專利名稱：一種可控制模擬承壓水加載與底板破壞關(guān)系的實驗平臺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及礦山工程技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種可控制模擬承壓水加載與底板破壞關(guān)系的實驗平臺。
背景技術(shù)：
隨著開采深度增加，底板承壓水對工作面開采危害越來越嚴重，實際中承壓水對底板作用機理以及破壞規(guī)律認識不足，工作面回采引起的底板破壞深度、底板承壓水大小、底板不同巖層巖性、厚度及組合等因素和底板破壞、工作面突水都有密切關(guān)系?，F(xiàn)有的底板承壓水試驗平臺，模擬時底板加載的模擬承壓水只是其上模擬材料和頂端鐵塊重量的一部分，并且其值無法計算。模擬材料和模型框架兩端接觸面的摩擦力，平衡了一部分模擬材料和頂端鐵塊的重量，所以實際中作用到彈簧組上的應(yīng)力不大，并且是未知的，不能正確模擬底板承壓水的加載。因為摩擦系數(shù)和鋪設(shè)材料的夯實程度、材料組成都有很大關(guān)系，模擬材料和框架兩端接觸面的摩擦力很難算出；如果利用彈簧組的變形量來計算，由于作用在彈簧組的應(yīng)力本來就不大，彈簧組變形量很小，很難準確量出壓縮量，誤差太大。所以現(xiàn)有承壓水試驗平臺是不太符合實際情況的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的技術(shù)問題是如何直觀看到，工作面回采過程中底板巖層變形、底鼓、破壞規(guī)律，以及承壓水對底板巖層的作用機理和底板巖層的裂隙發(fā)育情況，可以直觀判斷出是否發(fā)生突水。為了解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明實施例公開了一種可控制模擬承壓水加載與底板破壞關(guān)系的實驗平臺，包括底部液壓分離式加載系統(tǒng)、彈簧組、底部承載應(yīng)力轉(zhuǎn)化板、稱重傳感器、頂部承載應(yīng)力轉(zhuǎn)化板、頂部液壓加載系統(tǒng)、應(yīng)變計、數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)、模型框架和電源；底部液壓分離式加載系統(tǒng)用于從底部向空腔提供壓力，頂部液壓加載系統(tǒng)用于從頂部向空腔提供壓力；底部液壓分離式加載系統(tǒng)置于模型框架底部，頂部液壓加載系統(tǒng)置于模型框架頂部，底部液壓分離式加載系統(tǒng)上部裝有稱重傳感器，稱重傳感器上部安裝有底部承載應(yīng)力轉(zhuǎn)化板，底部承載應(yīng)力轉(zhuǎn)化板上安裝有彈簧組；頂部液壓加載系統(tǒng)下部裝有頂部承載應(yīng)力轉(zhuǎn)化板，在頂部承載應(yīng)力轉(zhuǎn)化板和底部承載應(yīng)力轉(zhuǎn)化板之間形成一個空腔，空腔內(nèi)設(shè)置鋪設(shè)材料；應(yīng)變計設(shè)置在鋪設(shè)材料中；稱重傳感器和應(yīng)變計與數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)連接，數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)用于采集測量數(shù)據(jù)并進行處理，電源為各部件提供電源。作為一種優(yōu)選，底部液壓分離式加載系統(tǒng)包括一個手動壓力泵、一個多通分配閥、若干個短型千斤頂以及高強度油管，手動壓力泵通過高強度油管連接到多通分配閥上，所述短型千斤頂通過高強度油管分別連接到多通分配閥的各個接口上，短型千斤頂通過固定裝置固定在框架底端橫梁上。作為一種優(yōu)選，多通分配閥為四通分配閥，短型千斤頂為四個。作為一種優(yōu)選，頂部液壓加載系統(tǒng)包括安裝在模型頂端的高強度固定板、帶鐵板螺紋長直桿、普通千斤頂，帶鐵板螺紋長直桿安放在高強度固定板上，帶鐵板螺紋長直桿的下端有一個下端鐵板，下端鐵板和普通千斤頂之間安放有稱重傳感器，稱重傳感器凸頭端與普通千斤頂頂端接觸，另一平端與下端鐵板嚴密接觸，通過改變螺紋長直桿下部長度和普通千斤頂?shù)母叨葋砉餐{(diào)節(jié)鋪設(shè)材料的高度和加載應(yīng)力大小。作為一種優(yōu)選，數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)包括包括稱重傳感器信號采集系統(tǒng)和應(yīng)變計信號采集系統(tǒng)，并且和PC機相連，進行數(shù)據(jù)處理。作為一種優(yōu)選，包括一個短形千斤頂固定裝置，短型千斤頂固定裝置安裝在模型框架底部，用來固定短型千斤頂。相對于現(xiàn)有技術(shù)而言，本發(fā)明中的實驗平臺能夠?qū)崿F(xiàn)對模擬材料底部的模擬承壓水加載，也能夠?qū)δM材料頂部加載，用以補充地應(yīng)力。同時在不同層位埋設(shè)高精度應(yīng)變計，在工作面推進過程中，對底板和頂板巖層中的應(yīng)力變化進行實時在線監(jiān)測和記錄，并在線監(jiān)測模擬材料底部和頂部加載的應(yīng)力。能直觀觀察底板巖層的破壞規(guī)律、破壞深度以及是否會發(fā)生突水。


當結(jié)合附圖考慮時，通過參照下面的詳細描述，能夠更完整更好地理解本發(fā)明以及容易得知其中許多伴隨的優(yōu)點，但此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，構(gòu)成本發(fā)明的一部分，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當限定，其中圖1是本發(fā)明實施例數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)示意圖。圖2是本發(fā)明實施例底部液壓分離式加載系統(tǒng)示意圖。圖3是本發(fā)明實施例頂部液壓加載系統(tǒng)示意圖。圖4是本發(fā)明實施例彈簧組示意圖。圖5是本發(fā)明實施例整體主視圖。圖6是本發(fā)明實施例整體側(cè)視圖。圖7是本發(fā)明實施例三維整體示意圖。附圖中1、數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)；2、底部液壓分離式加載系統(tǒng)；3、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；4、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；5、手動壓力泵；6、多通分配閥；7、模型框架；8、底部承載應(yīng)力轉(zhuǎn)化板；9、頂部承載應(yīng)力轉(zhuǎn)化板；10、普通千斤頂；11、高強度固定板；12、帶鐵板螺紋長直桿；13、稱重傳感器；14、短型千斤頂；15、短型千斤頂固定裝置；16、彈簧固定鋼板；17、彈簧；18、彈簧組；19、應(yīng)變計。
具體實施例方式參照圖1至圖7對本發(fā)明的實施例進行說明。為使上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細的說明。如圖5-7所示，一種可控制模擬承壓水加載與底板破壞關(guān)系的實驗平臺，包括底部液壓分離式加載系統(tǒng)2、彈簧組18、底部承載應(yīng)力轉(zhuǎn)化板8、稱重傳感器13、頂部承載應(yīng)力轉(zhuǎn)化板9、頂部液壓加載系統(tǒng)、應(yīng)變計19、數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)1、模型框架7和電源；底部液壓分離式加載系統(tǒng)2用于從底部向空腔提供壓力，頂部液壓加載系統(tǒng)用于從頂部向空腔提供壓力；底部液壓分離式加載系統(tǒng)2置于模型框架7底部，頂部液壓加載系統(tǒng)置于模型框架7頂部，底部液壓分離式加載系統(tǒng)2上部裝有稱重傳感器13，稱重傳感器13上部安裝有底部承載應(yīng)力轉(zhuǎn)化板8，底部承載應(yīng)力轉(zhuǎn)化板8上安裝有彈簧組18 ;頂部液壓加載系統(tǒng)下部裝有頂部承載應(yīng)力轉(zhuǎn)化板9，在頂部承載應(yīng)力轉(zhuǎn)化板9和彈簧組18之間形成一個空腔，空腔內(nèi)設(shè)置鋪設(shè)材料；應(yīng)變計19設(shè)置在鋪設(shè)材料中；稱重傳感器13和應(yīng)變計19與數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)I連接，數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)I用于采集測量數(shù)據(jù)并進行處理，電源為各部件提供電源。其中，底部液壓分離式加載系統(tǒng)2中的短型千斤頂14通過短型千斤頂固定裝置15固定在模型框架7的底端承載橫梁上，防止短型千斤頂14傾倒，短型千斤頂14上方是底部承載應(yīng)力轉(zhuǎn)化板8，彈簧組18放在底部承載應(yīng)力轉(zhuǎn)化板8上，起到彈性緩沖、能量儲存的作用。頂部液壓加載系統(tǒng)用來補充地應(yīng)力，可以模擬不同深度的地應(yīng)力。實驗時，彈簧組18上部彈簧固定鋼板16和頂部承載應(yīng)力轉(zhuǎn)化板9之間空間內(nèi)由下向上依次鋪設(shè)依據(jù)煤層綜合柱狀圖和相似比配置的相似材料組成的煤層、底板巖層及上覆巖層，通過底部液壓分離式加載系統(tǒng)2對鋪設(shè)材料最底端進行加壓、通過頂部液壓加載系統(tǒng)對鋪設(shè)材料最上端進行向下加壓。鋪設(shè)模型過程中，在煤層、底板巖層和上覆巖層的不同層位埋設(shè)高精度應(yīng)變計19，用以監(jiān)測煤層回采過程中煤層、底板巖層和上覆巖層中的應(yīng)力變化，從而可以在線監(jiān)測超前支承壓力在底板和頂板中的傳遞情況、轉(zhuǎn)移情況及衰減規(guī)律，對判斷頂?shù)装迤茐淖顕乐貐^(qū)域及影響范圍都有指導(dǎo)意義。圖2是底部液壓分離式加載系統(tǒng)2，包括一個CP-700手動壓力泵5、一個四通分配閥6、四個短型千斤頂14以及連接裝置，手動壓力泵5通過高強度油管連接到四通分配閥6上，四個短型千斤頂14通過高強度油管分別連接到四通分配閥6的四個接口上，四個短型千斤頂14通過特制的短型千斤頂固定裝置15固定在框架底端橫梁上。底部液壓分離式加載系統(tǒng)2可以精確模擬底板承壓水的加載。圖3是頂部液壓加載系統(tǒng)，包括模型頂端高強度固定板11、帶螺紋長直桿12、普通千斤頂10。帶螺紋長直桿12安放在高強度固定板11上，下端鐵板和普通千斤頂10之間安放有稱重傳感器13，稱重傳感器13凸頭端與普通千斤頂10頂端接觸，另一平端與下端鐵板嚴密接觸，通過改變帶螺紋長直桿12下部長度和普通千斤頂10的高度來共同調(diào)節(jié)鋪設(shè)材料的高度和加載應(yīng)力大小。從而達到在鋪設(shè)材料頂端加載不同應(yīng)力，來模擬不同埋深條件下的煤層回采。圖4是彈簧組18。彈簧組18由彈簧17構(gòu)成。把下部加載的剛性載荷轉(zhuǎn)化為彈性載荷，作用在模擬材料的底端。各個彈簧組18相互獨立，隨著煤層回采，彈簧組18會發(fā)生不同程度的變形，一部分彈簧組18壓縮量增加；一部分彈簧組18卻伸長，釋放儲存的能量。和實際中底板承壓水的作用機理完全一致。圖1是數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)1，包括二個獨立的信號采集系統(tǒng)，輪輻式稱重傳感器13信號采集系統(tǒng)和應(yīng)變計19信號采集系統(tǒng)，這二個采集卡都和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4以及PC機3相連，進行數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)采集具體包括布置在短型千斤頂14和普通千斤頂10上的CST-502壓用輪輻式稱重傳感器13，稱重傳感器13凸頭端與短型千斤頂14、普通千斤頂10頂端接觸，另一平端分別與底部承載應(yīng)力轉(zhuǎn)化板8、帶鐵板螺紋長直桿12的下端鐵板嚴密接觸，能在線監(jiān)測加載到模擬材料底部和頂部的應(yīng)力大小。稱重傳感器13外接CST-502傳感器放大模塊，經(jīng)USB-7360A數(shù)據(jù)采集卡將數(shù)據(jù)線導(dǎo)入PC機，用7360系列高速驅(qū)動軟件進行數(shù)據(jù)處理，該設(shè)備將采集的各傳感器信號傳送給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行處理。布置在煤層、底板巖層和上覆巖層中的ZF(ZAM) 1000-2GB-CL8高精度應(yīng)變計19和STSS-1應(yīng)力
檢測模塊，應(yīng)變計19隨著模擬材料的鋪設(shè)而安放在不同的層位上，用以監(jiān)測煤層回采過程中煤層、底板巖層以及上覆巖層內(nèi)的應(yīng)力變化；可以直觀看到回采過程中巖層內(nèi)應(yīng)力變化、應(yīng)力增高區(qū)、應(yīng)力降低區(qū)以及應(yīng)力傳遞、轉(zhuǎn)移規(guī)律，可以判斷出底板破壞范圍和頂板垮落范圍、初次來壓步距、周期來壓步距、底板最大破壞深度和破壞點。對實際生產(chǎn)有很好的指導(dǎo)意義。本發(fā)明具體實施時，依據(jù)相似理論，用沙土，石灰，石膏，水等材料按照一定比例分別制備對應(yīng)巖性的相似材料，然后將相似材料水平鋪設(shè)在彈簧組18和頂部承載應(yīng)力轉(zhuǎn)化板9之間，鋪設(shè)實驗材料同時埋設(shè)高精度應(yīng)變計19。模型鋪設(shè)好以后，依據(jù)相似理論，通過底部液壓分離式加載系統(tǒng)2和頂部液壓加載系統(tǒng)對模擬材料底部和頂部分別加載應(yīng)力，模擬底板承壓水水壓和地應(yīng)力。加載時，先對模擬材料頂部進行加載，加載穩(wěn)定后，再對模擬材料底部進行模擬承壓水加載。短型千斤頂14上的稱重傳感器13顯示的應(yīng)力應(yīng)該是加載地應(yīng)力穩(wěn)定后的應(yīng)力與需要加載的模擬承壓水應(yīng)力之和。一邊加載一邊通過PC機進行監(jiān)測，這樣可以準確知道加載的應(yīng)力大小。加載完成后，開始在煤層中開挖出切眼，對各個高精度應(yīng)變計19進行信號采集。之后，模擬工作面的正常推進，并實時監(jiān)測、記錄應(yīng)變計19采集的信號。觀察底板變形、破壞深度和發(fā)展趨勢，頂板變形失穩(wěn)、垮落、發(fā)展趨勢以及最大破壞高度。并及時測量底板巖層、上覆巖層移動的位移和破壞范圍，直至開挖到模型邊界，完成實驗。雖然以上描述了本發(fā)明的具體實施方式
，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當理解，這些具體實施方式
僅是舉例說明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的原理和實質(zhì)的情況下，可以對上述方法和系統(tǒng)的細節(jié)進行各種省略、替換和改變。例如，合并上述方法步驟，從而按照實質(zhì)相同的方法執(zhí)行實質(zhì)相同的功能以實現(xiàn)實質(zhì)相同的結(jié)果則屬于本發(fā)明的范圍。因此，本發(fā)明的范圍僅由所附權(quán)利要求書限定。
權(quán)利要求
1.一種可控制模擬承壓水加載與底板破壞關(guān)系的實驗平臺，其特征在于，包括底部液壓分離式加載系統(tǒng)、彈簧組、底部承載應(yīng)力轉(zhuǎn)化板、稱重傳感器、頂部承載應(yīng)力轉(zhuǎn)化板、頂部液壓加載系統(tǒng)、應(yīng)變計、數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)、模型框架和電源；底部液壓分離式加載系統(tǒng)用于從底部向空腔提供壓力，頂部液壓加載系統(tǒng)用于從頂部向空腔提供壓力；底部液壓分離式加載系統(tǒng)置于模型框架底部，頂部液壓加載系統(tǒng)置于模型框架頂部，底部液壓分離式加載系統(tǒng)上部裝有稱重傳感器，稱重傳感器上部安裝有底部承載應(yīng)力轉(zhuǎn)化板，底部承載應(yīng)力轉(zhuǎn)化板上安裝有彈簧組；頂部液壓加載系統(tǒng)下部裝有頂部承載應(yīng)力轉(zhuǎn)化板，在頂部承載應(yīng)力轉(zhuǎn)化板和底部承載應(yīng)力轉(zhuǎn)化板之間形成一個空腔，空腔內(nèi)設(shè)置鋪設(shè)材料；應(yīng)變計設(shè)置在鋪設(shè)材料中；稱重傳感器和應(yīng)變計與數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)連接，數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)用于采集測量數(shù)據(jù)并進行處理，電源為各部件提供電源。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述可控制模擬承壓水加載與底板破壞關(guān)系的實驗平臺，其特征在于，所述底部液壓分離式加載系統(tǒng)包括一個手動壓力泵、一個多通分配閥、若干個短型千斤頂以及高強度油管，手動壓力泵通過高強度油管連接到多通分配閥上，所述短型千斤頂通過高強度油管分別連接到多通分配閥的各個接口上，短型千斤頂通過固定裝置固定在框架底端橫梁上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述可控制模擬承壓水加載與底板破壞關(guān)系的實驗平臺，其特征在于，所述多通分配閥為四通分配閥，短型千斤頂為四個。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述可控制模擬承壓水加載與底板破壞關(guān)系的實驗平臺，其特征在于，所述頂部液壓加載系統(tǒng)包括安裝在模型頂端的高強度固定板、帶鐵板螺紋長直桿、普通千斤頂，帶鐵板螺紋長直桿安放在高強度固定板上，帶鐵板螺紋長直桿的下端有一個下端鐵板，下端鐵板和普通千斤頂之間安放有稱重傳感器，稱重傳感器凸頭端與普通千斤頂頂端接觸，另一平端與下端鐵板嚴密接觸，通過改變螺紋長直桿下部長度和普通千斤頂?shù)母叨葋砉餐{(diào)節(jié)鋪設(shè)材料的高度和加載應(yīng)力大小。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述可控制模擬承壓水加載與底板破壞關(guān)系的實驗平臺，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)包括包括稱重傳感器信號采集系統(tǒng)和應(yīng)變計信號采集系統(tǒng)，并且和PC機相連，進行數(shù)據(jù)處理。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述可控制模擬承壓水加載與底板破壞關(guān)系的實驗平臺，其特征在于，還包括一個短形千斤頂固定裝置，短型千斤頂固定裝置安裝在模型框架底部，用來固定短型千斤頂。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述可控制模擬承壓水加載與底板破壞關(guān)系的實驗平臺，其特征在于，所述稱重傳感器為輪輻式稱重傳感器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種可控制模擬承壓水加載與底板破壞關(guān)系的實驗平臺，包括底部液壓分離式加載系統(tǒng)、彈簧組、底部承載應(yīng)力轉(zhuǎn)化板、稱重傳感器、頂部承載應(yīng)力轉(zhuǎn)化板、頂部液壓加載系統(tǒng)、應(yīng)變計、數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)、模型框架和電源；底部液壓分離式加載系統(tǒng)置于模型框架底部，頂部液壓加載系統(tǒng)置于模型框架頂部，底部液壓分離式加載系統(tǒng)上部依次裝有稱重傳感器、底部承載應(yīng)力轉(zhuǎn)化板和彈簧組；頂部液壓加載系統(tǒng)下部裝有頂部承載應(yīng)力轉(zhuǎn)化板，在頂部和底部承載應(yīng)力轉(zhuǎn)化板之間形成一個空腔，其內(nèi)設(shè)置鋪設(shè)材料；應(yīng)變計設(shè)置在鋪設(shè)材料中；稱重傳感器和應(yīng)變計與數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)連接。
文檔編號G01N3/12GK103018106SQ201210491050
公開日2013年4月3日 申請日期2012年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月27日
發(fā)明者王家臣, 楊勝利, 林力, 李小萌, 王兆會 申請人:中國礦業(yè)大學(xué)(北京)