CN210639013U - 一种煤矿立井井壁环向受压的物理模拟装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种煤矿立井井壁环向受压的物理模拟装置，包括挡板结构、电脑控制器，电脑控制器包括电脑主机、电脑显示器，挡板结构为由前、后、左、右、下外挡板构成的箱体结构，箱体结构内面向前、后、左、右外挡板分别对应设有前滑移挡板、后滑移挡板、左伸缩滑移挡板和右伸缩滑移挡板，前滑移挡板与前外挡板之间、后滑移挡板与后外挡板之间、左伸缩滑移挡板与左外挡板之间、右伸缩滑移挡板与右外挡板之间均设有弹簧，弹簧两端分别与对应的滑移挡板、力传感器连接，所有力传感器均连接电脑主机，电脑主机与电脑显示器连接。本实用新型能更好地反映实际工程中井筒井壁在不同围压下的变形情况，具有安全可靠、效果良好，成本低廉的优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及地质工程领域，特别涉及一种煤矿立井井壁环向受压的物理模拟装置。
背景技术
随着我国浅部煤炭资源的日益枯竭和国民经济快速发展对煤炭需求的增长，我国的煤炭开采不得不向深部进军。为此,需开凿超大直径、超深立井井筒，以满足运输大型设备及煤炭的要求。
立井井筒是矿井的咽喉要道，同时作为混凝土砌筑工程，具有支护强度高、纵向空间大和服役全生命周期长等特点。进入深部立井井壁必须能抵抗地层变形压力的作用，必须有足够的承载力，井壁结构一旦破坏，就会阻断矿井与地面的连接，轻则导致停工停产，重则发生透水淹井，人员伤亡事故。为了适应我国煤炭发展现状，科研工作者提出了使用高强度混凝土材料、创新新井壁结构的方法。随着高强度材料的应用与新型井壁结构不断出现，需要新型实验方法进行井壁承载能力测试。
但是现有的井壁承载力测试实验装置，大多采用的是液压油缸进行环向加载，设备体积庞大，成本高昂，操作程序复杂。
发明内容
为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种结构简单、安全可靠的煤矿立井井壁环向受压的物理模拟装置。
本实用新型解决上述问题的技术方案是：一种煤矿立井井壁环向受压的物理模拟装置，包括挡板结构、电脑控制器、圆筒试件，所述电脑控制器包括电脑主机、电脑显示器，所述挡板结构为由前外挡板、后外挡板、左外挡板、右外挡板、下外挡板构成的上部开口的箱体结构，所述箱体结构内面向前外挡板、后外挡板、左外挡板、右外挡板分别对应设有前滑移挡板、后滑移挡板、左伸缩滑移挡板和右伸缩滑移挡板，前滑移挡板、后滑移挡板、左伸缩滑移挡板和右伸缩滑移挡板围合形成用于放置模拟圆筒试件的放置空间，前滑移挡板与前外挡板之间、后滑移挡板与后外挡板之间、左伸缩滑移挡板与左外挡板之间、右伸缩滑移挡板与右外挡板之间均设有若干弹簧，所述弹簧的一端连接在对应的滑移挡板上，弹簧的另一端与设置在相应外挡板上的力传感器连接，所有的力传感器均连接电脑主机，电脑主机与电脑显示器连接。
上述煤矿立井井壁环向受压的物理模拟装置，圆筒试件放在放置空间中央，沿圆筒试件高度方向在圆筒试件内壁设置若干应变片，应变片连接电脑主机。
上述煤矿立井井壁环向受压的物理模拟装置，所述前外挡板、前滑移挡板、后滑移挡板、后外挡板相互平行。
上述煤矿立井井壁环向受压的物理模拟装置，前滑移挡板和后滑移挡板底部两侧均开有滑槽Ⅰ，所述下外挡板上表面左右两侧纵向设有滑移轨道Ⅰ，滑移轨道Ⅰ与前滑移挡板、后滑移挡板的滑槽Ⅰ相匹配，前滑移挡板和后滑移挡板通过滑槽Ⅰ可在滑移轨道Ⅰ上前后移动，前滑移挡板的左右两端与左外挡板、右外挡板内侧紧密贴合，后滑移挡板的左右两端与左外挡板、右外挡板内侧紧密贴合。
上述煤矿立井井壁环向受压的物理模拟装置，所述左外挡板、左伸缩滑移挡板、右伸缩滑移挡板、右外挡板相互平行。
上述煤矿立井井壁环向受压的物理模拟装置，所述左伸缩滑移挡板、右伸缩滑移挡板结构相同，左伸缩滑移挡板包括内置弹簧、中部开槽挡板、前内置滑移挡板、后内置滑移挡板、内置力传感器，中部开槽挡板内部中空，前内置滑移挡板、后内置滑移挡板分别可滑动设置在中部开槽挡板内部前后端，中部开槽挡板内上下部均设置滑槽Ⅱ，前内置滑移挡板、后内置滑移挡板上下部均设有滑移轨道Ⅱ，滑槽Ⅱ与前内置滑移挡板、后内置滑移挡板的滑移轨道Ⅱ相匹配，前内置滑移挡板、后内置滑移挡板在滑移轨道Ⅱ、滑槽Ⅱ的作用下可在中部开槽挡板内部前后移动，前内置滑移挡板、后内置滑移挡板的左右两侧面与中部开槽挡板内部表面紧密贴合，所述前内置滑移挡板、后内置滑移挡板之间设有内置弹簧和内置力传感器，内置弹簧一端连接前内置滑移挡板的后端面，另一端连接内置力传感器，内置位移计设置在后内置滑移挡板前端面上，内置位移计与电脑主机连接。
上述煤矿立井井壁环向受压的物理模拟装置，所述弹簧、内置弹簧的螺旋中空部位均设有位移计，位于弹簧螺旋中空部位的位移计一端连接在力传感器上，另一端连接在对应滑移挡板结构上；位于内置弹簧螺旋中空部位的位移计一端连接前内置滑移挡板的后端面，另一端连接内置力传感器，所有位移计均与电脑主机连接。
上述煤矿立井井壁环向受压的物理模拟装置，所述前内置滑移挡板的前端面上下部和后内置滑移挡板的后端面上下部均设有滑槽Ⅲ，所述前滑移挡板内侧的上部与下部、后滑移挡板内侧的上部与下部均横向设有滑移轨道Ⅲ，所述滑移轨道Ⅲ与左伸缩滑移挡板、右伸缩滑移挡板上的滑槽Ⅲ相匹配，左伸缩滑移挡板、右伸缩滑移挡板在滑移轨道Ⅲ、滑槽Ⅲ的作用下可左右移动。
本实用新型的有益效果在于：
1、本实用新型针对井壁在实际工程中受力的情况，提供一种煤矿立井井壁环向受压的物理模拟装置，沿圆筒试件高度方向在圆筒试件内壁设置若干应变片，使用静态破碎剂模拟井壁所受围压，通过圆筒试件内壁的应变片，测量圆筒试件的应变；通过位移计和内置位移计，可以测量滑移挡板的位移和弹簧、内置弹簧的伸缩量数据；通过力传感器、内置力传感器，可测得弹簧、内置弹簧所受的力，最终在电脑上绘制出应力应变曲线。本模拟装置能更好地反映实际工程中，井筒井壁在不同围压下的变形情况，具有安全可靠、效果良好，成本低廉的优点。
2、相对于液压油缸加载的试验装置，本实用新型采用静态膨胀剂进行加载，操作简单，成本低廉。
3、通过调整静态膨胀剂的水灰比，本模拟装置能模拟不同模型边界应力对立井井壁的环向作用。
附图说明
图1为本实用新型模拟装置的结构示意图。
图2为本实用新型放置空间的示意图。
图3为本实用新型左伸缩滑移挡板的结构示意图。
图4为本实用新型圆筒试件的剖面结构示意图。
图5为注入静态膨胀剂的放置区域剖面图。
图中：电脑主机1、电脑显示器2、前外挡板3、后外挡板4、左外挡板5、右外挡板6、下外挡板7，前滑移挡板8、后滑移挡板9、左伸缩滑移挡板10、右伸缩滑移挡板11、弹簧12、力传感器13、内置弹簧14、中部开槽挡板15、前内置滑移挡板16、后内置滑移挡板17、内置力传感器18、圆筒试件19、应变片20、位移计21、静态膨胀剂22、滑槽Ⅰ23、滑移轨道Ⅰ24、、滑槽Ⅱ25、滑移轨道Ⅱ26、滑槽Ⅲ27、滑移轨道Ⅲ28。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。
如图1-图5所示，一种煤矿立井井壁环向受压的物理模拟装置，包括挡板结构、电脑控制器、圆筒试件19，所述电脑控制器包括电脑主机1、电脑显示器2，所述挡板结构为由前外挡板3、后外挡板4、左外挡板5、右外挡板6、下外挡板7构成的上部开口的箱体结构，所述箱体结构内面向前外挡板3、后外挡板4、左外挡板5、右外挡板6分别对应设有前滑移挡板8、后滑移挡板9、左伸缩滑移挡板10和右伸缩滑移挡板11，前滑移挡板8、后滑移挡板9、左伸缩滑移挡板10和右伸缩滑移挡板11围合形成用于放置模拟圆筒试件19的放置空间，前滑移挡板8与前外挡板3之间、后滑移挡板9与后外挡板4之间、左伸缩滑移挡板10与左外挡板5之间、右伸缩滑移挡板11与右外挡板6之间均设有8个弹簧12，所述弹簧12的一端连接在对应的滑移挡板上，弹簧12的另一端与设置在相应外挡板上的力传感器13连接，所有的力传感器13均连接电脑主机1，电脑主机1与电脑显示器2连接。
圆筒试件19放在放置空间中央，沿圆筒试件19高度方向在圆筒试件19内壁设置若干应变片20，应变片20连接电脑主机1。
所述前外挡板3、前滑移挡板8、后滑移挡板9、后外挡板4相互平行。
前滑移挡板8和后滑移挡板9底部两侧均开有滑槽Ⅰ23，所述下外挡板7上表面左右两侧纵向设有滑移轨道Ⅰ24，滑移轨道Ⅰ24与前滑移挡板8、后滑移挡板9的滑槽Ⅰ23相匹配，前滑移挡板8和后滑移挡板9通过滑槽Ⅰ23可在滑移轨道Ⅰ24上前后移动，前滑移挡板8的左右两端与左外挡板5、右外挡板6内侧紧密贴合，后滑移挡板9的左右两端与左外挡板5、右外挡板6内侧紧密贴合。
所述左外挡板5、左伸缩滑移挡板10、右伸缩滑移挡板11、右外挡板6相互平行。
所述左伸缩滑移挡板10、右伸缩滑移挡板11结构相同，左伸缩滑移挡板10包括内置弹簧14、中部开槽挡板15、前内置滑移挡板16、后内置滑移挡板17、内置力传感器18，中部开槽挡板15内部中空，前内置滑移挡板16、后内置滑移挡板17分别可滑动设置在中部开槽挡板15内部前后端，中部开槽挡板15内上下部均设置滑槽Ⅱ25，前内置滑移挡板16、后内置滑移挡板17上下部均设有滑移轨道Ⅱ26，滑槽Ⅱ25与前内置滑移挡板16、后内置滑移挡板17的滑移轨道Ⅱ26相匹配，前内置滑移挡板16、后内置滑移挡板17在滑移轨道Ⅱ26、滑槽Ⅱ25的作用下可在中部开槽挡板15内部前后移动，前内置滑移挡板16、后内置滑移挡板17的左右两侧面与中部开槽挡板15内部表面紧密贴合，所述前内置滑移挡板16、后内置滑移挡板17之间设有内置弹簧14和内置力传感器18，内置弹簧14一端连接前内置滑移挡板16的后端面，另一端连接内置力传感器18，内置位移计设置在后内置滑移挡板17前端面上，内置位移计与电脑主机1连接。
所述弹簧12、内置弹簧14的螺旋中空部位均设有LVDT位移计21，位于弹簧12螺旋中空部位的位移计21一端连接在力传感器13上，另一端连接在对应滑移挡板结构上；位于内置弹簧14螺旋中空部位的位移计21一端连接前内置滑移挡板16的后端面，另一端连接内置力传感器18，所有位移计21均与电脑主机1连接。
所述前内置滑移挡板16的前端面上下部和后内置滑移挡板17的后端面上下部均设有滑槽Ⅲ27，所述前滑移挡板8内侧的上部与下部、后滑移挡板9内侧的上部与下部均横向设有滑移轨道Ⅲ28，所述滑移轨道Ⅲ28与左伸缩滑移挡板10、右伸缩滑移挡板11上的滑槽Ⅲ27相匹配，左伸缩滑移挡板10、右伸缩滑移挡板11在滑移轨道Ⅲ28、滑槽Ⅲ27的作用下可左右移动。
下面通过实施例1-3进行进一步说明
实施例1
(1)调节前滑移挡板8、后滑移挡板9和左伸缩滑移挡板10、右伸缩滑移挡板11的位置，使弹簧12处于压缩状态，形成箱体空间。调节左伸缩滑移挡板10、右伸缩滑移挡板11的前内置滑移挡板16和后内置滑移挡板17的位置，使内置弹簧14处于压缩状态，保证前内置滑移挡板16和后内置滑移挡板17有足够的伸缩距离，使左伸缩滑移挡板10、右伸缩滑移挡板11始终能够与前滑移挡板8、后滑移挡板9紧密贴合。此时弹簧12和内置弹簧14处于静力平衡状态。
(2)圆筒试件19的放置。圆筒试件19为内径为20cm，外径为25cm的素混凝土试件，在圆筒试件19内壁上贴应变片20，记录加载过程中圆筒试件19内壁的应力应变曲线，将其置于箱体空间的中央。
(3)采用SCA-Ⅱ型静态膨胀剂配置浆体。按水42g，SCA-Ⅱ静态膨胀剂100g的比例，即水灰比0.42进行配置。将定量的静态膨胀剂22倒入塑料桶内，然后缓缓加入定量水，用机械或手工搅拌成具有流动性的均匀浆体备用，要求搅拌时间最多不超过三分钟。
(4)将配置好浆体放入箱体空间与圆筒试件19之间的间隔中，静态膨胀剂22将发生膨胀，静态膨胀剂22膨胀时对圆筒试件19施加压力，同时对前滑移挡板8、后滑移挡板9、左伸缩滑移挡板10、右伸缩滑移挡板11施加同等大小的反向力。弹簧12受力压缩，前滑移挡板8、后滑移挡板9前后滑移，左伸缩滑移挡板10、右伸缩滑移挡板11的内置弹簧14，将前内置滑移挡板16、后内置滑移挡板17弹开，使左伸缩滑移挡板10、右伸缩滑移挡板11始终与前滑移挡板8、后滑移挡板9紧密贴合。左伸缩滑移挡板10、右伸缩滑移挡板11受力左右滑移，左右两侧弹簧12压缩。通过LVDT位移计21测得左伸缩滑移挡板10、右伸缩滑移挡板11、前滑移挡板8、后滑移挡板9位移和弹簧12、内置弹簧14伸缩量数据，并将数据传输给电脑主机1，通过胡克定律，可以测得弹簧12受力大小，将所得力大小与力传感器13、内置力传感器18采集数据进行对比，相互验证。通过力传感器13、内置力传感器18测得力的大小，并将数据传输给电脑主机1。采用下式计算施加于模型边界的应力σ1和σ2：
式中：
σ1为模拟装置边界的左侧应力；
σ2为模拟装置边界的前侧应力；
pa1、pa2…pam分别为左外挡板上m个力传感器所采集数据；
pc1、pc2…pcm分别为m个内置力传感器所采集数据；
pb1、pb2…pbm分别为前外挡板上m个力传感器所采集数据；
Sa为静态膨胀剂膨胀后左伸缩滑移挡板与静态膨胀剂接触面积；
Sb为静态膨胀剂膨胀后前滑移挡板与静态膨胀剂接触面积。
实验获得施加于模型边界的应力σ1和σ2分别为2.8MPa和3.2MPa.
实施例2
本实施例，采用与实施例1基本相同的实施方式。不同之处在于步骤3中静态膨胀剂22水灰比采用0.3，即以水30g，SCA-Ⅱ静态膨胀剂100g的比例进行配置，配制出实验所需体积的静态膨胀剂浆体。
根据公式(1)和(2)计算出施加于模型边界的应力σ1和σ2分别为7.6MPa和8.8MPa。
实施例3
本实施例，采用与实施例1基本相同的实施方式。不同之处在于步骤3中静态膨胀剂22水灰比采用0.26，即以水26g，SCA-Ⅱ静态膨胀剂100g的比例进行配置，配制出实验所需体积的静态膨胀剂浆体。
根据公式(1)和(2)计算出施加于模型边界的应力σ1和σ2分别为15.5MPa和16.8MPa。
Claims (8)
1.一种煤矿立井井壁环向受压的物理模拟装置，其特征在于：包括挡板结构、电脑控制器、圆筒试件，所述电脑控制器包括电脑主机、电脑显示器，所述挡板结构为由前外挡板、后外挡板、左外挡板、右外挡板、下外挡板构成的上部开口的箱体结构，所述箱体结构内面向前外挡板、后外挡板、左外挡板、右外挡板分别对应设有前滑移挡板、后滑移挡板、左伸缩滑移挡板和右伸缩滑移挡板，前滑移挡板、后滑移挡板、左伸缩滑移挡板和右伸缩滑移挡板围合形成用于放置模拟圆筒试件的放置空间，前滑移挡板与前外挡板之间、后滑移挡板与后外挡板之间、左伸缩滑移挡板与左外挡板之间、右伸缩滑移挡板与右外挡板之间均设有若干弹簧，所述弹簧的一端连接在对应的滑移挡板上，弹簧的另一端与设置在相应外挡板上的力传感器连接，所有的力传感器均连接电脑主机，电脑主机与电脑显示器连接。
2.根据权利要求1所述的煤矿立井井壁环向受压的物理模拟装置，其特征在于：圆筒试件放在放置空间中央，沿圆筒试件高度方向在圆筒试件内壁设置若干应变片，应变片连接电脑主机。
3.根据权利要求1所述的煤矿立井井壁环向受压的物理模拟装置，其特征在于：所述前外挡板、前滑移挡板、后滑移挡板、后外挡板相互平行。
4.根据权利要求3所述的煤矿立井井壁环向受压的物理模拟装置，其特征在于：前滑移挡板和后滑移挡板底部两侧均开有滑槽Ⅰ，所述下外挡板上表面左右两侧纵向设有滑移轨道Ⅰ，滑移轨道Ⅰ与前滑移挡板、后滑移挡板的滑槽Ⅰ相匹配，前滑移挡板和后滑移挡板通过滑槽Ⅰ可在滑移轨道Ⅰ上前后移动，前滑移挡板的左右两端与左外挡板、右外挡板内侧紧密贴合，后滑移挡板的左右两端与左外挡板、右外挡板内侧紧密贴合。
5.根据权利要求1所述的煤矿立井井壁环向受压的物理模拟装置，其特征在于：所述左外挡板、左伸缩滑移挡板、右伸缩滑移挡板、右外挡板相互平行。
6.根据权利要求5所述的煤矿立井井壁环向受压的物理模拟装置，其特征在于：所述左伸缩滑移挡板、右伸缩滑移挡板结构相同，左伸缩滑移挡板包括内置弹簧、中部开槽挡板、前内置滑移挡板、后内置滑移挡板、内置力传感器，中部开槽挡板内部中空，前内置滑移挡板、后内置滑移挡板分别可滑动设置在中部开槽挡板内部前后端，中部开槽挡板内上下部均设置滑槽Ⅱ，前内置滑移挡板、后内置滑移挡板上下部均设有滑移轨道Ⅱ，滑槽Ⅱ与前内置滑移挡板、后内置滑移挡板的滑移轨道Ⅱ相匹配，前内置滑移挡板、后内置滑移挡板在滑移轨道Ⅱ、滑槽Ⅱ的作用下可在中部开槽挡板内部前后移动，前内置滑移挡板、后内置滑移挡板的左右两侧面与中部开槽挡板内部表面紧密贴合，所述前内置滑移挡板、后内置滑移挡板之间设有内置弹簧和内置力传感器，内置弹簧一端连接前内置滑移挡板的后端面，另一端连接内置力传感器，内置位移计设置在后内置滑移挡板前端面上，内置位移计与电脑主机连接。
7.根据权利要求6所述的煤矿立井井壁环向受压的物理模拟装置，其特征在于：所述弹簧、内置弹簧的螺旋中空部位均设有位移计，位于弹簧螺旋中空部位的位移计一端连接在力传感器上，另一端连接在对应滑移挡板结构上；位于内置弹簧螺旋中空部位的位移计一端连接前内置滑移挡板的后端面，另一端连接内置力传感器，所有位移计均与电脑主机连接。
8.根据权利要求7所述的煤矿立井井壁环向受压的物理模拟装置，其特征在于：所述前内置滑移挡板的前端面上下部和后内置滑移挡板的后端面上下部均设有滑槽Ⅲ，所述前滑移挡板内侧的上部与下部、后滑移挡板内侧的上部与下部均横向设有滑移轨道Ⅲ，所述滑移轨道Ⅲ与左伸缩滑移挡板、右伸缩滑移挡板上的滑槽Ⅲ相匹配，左伸缩滑移挡板、右伸缩滑移挡板在滑移轨道Ⅲ、滑槽Ⅲ的作用下可左右移动。
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Cited By (2)
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| CN110441147B (zh) * | 2019-08-30 | 2024-06-07 | 湖南科技大学 | 一种煤矿立井井壁环向受压的物理模拟装置及模拟方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| AV01 | Patent right actively abandoned |
Granted publication date: 20200529 Effective date of abandoning: 20240607 |
|
| AV01 | Patent right actively abandoned |
Granted publication date: 20200529 Effective date of abandoning: 20240607 |