本发明专利技术提供一种煤岩层底板承压水反力模拟实验装置及方法，装置：包括底部支撑机构、主架机构和自由承压水加载机构；主架机构由左侧竖梁、右侧竖梁和多对护墙板组成；自由承压水加载机构由基座梁、管箍梁、多个千斤顶、多个套板、多个垫板、多根弹簧、分流器和液压泵组成；多个千斤顶通过管箍梁设置在基座梁的上方；多根弹簧分别套设在千斤顶的外部，且上端和下端分别与连接在千斤顶顶端的套板和管箍梁抵接；液压泵通过分流器与多个千斤顶连接。方法：确定弹簧数量及应力；选择压缩量合适的弹簧；布置千斤顶；组装弹簧和套板；进行搭建；进行实验。该装置及方法可以实现对底板承压水压力和承水压力对底板隆起效应的精准模拟。承水压力对底板隆起效应的精准模拟。承水压力对底板隆起效应的精准模拟。
【技术实现步骤摘要】
一种煤岩层底板承压水反力模拟实验装置及方法
[0001]本专利技术属于地下工程的模拟装置实验
，具体是一种煤岩层底板承压水反力模拟实验装置及方法。
技术介绍
[0002]由于煤炭地质构造复杂，进行现场实验会花费大量的财力物力，物理模拟实验是一种可以客观、直接反映物理现象的研究手段，广泛的应用于矿业、水利、地质等诸多领域。通过观察开挖过程所引起的沉降、坍塌、变形，可以得到问题的本质与机理。
[0003]相似模拟实验通过相似材料模拟地层地质条件，按照一定比例的呈现在实验模型上。通过分析实验现象，从而认识现场可能发生的问题，进而先一步得到问题发生的机理。
[0004]采煤工作下经常会经过一些含承压水煤层底板，掘进时所产生的扰动破坏会极大的影响周围岩体的赋存状态，导致煤层周围的裂隙发展，当裂隙与含水层相接触时，就会形成突水管道，地下水涌入巷道，造成煤炭突水灾害，极大的威胁工人安全，造成不可估计的财产损失。因此需要对含承压水底板在采动破坏下破坏深度进行研究，进而为煤炭安全开采设计提供理论支持。
[0005]目前，对于底板承压水的模拟有多种方式，如采用向橡胶袋中注水模拟含水层、直接采用流固耦合材料进行承压水实验，或者在试验台底部安装弹簧组模拟承压含水层。但在这几种方法中，总有诸多因素影响作用下，与实际模拟环境相背离，结果相差甚远，或只能模拟形象而不能按照真实的水压力反力进行真实的模拟。承压水袋、气袋制作不易，且压力较难控制，水袋、气袋容易破损，危害实验员生命安全，无法实现开采后承压水导升而造成的局部水压力降低，另外底板下含水层层对其煤岩层底板所施加的力包括孔隙水压力和有效应力。直接采用流固耦合材料进行试验对相似模拟材料及实验系统的密封性要求较高，不易于操作。采用纯弹簧的设计装置，不易控制弹簧压力，弹簧压力主要是由顶板所施加的覆岩上部压力所决定的，不能模拟真实水压力大小，并且，而且过量压缩弹簧，随着煤层开采，弹簧回弹容易使其对煤层底板严重的底鼓，限制其覆岩层的垮落，与真实环境模拟相背离。采用纯千斤顶的装置可以很好的控制位移大小，但也存在类似问题，堆载后千斤顶的升高量不易控制，极难精准控制应力，实验操作复杂，操作不当容易使整个实验失败。
[0006]相对而言，采用弹簧与千斤顶的新型组合装置模拟承压含水层既能模拟承压水对底板的垂直荷载，又能实现承压水在底板岩体因采动卸压后变形隆起、破裂而造成局部水压降低的效果，模拟含水层对其底板作用的有效应力(千斤顶)和孔隙水压力(弹簧)，但由于弹簧压缩量越大所提供的反力也越大，如何精准控制弹簧的压缩量，使其提供的反力满足相似理论，是承压水加载系统的关键问题。
技术实现思路
[0007]针对上述现有技术存在的问题，本专利技术提供一种煤岩层底板承压水反力模拟实验装置及方法，该装置具有结构合理，制作成本低，变形可控性好，应力精准等特点，易于实现
承压水作用下煤层底板的破坏的相似模拟实验，有利于精确模拟含水层对其底板作用的有效应力和孔隙水压力。该方法步骤简单、实施成本低，可以实现对底板承压水压力和承水压力对底板隆起效应的精准模拟。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术提供一种煤岩层底板承压水反力模拟实验装置，包括底部支撑机构、主架机构和自由承压水加载机构；
[0009]所述底部支撑机构由底部支撑架和沿长度方向固定连接在底部支撑架上端的多个支柱组成；
[0010]所述主架机构由左侧竖梁、右侧竖梁和多对护墙板组成；所述左侧竖梁和右侧竖梁左右相对的固定连接在底部支撑架的左端和右端上部；多对护墙板均横向的设置，且纵向相邻接的设置，且每对护墙板相对的固定连接在左侧竖梁和右侧竖梁的前侧之间和后侧之间；
[0011]所述自由承压水加载机构由基座梁、管箍梁、多个千斤顶、多个套板、多个垫板、多根弹簧、分流器和液压泵组成；所述基座梁由槽口朝上的槽钢制成，且横向的设置在左侧竖梁和右侧竖梁之间的下部，其下端分别与多个支柱的上端固定连接，其左右两端分别与左侧竖梁和右侧竖梁固定连接；所述管箍梁由槽口朝下的槽钢制成，管箍梁的腹板上沿长度方向均匀的开设有多个安装孔，且其前侧的翼板下部沿长度方向均匀的开设有呈长方形的多个缺口；管箍梁横向的设置在基座梁槽口的内部，且其槽口端与基座梁的腹板固定连接，多个缺口位于基座梁上端的部分形成多个方形通口；多个千斤顶分别对应多个安装孔的设置，且底座穿过安装孔后与基座梁固定连接；多个套板分别对应多个千斤顶的设置，所述套板由刚性支撑板和固定连接在刚性支撑板下表面中部的套环组成，套板通过套环固定套装在千斤顶顶头的外部；多个垫板分别对应多个套板的设置，且垫板的尺寸与刚性支撑板的尺寸相同，并覆盖在刚性支撑板的上表面；多根弹簧分别对应多个千斤顶的设置，弹簧套设在千斤顶的外部，且上端和下端分别与刚性支撑板的下端面和管箍梁中腹板的上端面相抵接；所述分流器的多个出油口分别与多根高压管路的进油口连接，多根高压管路的出油口通过多个方形通口进入管箍梁的内部并分别与多个千斤顶的工作油口连接；所述液压泵通过供油管路与分流器的进油口连接。
[0012]所述底部支撑架由底部横梁、两根底部纵梁和两对斜拉杆组成，两根底部纵梁相对的固定连接在底部横梁的左右两端；一对斜拉杆位于左侧竖梁下端的前后两侧，且上端分别与左侧竖梁的前后两侧固定连接，下端分别与左侧的底部纵梁的前后两侧固定连接；另一对斜拉杆位于右侧竖梁下端的前后两侧，且上端分别与右侧竖梁的前后两侧固定连接，下端分别与右侧的底部纵梁的前后两侧固定连接。
[0013]作为一种优选，所述液压泵为手动液压泵或电动液压泵。
[0014]作为一种优选，所述垫板由尼龙或橡胶或塑料材料制成。
[0015]进一步，为了方便连接和拆除，所述护墙板由腹板两端开设有圆孔的槽钢制成，且通过穿过圆孔的螺栓固定连接在左侧竖梁和右侧竖梁上。
[0016]本装置中，通过在底部支撑机构上安装基座梁，并通过管箍梁安装多个千斤顶，能提供稳定的承载支撑；通过在多个千斤顶顶部对应的连接多个套板，可以形成承载地质相似模型的底梁板；通过主架系统中多对护墙板与左右侧竖梁的连接，可以在多个套板上方形成相似模型的填充区域，进而能方便填充物从底板梁从下向上堆积。使液压泵通过分流
器分别连接多个千斤顶，能分别控制各个千斤顶的伸缩量。通过在千斤顶上套设弹簧，可以通过千斤顶模拟含水层对其底板作用的有效应力，同时，可以通过弹簧模拟含水层对其底板作用的孔隙水压力，进而该装置不仅可以精准的模拟煤层底板承压水反力，而且可以根据现场实际水压的不同，对模型中不同水压进行精准模拟预计反力，并且可以在一定条件下继续施加荷载，从而可以模拟底板有效隔水层从微裂隙产生、裂隙扩展到完全破环的全过程，有利于寻找出其极限水压力值。该装置结构合理，制作简单，使用过程方便且安全，同时，其在模拟过程中具有变形可控、应力精准等特点，易于实现承压水作用下煤层底板的破坏的相似模拟实验。该装置不仅可以模拟煤层，还可以模拟岩层、金属矿、半煤岩层、巷道、隧道、地铁等一切地下工程。
[001本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种煤岩层底板承压水反力模拟实验装置，包括底部支撑机构，其特征在于，还包括主架机构和自由承压水加载机构；所述底部支撑机构由底部支撑架(16)和沿长度方向固定连接在底部支撑架(16)上端的多个支柱(12)组成；所述主架机构由左侧竖梁(1)、右侧竖梁(2)和多对护墙板(3)组成；所述左侧竖梁(1)和右侧竖梁(2)左右相对的固定连接在底部支撑架(16)的左端和右端上部；多对护墙板(3)均横向的设置，且纵向相邻接的设置，且每对护墙板(3)相对的固定连接在左侧竖梁(1)和右侧竖梁(2)的前侧之间和后侧之间；所述自由承压水加载机构由基座梁(8)、管箍梁(9)、多个千斤顶(5)、多个套板(7)、多个垫板(4)、多根弹簧(6)、分流器(10)和液压泵(11)组成；所述基座梁(8)由槽口朝上的槽钢制成，且横向的设置在左侧竖梁(1)和右侧竖梁(2)之间的下部，其下端分别与多个支柱(12)的上端固定连接，其左右两端分别与左侧竖梁(1)和右侧竖梁(2)固定连接；所述管箍梁(9)由槽口朝下的槽钢制成，管箍梁(9)的腹板上沿长度方向均匀的开设有多个安装孔(17)，且其前侧的翼板下部沿长度方向均匀的开设有呈长方形的多个缺口(18)；管箍梁(9)横向的设置在基座梁(8)槽口的内部，且其槽口端与基座梁(8)的腹板固定连接，多个缺口(18)位于基座梁(8)上端的部分形成多个方形通口(19)；多个千斤顶(5)分别对应多个安装孔(17)的设置，且底座穿过安装孔(17)后与基座梁(8)固定连接；多个套板(7)分别对应多个千斤顶(5)的设置，所述套板(7)由刚性支撑板(20)和固定连接在刚性支撑板(20)下表面中部的套环(21)组成，套板(7)通过套环(21)固定套装在千斤顶(5)顶头的外部；多个垫板(4)分别对应多个套板(7)的设置，且垫板(4)的尺寸与刚性支撑板(20)的尺寸相同，并覆盖在刚性支撑板(20)的上表面；多根弹簧(6)分别对应多个千斤顶(5)的设置，弹簧(6)套设在千斤顶(5)的外部，且上端和下端分别与刚性支撑板(20)的下端面和管箍梁(9)中腹板的上端面相抵接；所述分流器(10)的多个出油口分别与多根高压管路(22)的进油口连接，多根高压管路(22)的出油口通过多个方形通口(19)进入管箍梁(9)的内部并分别与多个千斤顶(5)的工作油口连接；所述液压泵(11)通过供油管路(23)与分流器(10)的进油口连接。2.根据权利要求1所述的一种煤岩层底板承压水反力模拟实验装置，其特征在于，所述底部支撑架(16)由底部横梁(13)、两根底部纵梁(15)和两对斜拉杆(14)组成，两根底部纵梁(15)相对的固定连接在底部横梁(13)的左右两端；一对斜拉杆(14)位于左侧竖梁(1)下端的前后两侧，且上端分别与左侧竖梁(1)的前后两侧固定连接，下端分别与左侧的底部纵梁(15)的前后两侧固定连接；另一对斜拉杆(14)位于右侧竖梁(2)下端的前后两侧，且上端分别与右侧竖梁(2)的前后两侧固定连接，下端分别与右侧的底部纵梁(15)的前后两侧固定连接...
【专利技术属性】
技术研发人员：董书宁，姬亚东，李昂，王世东，李远谋，张文忠，穆鹏飞，丁学松，马强，杨宇轩，纪丙楠，周永根，高帅，
申请(专利权)人：西安科技大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。