CN207976473U - 固体材料条带充填稳定性模拟系统、实验主体 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种固体材料条带充填稳定性模拟系统、实验主体，其包括实验主体、控制中心、压力双控伺服装置、应力位移双控伺服装置、制浆装置、输送装置与破碎装置，破碎装置与输送装置相连通，输送装置位于实验主体一侧，输送装置用于向实验主体内输送物料，制浆装置布置在实验主体另一侧，制浆装置与实验主体相连通，制浆装置用于向实验主体内输送物料；压力双控伺服装置、应力位移双控伺服装置通过控制中心与实验主体相连接；以及固体材料条带充填稳定性模拟方法。结构牢固，组装简单，操作方便，可以模拟固体材料条带充填受力全过程中所遇到的多种情况，实验得到的数据准确，对固体材料条带充填的稳定性可以进行定量分析。

Description

固体材料条带充填稳定性模拟系统、实验主体

技术领域

本实用新型涉及实验室内模拟煤矿充填开采技术领域，尤其涉及一种用于固体材料条带充填稳定性模拟系统的实验主体、固体材料条带充填稳定性模拟系统。

背景技术

目前，煤矿充填开采是控制地表沉陷，提高煤炭采出率，解决开采沉陷问题的有效措施。但是，充填材料存在需求与供应的严重不平衡，煤矿自身的工业废弃物比例相对于采煤量很小，难以满足全部充填的要求。

为了解决充填材料的问题，煤矿通常采用以下两种方法：一是进行条带充填，减少充填料的需求量，二是充填其他固体废料，如建筑垃圾等等。以上两种方法促进了固体材料条带充填采空区技术的兴起和发展。固体材料条带充填时往往处于单向压缩状态，由于没有侧向压力的约束，变形较大，条带稳定性是采空区稳定及地表建筑安全的关键因素，值得深入探究。但目前针对固体充填条带稳定性实验装置和方法较少，尚未建筑报道。

实用新型内容

鉴于上述现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供的一种用于固体材料条带充填稳定性模拟系统的实验主体、固体材料条带充填稳定性模拟系统，获取更真实的模拟数据，以满足指导现场应用的要求。

为解决上述技术问题，本实用新型方案包括：

一种用于固体材料条带充填稳定性模拟系统的实验主体，其包括刚体机架与调斜装置，其中，该刚体机架包括基座，基座设置在一底座上，基座的四周布置有立柱，立柱的上端均布置在一顶板上，基座与立柱形成用于放置加载仓的布置空间，立柱与基座及顶板之间采用螺栓连接，该顶板上方焊接有两道加强筋板，顶板下方安装有加载系统，基座通过铰接结构、人工调斜装置布置在底座上。

所述的实验主体，其中，上述加载系统包括分区柔性加载板，分区柔性加载板通过多个液压千斤顶连接在顶板上，分区柔性加载板包括精钢层与橡胶层，精钢层与液压千斤顶相连接，橡胶层位于精钢层下方。

所述的实验主体，其中，上述布置空间内布置有加载仓，加载仓包括加载仓底板，加载仓底板上布置有多个前挡板、后挡板以及侧边界板，加载仓底板与前挡板、后挡板以及侧边界板形成上述加载仓；同一层的前挡板布置在布置空间的前方，后挡板布置在布置空间的后方，前挡板与后单板同侧的两端布置有侧边界板，如此依次排布。

所述的实验主体，其中，上述加载仓底板上设置有两圈凹槽，呈“回”字形布置，两圈凹槽分别作为加载仓和水箱在底板的固定槽位，加载仓底板左端前后各设有一个转轴，转轴嵌在位于立柱底端的轴槽内；水箱位于加载仓的外层，水箱为一组可拆卸的有机玻璃板，有机玻璃板的对接处设有凹槽，其内部嵌入橡胶条用于封水。

所述的实验主体，其中，上述调斜装置包括一对调斜液压千斤顶，调斜液压千斤顶两端分别固定在加载仓底板和基座，基座的一侧设置有两个托盘，托盘在高度上与左端轴槽相匹配，使加载仓底板在调斜液压千斤顶卸压后保持水平。

所述的实验主体，其中，上述人工调斜装置固定连接在底座和基座之间，在底座后面设置两个上述铰接结构，铰接结构与人工调斜装置配合，达到调斜加载仓短轴方向的目的。

一种带有上述实验主体的固体材料条带充填稳定性模拟系统，其包括实验主体、控制中心、压力双控伺服装置、应力位移双控伺服装置、制浆装置、输送装置与破碎装置，破碎装置与输送装置相连通，输送装置位于实验主体一侧，输送装置用于向实验主体内输送物料，制浆装置布置在实验主体另一侧，制浆装置与实验主体相连通，制浆装置用于向实验主体内输送物料；压力双控伺服装置、应力位移双控伺服装置通过控制中心与实验主体相连接。

所述的固体材料条带充填稳定性模拟系统，其中，上述制浆装置由煤灰搅拌筒、平面振动筛、第二搅拌筒、储浆池组成，上述压力双控伺服装置与储浆池相连接。

本实用新型提供了一种用于固体材料条带充填稳定性模拟系统的实验主体、固体材料条带充填稳定性模拟系统，结构牢固，组装简单，操作方便，可以模拟固体材料条带充填受力全过程中所遇到的多种情况，实验得到的数据准确，对固体材料条带充填的稳定性可以进行定量分析；可以模拟不同情况下固体材料条带充填时最佳的粒径级配，通过改变固体材料条带中注浆参数，得出控制固体材料条带稳定性的最佳注浆参数，为现场固体材料条带维护提供依据，本实用新型具有简单易操作，能安全、有效、经济地确定固体材料条带稳定性，通过室内物理实验能有效指导现场实践工作中的固体材料条带稳定的治理问题，具有很好的推广应用前景。

附图说明

图1为本实用新型中固体材料条带充填稳定性模拟系统的结构示意图；

图2为本实用新型中实验主体的结构示意图；

图3为本实用新型中煤层水平时铺设的示意图；

图4为本实用新型中煤层倾角时铺设的示意图；

图5为本实用新型中带加强筋的侧边界板的示意图；

图6为本实用新型中有机玻璃板的示意图；

图7为本实用新型中带固定槽的加载仓底板的示意图；

其中，1、实验主体；2、控制中心；3、压力双控伺服装置；4、应力位移双控伺服装置；5、制浆装置；6、输送装置；7、破碎装置；101、基座；102、立柱；103、侧边界板；104、分区柔性加载板；105、伺服液压千斤顶；106、顶板；107、前后挡板；108、有机玻璃板；109、加载仓底板；110、托盘；111、调斜液压千斤顶；112、轴槽；113、铰接结构；114、底座；115、人工调斜装置；201、加载仓；202、顶板岩层；203、固体条带；204、底板岩层。

具体实施方式

本实用新型提供了一种用于固体材料条带充填稳定性模拟系统的实验主体、固体材料条带充填稳定性模拟系统，为使本实用新型的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型提供了一种带有上述实验主体的固体材料条带充填稳定性模拟系统，如图1所示的，其包括实验主体1、控制中心2、压力双控伺服装置3、应力位移双控伺服装置4、制浆装置5、输送装置6与破碎装置7，压力双控伺服装置3一般为注浆(水)体积-注浆(水)压力双控伺服装置，破碎装置7与输送装置6相连通，输送装置6位于实验主体1一侧，输送装置6用于向实验主体1内输送物料，制浆装置5布置在实验主体1另一侧，制浆装置5与实验主体1相连通，制浆装置5用于向实验主体1内输送物料；压力双控伺服装置3、应力位移双控伺服装置4通过控制中心2与实验主体1相连接。

而且上述制浆装置5由煤灰搅拌筒、平面振动筛、第二搅拌筒、储浆池组成，上述压力双控伺服装置3与储浆池相连接。

输送装置6为可弯曲伸缩式皮带传送装置，连接破碎装置7和实验主体1，装料时，将破碎矸石等物料装入加载仓里，实验结束后，改变输送装置6的角度、长度，将破碎矸石等废料从加载仓运出。

应力位移双控伺服装置4与伺服液压千斤顶相连接；注浆(水)体积-注浆(水)压力双控伺服装置3与注浆(水)管连接，该注浆(水)管为橡胶管。注浆(水)体积-注浆(水)压力双控伺服装置3与应力位移双控伺服装置4均与控制中心2通过通信电缆连接。制浆装置5由煤灰搅拌筒、平面振动筛、第二搅拌筒、储浆池组成。实验时，先将顶板加载装置升起，然后根据实验的现场实际条件调整调斜液压斤顶及人工调斜装置，满足固体条带的倾角，特别的，当煤层有倾角时，顶底板铺成三角块的空间形状，以使固体条带高度统一；固体条带通常所用的破碎矸石或建筑垃圾，按一定的相似比例缩尺模拟，顶底板相似材料为流固耦合材料，具有耐水性；在底板岩层和顶板岩层中埋设应力传感器、位移传感器；将加载仓侧边界板和前后挡板固定在加载仓底板上，通过输送装置将破碎矸石等物料装入加载仓里，固体条带成型以后，固定顶板加载系统，进行初始加载，模拟初始压实，然后拆除前后挡板，解除两侧约束，模拟固体材料条带充填时两侧自由的环境，模拟得到煤矿顶板载荷影响下固体条带的应力应变特征；通过注浆(水)体积-注浆(水)压力双控伺服装置向水仓注水，可以模拟在地下水等条件影响下固体条带的应力应变特征；特别的是，分区柔性加载既可以实现分区加载，模拟固体材料条带充填部分失稳时，固体材料条带由局部到整体失稳的渐进过程，又可以由柔性边界提供均匀力边界条件；特别的是，在铺设固体条带的过程中，边铺设边通过注浆(水)体积-注浆(水)压力双控伺服装置注浆，可以模拟注浆对固体条带稳定性的增强作用。

本实用新型提供了一种用于固体材料条带充填稳定性模拟系统的实验主体，图2、图3、图4、图5、图6与图7所示的，其包括刚体机架与调斜装置，该调斜装置为机械式调斜装置，其与人工调斜装置115的动力源并不相同，其中，该刚体机架包括基座101，基座101设置在一底座114上，基座101的四周布置有立柱102，立柱102的上端均布置在一顶板106上，基座101与立柱102形成用于放置加载仓201的布置空间，立柱102与基座101及顶板106之间采用螺栓连接，该顶板106上方焊接有两道加强筋板，顶板106下方安装有加载系统，基座101通过铰接结构、人工调斜装置115布置在底座上。

更进一步的，上述加载系统包括分区柔性加载板104，分区柔性加载板105通过多个液压千斤顶105连接在顶板106上，分区柔性加载板104包括精钢层与橡胶层，精钢层与液压千斤顶相连接，橡胶层位于精钢层下方。上述布置空间内布置有加载仓201，加载仓201包括加载仓底板109，加载仓底板109上布置有多个前挡板、后挡板107以及侧边界板103，加载仓底板109与前挡板、后挡板107以及侧边界板103形成上述加载仓201；同一层的前挡板布置在布置空间的前方，后挡板布置在布置空间的后方，前挡板与后单板同侧的两端布置有侧边界板103，如此依次排布。

而且上述加载仓底板上设置有两圈凹槽，呈“回”字形布置，两圈凹槽分别作为加载仓201和水箱在底板的固定槽位，加载仓底板109左端前后各设有一个转轴，转轴嵌在位于立柱底端的轴槽112内；水箱位于加载仓201的外层，水箱为一组可拆卸的有机玻璃板108，有机玻璃板108的对接处设有凹槽，其内部嵌入橡胶条用于封水。上述调斜装置包括一对调斜液压千斤顶111，调斜液压千斤顶111两端分别固定在加载仓底板109和基座101，基座101的一侧设置有两个托盘110，托盘110在高度上与左端轴槽112相匹配，使加载仓底板109在调斜液压千斤顶111卸压后保持水平。上述人工调斜装置115固定连接在底座114和基座101之间，在底座114后面设置两个上述铰接结构113，铰接结构113与人工调斜装置115配合，达到调斜加载仓短轴方向的目的。

本实用新型还提供了使用上述固体材料条带充填稳定性模拟系统进行的模拟方法，其包括以下步骤：

步骤一，根据地质条件，调整底部的一对调斜液压千斤顶及人工调斜装置，满足固体条带的倾角；

步骤二，选择配制顶板岩层、固体条带、底板岩层的材料，其中顶板岩层相似材料为流固耦合材料，具有耐水性；

步骤三，组装、固定加载仓，通过破碎装置将破碎矸石或建筑垃圾制备成合理的粒径，通过输送装置将材料输送到加载仓，按照几何相似比1:10-1:20的比例，在加载仓内逐层铺设顶板岩层、固体条带、底板岩层，在底板岩层和顶板岩层的对应位置埋设应力传感器、位移传感器；

步骤四，固定顶板加载系统，进行初始加载，模拟初始压实，然后拆除加载仓前后挡板，解除两侧约束；

步骤五，根据地应力条件，通过顶板加载系统进行加载，模拟顶底板的应力情况，测试其单轴抗压强度；或者以单轴抗压强度的60％、70％、80％依次递增蠕变加载，测试其单轴蠕变强度；

步骤六，为模拟地下水或季节性降水对固体条带稳定性的影响，通过压力双控伺服装置对固体条带注水浸泡；

步骤七，为模拟固体条带注浆对固体条带稳定性的影响，在铺设固体条带过程中，边铺设边用压力双控伺服装置将配置好的浆液通过注浆管注入加载仓中；

步骤八，分区柔性加载既能实现分区加载，模拟固体材料条带充填部分失稳时，固体材料条带由局部到整体失稳的渐进过程，又能由柔性边界提供均匀力边界条件；

对上述过程进行观测并记录模拟实验所得数据。

上述步骤七具体的还包括：按照现场浆液材料、配比，用制浆装置制备浆液：首先将粉煤灰送入粉煤灰搅拌筒加水进行第一次搅拌，流出后经过孔眼Φ＝3mm的筒箍或平面振动筛除碴，3mm以下粉煤灰浆液流入第二个搅拌筒，加水泥进行第二次搅拌，搅拌好后流入储浆池。

为了更进一步的描述本实用新型，以下列举更为详尽的实施例进行说明。

上述实验主体由刚体机架、加载系统、调斜装置组成，所述刚体机架包括基座101、立柱102、顶板106、底座114，机架外形尺寸为6680*4300*5000mm，底座114为工字型，材料为铸铁；基座101形状为“Ⅱ”形，材料为铸铁，所述立柱102共4根，材料为精钢，立柱102与基座101及顶板106之间采用螺栓连接，所述顶板106上方焊接两道加强筋板，顶板106下方安装伺服液压千斤顶105；底座114、基座101通过铰接结构113与人工调斜装置115连接。

加载装置包含分区柔性加载板104及其上方的伺服液压千斤顶105，分区柔性加载板104分为上下两部分，上部分为精钢，厚度满足强度要求，下部分为橡胶层，分区柔性加载板平面尺寸为710*820mm，厚度满足强度要求，伺服液压千斤顶105数目为2*6，每一伺服液压千斤顶控制着一个分区柔性加载板，间排距1000*1000mm，每个伺服液压千斤顶105输入液压不小于30MPa，其加载行程不小于1000mm；加载仓位于加载板104下方，包括侧边界板103和前挡板、后挡板107，侧边界板103底端有一列加强筋版，前后挡板各为一组可拆卸钢板，其单个尺寸为5080*250mm，厚度满足强度要求，其材料为U型钢，前挡板、后挡板107用螺栓固定在侧边界板103上；加载仓底板109设有两圈凹槽，呈“回”字形布置，分别为加载仓和水箱在底板的固定槽位，加载仓底板109左端前后各设有一个转轴，转轴嵌在位于立柱102底端的轴槽112内；并且水箱位于加载仓201的外层，为一组可拆卸有机玻璃板108，有机玻璃板108对接处设有凹槽，其内部嵌入橡胶条以封水；

调斜装置包含两处，一处为一对调斜液压千斤顶111，调斜液压千斤顶111两端分别固定在加载仓底板109和基座101上，在基座101右侧装有两个托盘110，托盘110在高度上与左端轴槽112相匹配，使加载仓底板109在调斜液压千斤顶111卸压后保持水平，调斜液压千斤顶111可以达到调斜加载仓长轴方向的目的；另一处为一对人工调斜装置115，固定连接在底座114和基座101之间，在底座114后面设置两个铰接结构113，与人工调斜装置115配合，达到调斜加载仓短轴方向的目的。

破碎装置为双齿辊破碎机，进料粒度<1050mm，出料粒度在5-200mm之间。

输送装置为可弯曲伸缩式皮带传送装置，连接破碎装置和实验主体，装料时，将破碎矸石等物料装入加载仓里，实验结束后，改变输送装置的角度、长度，将破碎矸石等废料从加载仓运出；位移压力双控伺服装置与加载液压缸相连接；注浆(水)体积-注浆(水)压力双控伺服装置与注浆(水)管连接，所述注浆(水)管为橡胶管，在铺设固体条带的过程中，边铺设边通过注浆(水)体积-注浆(水)压力双控伺服装置注浆，可以模拟注浆对固体条带稳定性的增强作用。

注浆(水)体积-注浆(水)压力双控伺服装置与位移压力双控伺服装置均与控制中心通过通信线缆连接。

并且固体材料条带充填稳定性模拟方法，包括以下步骤：

根据地质条件，调整底部的一对调斜液压千斤顶及人工调斜装置，满足固体条带的倾角；

选择配制顶板岩层202、固体条带203、底板岩层204的材料，其中顶底板相似材料为流固耦合材料，具有耐水性；

组装、固定加载仓201，通过破碎装置将破碎矸石或建筑垃圾制备成合理的粒径，通过输送装置将材料输送到加载仓，按照几何相似比1:10～1:20的比例，在加载仓内逐层铺设顶板岩层、固体条带、底板岩层，在底板岩层和顶板岩层合理位置埋设应力传感器、位移传感器；

固定顶板加载系统，进行初始加载，模拟初始压实，然后拆除加载仓前后挡板，解除两侧约束。

根据地应力条件，对顶底板应力系统的千斤顶进行加载，模拟顶底板的应力情况，测试其单轴抗压强度；或者以单轴抗压强度的60％、70％、80％……蠕变加载，测试其单轴蠕变强度；

为模拟地下水或季节性降水对固体条带稳定性的影响，通过注浆(水)体积-注浆(水)压力双控伺服装置对固体条带注水浸泡；

为模拟固体条带注浆对固体条带稳定性的影响，在铺设固体条带过程中，便铺设边用注浆(水)体积-注浆(水)压力双控伺服装置将配置好的浆液通过注浆管注入加载仓中。另外，按照现场浆液材料、配比，用制浆装置5制备浆液。首先将粉煤灰送入粉煤灰搅拌筒加水进行第一次搅拌，流出后经过孔眼Φ＝3mm的筒箍或平面振动筛除碴，3mm以下粉煤灰浆液流入第二个搅拌筒，加水泥(32.5)进行第二次搅拌，搅拌好后流入储浆池。

分区柔性加载既可以实现分区加载，模拟固体材料条带充填部分失稳时，固体材料条带由局部到整体失稳的渐进过程，又可以由柔性边界提供均匀力边界条件。

观测并记录模拟实验所得数据，进行理论分析研究。

当然，以上说明仅仅为本实用新型的较佳实施例，本实用新型并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本实用新型的保护。

Claims (8)

1.一种用于固体材料条带充填稳定性模拟系统的实验主体，其包括刚体机架与调斜装置，其特征在于，该刚体机架包括基座，基座设置在一底座上，基座的四周布置有立柱，立柱的上端均布置在一顶板上，基座与立柱形成用于放置加载仓的布置空间，立柱与基座及顶板之间采用螺栓连接，该顶板上方焊接有两道加强筋板，顶板下方安装有加载系统，基座通过铰接结构、人工调斜装置布置在底座上。

2.根据权利要求1所述的实验主体，其特征在于，上述加载系统包括分区柔性加载板，分区柔性加载板通过多个液压千斤顶连接在顶板上，分区柔性加载板包括精钢层与橡胶层，精钢层与液压千斤顶相连接，橡胶层位于精钢层下方。

3.根据权利要求2所述的实验主体，其特征在于，上述布置空间内布置有加载仓，加载仓包括加载仓底板，加载仓底板上布置有多个前挡板、后挡板以及侧边界板，加载仓底板与前挡板、后挡板以及侧边界板形成上述加载仓；同一层的前挡板布置在布置空间的前方，后挡板布置在布置空间的后方，前挡板与后单板同侧的两端布置有侧边界板，如此依次排布。

4.根据权利要求3所述的实验主体，其特征在于，上述加载仓底板上设置有两圈凹槽，呈“回”字形布置，两圈凹槽分别作为加载仓和水箱在底板的固定槽位，加载仓底板左端前后各设有一个转轴，转轴嵌在位于立柱底端的轴槽内；水箱位于加载仓的外层，水箱为一组可拆卸的有机玻璃板，有机玻璃板的对接处设有凹槽，其内部嵌入橡胶条用于封水。

5.根据权利要求4所述的实验主体，其特征在于，上述调斜装置包括一对调斜液压千斤顶，调斜液压千斤顶两端分别固定在加载仓底板和基座，基座的一侧设置有两个托盘，托盘在高度上与左端轴槽相匹配，使加载仓底板在调斜液压千斤顶卸压后保持水平。

6.根据权利要求4所述的实验主体，其特征在于，上述人工调斜装置固定连接在底座和基座之间，在底座后面设置两个上述铰接结构，铰接结构与人工调斜装置配合，达到调斜加载仓短轴方向的目的。

7.一种带有如权利要求1所述实验主体的固体材料条带充填稳定性模拟系统，特征在于，其包括实验主体、控制中心、压力双控伺服装置、应力位移双控伺服装置、制浆装置、输送装置与破碎装置，破碎装置与输送装置相连通，输送装置位于实验主体一侧，输送装置用于向实验主体内输送物料，制浆装置布置在实验主体另一侧，制浆装置与实验主体相连通，制浆装置用于向实验主体内输送物料；压力双控伺服装置、应力位移双控伺服装置通过控制中心与实验主体相连接。

8.根据权利要求7所述的固体材料条带充填稳定性模拟系统，其特征在于，上述制浆装置由煤灰搅拌筒、平面振动筛、第二搅拌筒、储浆池组成，上述压力双控伺服装置与储浆池相连接。