一种采矿全过程及采空塌陷区地基稳定性试验装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种采矿全过程及采空塌陷区地基稳定性试验装置及方法，其技术方案为：包括模型槽，模型槽内部用于填筑地基土相似填料；所述模型槽连接于支撑架内侧，支撑架顶部安装高度可调的反力横梁，所述反力横梁连接淋砂装置或加载装置；所述模型槽底部设置填砂回收装置；其中，模型槽底部设置若干支撑板，多个相邻的支撑板连接在一起且底部安装电动升降杆，通过电动升降杆控制支撑板升降以实现地基隆起或沉降模拟。本发明专利技术实现了对整个采空区及其周围地基土在矿物开采和采空区受荷过程中的地基位移实时监测，能够实现对地震荷载等引起的采空区底部不均匀沉降对上部路基土和地表影响的试验模拟。

【技术实现步骤摘要】
一种采矿全过程及采空塌陷区地基稳定性试验装置及方法
本专利技术涉及采矿工程领域，尤其涉及一种采矿全过程及采空塌陷区地基稳定性试验装置及方法。
技术介绍
我国是矿产资源大国，种类丰富且分布广泛。随着经济的不断发展，对矿产资源的需求量也在不断增加。除少量属于露天矿外，大部分矿产资源特别是储量丰富的煤炭资源位于地下，且具有深度范围跨度大、赋存地质环境较为复杂的特点。在矿产开采过程中，由于地应力的突然释放，采空区顶部地基发生沉降变形，特别是对于地层较破碎区域，如果支护不及时，容易诱发坍塌事故。此外，在矿产开采后，地下存在大量的空洞、离层、裂缝及欠压密现象，在各种内外因素影响下，如地下水侵蚀作用，地面构筑物(如建筑、道路工程)引起的附加荷载、残留煤柱的风化等，地基及地表将产生严重的沉降变形，内部应力重新分布，严重威胁上方构筑物的安全使用，影响居民正常生活和安全生产。因此开展矿物开采过程中和采后采空区地基稳定性研究对于掌握其灾变机理、指导采空区加固方案设计、具有优化施工方案等具有重要的参考价值。模型试验因具有直观性强、易操控、成本低、解决现场试验不可逆性等优势，已在采矿工程中特别是采空区的研究中得到了广泛的应用。尽管目前采空区研究常用试验装置能够实现对地基变形和应力的监测，但仍然存在以下问题需要解决：首先，现有装置大都针对于采后采空区范围内地基稳定性研究，矿产开采过程中地基变形和稳定性研究较少；其次，虽然目前采空区变形监测使用了可视化模型槽结合拍照技术，但无法获得整个观测窗范围内地基土的连续变形监测；此外，针对于地基填筑过程中采空区的支护，常采用橡胶气垫作为采空区临时支撑，但由于气垫属于柔性材料，不可避免的产生不规则变形，与周围地基填料模量不协调，使得采空区容易产生初始变形，再有目前试验装置底部为固定约束，无法实现采空区底部不均匀沉降模拟。
技术实现思路
针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的是提供一种采矿全过程及采空塌陷区地基稳定性试验装置及方法，实现了对整个采空区及其周围地基土在矿物开采和采空区受荷过程中的地基位移实时监测，能够实现对地震荷载等引起的采空区底部不均匀沉降对上部路基土和地表影响的试验模拟。为了实现上述目的，本专利技术是通过如下的技术方案来实现：第一方面，本专利技术的实施例提供了一种采矿全过程及采空塌陷区地基稳定性试验装置，包括模型槽，模型槽内部用于填筑地基土相似填料；所述模型槽连接于支撑架内侧，支撑架顶部安装高度可调的反力横梁，所述反力横梁连接淋砂装置或加载装置；所述模型槽底部设置填砂回收装置；其中，模型槽底部设置若干支撑板，多个相邻的支撑板连接在一起且底部安装电动升降杆，通过电动升降杆控制支撑板升降以实现地基隆起或沉降模拟。作为进一步的实现方式，所述支撑板底部安装法兰，法兰之间通过连接梁相连；通过连接梁连接支撑板的个数调整地基沉降或隆起范围。作为进一步的实现方式，所述填砂回收装置包括漏砂管、与漏砂管相连的集砂箱，漏砂管垂直穿过模型槽，集砂箱位于模型槽下方。作为进一步的实现方式，所述漏砂管延伸至采空区，且漏砂管的延伸端连接梯形接头；漏砂管与集砂箱相连的一端安装开关。作为进一步的实现方式，所述淋砂装置包括装砂漏斗、透明软管、淋砂管，装砂漏斗通过梯形接头连接透明软管的一端，透明软管的另一端通过梯形接头连接淋砂管，所述淋砂管连接拐弯接头。作为进一步的实现方式，所述淋砂管与拐弯接头之间安装若干漏砂板，装砂漏斗与梯形接头之间安装阀门。作为进一步的实现方式，所述加载装置包括伺服千斤顶、压力分散装置和承压板，压力分散装置设置于伺服千斤顶与承压板之间。作为进一步的实现方式，所述伺服千斤顶安装有压力传感器，进行加载试验时，地基土相似填料内设有土压力计。作为进一步的实现方式，所述模型槽的前后两侧采用钢化玻璃，前侧的钢化玻璃设置有若干行参考点。第二方面，本专利技术实施例还提供了一种采矿全过程及采空塌陷区地基稳定性试验方法，采用所述的试验装置，包括：确定采空区形状，结合相似比设计确定采空区尺寸和埋深；确定地基土相似填料的模量、相似材料配合比设计和采空区内淋砂密实度；安装试验装置；关闭开关，同时放置集砂箱；向模型槽内填筑地基相似土填料至采空区底部，并安装土压力计；根据采空区形状架设采空区模板并采用临时支撑固定在前后钢化玻璃；填筑采空区顶部填料，根据设计位置安装土压力计，当顶部填料达到设定强度之后，拆除临时支撑和模板；采用淋砂装置向采空区内淋砂，直至充满整个采空区；继续填筑地基土填料至设计高度；安装数码相机和补光灯并调整位置、焦距和补光强度，连接土压力采集系统，启动拍照开关和土压力采集系统，打开开关；待采空区填砂全部漏完后，将反力横梁调整至加载高度，安装加载装置，启动应力采集系统，进行竖向加载；如果模拟地震引起的不均匀沉降试验工况，预先设计沉降或隆起范围，打开电动升降杆使支撑板达到设计沉降或隆起量，同时监测地基土位移和内部应力数据；采用DIC软件处理采集照片，获取加载过程中地基土位移和应变变化。上述本专利技术的实施例的有益效果如下：(1)本专利技术的一个或多个实施方式通过在采空区内填筑砂填料，并安装土压力计，实现了对矿物开采过程的全过程模拟和地基土变形、土压力实时监测。(2)本专利技术的一个或多个实施方式通过设置淋砂装置，实现了采空区内部填料与地基土模量的匹配设计，解决了目前采用气囊用作采空区临时支撑容易产生地基不均匀沉降的问题。(3)本专利技术的一个或多个实施方式通过电动升降杆带动支撑板上下移动，实现了对地震荷载等引起的采空区底部不均匀沉降对上部路基土和地表影响的试验模拟。(4)本专利技术的一个或多个实施方式采用DIC数据处理软件，实现了对整个采空区及其周围地基土在矿物开采和采空区受荷过程中的地基位移实时监测。附图说明构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。图1是本专利技术根据一个或多个实施方式安装淋砂装置的结构示意图；图2是本专利技术根据一个或多个实施方式的安装加载装置的结构示意图；其中，1、反力横梁，2、吊装装置，3、装砂漏斗，4、阀门，5、梯形接头，6、透明软管，7、淋砂管，8、漏砂板，9、拐弯接头，10、竖梁，11、框架，12、连接构件，13、参考点，14、采空区，15、漏砂管，16、开关，17、集砂箱，18、电动升降杆，19、支撑板，20、法兰，21、地基土相似填料，22、底梁，23、土压力计，24、伺服千斤顶，25、压力传感器，26、压力分散装置，27、承压板。具体实施方式应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种采矿全过程及采空塌陷区地基稳定性试验装置，其特征在于，包括模型槽，模型槽内部用于填筑地基土相似填料；所述模型槽连接于支撑架内侧，支撑架顶部安装高度可调的反力横梁，所述反力横梁连接淋砂装置或加载装置；所述模型槽底部设置填砂回收装置；/n其中，模型槽底部设置若干支撑板，多个相邻的支撑板连接在一起且底部安装电动升降杆，通过电动升降杆控制支撑板升降以实现地基隆起或沉降模拟。/n

【技术特征摘要】
1.一种采矿全过程及采空塌陷区地基稳定性试验装置，其特征在于，包括模型槽，模型槽内部用于填筑地基土相似填料；所述模型槽连接于支撑架内侧，支撑架顶部安装高度可调的反力横梁，所述反力横梁连接淋砂装置或加载装置；所述模型槽底部设置填砂回收装置；
其中，模型槽底部设置若干支撑板，多个相邻的支撑板连接在一起且底部安装电动升降杆，通过电动升降杆控制支撑板升降以实现地基隆起或沉降模拟。


2.根据权利要求1所述的一种采矿全过程及采空塌陷区地基稳定性试验装置，其特征在于，所述支撑板底部安装法兰，法兰之间通过连接梁相连；通过连接梁连接支撑板的个数调整地基沉降或隆起范围。


3.根据权利要求1所述的一种采矿全过程及采空塌陷区地基稳定性试验装置，其特征在于，所述填砂回收装置包括漏砂管、与漏砂管相连的集砂箱，漏砂管垂直穿过模型槽，集砂箱位于模型槽下方。


4.根据权利要求3所述的一种采矿全过程及采空塌陷区地基稳定性试验装置，其特征在于，所述漏砂管延伸至采空区，且漏砂管的延伸端连接梯形接头；漏砂管与集砂箱相连的一端安装开关。


5.根据权利要求1所述的一种采矿全过程及采空塌陷区地基稳定性试验装置，其特征在于，所述淋砂装置包括装砂漏斗、透明软管、淋砂管，装砂漏斗通过梯形接头连接透明软管的一端，透明软管的另一端通过梯形接头连接淋砂管，所述淋砂管连接拐弯接头。


6.根据权利要求5所述的一种采矿全过程及采空塌陷区地基稳定性试验装置，其特征在于，所述淋砂管与拐弯接头之间安装若干漏砂板，装砂漏斗与梯形接头之间安装阀门。


7.根据权利要求1所述的一种采矿全过程及采空塌陷区地基稳定性试验装置，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋修广，李怀剑，庄培芝，程俊伟，岳红亚，孔令弟，崔文杰，杨功增，杨鹤，张建亮，
申请(专利权)人：山东大学，山东高速岚临高速公路有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37