CN208636153U - 模拟不同地应力条件下底板突水的试验系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种模拟不同地应力条件下底板突水的试验系统，属于底板突水相似材料模拟领域。该试验系统包括试验台、垂向加载装置、位移‑压力液压伺服双控装置、水压‑水量动态伺服双控装置、控制‑数据采集装置及侧向液压分级加载装置，其中侧向液压分级加载装置均包括侧向液压缸和分级加载板，每块分级加载板与其对应的侧向液压缸相连接形成一分级加载机构，分级加载机构自下而上紧密排列，加载时分级加载机构可根据实际情况对所对应的区域进行单独分级加载，以实现对相似材料模型的侧向梯度加载。本实用新型能够实现柔性加载，从而避免对实验材料动态冲击损伤及垂、侧向压头硬接触，可更好的实现地质构造作用的模拟。
Description
技术领域
本实用新型涉及底板突水相似材料模拟领域，具体涉及一种模拟不同地应力条件下底板突水的试验系统。
背景技术
采矿活动中的采动诱发采场底板变形、破坏或地质构造活化，在底板中形成导水通道，进而导致高压水源沿此通道涌入开采空间的动力灾害现象称为底板突水。近些年来我国底板突水事故频发，严重威胁着矿井的安全生产，造成巨大的经济损失和人员伤亡。随着开采深度的不断增大，煤层底板突水频率和强度不断增大，如何安全高效的开采受底板承压水威胁的煤炭资源仍是煤矿生产与科研中重点关注和探讨的课题。
目前，国内有关底板突水问题的研究多集中在理论分析和数值模拟上，并取得了丰硕的成果，揭示了底板突水机理的基本内在规律，为煤炭资源的安全高效开采提供了一定的科学依据，然而，煤层底板突水的过程是一个复杂、非平衡、非线性的演化过程，是地质条件、构造、围岩应力场和承压水等多种因素作用的结果，仅仅依靠理论研究、数值模拟难以进行可靠的验证分析，仍存在着一些不足。相对于理论分析和数值模拟，相似材料模拟试验用与天然岩石物理力学性质相似的人工材料，以矿山实际地质环境为原型，按照一定的科学比例缩小做成模型，然后在模型中进行模拟开挖，从而进一步观察底板破坏规律，为现场原型提供一定的参考依据。
目前现有技术中关于底板突水试验系统及方法方面的研究主要有：
CN102360087A公开了“一种用于模拟采动煤层底板突水的试验系统及方法”，其包括试验架，并且该试验架顶部设置有纵向加载机构，纵向加载机构上设置有水平布置的加载板，该试验架的左右两侧分别设置有横向加载机构，两侧的横向加载机构相向布置，横向加载机构上设置有一竖直布置的侧板，加载板压在侧板的上边。然而，该试验系统无法实现对相似材料的柔性加载，加载方向过于单一。
CN 105093962 A公开了“一种模拟三维煤层开采试验台的双向柔性加载系统与方法”，其通过充气后的网格型气囊装置模拟煤层的三维加载，该设备对气囊的质量要求较高，试验时需向各个单元气囊内输送气体，操作繁琐，工艺复杂。
上述现有技术均未实现对相似材料的侧向分级梯度柔性加载，无法模拟地下岩层所处的真实应力环境和应力状态，更重要的是现有设备大都未能实现侧向加载装置分级加载，无法较好的实现地质构造作用的模拟，同时，加载装置控制系统简单，无法实现荷载动态加载及实时控制。
实用新型内容
为了解决上述现有技术中存在的缺陷，本实用新型提出了一种模拟不同地应力条件下底板突水的试验系统，其中通过采用垂向分区柔性加载和侧向分级梯度柔性加载，能够实现柔性加载避免对实验材料动态冲击损伤及垂、侧向压头硬接触，可更好的实现地质构造作用的模拟。
其采用了如下技术方案：
一种模拟不同地应力条件下底板突水的试验系统，其包括试验台、垂向加载装置、位移-压力液压伺服双控装置、水压-水量动态伺服双控装置及控制-数据采集装置，所述的垂向加载装置位于所述试验台的顶部；
还包括侧向液压分级加载装置，所述的侧向液压分级加载装置布置在所述试验台的两侧，且二者相向布置，其中，每个侧向液压分级加载装置均包括侧向液压缸和分级加载板，所述的分级加载板自下而上设置有四块，每块分级加载板与其对应的侧向液压缸相连接形成一分级加载机构，分级加载机构自下而上紧密排列，加载时分级加载机构可对所对应的区域进行单独分级加载，以实现对相似材料模型的侧向梯度加载；在每块分级加载板与相似材料模型的接触面均设置有柔性垫片；
所述的垂向加载装置包括两个分区加载板以及与其对应连接的垂向液压缸，所述的垂向液压缸用于对相对应的分区加载板施加相同或不同的垂向应力，在每个分区加载板与相似材料模型的接触面均设置有柔性水囊，以实现垂向应力的柔性均布恒定加载；
所述的垂向加载装置还连接有竖向加载导向约束装置，以实现对所述垂向加载装置的约束；
所述的试验台前、后两侧设置有可视化挡板，所述的可视化挡板、位于侧向的分级加载板及位于顶部的分区加载板及试验台的底板之间形成一容纳相似材料模型的试验舱；
在所述试验台的底板上设置有一水槽及与所述水槽相连通的透水区域，所述的透水区域周边设置有橡皮囊，试验过程中，位于试验舱内的相似材料模型与所述的橡皮囊紧密接触；所述的水槽与所述的水压-水量动态伺服双控装置相连；
所述的侧向液压缸、垂向液压缸均与所述的位移-压力液压伺服双控装置相连；
所述的位移-压力液压伺服双控装置、水压-水量动态伺服双控装置均与所述的控制-数据采集装置相连。
作为本实用新型的一个优选方案，在每个分区加载板前端设置有硬质橡胶凸起铲板。
作为本实用新型的另一个优选方案，在所述试验台的两侧的立柱上设置有螺纹孔，所述的可视化挡板通过螺栓与螺纹孔配合连接在立柱上；所述的可视化挡板由钢化玻璃材质制成。
进一步的，所述的柔性垫片配设有压力传感装置。
进一步的，所述的柔性垫片配设有压力传感装置，所述的垂向加载装置、侧向液压分级加载装置均通过编程加载，当压力传感值大于危险值时，通过所述压力传感装置监测，且所述侧向液压分级加载装置停止加载。
进一步的，在每个分区加载板的后端均为开口型槽状结构。
本实用新型所带来的有益技术效果为：
本实用新型试验系统可实现对相似材料的侧向梯度柔性加载、实时控制及编程控制，并借助监测设备对水压和水量进行实时监测，以更好地模拟不同地应力条件底板突水现象，从而对煤层底板突水的机理、特征、规律等进行更深一步的研究和探讨。
通过在实验舱内按照一定比例逐层铺设模拟含构造煤系地层的相似材料，采用垂向分区柔性加载和侧向分级梯度柔性加载，能够实现柔性加载避免对实验材料动态冲击损伤及垂、侧向压头硬接触。垂、侧向加载装置能够根据不同试验目的实现实时编程控制，可根据实验要求，试验过程中实时调整垂、侧向应力，用以创造性的模拟开采过程中不同地应力场、动态加载及地震等耦合因素下造成的应力实时变化对底板突水的影响。同时可配合相应的监测软件，实现对应力、孔隙水压力、水量以及位移的实时监测，模型效果精确稳定，能够模拟开采过程中地震作用、动载作用等其他因素造成的应力实时变化对底板突水的影响，为底板突水发生时岩体应力场、位移场及导水通道的演化机制研究提供强有力的科学试验依据。
附图说明
下面结合附图对本实用新型做进一步说明：
图1是本实用新型试验系统的整体结构示意图；
图2是本实用新型侧向液压分级加载装置工作状态的结构示意图；
图3是本实用新型试验系统进行试验时所模拟地质原型图；
图中，1、试验台，2、垂向液压缸，3、分区加载板，4、柔性水囊，5、竖向加载导向约束装置，6、侧向液压缸，7、分级加载板，8、柔性垫片，9、水槽，10、试验舱，11、水压-水量动态伺服双控装置，12、位移-压力液压伺服双控装置，13、控制-数据采集装置，14、立柱，15、地质构造，16、铲板。
具体实施方式
本实用新型提出了一种模拟不同地应力条件下底板突水的试验系统，为了使本实用新型的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本实用新型做详细说明。
如图1所示，本实用新型一种模拟不同地应力条件下底板突水的试验系统，包括试验台、垂向加载装置、位移-压力液压伺服双控装置12、水压-水量动态伺服双控装置11、控制-数据采集装置13及侧向液压分级加载装置，其中，位移-压力液压伺服双控装置12、水压-水量动态伺服双控装置11、控制-数据采集装置13具体结构参见现有技术即可实现，下面对本实用新型的主要改进点侧向液压分级加载装置以及垂向加载装置做详细说明。
本实用新型试验台1是由底板、顶板、左右侧板及前后面板形成的一框形结构，其左右侧板上的立柱14通过螺纹孔螺栓配合与前后面板连接，前后面板是由若干高强度可视化挡板布置而成，优选高强度可视挡板为钢化玻璃材质制成，以方便更直观的观察实验现象。
在左右侧板上分别设置侧向液压分级加载装置，且位于左、右两侧的侧向液压分级加载装置相向设置，本实用新型侧向液压分级加载装置，与现有技术中的侧向加载装置结构不同，结合图2所示，其具体包括：侧向液压缸6和分级加载板7，分级加载板7自下而上设置有四块，每块分级加载板7与其对应的侧向液压缸6相连接形成一分级加载机构，分级加载机构自下而上呈梯度排列，以实现对相似材料模型的侧向梯度加载；在每块分级加载板7与相似材料模型的接触面均设置有柔性垫片8；每个侧向液压缸6可对与之对应的分级加载板7施加不同侧向应力以实现对相似材料模型的侧向梯度加载。在分级加载板7前置小型硬质橡胶凸起铲板16，避免施加侧向应力时底板残留砂砾影响。
分级加载板7为一侧开口型槽状结构，板与板之间紧密接触，有效地避免了试验过程中相似材料的侧漏，柔性垫片8可实现侧向应力均布恒定加载，能够实现柔性加载避免对实验材料动态冲击损伤。优选，上述柔性垫片装配压力传感装置，当压力值大于危险值时能够自动停止，避免垂侧向压头硬接触，侧向分级加载通过液压控制，便于控制且加载精度较高。分级加载板7可以根据实测不同测区的侧向压力情况计算并施加相应的油压，用以模拟随着埋深或构造影响造成的非均布侧向压力。
上述垂向加载装置可以根据不同埋深，采用相似材料模拟中相似判据，施加不同的油压，用来模拟不同埋深垂向地应力变化，其包括两个分区加载板3以及与其对应连接的垂向液压缸2，垂向液压缸2用于对相对应的分区加载板3施加相同的垂向应力，也可以施加不同的垂向应力进行剪切力测试，在每个分区加载板3与相似材料模型的接触面均设置有柔性水囊4，以实现垂向应力的柔性均布恒定加载；
为了进一步的提高本实用新型的性能，上述的垂向加载装置还连接有竖向加载导向约束装置5，克服了现有技术中无导向装置易发生加压板侧偏，从而导致应力补偿不均衡的弊端，并大大提高了加载精度；加载板底部布置有柔性水囊4，实现竖向应力的柔性均布恒定加载。
可视化挡板、位于侧向的分级加载板及位于顶部的分区加载板及试验台的底板之间形成一容纳相似材料模型的试验舱10，试验仓10的长宽高优选分别为1.5m，0.6m，1.2m，在试验台的底板上设置有一水槽9及与水槽相连通的透水区域，透水区域周边设置有橡皮囊，试验过程中，位于试验舱内的相似材料模型与橡皮囊紧密接触，大大提高其密封性能。
水槽9与水压-水量动态伺服双控装置相连；侧向液压缸、垂向液压缸均与位移-压力液压伺服双控装置相连，位移-压力液压伺服双控装置、水压-水量动态伺服双控装置均与所控制-数据采集装置相连。
上述的垂向加载装置、侧向液压分级加载装置还能够实现编程加载，可以根据实验要求，试验过程中实时调整垂侧向应力，通过控制系统根据试验要求设置运动方向(伸出或者缩回)、运动速度、目标，达到目标后的保持情况，用以模拟开采过程中地震作用、动载作用等其他因素造成的应力实时变化对底板突水的影响。
如图3所示，将上述一种可模拟不同地应力条件底板突水的试验系统用于具体试验中，其主要包括以下步骤：
a.相似材料的铺设：依据矿井实际情况设计所需各组分比例的固液耦合相似材料，将混合均匀调和好的相似材料置于成型模具装置中进行铺设并压实，模型厚度由试验设计相似比例决定，自下而上依次为底板、地质构造15、煤层和顶板，同时在模型的底板上下方铺设传感器若干，并在试验台的前后安装高强度刚性挡板；
b.加载并注水：根据模拟地层所受实际应力分布情况对模型进行垂向分区加载和侧向分级加载，根据不同试验需求，对垂、侧向加载板实时编程控制，同时打开水压-水量动态伺服双控装置11向试验台1底部水槽9注入恒定的高压水；
c.模拟开挖并采集信息：对相似模型的煤层部分进行人工模拟开挖并打开控制-数据采集系统13，实时记录底板应力信息、水压信息、底板渗水量以及顶板、煤层和底板位移等信息。同时通过前侧可视挡板运用高清摄像机观察底板导水通道的发展和演化规律。
本实用新型中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。
尽管本文中较多的使用了诸如竖向加载导向约束装置5、侧向液压缸6、分级加载板7、柔性垫片8等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本实用新型的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本实用新型精神相违背的。
需要进一步说明的是，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 (5)
1.一种模拟不同地应力条件下底板突水的试验系统，其包括试验台、垂向加载装置、位移-压力液压伺服双控装置、水压-水量动态伺服双控装置及控制-数据采集装置，所述的垂向加载装置位于所述试验台的顶部；其特征在于：
还包括侧向液压分级加载装置，所述的侧向液压分级加载装置布置在所述试验台的两侧，且二者相向布置，其中，每个侧向液压分级加载装置均包括侧向液压缸和分级加载板，所述的分级加载板自下而上设置有四块，每块分级加载板与其对应的侧向液压缸相连接形成一分级加载机构，所述的分级加载机构自下而上紧密排列，加载时分级加载机构可对所对应的区域进行单独分级加载，以实现对相似材料模型的侧向梯度加载；在每块分级加载板与相似材料模型的接触面均设置有柔性垫片；
所述的垂向加载装置包括两个分区加载板以及与其对应连接的垂向液压缸，所述的垂向液压缸用于对相对应的分区加载板施加相同或不同的垂向应力，在每个分区加载板与相似材料模型的接触面均设置有柔性水囊，以实现垂向应力的柔性均布恒定加载；
所述的垂向加载装置还连接有竖向加载导向约束装置，以实现对所述垂向加载装置的约束；
所述试验台的前、后两侧设置有可视化挡板，所述的可视化挡板、位于侧向的分级加载板及位于顶部的分区加载板及试验台的底板之间形成一容纳相似材料模型的试验舱；
在所述试验台的底板上设置有一水槽及与所述水槽相连通的透水区域，所述的透水区域周边设置有橡皮囊，试验过程中，位于试验舱内的相似材料模型与所述的橡皮囊紧密接触；所述的水槽与所述的水压-水量动态伺服双控装置相连；
所述的侧向液压缸、垂向液压缸均与所述的位移-压力液压伺服双控装置相连；
所述的位移-压力液压伺服双控装置、水压-水量动态伺服双控装置均与所述的控制-数据采集装置相连。
2.根据权利要求1所述的一种模拟不同地应力条件下底板突水的试验系统，其特征在于：在每个分区加载板前端设置有硬质橡胶凸起铲板。
3.根据权利要求1所述的一种模拟不同地应力条件下底板突水的试验系统，其特征在于：在所述试验台的两侧的立柱上设置有螺纹孔，所述的可视化挡板通过螺栓与螺纹孔配合连接在立柱上；所述的可视化挡板由钢化玻璃材质制成。
4.根据权利要求1所述的一种模拟不同地应力条件下底板突水的试验系统，其特征在于：所述的柔性垫片配设有压力传感装置。
5.根据权利要求1所述的一种模拟不同地应力条件下底板突水的试验系统，其特征在于：在每个分区加载板的后端均为开口型槽状结构。
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