本發(fā)明涉及礦山領(lǐng)域礦體巖體應(yīng)力分布測試技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種三維動載荷加載大型相似材料模擬平臺。

背景技術(shù)：

隨著礦體的開采，煤巖體的應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，當(dāng)?shù)V體開采后，形成了地下空間，引起煤巖體應(yīng)力重新分布，并一直延續(xù)到煤巖體內(nèi)形成新的平衡為止。在應(yīng)力重新分布過程中，使圍巖產(chǎn)生變形、移動、破壞，從而對工作面、巷道及圍巖產(chǎn)生壓力。而對于生產(chǎn)實(shí)際中所產(chǎn)生的問題又難以直觀的顯現(xiàn)出來，我們不得不進(jìn)行相關(guān)的模擬試驗(yàn)，來獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，以解決生產(chǎn)實(shí)際問題。

本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的相似材料模擬平臺局限于二維相似材料模擬以及三維靜載荷相似材料模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，雖在一定程度上加深了地下開挖工程研究的進(jìn)展，但存在以下不足：

1)模型尺寸較小，做模擬試驗(yàn)時(shí)的幾何比將會很小，在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)做模型試驗(yàn)幾何比過小將不能很好的反應(yīng)開挖帶來的影響；

2)模型尺寸都是固定的不能調(diào)整，這會導(dǎo)致有時(shí)幾何比太小，有時(shí)會導(dǎo)致空間太大浪費(fèi)材料；

3)力的加載方向過于單一，難以實(shí)現(xiàn)三向加載，不能更好的反應(yīng)現(xiàn)場實(shí)際；

4)模擬巖體應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測過于簡單，準(zhǔn)確度不夠，缺少對開采擾動的監(jiān)測；

5)礦層開挖必須將試件箱打開后人工手動開挖，這將引起卸荷效應(yīng)，與實(shí)際工況不符；

6)裝置上架過程基本上靠手工搬運(yùn)，不方便操作；

7)之前的相似材料模擬實(shí)驗(yàn)平臺應(yīng)力加載系統(tǒng)多為手動，人為手動控制力的加載不夠準(zhǔn)確，難以保證受力的穩(wěn)定性。

于是，發(fā)明人有鑒于此，秉持多年該相關(guān)行業(yè)豐富的設(shè)計(jì)開發(fā)及實(shí)際制作的經(jīng)驗(yàn)，針對現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)及缺失予以研究改良，提供一種三維動載荷加載大型相似材料模擬平臺，以期達(dá)到更具有更加實(shí)用價(jià)值性的目的；

對于現(xiàn)有技術(shù)而言，本發(fā)明能夠在實(shí)驗(yàn)室模擬相似材料的物理實(shí)驗(yàn)，在模擬煤層開采的同時(shí)監(jiān)測動態(tài)的應(yīng)力應(yīng)變，尤其是監(jiān)測開采過程中所產(chǎn)生的動力擾動。通過頂板載荷加載裝置模擬地應(yīng)力和重力，隨著煤層的開挖，相似材料模擬的上覆巖層會在重力作用下發(fā)生變形和移動。該實(shí)驗(yàn)平臺能夠測試出不同充填材料配比、不同煤層賦存條件下模擬煤巖層的變形特征和上覆巖層移動規(guī)律，在實(shí)驗(yàn)室里實(shí)現(xiàn)了進(jìn)行開采效果的相似模擬實(shí)驗(yàn)，是一種可靠、經(jīng)濟(jì)、簡單的實(shí)驗(yàn)手段。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種三維動載荷加載大型相似材料模擬平臺，以解決上述背景技術(shù)中提出的模型尺寸較小，模型尺寸都是固定的不能調(diào)整，力的加載方向過于單一，模擬巖體應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測過于簡單，礦層開挖必須將試件箱打開后人工手動開挖，這將引起卸荷效應(yīng)，與實(shí)際工況不符，裝置上架過程基本上靠手工搬運(yùn)，不方便操，之前的相似材料模擬實(shí)驗(yàn)平臺應(yīng)力加載系統(tǒng)多為手動，人為手動控制力的加載不夠準(zhǔn)確，難以保證受力的穩(wěn)定性的問題

本發(fā)明三維動載荷加載大型相似材料模擬平臺的目的與功效，由以下具體技術(shù)手段所達(dá)成：

一種三維動載荷加載大型相似材料模擬平臺，其中，該三維動載荷加載大型相似材料模擬平臺包括有：

基座、前蓋板、側(cè)蓋板、后蓋板，頂部蓋板、模擬巖層、模擬巷道、模擬煤層、小型機(jī)械化割煤刀具、振動傳感器、微型高速攝像機(jī)、導(dǎo)軌、液壓缸、壓力傳感器、位移傳感器，柔性傳力橡膠、箱體和模擬平臺；

所述基座置于箱體的底部；所述箱體是由基座上設(shè)置有與其垂直的前蓋板、側(cè)蓋板、后蓋板，頂部蓋板，共同形成的一個(gè)由榀模塊化設(shè)計(jì)組成的方形獨(dú)立加載框架；所述箱體內(nèi)充填有相似材料模擬巖層，所述沿模擬巖層橫向設(shè)置有已經(jīng)開挖部分的模擬巷道；所述模擬巷道同一層位的對立部分設(shè)有模擬煤層；所述模擬巷道的開挖端通過前蓋板中心孔與外界相連，且中心孔可隨時(shí)關(guān)閉可密封；所述模擬巷道的前端設(shè)置有小型機(jī)械化割煤刀具；所述小型機(jī)械化割煤刀具上裝有振動傳感器和微型高速攝像機(jī)；所述導(dǎo)軌安裝于前蓋板、側(cè)蓋板、后蓋板和頂部蓋板的頂端；所述液壓缸設(shè)置于導(dǎo)軌的內(nèi)部；所述壓力傳感器設(shè)置于液壓缸和頂部蓋板之間；所述位移傳感器設(shè)置于導(dǎo)軌和頂部蓋板之間，且前蓋板、側(cè)蓋板、后蓋板、頂部蓋板與液壓缸、導(dǎo)軌、位移傳感器、壓力傳感器共同構(gòu)成蓋板加載裝置；所述柔性傳力橡膠置于前蓋板、側(cè)蓋板、后蓋板和頂部蓋板的內(nèi)側(cè)。

進(jìn)一步的，所述箱體側(cè)面開有注水管路。

進(jìn)一步的，所述液壓缸、剛性傳力蓋板(前蓋板、側(cè)蓋板、后蓋板和頂部蓋板)和柔性傳力橡膠共同組成應(yīng)力加載系統(tǒng)。

進(jìn)一步的，所述模擬平臺整體為三維四面加載設(shè)置。

進(jìn)一步的，所述在加載頂板內(nèi)部模擬巖層頂部裝有振動傳感器。

進(jìn)一步的，所述小型機(jī)械化割煤刀具9的底部設(shè)置有前后行走導(dǎo)軌。

與現(xiàn)有結(jié)構(gòu)相較之下，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1.本發(fā)明柔性傳力橡膠的設(shè)置，柔性傳力橡膠具有柔軟、易變性、本身體積不可壓縮等特性。

2.本發(fā)明振動傳感器關(guān)的設(shè)置，振動傳感器用來監(jiān)測煤體開采的動力擾動，通過數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，分析應(yīng)力應(yīng)變與動力擾動之間的關(guān)系，真實(shí)的還原生產(chǎn)現(xiàn)場實(shí)際。

3.本發(fā)明麥模擬平臺本體設(shè)置，模擬平臺本體整體為三維四面加載設(shè)置，可模擬真實(shí)三向地應(yīng)力。

4.本發(fā)明箱體的設(shè)置，箱體側(cè)面開有注水管路，在煤層開采后，可以用于向采空區(qū)充進(jìn)充填材料以及向模擬巖層注水，向模擬煤層加入高壓氣體模擬瓦斯等實(shí)驗(yàn)，可以滿足不同的實(shí)驗(yàn)要求。

5.本發(fā)明小型機(jī)械化割煤刀具的設(shè)置，小型機(jī)械化割煤刀具為自動控制設(shè)置，可通過微型高速攝像機(jī)以及應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測反饋，隨時(shí)調(diào)整切割進(jìn)尺

附圖說明

圖1為本發(fā)明三維結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明正視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明蓋板結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1-基座，2-前蓋板，3-側(cè)蓋板，4-后蓋板，5-頂部蓋板，6-模擬巖層，7-模擬巷道，8-模擬煤層，9-小型機(jī)械化割煤刀具，10-振動傳感器，11-微型高速攝像機(jī)，12-導(dǎo)軌，13-液壓缸，14-壓力傳感器，15-位移傳感器，16-柔性傳力橡膠，17-箱體，18-模擬平臺。

具體實(shí)施方式

下面，將詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施例，其實(shí)例顯示在附圖和以下描述中。雖然將結(jié)合示例性的實(shí)施例描述本發(fā)明，但應(yīng)當(dāng)理解該描述并非要把本發(fā)明限制于該示例性的實(shí)施例。相反，本發(fā)明將不僅覆蓋該示例性的實(shí)施例，而且還覆蓋各種替換的、改變的、等效的和其他實(shí)施例，其可包含在所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。

參見圖1至附圖4，一種三維動載荷加載大型相似材料模擬平臺，包括有：

基座1、前蓋板2、側(cè)蓋板3、后蓋板4，頂部蓋板5、模擬巖層6、模擬巷道7、模擬煤層8、小型機(jī)械化割煤刀具9、振動傳感器10、微型高速攝像機(jī)11、導(dǎo)軌12、液壓缸13、壓力傳感器14、位移傳感器15，柔性傳力橡膠16、箱體17和模擬平臺本體18；

基座1置于箱體17的底部；箱體17是由基座1上設(shè)置有與其垂直的前蓋板2、側(cè)蓋板3、后蓋板4，頂部蓋板5，共同形成的一個(gè)由5榀模塊化設(shè)計(jì)組成的方形獨(dú)立加載框架；箱體17內(nèi)充填有相似材料模擬巖層6，沿模擬巖層6橫向設(shè)置有已經(jīng)開挖部分的模擬巷道7；模擬巷道7同一層位的對立部分設(shè)有模擬煤層8；模擬巷道7的開挖端通過前蓋板2中心孔與外界相連，且中心孔可隨時(shí)關(guān)閉可密封；模擬巷道7的前端設(shè)置有小型機(jī)械化割煤刀具9；小型機(jī)械化割煤刀具9上裝有振動傳感器10和微型高速攝像機(jī)11；導(dǎo)軌12安裝于前蓋板2、側(cè)蓋板3、后蓋板4和頂部蓋板5的頂端；液壓缸13設(shè)置于導(dǎo)軌12的內(nèi)部；壓力傳感器14設(shè)置于液壓缸13和頂部蓋板5之間；位移傳感器15設(shè)置于導(dǎo)軌12和頂部蓋板5之間，且前蓋板2、側(cè)蓋板3、后蓋板4、頂部蓋板5與液壓缸13、導(dǎo)軌12、位移傳感器15、壓力傳感器14共同構(gòu)成蓋板加載裝置；柔性傳力橡膠16置于前蓋板2、側(cè)蓋板3、后蓋板4和頂部蓋板5的內(nèi)側(cè)。

壓力傳感器14具體型號為：感器24位ad轉(zhuǎn)換內(nèi)部集成放大芯片hx711位移傳感器15具體型號為：品牌：millay型pm11；

微型高速攝像機(jī)11具體型號為：watec微型黑白高速攝像機(jī)wat-535ex2；

振動傳感器10具體型號為：meascm-01b振動傳感器；

位移傳感器15、壓力傳感器14、微型高速攝像機(jī)11與振動傳感器10的具體結(jié)構(gòu)與工作原理為現(xiàn)有成熟技術(shù)，在此不做累述。

如上述的三維動載荷加載大型相似材料模擬平臺的較佳實(shí)施例，其中，箱體17側(cè)面開有注水管路，在煤層開采后，可以用于向采空區(qū)充進(jìn)充填材料以及向模擬巖層6注水，向模擬煤層8加入高壓氣體模擬瓦斯等實(shí)驗(yàn)，可以滿足不同的實(shí)驗(yàn)要求；

如上述的三維動載荷加載大型相似材料模擬平臺的較佳實(shí)施例，其中，液壓缸13、剛性傳力蓋板(前蓋板2、側(cè)蓋板3、后蓋板4和頂部蓋板5)和柔性傳力橡膠16共同組成應(yīng)力加載系統(tǒng)，柔性傳力橡膠6具有柔軟、易變性、本身體積不可壓縮等特性；

如上述的三維動載荷加載大型相似材料模擬平臺的較佳實(shí)施例，其中，模擬平臺本體18整體為三維四面加載設(shè)置，可模擬真實(shí)三向地應(yīng)力；

如上述的三維動載荷加載大型相似材料模擬平臺的較佳實(shí)施例，其中，在加載頂板5內(nèi)部模擬巖層6頂部裝有振動傳感器10，此振動傳感器10用來監(jiān)測煤體開采的動力擾動，通過數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，分析應(yīng)力應(yīng)變與動力擾動之間的關(guān)系，真實(shí)的還原生產(chǎn)現(xiàn)場實(shí)際。

如上述的三維動載荷加載大型相似材料模擬平臺的較佳實(shí)施例，小型機(jī)械化割煤刀具9的底部設(shè)置有前后行走導(dǎo)軌，且小型機(jī)械化割煤刀具9與小型機(jī)械化割煤刀具9上裝有振動傳感器10和微型高速攝像機(jī)11組成構(gòu)成煤體開采裝置，小型機(jī)械化割煤刀具9為自動控制設(shè)置，可通過微型高速攝像機(jī)1以及應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測反饋，隨時(shí)調(diào)整切割進(jìn)尺。

本實(shí)施例的工作原理：

在該三維動載荷加載大型相似材料模擬平臺模擬井下采掘過程中不同充填材料配比、不同煤層賦存條件下充填料的變形特征和上覆巖層移動在采動影響下的規(guī)律時(shí)，按照設(shè)計(jì)好的相似材料配比進(jìn)行填料，按照既定方案放置應(yīng)力應(yīng)變以及振動傳感器10，之后逐層進(jìn)行壓實(shí)，將前蓋板2、側(cè)蓋板3、后蓋板4和頂部蓋板5加壓，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際所得到的地應(yīng)力規(guī)律，根據(jù)計(jì)算機(jī)控制，對相似材料箱體17進(jìn)行三向加壓，本發(fā)明的根據(jù)三向動載荷加壓更真實(shí)的還原煤層所處的深部開采環(huán)境。而在一定的壓力環(huán)境下，根據(jù)模型尺寸比例設(shè)計(jì)開挖量，通過計(jì)算機(jī)控制小型機(jī)械化割煤刀具9割煤，同時(shí)通過微型高速攝像機(jī)11以及應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)隨時(shí)分析此時(shí)的動態(tài)情況，在割煤時(shí)所產(chǎn)生的動力擾動也會在振動傳感器10測之下，通過數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，隨時(shí)分析在小型機(jī)械化割煤刀具9工作與停止時(shí)應(yīng)力應(yīng)變是否存在相關(guān)性，進(jìn)而平臺真實(shí)的還原了生產(chǎn)實(shí)際開采巷道所處的高應(yīng)力環(huán)境，已及工作面采動所帶來的動力擾動影響。

需要說明的是，本發(fā)明使用到的標(biāo)準(zhǔn)零件均可以從市場上購買，異形件根據(jù)說明書的和附圖的記載均可以進(jìn)行訂制，各個(gè)零件的具體連接方式均采用現(xiàn)有技術(shù)中成熟的螺栓、鉚釘、焊接等常規(guī)手段，機(jī)械、零件和設(shè)備均采用現(xiàn)有技術(shù)中，常規(guī)的型號，發(fā)明人在此不再詳述。

綜上，盡管參照前述實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，其依然可以對前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換,凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。