双向角度可调的三维物理相似模拟实验平台及其实验方法技术

一种双向角度可调的三维物理相似模拟实验平台及其实验方法，包括底座、支撑框架、竖向支架和实验框架，旋转驱动机构带动实验框架在支撑框架上旋转运动，从而改变实验框架在支撑框架上的旋转角度以模拟采煤工作面的伪斜角度；底座上设有水平滑动导向装置，竖向支架上设有竖向滑动导向装置，升降驱动机构与支撑框架传动连接以带动支撑框架在水平滑动导向装置和竖向滑动导向装置的导向下运动，从而实现改变实验框架在底座上的倾角以模拟采煤工作面的真倾角；方向框体内设有若干应力传感器机构，通过调整应力传感器机构的高度实现模拟煤层。本发明专利技术可模拟0

【技术实现步骤摘要】
双向角度可调的三维物理相似模拟实验平台及其实验方法


[0001]本专利技术涉及采矿工程、岩土工程技术的实验测试领域，具体涉及一种双向角度可调的三维物理相似模拟实验平台及其实验方法。

技术介绍

[0002]在采矿工程和岩土工程的地下施工现场中，由于其现场环境复杂，不确定性因素多，导致难以对施工现场整体进行技术分析，达到安全、高效生产的目的。而物理相似模拟实验可有效地对现场整体情况进行模拟，通过因素演化的方法来得出结论。然而，现有技术的物理相似模拟实验平台大多只能模拟水平或近水平煤层(岩层)，由于模拟材料和监测手段限制，使得其对材料内部变形、应力参数、采场空间围岩结构的研究存在问题。
[0003]特别是，当煤层有一定倾角且伪斜开采时，围岩变形破坏规律模拟大多采用简化模型模拟：或简化为近水平煤层开采，或将伪俯斜开采变为真倾斜等，上述方式无法真实还原实际生产条件，从而对围岩运移规律的研究结论针对性和准确性造成了一定的影响。

技术实现思路

[0004]基于此，本专利技术提供了一种双向角度可调的三维物理相似模拟实验平台及其实验方法，以解决现有技术的物理相似模拟实验平台无法真实还原实际生产条件，从而对围岩运移规律的研究结论针对性和准确性造成一定影响的技术问题。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了一种双向角度可调的三维物理相似模拟实验平台，其包括底座、支撑框架、竖向支架和实验框架，其中：
[0006]所述实验框架包括底盘和固定设置在所述底盘上的方向框体，所述底盘设置在所述支撑框架上并与所述支撑框架设置的旋转驱动机构传动连接，所述旋转驱动机构用于带动所述实验框架在所述支撑框架上旋转运动，从而改变实验框架在支撑框架上的旋转角度以模拟采煤工作面的伪斜角度；
[0007]所述竖向支架竖立在所述底座的一侧，所述底座上设有水平滑动导向装置，所述竖向支架上设有竖向滑动导向装置，所述支撑框架的前侧与所述水平滑动导向装置滑动配合，所述支撑框架的后侧与所述竖向滑动导向装置滑动配合，所述竖向支架上设有升降驱动机构，所述升降驱动机构与所述支撑框架传动连接以用于带动所述支撑框架在所述水平滑动导向装置和所述竖向滑动导向装置的导向下运动，从而实现改变实验框架在底座上的倾角以模拟采煤工作面的真倾角；
[0008]所述实验框架的方向框体内设有若干呈整列密布于所述底盘上的应力传感器机构，且每个所述应力传感器机构的顶面高度均可调，通过调整应力传感器机构的高度实现模拟煤层，所述应力传感器机构的底部设有朝上的观测孔，所述观测孔以用于实验中观测模拟煤层的状态。
[0009]作为本专利技术的进一步优选技术方案，所述竖向支架为龙门架结构，所述竖向支架通过两根立柱架设于所述底座的一侧，两根所述立柱的顶部连接有横梁；所述竖向滑动导
向装置包括两根平行的圆柱导杆，每根所述圆柱导杆各靠近一根所述立柱竖向设置，所述平滑动导向装置包括两根平行的滑轨，所述支撑框架的前侧通过滚轮与所述滑轨滑动配合，所述支撑框架的后侧通过滑轮与所述圆柱导杆滑动配合，且两根所述圆柱导杆和两根所述滑轨均位于所述支撑框架的左右两侧。
[0010]作为本专利技术的进一步优选技术方案，所述升降驱动机构包括电机和两根与所述电机传动连接的丝杠，两根所述丝杠竖向设置在所述竖向支架上，所述丝杠的螺母与所述支撑框架连接，所述电机在驱动所述丝杠的丝杆旋转时，从而带动所述支撑框架在所述水平滑动导向装置和所述竖向滑动导向装置的导向下运动。
[0011]作为本专利技术的进一步优选技术方案，所述底盘上贯穿设有与所述应力传感器机构的观测孔一一对应的圆孔，透过所述圆孔及观测孔以用于实验中观测模拟煤层的状态。
[0012]作为本专利技术的进一步优选技术方案，所述应力传感器机构包括底板、顶板、无线应力传感器、承载板、高度调节螺杆和锁紧螺杆，所述底板和所述顶板分别连接在所述高度调节螺杆的底部和顶部，所述无线应力传感器叠设在所述顶板的顶面，所述承载板叠设在所述无线应力传感器的顶面，所述观测孔设置在所述底板上，所述锁紧螺杆穿过所述观测孔和底盘上的圆孔以实现将所述应力传感器机构与所述底盘固定连接，通过拆掉所述锁紧螺杆后可用于实验中观测模拟煤层的状态。
[0013]作为本专利技术的进一步优选技术方案，所述高度调节螺杆的两侧各设有一套导向组件，所述导向组件包括套连配合的导向套和导向杆，所述导向套与所述底板连接，所述导向杆与所述顶板连接。
[0014]作为本专利技术的进一步优选技术方案，所述支撑框架与所述实验框架之间还设有锁止机构，所述锁止机构用于在旋转角度调节完成后将实验框架锁紧固定于支撑框架上。
[0015]根据本专利技术的另一方面，本专利技术还提供了一种双向角度可调的三维物理相似模拟实验平台的实验方法，其包括以下步骤：
[0016]1)将应力传感器机构固定安装在方向框体内并与底盘固定连接，在升降驱动机构的带动下对实验框架的倾角进行调整以使实验框架达到所需的真倾角，并在旋转驱动机构的带动下对实验框架在支撑框架上的旋转角度进行调整以使实验框架达到的所需的伪斜角度；
[0017]2)在应力传感器机构的顶面按照实验要求逐层铺设模拟煤层以上的模型材料以形成模型，模型铺设完成后自然风干；
[0018]3)待模型完全风干后，进行煤层开采的模拟，模型的四个边界至少留出20cm的保护煤柱，确定工作面开切眼的位置、巷道位置以及采区范围，利用模拟切割工具进行模拟采煤，从开切眼处沿着推进方向，按照预设的推进速度对应力传感器机构进行高度调节来模拟煤层的推进，应力传感器机构的高度降低之后顶面存在运移规律，以通过应力传感器机构中的观测孔来观察该区域顶板垮落规律。
[0019]作为本专利技术的进一步优选技术方案，步骤2)完成之后以及步骤3)执行之前，还包括以下步骤：
[0020]在实验开始前对模型需要模拟的静载荷进行计算，计算出上覆岩层的应力，等模型表面自然风干后在模型上方放置一块尺寸与模型顶面相当的垫板，再根据所算出的应力在垫板上放置相应重量的配重物来模拟上覆岩层的压力，其中采用的自重应力的计算公式
如下：
[0021]σ＝γH
[0022]式中，σ为上覆岩层自重应力，γ为岩体容重，H为上覆岩层厚度。
[0023]本专利技术的双向角度可调的三维物理相似模拟实验平台及其实验方法，相比于现有技术，实验平台能轻松完成近水平、缓倾斜煤层以及大倾角和部分极倾斜煤层的模拟实验，可模拟的倾斜角度为0
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60度，并且还可以模拟伪俯斜工作面，解决了在普通实验平台来建立伪俯斜工作面的难题，并且设计了贴合于该实验平台的可升降式应力传感器机构，通过应力传感器机构中预设的观测孔便于观测垮落顶板对支架的作用、采空区顶板破断空间尺寸以及垮落堆积形态等，并且有效简化了物理相似模拟实验的工序，而且有效提升了安全系数，提高了实验的科学性和可靠性，并可重复多次使用；另外，本专利技术满足了模拟实验相似的原则，极大提高了实验结果准确度，特别是可以很好解决传统模拟实验台倾角较难调整的问题。
附本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双向角度可调的三维物理相似模拟实验平台，其特征在于，包括底座、支撑框架、竖向支架和实验框架，其中：所述实验框架包括底盘和固定设置在所述底盘上的方向框体，所述底盘设置在所述支撑框架上并与所述支撑框架设置的旋转驱动机构传动连接，所述旋转驱动机构用于带动所述实验框架在所述支撑框架上旋转运动，从而改变实验框架在支撑框架上的旋转角度以模拟采煤工作面的伪斜角度；所述竖向支架竖立在所述底座的一侧，所述底座上设有水平滑动导向装置，所述竖向支架上设有竖向滑动导向装置，所述支撑框架的前侧与所述水平滑动导向装置滑动配合，所述支撑框架的后侧与所述竖向滑动导向装置滑动配合，所述竖向支架上设有升降驱动机构，所述升降驱动机构与所述支撑框架传动连接以用于带动所述支撑框架在所述水平滑动导向装置和所述竖向滑动导向装置的导向下运动，从而实现改变实验框架在底座上的倾角以模拟采煤工作面的真倾角；所述实验框架的方向框体内设有若干呈整列密布于所述底盘上的应力传感器机构，且每个所述应力传感器机构的顶面高度均可调，通过调整应力传感器机构的高度实现模拟煤层，所述应力传感器机构的底部设有朝上的观测孔，所述观测孔以用于实验中观测模拟煤层的状态。2.根据权利要求1所述的双向角度可调的三维物理相似模拟实验平台，其特征在于，所述竖向支架为龙门架结构，所述竖向支架通过两根立柱架设于所述底座的一侧，两根所述立柱的顶部连接有横梁；所述竖向滑动导向装置包括两根平行的圆柱导杆，每根所述圆柱导杆各靠近一根所述立柱竖向设置，所述平滑动导向装置包括两根平行的滑轨，所述支撑框架的前侧通过滚轮与所述滑轨滑动配合，所述支撑框架的后侧通过滑轮与所述圆柱导杆滑动配合，且两根所述圆柱导杆和两根所述滑轨均位于所述支撑框架的左右两侧。3.根据权利要求1所述的双向角度可调的三维物理相似模拟实验平台，其特征在于，所述升降驱动机构包括电机和两根与所述电机传动连接的丝杠，两根所述丝杠竖向设置在所述竖向支架上，所述丝杠的螺母与所述支撑框架连接，所述电机在驱动所述丝杠的丝杆旋转时，从而带动所述支撑框架在所述水平滑动导向装置和所述竖向滑动导向装置的导向下运动。4.根据权利要求1所述的双向角度可调的三维物理相似模拟实验平台，其特征在于，所述底盘上贯穿设有与所述应力传感器机构的观测孔一一对应的圆孔，透过所述圆孔及观测孔以用于实验中观测模拟煤层的状态。5.根据权利要求4所述的双向角度可调的三维物理相似模拟实验平台，其特征在于，所述应力传感...

【专利技术属性】
技术研发人员：解盘石，林伟典，白立丞，沈家浩，高益民，张艳丽，张浩，张颖异，黄宝发，吴少港，屈利利，杨航，
申请(专利权)人：西安科技大学，
类型：发明
国别省市：