CN211602719U - 一种多功能顶底板突水的采场矿压三维物理模拟试验平台 - Google Patents

一种多功能顶底板突水的采场矿压三维物理模拟试验平台 Download PDF

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崔永强
马志涛
杨亚超
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Abstract

本实用新型提出了一种多功能顶底板突水的采场矿压三维物理模拟试验平台,该试验平台侧重于模拟地下含水层的水量和水压的变化以及深部复杂构造应力场对地下工程矿压的影响。一种多功能顶底板突水的采场矿压三维物理模拟试验平台包括:水压控制系统、数据采集系统、液压控制系统、用于承载的平台模型刚性支架、支架立柱上的液压千斤顶、含沙水箱、复合型聚氨酯密封层、铰支座、施压钢轨以及模型平台四周的可施均压可拆卸的薄壁长钢板。本实用新型的有益效果是:模型平台顶部底部设置的含砂水箱,可以模拟含砂水层;通过在模型两侧设置可以上下移动的液压千斤顶,能够模拟构造梯度压力;模型左侧支架底部设有液压千斤顶,右侧支架底部通过铰支座与地基铰接,可以完成0~45°的倾斜模拟试验。

Description

一种多功能顶底板突水的采场矿压三维物理模拟试验平台
技术领域
本实用新型涉及到矿山巷道、隧道工程以及地下核处理等工程领域的一种多功能顶底板突水的采场矿压三维物理模拟试验平台,特别是适用于地下含水层(承压水)丰富、地质构造较突出的地下工程。
背景技术
矿压与岩层控制是地下工程领域的核心理论和关键技术之一,而James Hall最早提出的相似模拟实验法在地下工程矿压控制中解决了该领域内的空白,并得到了广泛应用。作为采矿工程的矿山压力研究方法虽起步较晚,但显示出强大生命力。目前,一方面矿山压力是一个影响因素广、物理过程复杂的力学演化过程,而现有的传统理论受到种种约束,无法对问题精确求解;另一方面地下现场实测周期长,人力、物力消耗大,且受现场施工条件限制监测数据不精确、局限性大,岩性变化测试困难;现有仪器仪表误差大且受地下恶劣环境所限;地下工程矿压控制依然难以解决。
鉴于此,基于相似模拟实验法研发的采场矿压三维模拟试验平台得到了地下工程领域专家的一致认可,并随着技术的发展不断得到更新和改进。模型要用和地下原型力学性质相似的材料,按照一定的几何比例模拟岩层、煤层、层理、节理、断层以及弱面等复杂地质构造,在满足边界条件的初始条件下进行开采,可在相应时间内造成相似的矿山压力现象,取得了一定的模拟实验数据,从而在一定程度上解决了现场矿压控制的难题。
但随着地下工程深度的加大,地质构造较复杂、顶底板突水问题日益突出,生命财产受到严重威胁,严重危及到地下工程的安全、高效生产。含水层的水量和水压是顶底板突水的前提条件,采动矿压又是底板突水的诱发主因,大角度倾斜岩层褶皱、断层、节理等构造的发育又在地下岩体中积聚了大量的变性能,潜在威胁地下工程人员的生命安全。而现在研发的采场矿压三维模拟试验平台只能在一定程度上对地下矿山压力进行模拟,结构功能单一,却忽视了地下水的存在以及地下水对深部岩层力学特性的影响,不能达到地下工程真正模拟的目的;而且在模拟水压时,用其他形式的力来模拟,不满足相似模拟试验的物理相似、时间相似、边界条件相似等情况,也不能反映地下含水层的渗透冲刷作用。还有一点,针对现有试验平台,对地下工程某一定深度位置由复杂地质构造积聚的的水平压力不能定量施加,构造应力难以准确定量,不能真实模拟三维应力场,其计算结果也就无法达到真正的“仿真”目的。
实用新型内容
为弥补上述模拟试验平台的不足,本实用新型提出了一种多功能顶底板突水的采场矿压三维物理模拟试验平台,该试验平台基于相似模拟实验法而研发的,侧重于模拟地下含水层的水量和水压的变化以及深部复杂构造应力场对地下工程矿压的影响。
一种多功能顶底板突水的采场矿压三维物理模拟试验平台包括:水压控制系统、数据采集系统、液压控制系统、用于承载的平台模型刚性支架、支架立柱上的液压千斤顶、含沙水箱、复合型聚氨酯密封层、铰支座、施压钢轨以及模型平台四周的可施均压可拆卸的薄壁长钢板。
与现有的地下工程三维物理模拟试验平台相比,本实用新型的多功能顶底板突水的采场矿压三维物理模拟试验平台的创新之处有以下几点:
1)提高了试验精确度。集水压控制系统、数据采集系统、液压控制系统于一体,借助模型内部的位移、压力新型传感器,提高了模拟过程中的精确度,操作方便,降低了劳动强度。2)方便观察和测量。在有无地下承压水的地下工程中,该模型平台四周施压的薄壁钢板均能拆卸,便于分层铺设或整体浇注模型、开采模型以及仪器仪表的放置,甚至做出某一位置的剖面,满足工程施工过程中的岩体矿压显现以及岩体变形破坏模拟,可在剖面模型上直接观察和计量。水中加入颜料,实验结束后,可以通过颜料清晰的观察到水流路径。3)满足了模型力学的相似性。通过承载的平台模型支架,在支架顶部、两侧分别设置由液压控制系统控制的液压千斤顶向模型施加三向压力,进一步满足了模型力学的相似性。4)模拟施工过程中的顶板(底板)突水情况。模型平台顶部底部设置的含砂水箱,模拟含砂水层,水箱顶板含有若干透水多孔,通过水压控制系统能控制底板水压的大小以及水量的多少,能够真实的模拟现场顶底板承压水在施工过程中的顶底板突水情况以及矿压显现。5)施加构造梯度压力。为迎合地下工程的复杂状况,对于深度较大的地下工程,尤其是采矿工程深度甚至达到千米级别以上,构造应力的量级较大,且有着一定量的构造水平应力梯度要求。本物理模拟试验平台通过在模型两侧设置可以上下移动的液压千斤顶,由液压控制系统控制上下液压千斤顶显示不同的压力数值通过施压钢轨均匀的作用在薄壁钢板上,以便模拟构造梯度压力;另外,左右两侧的液压千斤顶可以自由移动,以便为适应不同高度的课题模型施加水平应力,大大提高了该试验平台的应用范围。6)模拟倾斜煤层开采试验。模型左侧支架底部设有液压千斤顶,右侧支架底部通过铰支座与地基铰接,可以完成0~45°的倾斜模拟试验。
本实用新型的一种多功能顶底板突水的采场矿压三维物理模拟试验平台的工作过程:一种多功能顶底板突水的采场矿压三维物理模拟试验平台,侧重于模拟地下含水层的水量和水压的变化以及深部复杂构造应力场对地下工程矿压的影响。模型顶部加载是为了补足模拟深度未能包括的那部分岩层重量,采用多台液压千斤顶2加载,其供液通过液压控制系统控制各液压缸工作。包括:水压控制系统、数据采集系统、液压控制系统、用于承载的平台模型刚性支架1、支架立柱上的液压千斤顶2、3、13、含砂水箱4、复合型聚氨酯密封层5、铰支座 6、施压钢轨7以及模型平台四周的可施均压可拆卸的薄壁长钢板14。由薄壁长钢板14围绕模型平台四周由螺栓固定在平台支柱上,形成相似材料填充空间,用于固结、加载模型,由相似模拟材料的选择与计算,根据强度选择,逐层选择材料配比,形成基本顶8、直接顶9、煤层10以及底板11的不同的模拟岩体。模型顶部和底部是由钢板构成的透水多孔含沙水箱4,里面放有根据地下含水层中的含砂率模拟含砂水层12,通过水压控制系统能控制水压的大小以及水量的多少,能够真实的模拟现场顶板或底板承压水在施工过程中的岩溶突水情况以及由岩溶突水对底板岩性影响造成的矿压显现。该物理模拟试验平台左右两侧对称刚性支架1上设置可以上下移动的液压千斤顶13,由液压控制系统控制上下液压千斤顶13显示不同的压力数值通过施压钢轨7均匀的作用在薄壁钢板上,以便模拟构造梯度压力;另外,左右两侧的液压千斤顶13可以自由移动,这样设计解决了适应不同高度的课题模型所施加水平应力要求,与支架立柱上的液压千斤顶2、3、13以及模型平台四周的薄壁长钢板14共同实现了试验平台的三维应力场,大大提高了该试验平台的应用范围,能较真实的反映物理仿真的目的。另外,由平台模型刚性支架1右侧底部通过铰支座6与地基铰接,左侧支架底部设有液压千斤顶3,能使该试验平台可以完成0~45°的倾斜模拟试验,完全考虑了深部岩层的赋存情况,使得该平台能够模拟多种地质条件,在地下工程的应用水平明显提高。
附图说明
图1为一种多功能顶底板突水的采场矿压三维物理模拟试验平台剖面图
图2为一种多功能顶底板突水的采场矿压三维物理模拟试验平台平面图
图3为一种多功能顶底板突水的采场矿压三维物理模拟试验平台含砂水箱示意图
其中 1.平台模型刚性支架;2、3、13.液压千斤顶;4.含砂水箱;5.复合型聚氨酯密封层;6.铰支座;7.施压钢轨;8.基本顶;9.直接顶;10.煤层;11.底板;12.含砂水层;14.薄壁长钢板。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚,下面结合附图和具体实施例对发明进行清楚、完整的描述。
一种多功能顶底板突水的采场矿压三维物理模拟试验平台,侧重于模拟地下含水层的水量和水压的变化以及深部复杂构造应力场对地下工程矿压的影响。模型顶部加载是为了补足模拟深度未能包括的那部分岩层重量,采用多台液压千斤顶2加载,其供液通过液压控制系统控制各液压缸工作。包括:水压控制系统、数据采集系统、液压控制系统、用于承载的平台模型刚性支架1、支架立柱上的液压千斤顶2、3、13、含砂水箱4、复合型聚氨酯密封层5、铰支座6、施压钢轨7以及模型平台四周的可施均压可拆卸的薄壁长钢板14。由薄壁长钢板14围绕模型平台四周由螺栓固定在平台支柱上,形成相似材料填充空间,用于固结、加载模型,由相似模拟材料的选择与计算,根据强度选择,逐层选择材料配比,形成基本顶8、直接顶9、煤层10以及底板11的不同的模拟岩体。模型顶部和底部是由钢板构成的透水多孔含沙水箱4,里面放有根据地下含水层中的含砂率模拟含砂水层12,通过水压控制系统能控制水压的大小以及水量的多少,能够真实的模拟现场顶板或底板承压水在施工过程中的岩溶突水情况以及由岩溶突水对底板岩性影响造成的矿压显现。该物理模拟试验平台左右两侧对称刚性支架1上设置可以上下移动的液压千斤顶13,由液压控制系统控制上下液压千斤顶13显示不同的压力数值通过施压钢轨7均匀的作用在薄壁钢板上,以便模拟构造梯度压力;另外,左右两侧的液压千斤顶13可以自由移动,这样设计解决了适应不同高度的课题模型所施加水平应力要求,与支架立柱上的液压千斤顶2、3、13以及模型平台四周的薄壁长钢板14共同实现了试验平台的三维应力场,大大提高了该试验平台的应用范围,能较真实的反映物理仿真的目的。另外,由平台模型刚性支架1右侧底部通过铰支座6与地基铰接,左侧支架底部设有液压千斤顶3,能使该试验平台可以完成0~45°的倾斜模拟试验,完全考虑了深部岩层的赋存情况,使得该平台能够模拟多种地质条件,在地下工程的应用水平明显提高。
以上都是对本实用新型的说明。对于本技术领域的人员来说,在不脱离本实用新型的原理下进行改进,这些改进等也是本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.一种多功能顶底板突水的采场矿压三维物理模拟试验平台,侧重于模拟地下含水层的水量和水压的变化以及深部复杂构造应力场对地下工程矿压的影响,其特征包括:用于固结、加载模型的刚性支架,四周由可施均压可拆卸的薄壁长钢板围成,由螺栓固定在刚性支架上,以便对任一剖面观察其内部的破坏变形和数据测量。
2.根据权利要求1所述的一种多功能顶底板突水的采场矿压三维物理模拟试验平台,其特征在于:用于模拟顶底板承载水压的含砂水箱,分别固定在刚性支架顶部和底部,可随刚性支架一起移动,该水箱内部按照地下水层含砂率配有一定的细砂岩,左侧设有进水口,连接于水压控制系统;右侧设有放水口,水箱顶板含有若干透水多孔,以模拟水压。
3.根据权利要求1所述的一种多功能顶底板突水的采场矿压三维物理模拟试验平台,其特征在于:为能实现顶底板水压控制,在水箱顶部与左右两侧薄壁钢板处,设有复合型聚氨酯密封层,防止左右两侧施加水平压力时,因两侧施加压力移动时造成水压的泄漏。
4.根据权利要求1所述的一种多功能顶底板突水的采场矿压三维物理模拟试验平台,其特征在于:支架上的液压千斤顶由不同的液压控制系统控制,以便于实现顶部、两侧不同压力的施加、卸载,压力梯度可以满足,真正实现三维应力场的模拟;两侧的液压千斤顶加压、卸载应同步进行,两侧可以上下移动,以便为适应不同高度的课题模型施加水平应力;另外,液压千斤顶施加的压力由施压钢轨传递到薄壁钢板上,以实现该处位置的均匀施压、卸载。
5.根据权利要求1所述的一种多功能顶底板突水的采场矿压三维物理模拟试验平台,其特征在于:为便于数据采集,模型实现封闭加压时,模型内部岩层的位移以及各部分的应力、应变的测量需采取在模型内部埋设各种传感器来进行。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113432975A (zh) * 2021-06-11 2021-09-24 中国石油大学(北京) 用于岩石试样加压测试的检测装置及检测系统
CN113917110A (zh) * 2021-09-30 2022-01-11 中国矿业大学(北京) 一种多功能三维相似模拟试验平台与试验方法

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