CN105115774A - 一种用于模拟煤矿开采的液压支架及顶板压力测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于模拟煤矿开采的液压支架及顶板压力测量装置，包括支托部，支撑部和数据采集部，支撑部一端连接支托部，另一端连接配重；支托部与数据采集部连接。本发明对煤层厚度及几何相似比适应范围广，可以满足不同厚度煤层开采的二维平面物理模拟实验，尤其是对于煤层厚度较薄和小几何相似比的情况。本发明采用杠杆结构替代超小型电机和液压缸提供支护力，大大降低了制造成本，并且结构简单有利于推广应用。

Description

一种用于模拟煤矿开采的液压支架及顶板压力测量装置

技术领域

本发明涉及一种二维平面物理模拟实验用液压支架及顶板压力测量装置，尤其是一种用于模拟煤矿开采的液压支架及顶板压力测量装置。

背景技术

由于地下采矿很难直观的观测，因此，二维平面物理模拟实验是研究煤矿地下开采的一种重要研究手段，并且应用广泛。二维平面物理模拟实验需要在考虑几何、容重、动力等相似比的基础上进行实验。由于相似比一般为1:20~1:200，对应的液压支架也相应的缩小20~200倍，这样小的液压支架很难制作，并且成本很高，尤其是当煤层较薄的情况下，更难制造，这从客观上造成了工作面顶板压力的测量困难。对于煤矿地下开采来说，研究最多的是支架与顶板的关系，最常用的方法是二维平面物理模拟实验。

目前，在煤矿实际生产中，液压支架和单体液压支柱的压力曲线为先增阻再恒阻，而现有二维平面物理模拟实验中大部分的支架都是急增阻的，不能真实反映实验中顶板压力变化情况。另外，现有二维平面物理模拟实验用支架也无法实现真实支架“限定变形”和“给定载荷”的工作状态。

为了解决上述急增阻支架无法反应真实支架真实支架工作状态的情况，研究人员开始研究恒阻支架及压力测量装置。目前，对于二维平面物理模拟实验中的恒阻支架及压力测量装置的研究主要有两类：一种用电机正反转实现恒阻功能液压，另一种用小尺寸的液压缸实现恒阻功能。但是上述装置存在以下几个方面的缺点：（1）适应性弱，上述装置因为液压缸和电机的尺寸较大在应用上受到极大限制，无法实现小相似比和煤层较薄的的情况；（2）成本高，电机和液压缸越小制造难度越大，成本越高，甚至达到几万元一架；（3）使用困难，装置的超小型化，使得支柱活量较小，很容易造成难以取出及接顶不实的问题。而在降低制作低成本方面，公开号为CN203412599U的专利“一种用于相似模拟试验的可伸缩恒阻支架”，提供了一种低成本用于相似模拟试验的可伸缩恒阻支架，降低了制造成本。但是，该装置存在以下几个方面问题：（1）无法实现顶板压力的测量；（2）模拟定量的板存在接顶不良的问题；（3）存在底部放置困难的问题；（4）支撑的横杠与支架稳定，造成给顶板提供的支护阻力不稳定；（4）在实际过程中，因前方为观测区域，平衡号砝码存在无法放置的问题。

针对现有二维平面物理模拟实验模拟煤矿开采的液压支架及顶板压力测量装置所面临的问题，二维平面物理模拟实验各领域的使用者亟需一种经济、可靠、适用性广的二维平面物理模拟实验用恒阻支架及顶板压力测量装置。

发明内容

本发明旨在提供一种用于模拟煤矿开采的液压支架及顶板压力测量装置，要解决的具体技术问题是在二维平面物理模拟实验中，如何经济可靠的模拟恒阻支架支护顶板及顶板压力测量问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种用于模拟煤矿开采的液压支架及顶板压力测量装置，包括支托部，支撑部和数据采集部，支撑部一端连接支托部，另一端连接配重；支托部与数据采集部连接；

所述支托部由支托顶梁、传感器托板、调节弹簧、定位杆组成，所述支托顶梁上分别设有两个定位孔，定位杆穿过定位孔与支托顶梁连接，定位杆上设有调节弹簧，定位杆的顶部设有传感器托板，传感器托板上设有传感器，传感器的位置通过调节弹簧来调整；

所述支撑部包括支撑横杆、支撑竖杆、支托顶梁连接构件、力矩调价构件及固定装置，支撑横杆一端设有长条孔，通过支托顶梁连接构件与支托顶梁连接，另一端通过柔性线连接配重，支撑横杆中间连接力矩调价构件，力矩调价构件能沿支撑横杆滑动；支撑横杆和支撑竖杆通过力矩调价构件垂直连接；所述的支托顶梁连接构件包括调节垫板和盖板，调节垫板中部设有半圆形凹槽，调节垫板下方设有盖板，盖板中部设有半圆形凹槽，调节垫板与盖板的半圆形凹槽组成的圆形空间内设有轴，支撑横杆端部与轴连接；所述力矩调价构件包括滑行块、紧固螺栓、连接销，滑行块中部设有长方形孔，支撑横杆从该长方形孔中穿过，滑行块能沿支撑横杆滑动，在滑行块上部与长方形孔垂直方向设有螺栓孔，滑行块底部设有U型槽以便于与支撑竖杆连接，U型槽内设有连接销以固定支撑竖杆；

所述固定装置包括一个长条状U型钢材制成的卡座，卡座的截面为U型，U型卡座的底面和两个平行面上均设有限位孔，支撑竖杆从两个平行面的限位孔中穿过，U型卡座的底面限位孔内设有支撑竖杆紧固螺栓，U型卡座的端部设有通孔，通孔内设有螺栓，将该固定装置紧固到二维平面物理模拟实验台上；

所述的数据采集部由压力传感器和数据采集装置组成。

上述方案中，所述支托部的定位杆为伸缩杆，所述传感器托板上平面的中部设有凸台，传感器放置在该凸台上。

上述方案中，所述支撑部的支撑竖杆长度能调节；支撑竖杆由两节及以上不同尺寸的方形长管和杆组成，各节之间可以相对滑动且可以用限位螺栓固定，支撑竖杆总长度约为2~3个二维平面物理模拟实验台所用槽钢的宽度之和。

上述方案中，所述支撑竖杆的顶部为圆弧形，与滑行块底部的U型槽配合。

上述方案中，所述支撑横杆是长条形薄钢板。

上述方案中，所述支托顶梁连接构件中，调节垫板和盖板上分别设有螺栓孔，支托顶梁连接构件通过螺栓固定在支托顶梁下方。

上述方案中，所述支撑横杆的端部设有U形槽，支托顶梁连接构件的盖板的宽度小于该U形槽宽度，轴穿过支撑横杆的U形槽两端，并位于调节垫板和盖板之间。

上述方案中，所述的配重为砝码或者盛装水或者砂的细长容器。

上述方案中，在支撑横杆与配重连接端，设置连接孔并在尾部开限位槽，方便柔性线连接的同时，减小误差提高精度。

本发明中，所述的支托顶梁的宽度根据液压支架的顶梁长度除以几何相似比（相似比一般为1:20~1:200）确定，长度与二维平面物理模拟实验的厚度相等，支托顶梁上与定位杆对应位置钻有定位孔，定位孔的直径略大于定位杆的最大直径。

本发明提供的一种二维平面物理模拟实验用液压支架及顶板压力测量装置，与现有装置相比具有以下的优点和积极效果：

（1）本发明对煤层厚度及几何相似比适应范围广，可以满足不同厚度煤层开采的二维平面物理模拟实验，尤其是对于煤层厚度较薄和小几何相似比的情况。

（2）本发明的连接部位都是可调节的，适用于不同厚度的二维平面物理模拟实验，并且固定后可以提高整个结构的稳定性，使得顶板压力数据测量准确。

（3）本发明设置了采用可调力矩的杠杆结构和定位弹簧可以增加接顶及及支柱活量，防止顶板垮落时压死支架。

（4）本发明采用杠杆结构替代超小型电机和液压缸提供支护力，大大降低了制造成本，并且结构简单有利于推广应用。

附图说明

图1是本发明总装置的结构示意图。

图2是支托部的结构示意图。

图3是支撑部的结构示意图。

图4是支托顶梁连接构件的结构示意图。

图5是支托顶梁连接构件与支撑横杆连接结构示意图。

图6是力矩调节构件的结构示意图。

图7是固定装置的结构示意图。

图8是总装置的使用状态示意图。

图中：1、支托部；2、支撑部；3、顶板；4、数据采集部；5、定位孔；6、支托顶梁；7、传感器托板；8、调节弹簧；9、定位杆；10、支撑横杆；11、支撑竖杆；12、支托顶梁连接构件；13、力矩调节构件；14、固定装置；15、柔性线；16、配重；17、压力传感器；18、数据采集装置；19、长条孔；20、连接孔；21、限位槽；22、限位螺栓；23、调节垫板；24、轴；25、盖板；26、滑行块；27、紧固螺栓；28、连接销；29、U型槽；30、卡座；31、支架固定螺栓；32、支撑竖杆紧固螺栓；33、限位孔；34、二维平面物理模拟实验台；35、底板；36、长方形孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

本发明所提供的二维平面物理模拟实验用液压支架及顶板压力测量装置，尤其适用于模拟煤矿开采的液压支架及测量顶板压力。

如图1所示，一种用于模拟煤矿开采的液压支架及顶板压力测量装置，包括支托部1，支撑部2和数据采集部4，支撑部2一端连接支托部1，另一端连接配重16；支托部1与数据采集部4连接；

如图2所示，所述支托部1由支托顶梁6、传感器托板7、调节弹簧8、定位杆9组成，所述支托顶梁6上分别设有两个定位孔5，定位杆9穿过定位孔5与支托顶梁6连接，定位杆9上设有调节弹簧8，定位杆9的顶部设有传感器托板7，传感器托板7上设有传感器，传感器的位置通过调节弹簧8来调整；

支托顶梁6上的定位孔5的直径大于定位杆9的最大直径，但最大不超过1mm，保证传感器托板7和调节弹簧8被压缩时候能在竖直方向上***，同时也限定其在水平方向的移动，防止调节弹簧8偏载，造成顶板压力的数据测量不准确。同时，定位杆9采用伸缩杆，有利于在顶板大幅度下沉时，保持恒阻，增加支柱活量，防止支架被“压死”。定位弹簧8的弹性系数K根据煤层厚度和应力相似比进行计算，F=KX的值略小于经应力相似比换算后支护阻力。传感器托板7上平面的中部有一片略高的凸台，在此放置传感器，有利于传感器与顶板接触，提高数据测量的准确性，同时，传感器托板7、调节弹簧8、定位杆9以及定位孔5的数量可根据实际情况设定。

如图3~图5所示，所述支撑部2包括支撑横杆10、支撑竖杆11、支托顶梁连接构件12、力矩调节构件13及固定装置14，支撑横杆10一端设有长条孔19，防止定位杆9运动时受到阻碍。支撑横杆10一端通过支托顶梁连接构件12与支托顶梁6连接，另一端通过柔性线15连接配重16，支撑横杆10中间连接力矩调节构件13，力矩调节构件13能沿支撑横杆10滑动；支撑横杆10和支撑竖杆11通过力矩调节构件13垂直连接；如图4所示，所述的支托顶梁连接构件12包括调节垫板23和盖板25，调节垫板23中部设有半圆形凹槽，调节垫板23下方设有盖板25，盖板25中部设有反方向的半圆形凹槽，调节垫板23与盖板25的半圆形凹槽组成的圆形空间内设有轴24，支撑横杆10端部与轴24连接；另外，可制作多个不同厚度的调节垫板23，以适应不同的煤层厚度。

如图6、图7所示，所述力矩调节构件13包括滑行块26、紧固螺栓27、连接销28，滑行块26中部设有长方形孔36，支撑横杆10从长方形孔36中穿过，滑行块26能沿支撑横杆10滑动，在滑行块26上部与长方形孔36垂直方向设有螺栓孔，紧固螺栓27穿过该螺栓孔紧固，滑行块26底部设有U型槽29以便于与支撑竖杆11连接，U型槽29内设有连接销28以固定支撑竖杆11；

如图8所示，所述固定装置14包括一个长条状U型钢材制成的卡座30，卡座30的截面为U型，U型卡座30的底面和两个平行面上均设有限位孔33，支撑竖杆11从两个平行面的限位孔33中穿过，U型卡座30的底面限位孔33内设有支撑竖杆紧固螺栓32，U型卡座30的端部设有通孔，通孔内设有支架固定螺栓31，将该固定装置紧固到二维平面物理模拟实验台34上；

所述的数据采集部4由压力传感器17和数据采集装置18组成。可根据煤层厚度选择不同尺寸的压力传感器。

上述方案中，所述支托部的定位杆9为伸缩杆，所述传感器托板7上平面的中部设有凸台，传感器放置在该凸台上。

上述方案中，所述支撑部的支撑竖杆11长度能调节；支撑竖杆11由两节及以上不同尺寸的方形长管或杆组成，各节之间可以相对滑动且可以用限位螺栓22固定，支撑竖杆总长度约为2~3个二维平面物理模拟实验台所用槽钢的宽度之和。尺寸最小的管或者杆的顶端为半圆形且在半圆圆心钻孔与力矩调节构件13的连接销28连接。

上述方案中，所述支撑竖杆11的顶部为圆弧形，与滑行块底部的U型槽29配合。

上述方案中，支撑横杆10优选为刚度较大的长条形薄刚板，有利于薄煤层开采。

在支撑横杆10与配重16连接端，设置连接孔20并在尾部开限位槽21，方便柔性线15连接的同时，减小误差提高精度。见图3所示。

上述方案中，所述支撑横杆10的端部设有U形槽，支托顶梁连接构件12的盖板25的宽度小于该U形槽宽度，轴24穿过支撑横杆的U形槽两端，并位于调节垫板23和盖板25之间。见图5所示。

上述方案中，所述的配重16为砝码或者盛装水或者砂的细长容器。细长容器有利于配重的稳定。

本发明中，所述的支托顶梁的宽度根据液压之间顶梁长度除以几何相似比（相似比一般为1:20~1:200）确定，长度与二维平面物理模拟实验的厚度相等，支托顶梁上与定位杆对应位置钻有定位孔，定位孔的直径略大于定位杆的最大直径。

如图2所示，支托部中，支托顶梁6的长度和厚度分别根据二维平面物理模拟实验台的宽度和煤层厚度选定，宽度则根据几何相似比确定和推进步距综合确定，其计算公式为：

B=γ*L

式中：B为支托顶梁宽度；γ为几何相似比；L为顶梁实际长度。

如果几何相似比为1：100，支架顶梁长度为300cm，则支托顶梁6的宽度为1/100*300=3（cm）。

下面对本发明的具体实施过程作进一步的说明：

如图8所示，根据煤层厚度选择调节垫板23，使支托部1与底板35之间留有空间，将压力传感器17安置到传感器托板7的凸台上，将支托部1放于工作面顶板3与底板35之间，同时用卡座30固定到二维平面物理模拟实验台34上，调整支撑横杆10和支撑竖杆11的长度并固定。在实验过程中，通过应力相似比计算得出的重量并施以配重16使支托部1支撑顶板3，并提供支护力。一次开挖完成后松开支撑竖杆紧固螺栓32将支撑竖杆11平移相应的进尺数后固定，完成一次开挖过程。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种用于模拟煤矿开采的液压支架及顶板压力测量装置，其特征在于：包括支托部，支撑部和数据采集部，支撑部一端连接支托部，另一端连接配重；支托部与数据采集部连接；

所述支托部由支托顶梁、传感器托板、调节弹簧、定位杆组成，所述支托顶梁上分别设有两个定位孔，定位杆穿过定位孔与支托顶梁连接，定位杆上设有调节弹簧，定位杆的顶部设有传感器托板，传感器托板上设有传感器，传感器的位置通过调节弹簧来调整；

所述支撑部包括支撑横杆、支撑竖杆、支托顶梁连接构件、力矩调价构件及固定装置，支撑横杆一端设有长条孔，通过支托顶梁连接构件与支托顶梁连接，另一端通过柔性线连接配重，支撑横杆中间连接力矩调价构件，力矩调价构件能沿支撑横杆滑动；支撑横杆和支撑竖杆通过力矩调价构件垂直连接；所述的支托顶梁连接构件包括调节垫板和盖板，调节垫板中部设有半圆形凹槽，调节垫板下方设有盖板，盖板中部设有半圆形凹槽，调节垫板与盖板的半圆形凹槽组成的圆形空间内设有轴，支撑横杆端部与轴连接；所述力矩调价构件包括滑行块、紧固螺栓、连接销，滑行块中部设有长方形孔，支撑横杆从该长方形孔中穿过，滑行块能沿支撑横杆滑动，在滑行块上部与长方形孔垂直方向设有螺栓孔，滑行块底部设有U型槽以便于与支撑竖杆连接，U型槽内设有连接销以固定支撑竖杆；

所述固定装置包括一个长条状U型钢材制成的卡座，卡座的截面为U型，U型卡座的底面和两个平行面上均设有限位孔，支撑竖杆从两个平行面的限位孔中穿过，U型卡座的底面限位孔内设有支撑竖杆紧固螺栓，U型卡座的端部设有通孔，通孔内设有螺栓，将该固定装置紧固到二维平面物理模拟实验台上；

所述的数据采集部由压力传感器和数据采集装置组成。

2.根据权利要求1所述的用于模拟煤矿开采的液压支架及顶板压力测量装置，其特征在于：所述支托部的定位杆为伸缩杆，所述传感器托板上平面的中部设有凸台，传感器放置在该凸台上。

3.根据权利要求1所述的用于模拟煤矿开采的液压支架及顶板压力测量装置，其特征在于：所述支撑部的支撑竖杆长度能调节；支撑竖杆由两节及以上不同尺寸的方形长管和杆组成，各节之间可以相对滑动且用限位螺栓固定，支撑竖杆总长度约为2~3个二维平面物理模拟实验台所用槽钢的宽度之和。

4.根据权利要求1所述的用于模拟煤矿开采的液压支架及顶板压力测量装置，其特征在于：所述支撑竖杆的顶部为圆弧形，与滑行块底部的U型槽配合。

5.根据权利要求1所述的用于模拟煤矿开采的液压支架及顶板压力测量装置，其特征在于：所述支撑横杆是长条形薄钢板。

6.根据权利要求1所述的用于模拟煤矿开采的液压支架及顶板压力测量装置，其特征在于：所述支托顶梁连接构件中，调节垫板和盖板上分别设有螺栓孔，支托顶梁连接构件通过螺栓固定在支托顶梁下方。

7.根据权利要求1所述的用于模拟煤矿开采的液压支架及顶板压力测量装置，其特征在于：所述支撑横杆的端部设有U形槽，支托顶梁连接构件的盖板位于该U形槽内，轴穿过支撑横杆的U形槽两端。

8.根据权利要求1所述的用于模拟煤矿开采的液压支架及顶板压力测量装置，其特征在于：所述的配重为砝码或者细长容器，细长容器中盛装水或者砂。

9.根据权利要求1所述的用于模拟煤矿开采的液压支架及顶板压力测量装置，其特征在于：所述支撑横杆与配重连接端，设置连接孔并在尾部开限位槽，柔性线穿过该限位槽连接配重。