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(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
背景技術(shù)：
隨著開采深度增加，底板承壓水對(duì)工作面開采危害越來越嚴(yán)重，實(shí)際中承壓水對(duì)底板作用機(jī)理以及破壞規(guī)律認(rèn)識(shí)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(yàn)平臺(tái)，模擬時(shí)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(jì)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(shí)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?yàn)槟Σ料禂?shù)和鋪設(shè)材料的夯實(shí)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(jì)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(zhǔn)確量出壓縮量，誤差太大。所以現(xiàn)有承壓水試驗(yàn)平臺(tái)是不太符合實(shí)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(duì)底板巖層的作用機(jī)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(shí)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)，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(jì)、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(gè)空腔，空腔內(nèi)設(shè)置鋪設(shè)材料；應(yīng)變計(jì)設(shè)置在鋪設(shè)材料中；稱重傳感器和應(yīng)變計(jì)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(jìn)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(gè)手動(dòng)壓力泵、一個(gè)多通分配閥、若干個(gè)短型千斤頂以及高強(qiáng)度油管，手動(dòng)壓力泵通過高強(qiáng)度油管連接到多通分配閥上，所述短型千斤頂通過高強(qiáng)度油管分別連接到多通分配閥的各個(gè)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(gè)。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(qiáng)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(qiáng)度固定板上，帶鐵板螺紋長直桿的下端有一個(gè)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(yán)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(hào)采集系統(tǒng)和應(yīng)變計(jì)信號(hào)采集系統(tǒng)，并且和PC機(jī)相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。作為一種優(yōu)選，包括一個(gè)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(duì)于現(xiàn)有技術(shù)而言，本發(fā)明中的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)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(bǔ)充地應(yīng)力。同時(shí)在不同層位埋設(shè)高精度應(yīng)變計(jì)，在工作面推進(jìn)過程中，對(duì)底板和頂板巖層中的應(yīng)力變化進(jìn)行實(shí)時(shí)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(huì)發(fā)生突水。


當(dāng)結(jié)合附圖考慮時(shí)，通過參照下面的詳細(xì)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(diǎn)，但此處所說明的附圖用來提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本發(fā)明的一部分，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定，其中圖1是本發(fā)明實(shí)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(shí)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(shí)施例頂部液壓加載系統(tǒng)示意圖。圖4是本發(fā)明實(shí)施例彈簧組示意圖。圖5是本發(fā)明實(shí)施例整體主視圖。圖6是本發(fā)明實(shí)施例整體側(cè)視圖。圖7是本發(fā)明實(shí)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(dòng)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(qiáng)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(jì)。
具體實(shí)施例方式參照?qǐng)D1至圖7對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行說明。為使上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)，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(jì)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(gè)空腔，空腔內(nèi)設(shè)置鋪設(shè)材料；應(yīng)變計(jì)19設(shè)置在鋪設(shè)材料中；稱重傳感器13和應(yīng)變計(jì)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(jìn)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(chǔ)存的作用。頂部液壓加載系統(tǒng)用來補(bǔ)充地應(yīng)力，可以模擬不同深度的地應(yīng)力。實(shí)驗(yàn)時(shí)，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(duì)鋪設(shè)材料最底端進(jìn)行加壓、通過頂部液壓加載系統(tǒng)對(duì)鋪設(shè)材料最上端進(jìn)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(jì)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(duì)判斷頂?shù)装迤茐淖顕?yán)重區(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(gè)CP-700手動(dòng)壓力泵5、一個(gè)四通分配閥6、四個(gè)短型千斤頂14以及連接裝置，手動(dòng)壓力泵5通過高強(qiáng)度油管連接到四通分配閥6上，四個(gè)短型千斤頂14通過高強(qiáng)度油管分別連接到四通分配閥6的四個(gè)接口上，四個(gè)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(qiáng)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(qiáng)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(yán)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(dá)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(gè)彈簧組18相互獨(dú)立，隨著煤層回采，彈簧組18會(huì)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(chǔ)存的能量。和實(shí)際中底板承壓水的作用機(jī)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(gè)獨(dú)立的信號(hào)采集系統(tǒng)，輪輻式稱重傳感器13信號(hào)采集系統(tǒng)和應(yīng)變計(jì)19信號(hào)采集系統(tǒng)，這二個(gè)采集卡都和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4以及PC機(jī)3相連，進(jìn)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(yán)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(jī)，用7360系列高速驅(qū)動(dòng)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，該設(shè)備將采集的各傳感器信號(hào)傳送給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)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(jì)19和STSS-1應(yīng)力
檢測模塊，應(yīng)變計(jì)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(diǎn)。對(duì)實(shí)際生產(chǎn)有很好的指導(dǎo)意義。本發(fā)明具體實(shí)施時(shí)，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(duì)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(shí)驗(yàn)材料同時(shí)埋設(shè)高精度應(yīng)變計(jì)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(duì)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(shí)，先對(duì)模擬材料頂部進(jìn)行加載，加載穩(wěn)定后，再對(duì)模擬材料底部進(jìn)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(jī)進(jìn)行監(jiān)測，這樣可以準(zhǔn)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(duì)各個(gè)高精度應(yīng)變計(jì)19進(jìn)行信號(hào)采集。之后，模擬工作面的正常推進(jìn)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測、記錄應(yīng)變計(jì)19采集的信號(hào)。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(shí)測量底板巖層、上覆巖層移動(dòng)的位移和破壞范圍，直至開挖到模型邊界，完成實(shí)驗(yàn)。雖然以上描述了本發(fā)明的具體實(shí)施方式
，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，這些具體實(shí)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(shí)質(zhì)的情況下，可以對(duì)上述方法和系統(tǒng)的細(xì)節(jié)進(jìn)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(shí)質(zhì)相同的方法執(zhí)行實(shí)質(zhì)相同的功能以實(shí)現(xiàn)實(shí)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)，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(jì)、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(gè)空腔，空腔內(nèi)設(shè)置鋪設(shè)材料；應(yīng)變計(jì)設(shè)置在鋪設(shè)材料中；稱重傳感器和應(yīng)變計(jì)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(jìn)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其特征在于，所述底部液壓分離式加載系統(tǒng)包括一個(gè)手動(dòng)壓力泵、一個(gè)多通分配閥、若干個(gè)短型千斤頂以及高強(qiáng)度油管，手動(dòng)壓力泵通過高強(qiáng)度油管連接到多通分配閥上，所述短型千斤頂通過高強(qiáng)度油管分別連接到多通分配閥的各個(gè)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)，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(gè)。
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(shí)驗(yàn)平臺(tái)，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(qiáng)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(qiáng)度固定板上，帶鐵板螺紋長直桿的下端有一個(gè)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(yán)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)，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(hào)采集系統(tǒng)和應(yīng)變計(jì)信號(hào)采集系統(tǒng)，并且和PC機(jī)相連，進(jìn)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其特征在于，還包括一個(gè)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)，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(shí)驗(yàn)平臺(tái)，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(jì)、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(gè)空腔，其內(nèi)設(shè)置鋪設(shè)材料；應(yīng)變計(jì)設(shè)置在鋪設(shè)材料中；稱重傳感器和應(yīng)變計(jì)與數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)連接。
文檔編號(hào)G01N3/12GK103018106SQ201210491050
公開日2013年4月3日 申請(qǐng)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(huì) 申請(qǐng)人:中國礦業(yè)大學(xué)(北京)