一种模拟顶板岩梁破断的试验装置及试验方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种模拟顶板岩梁破断的试验装置及试验方法，涉及岩石力学技术领域，试验装置包括试验箱、挡板、压板、滑轨、压头、监测机构和液压机构；挡板包括左挡板和右挡板，压头包括上压头、左压头和右压头，监测机构包括压力传感器、位移传感器和三维数字散斑监测仪；试验箱的上部和左右两侧分别设置有压头，其中左压头和右压头沿滑轨上下移动，左压头和右压头穿过挡板压设在压板上；试验箱底部设置有试验台底座，左挡板和右挡板分别固定在试验台底座的两侧，实验体放置在试验台底座上；以及利用该装置进行顶板岩梁破断模拟试验的方法，解决了顶板岩梁破断模拟试验与实际偏差较大的技术问题，还具有操作简便，模拟范围广等优点。

A Test Device and Method for Simulating Roof Rock Beam Breakage

The invention provides a test device and a test method for simulating roof rock beam breakage, which relates to the technical field of rock mechanics. The test device includes test box, baffle, pressure plate, slide rail, pressure head, monitoring mechanism and hydraulic mechanism; baffle includes left baffle and right baffle, pressure head includes upper pressure head, left pressure head and right pressure head, and monitoring mechanism includes pressure sensor, displacement sensor and hydraulic mechanism. Three-dimensional digital speckle monitor; the upper and left sides of the test box are respectively equipped with pressure heads, in which the left and right pressure heads move up and down along the slide rail, and the left and right pressure heads pass through the baffle and are pressed on the pressure plate; the bottom of the test box is equipped with a test bed base, the left and right baffles are fixed on both sides of the test bed base, and the test body is placed on the test bed base and utilized. The method of simulation test of roof rock beam breakage by this device solves the technical problem that the simulation test of roof rock beam breakage deviates greatly from the actual situation. It also has the advantages of simple operation and wide simulation range.

【技术实现步骤摘要】
一种模拟顶板岩梁破断的试验装置及试验方法
本专利技术涉及岩石力学
，尤其是一种用于模拟顶板岩梁破断的试验装置以及利用该装置进行顶板岩梁破断模拟试验的方法。
技术介绍
在煤矿开采过程中，随着开采深度和开采强度的不断增大，尤其是在地质复杂条件下的开采，开采过程中遇到的问题不断增多，其中顶板控制问题一直是煤矿开采的重点问题，为研究开采过程的顶板问题，相似材料模拟试验是该领域研究顶板问题的重要手段。目前，顶板岩梁破断的研究多采用相似材料模拟试验，但是相似材料模拟试验相似比的确定难度较大，并且模型的模拟结果和实际地质条件下的数据差异较大，另外相似材料在制作过程中需要堆积和风干，试验周期较长。还有运用真实的顶板岩梁进行相似材料模拟，而底板和煤层仍采用相似材料，以此研究煤层开采对顶板的影响，这种实际顶板和相似材料结合的方法试验的准确性仍然有待提高。在相似材料模拟中大多采用应力采集探头进行应力分布的监测，位移采用全站仪监测，这种应力和位移的监测方法精度不高，并且容易受到人为干扰，从而造成试验误差。此外顶板岩梁破断模拟试验中忽略了侧压的影响，使用压头加压也难以保证加载的载荷是否均布。为了研究不同采高、不同跨度和不同采深条件下顶板岩梁的变形、应力及破断特征，为矿井开采施工提供理论依据，需要对现有的岩石力学试验设备作进一步的改进，并优化顶板岩梁破断试验的方法。
技术实现思路
为解决顶板岩梁破断模拟试验与实际偏差较大的技术问题，本专利技术提供了一种模拟顶板岩梁破断的试验装置及试验方法，具体技术方案如下。一种模拟顶板岩梁破断的试验装置，包括试验箱、挡板、压板、滑轨、压头、监测机构和液压机构；所述挡板包括左挡板、右挡板、前挡板和后挡板，压头包括上压头、左压头和右压头，压板包括上压板、左压板和右压板，监测机构包括压力传感器、位移传感器和三维数字散斑监测仪；所述试验箱的上部和左右两侧分别设置有压头，其中左压头和右压头沿滑轨上下移动，左压头和右压头穿过挡板压设在压板上；所述试验箱底部设置有试验台底座，左挡板和右挡板分别固定在试验台底座的两侧，实验体放置在试验台底座上。优选的是，实验体包括顶板层、底板层、均压水囊、煤层和煤层水囊，实验体的上方设置有上压板；所述上压板下方布置有均压水囊，均压水囊下方布置有顶板层，顶板层下方布置有煤层和煤层水囊，煤层下方布置有底板层；煤层和煤层水囊并列间隔布置。还优选的是，试验台底座的前方设置有前挡板，试验台底座的后方设置有后挡板；后挡板上设置有导水孔，前挡板和后挡板上均设置有固定槽钢。还优选的是，左压板和右压板随压头左右移动，上压头沿试验箱上部设置的滑轨移动；左挡板和右挡板的侧面设置有安装孔，前挡板和后挡板的左右两边上设置有安装孔。左挡板、右挡板和压板使用钢材制作而成，前挡板和后挡板使用透明亚克力板制作而成，均压水囊上设置有压力表。一种模拟顶板岩梁破断的试验方法，利用上述模拟顶板岩梁破断的试验装置，步骤包括：A.组装固定试验箱和试验台底座，放置压板并调节压头位置；B.根据矿井煤层条件和试验箱尺寸确定顶板层、底板层和煤层的试件尺寸；C.制备顶板层、底板层和煤层的模拟试件，包括测量模拟试件和表面磨平；D.在试验台底座上先铺设底板层；再铺设煤层和煤层水囊，煤层水囊注水至高度和煤层齐平；在煤层和顶板层之间设置应变片，然后在煤层上方铺设顶板层；最后在顶板层上方铺设均压水囊并充水；E.在均压水囊上方设置上压板，在实验体表面喷涂数字散斑测点；F.安装前挡板和后挡板，将煤层水囊和均压水囊的导水管穿过后挡板上的导水孔，然后安装固定槽钢加固前挡板和后挡板；G.根据埋深和测压系数计算确定上压头、左压头和右压头需要施加的压力，通过液压机构加压；H.通过煤层水囊的导水管给煤层水囊放水，期间记录顶板的应力和应变监测数据。优选的是，煤层利用煤块试件制作而成；煤层水囊和煤层的高度根据实际煤层的高度确定，煤层水囊的宽度根据煤层工作面的宽度确定。优选的是，步骤G中上压头、左压头和右压头需要施加的压力根据矿井实际地质条件计算，所述上压头需要提供压力的计算包括，计算上覆岩层压强P＝ρgh，其中ρ为上覆岩层的平均密度，g为重力加速度，h为埋深；上压头提供的力F上＝P×S上，其中S上为顶板上表面的面积；所述左压头和右压头需要提供压力的计算包括，计算测压系数λ的取值范围其中左压头压力F左和右压头压力F右，其中F左＝F右＝P×S侧×λ，其中S侧为实验体左右两侧的侧面积。本专利技术的有益效果包括：(1)本专利技术提供的模拟顶板岩梁破断的试验装置，通过设置挡板和压板保证了结构整体的稳定和牢固，利用左压头和右压头为实验体提供侧压从而保证模拟的准确性，利用实际的顶板、底板和煤层岩石取样试件进行试验，不需要考虑相似比，并且试验简便，缩短的实验周期，保证了试验结果和实际情况相吻合。(2)本专利技术利用煤层水囊替代开挖的煤体，煤层水囊通过放水完成开挖，简化了煤层开挖步骤，避免了手动挖动煤层对顶板造成的影响，从而减小试验误差，另外在顶板上部使用均压水囊，从而能够保证对顶板施加均布载荷。(3)提供了一种模拟顶板岩梁破断的试验方法，使用不同尺寸的水囊可以模拟不同采高和采宽的情况下顶板岩梁破断规律，试验压头可以沿轨道移动，从而方便对不同尺寸的实验体进行加载；利用压力传感器、位移传感器和三维数字散斑监测仪监测顶板的应力和位移变化，监测结构更加准确。另外，本专利技术还具有操作简便，模拟范围广，试验参数调节灵活等优点。附图说明图1是模拟顶板岩梁破断的试验装置结构示意图；图2是实验体铺设结构示意图；图3是试验箱结构示意图；图4是前挡板和后挡板结构示意图；图5是固定槽钢安装结构示意图；图6是左挡板和右挡板结构示意图；图中：1-试验箱；11-试验台底座；2-挡板；21-左挡板；22-右挡板；23-前挡板；24-后挡板；25-安装孔；26-固定槽钢；27-导水孔；3-压板；31-上压板；32-左压板；33-右压板；4-滑轨；5-压头；51-上压头；52-左压头；53-右压头；6-监测机构；7-液压机构；8-实验体；81-顶板层；82-底板层；83-均压水囊；84-煤层；85-煤层水囊。具体实施方式结合图1至图6所示，本专利技术提供的一种模拟顶板岩梁破断的试验装置及试验方法，具体实施方式如下。实施例1为解决顶板岩梁破断模拟试验与实际偏差较大的技术问题，本专利技术提供了一种模拟顶板岩梁破断的试验装置及试验方法，具体技术方案如下。一种模拟顶板岩梁破断的试验装置，包括试验箱1、挡板2、压板3、滑轨4、压头5、监测机构6和液压机构7，试验箱1是试验装置的外部框架，挡板2和压板3分别设置在实验体8的表面，滑轨和压头相互配合，带动压头移动，从而适应不同尺寸的实验体，监测机构6用于监测顶板应力应变，液压机构7用于控制压头调整应力加载。挡板2包括左挡板21、右挡板22、前挡板23和后挡板24，利用挡板2包裹实验体8，从而保证实验体8和装置整体结构的稳定和牢固；压头5包括上压头51、左压头52和右压头53，从而能够施加侧压，使试验结果更接近工程实际；压板3包括上压板31、左压板32和右压板33，压头5通过压板3施加压力保证了压力的均匀施加；监测机构6包括压力传感器、位移传感器和三维数字散斑监测仪，利用应变片和三维数字散斑监本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种模拟顶板岩梁破断的试验装置，其特征在于，包括试验箱、挡板、压板、滑轨、压头、监测机构和液压机构；所述挡板包括左挡板、右挡板、前挡板和后挡板，压头包括上压头、左压头和右压头，压板包括上压板、左压板和右压板，监测机构包括压力传感器、位移传感器和三维数字散斑监测仪；所述试验箱的上部和左右两侧分别设置有压头，其中左压头和右压头沿滑轨上下移动，左压头和右压头穿过挡板压设在压板上；所述试验箱底部设置有试验台底座，左挡板和右挡板分别固定在试验台底座的两侧，实验体放置在试验台底座上。

【技术特征摘要】
1.一种模拟顶板岩梁破断的试验装置，其特征在于，包括试验箱、挡板、压板、滑轨、压头、监测机构和液压机构；所述挡板包括左挡板、右挡板、前挡板和后挡板，压头包括上压头、左压头和右压头，压板包括上压板、左压板和右压板，监测机构包括压力传感器、位移传感器和三维数字散斑监测仪；所述试验箱的上部和左右两侧分别设置有压头，其中左压头和右压头沿滑轨上下移动，左压头和右压头穿过挡板压设在压板上；所述试验箱底部设置有试验台底座，左挡板和右挡板分别固定在试验台底座的两侧，实验体放置在试验台底座上。2.根据权利要求1所述的一种模拟顶板岩梁破断的试验装置，其特征在于，所述实验体包括顶板层、底板层、均压水囊、煤层和煤层水囊，实验体的上方设置有上压板；所述上压板下方布置有均压水囊，均压水囊下方布置有顶板层，顶板层下方布置有煤层和煤层水囊，煤层下方布置有底板层；所述煤层和煤层水囊并列间隔布置。3.根据权利要求1所述的一种模拟顶板岩梁破断的试验装置，其特征在于，所述试验台底座的前方设置有前挡板，试验台底座的后方设置有后挡板；所述后挡板上设置有导水孔，前挡板和后挡板上均设置有固定槽钢。4.根据权利要求1所述的一种模拟顶板岩梁破断的试验装置，其特征在于，所述左压板和右压板随压头左右移动，所述上压头沿试验箱上部设置的滑轨移动；所述左挡板和右挡板的侧面设置有安装孔，所述前挡板和后挡板的左右两边上设置有安装孔。5.根据权利要求4所述的一种模拟顶板岩梁破断的试验装置，其特征在于，所述左挡板、右挡板和压板使用钢材制作而成，所述前挡板和后挡板使用透明亚克力板制作而成，所述均压水囊上设置有压力表。6.一种模拟顶板岩梁破断的试验方法，利用权利要求1至5任...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵增辉，高晓杰，马庆，孙伟，张明忠，陈绍杰，王清标，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：山东,37