻孔应力监测实验教学演示装置的组装过程大致为：

首先，将数控液压泵站41与主控计算机1、液压千斤顶42连接，将液压千斤顶42置于反力架2之内的指定位置，将数控液压泵站压力控制软件安装在主控计算机1上。其次，将钻孔应力监测分站51、通讯分站52、通讯接口53与主控计算机1连接，并将钻孔应力监测系统上位机安装在主控计算机1上。再次，将围岩及钻孔模型3内的各部件进行组装，组装完成后，将其整体置于反力架2之内的指定位置。然后，将液压油枕54与钻孔应力监测分站51连接，安置于模拟钻孔35之中，并注入液压油，给予一定的初始压力，使液压油枕54与模拟钻孔35充分接触。

利用如上所述的围岩钻孔应力监测实验教学演示装置进行实验时：

首先，通过主控计算机1上安装的数控液压泵压力控制软件控制液压千斤顶42给围岩及钻孔模型3加载，并通过钻孔应力监测系统上位机软件记录并显示液压油枕54内实时压力值和压力变化过程。

之后，通过主控计算机1控制数控液压泵站压力控制软件控制液压千斤顶42卸载，围岩及钻孔模型3卸载复位，同时将液压油枕54泄液取出，试验结束。

下面以某一具体的实验过程为例对本实用新型做进一步的详细说明：

该实验过程利用上述演示装置实现，用以模拟回采工作面待采煤体在超前支撑压力作用下钻孔应力的变化：

将所述围岩钻孔应力监测实验教学演示装置组装完毕，通过主控计算机1设置钻孔应力监测分站51每隔1分钟采集一次实验数据，并向液压油枕54内注入液压油，使液压油枕54内初始压力达到2MPa，并保持5分钟压力不变，以模拟钻孔处煤岩体距离回采工作面较远尚未受超前支撑压力影响的过程；

通过主控计算机1上安装的数控液压泵压力控制软件控制液压千斤顶42给围岩及钻孔模型3逐渐加载，5分钟内加载至8MPa，以模拟钻孔处煤岩体逐渐受超前支撑压力影响，钻孔应力逐渐升高，达到钻孔应力峰值的过程；

通过主控计算机1上安装的数控液压泵压力控制软件控制液压千斤顶42给围岩及钻孔模型3逐渐降载，5分钟内卸载至3MPa，以模拟超前支撑压力峰值前移，钻孔处煤岩体钻孔应力逐渐降低的过程；

通过主控计算机1上安装的数控液压泵压力控制软件控制液压千斤顶42给围岩及钻孔模型3逐渐加载，5分钟内加载至5MPa，以模拟顶板断裂后，钻孔处煤岩体进入内应力场范围，钻孔处煤岩体钻孔应力逐渐升高的过程；

通过主控计算机1上安装的数控液压泵压力控制软件控制液压千斤顶42给围岩及钻孔模型3逐渐降载，5分钟内降载至0MPa，以模拟随回采进行，钻孔处煤体逐渐被破坏，残余强度逐渐降低，钻孔应力逐渐减小，直至回采至钻孔处，钻孔处煤岩体完全破坏，钻孔应力降低为0的过程。

通过主控计算机1上安装的钻孔应力监测系统上位机软件调取钻孔应力监测分站内储存的历史数据，并绘制出如图6所示的钻孔应力实时监测曲线，并由学生分析数据变化原因。

上述实验过程仅为举例，而不是对本实用新型的限制，实际应用过程中，操作者可以按照实际需求改变相应的实验参数，以获得所需要的实验目的。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型的精神所作的举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (7)

1.一种围岩钻孔应力监测实验教学演示装置，其特征在于，

包括主控计算机、钻孔应力发生器和钻孔应力监测系统，所述钻孔应力发生器包括围岩及钻孔模型、液压控制系统，所述液压控制系统和钻孔应力监测系统均与所述主控计算机相连；

所述液压控制系统包括液压千斤顶，所述围岩及钻孔模型包括外壳、设置在外壳顶端的承压钢板及设置在外壳内的模拟钻孔，液压千斤顶位于承压钢板的上方，外壳内还设置有分别位于模拟钻孔上方和下方以对模拟钻孔实现夹持的上传压夹块和下传压夹块，液压千斤顶对所述承压钢板施加压力，并通过承压钢板和上、下传压夹块的传递，将液压千斤顶的压力转化为夹持力施加到模拟钻孔上；

所述钻孔应力监测系统包括液压油枕和应力采集及传输机构，液压油枕安置于模拟钻孔内并与所述应力采集及传输机构相连，应力采集及传输机构用于采集液压油枕内的油压并将采集到的油压信号实时传输至所述主控计算机。

2.根据权利要求1所述的一种围岩钻孔应力监测实验教学演示装置，其特征在于，

所述钻孔应力发生器还包括反力架，液压千斤顶和所述围岩及钻孔模型均安置于反力架内，反力架为液压千斤顶对围岩及钻孔模型的加载提供限制，使液压千斤顶的压力传递至围岩及钻孔模型。

3.根据权利要求2所述的一种围岩钻孔应力监测实验教学演示装置，其特征在于，

所述液压控制系统还包括数控液压泵站及数控液压泵站压力控制软件，数控液压泵站与液压千斤顶相连，数控液压泵站压力控制软件安装在主控计算机内，主控计算机通过数控液压泵站压力控制软件控制数控液压泵站给所述液压千斤顶加载，并通过不同的加载量和加载速率模拟不同情况下围岩内应力的变化过程。

4.根据权利要求3所述的一种围岩钻孔应力监测实验教学演示装置，其特征在于，

所述应力采集及传输机构包括依次相连的钻孔应力监测分站、通讯分站、通讯接口及钻孔应力监测系统上位机软件，所述钻孔应力监测分站与液压油枕相连，钻孔应力监测系统上位机软件安装在主控计算机内，所述钻孔应力监测分站、通讯分站、通讯接口及钻孔应力监测系统上位机软件相互配合，实时监测液压油枕内的压力变化，并在主控计算机上存储和显示压力数值及压力的变化过程。

5.根据权利要求1所述的一种围岩钻孔应力监测实验教学演示装置，其特征在于，

所述外壳内还设置有多根用于防止承压钢板与上、下传压夹块之间发生错动的定位杆，各定位杆的顶端抵接承压钢板的底端面，各定位杆的下部穿过上、下传压夹块后抵接外壳的底端面。

6.根据权利要求5所述的一种围岩钻孔应力监测实验教学演示装置，其特征在于，

所述外壳内还填充有充填物，充填物布满承压钢板、定位杆、上传压夹块、模拟钻孔以及下传压夹块之间的间隙。

7.根据权利要求1所述的一种围岩钻孔应力监测实验教学演示装置，其特征在于，

所述模拟钻孔为一根弹性管。