CN106769512A - 用于模拟底板突水的非均匀加载试验装置 - Google Patents

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崔景昆
谷客磊
孙守新
张�浩
闫泽红
李海江
郭利军
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Abstract

一种用于模拟底板突水的非均匀加载试验装置，包括试验台架***、加载***和测试***，测试***包括压力盒和位移计，试验台架***由试验台底座、试验台架主体和两水压加载***架组成，试验台架主体为由底梁、顶梁、两侧梁和前、后面板组成的封闭框架结构，加载***由底部加压***、顶部加压***和水压加载***组成，水压加载***由两组水袋组成，每组水袋包括有若干个水袋，每个水袋中充有一定体积的水，两组水袋之间的试验台架主体内腔空间里，装有相似材料试验模型。其优点为，能提供给底板主动的水压环境，实现水压均布和非均布加载，提供足够的相似材料试验模型变形量，可以做不同水压环境的底板变形破坏规律研究，提高了试验的可靠、实用性。

Description

用于模拟底板突水的非均匀加载试验装置
技术领域
本发明涉及一种用于模拟底板突水的非均匀加载试验装置，应用于模拟带压开采时煤层底板突水试验。
背景技术
煤层底板突水是形成矿井水害中的重要原因，也是保障煤矿生产安全亟待解决的问题。特别在我国华北地区，随着采深增加，高承压水对煤矿威胁愈加明显。在开采过程中，承压水对底板的压力作用造成底板破坏，进而引发承压水随着形成的导水通道进入工作面，给煤矿生产造成很大的危害。解决煤层底板突水问题应在考虑原岩应力、地质构造、地下水、采动影响等因素基础上，从应力场和渗流场共同作用的角度出发，研究突水规律，研究包含底板岩体在内的采场岩体***的变形与破坏。基于原位实验及理论分析的研究手段存在一定的局限性和误差；而相似模拟试验基于相似理论，能够将实际采场中很难测得的数据和预期发生的现象等通过模型演绎进行研究，弥补物理实验和理论分析的不足。
前人对于底板突水试验的承压水水压加载方式进行了大量的研究。目前，一般采用弹簧和橡胶块作为水压加载***加载。这些加载方式存在以下几大缺点：一是，不能给底板提供主动的水压环境；二是，提供的水压环境为局部加压，其与实际采场水压环境相差很大；另外，对于同一试验台进行不同水压环境对比试验研究并没有太多进展。以上为现有技术的不足。
发明内容
本发明的目的是：提供一种用于底板突水模拟试验的试验装置，该试验装置结构简单，能够提供给底板主动的水压环境，实现水压均布或非均布加载，提供足够的相似材料变形量，并能做不同水压环境的底板变形破坏规律研究，做到各个试验不受影响，且便于观察，大大提高了试验的可靠性和实用性。
本发明的目的可以通过下述技术方案来实现：
本用于模拟底板突水的非均匀加载试验装置，包括试验台架***、加载***和测试***，所述测试***包括压力盒和位移计，压力盒和位移计均布置在试验的相似材料试验模型内部，压力盒和位移计均通过数据线与计算机相连，其特征是：所述试验台架***由试验台底座、试验台架主体和两水压加载***架组成，试验台架主体为由底梁、顶梁、两侧梁和前、后面板组成的封闭框架结构，底梁装在试验台底座上，顶梁位于试验台架主体的顶部，两侧梁装在底梁、顶梁之间两帮位置，前、后面板分别固定在试验台架主体的前、后两侧，在试验台架主体的前面板中间位置开有观察窗口，在该观察窗口处安装有机玻璃板，并用钢板加固，每个水压加载***架上横向并排设有若干独立的水袋隔室，每个水压加载***架的底面中间位置开设有长槽口，两水压加载***架分别正置和倒置固定在试验台架主体两侧梁之间的下部和上部；加载***由底部加压***、顶部加压***和水压加载***组成，底部加压***置于试验台架主体内腔，底梁上部的空间内，底部加压***的若干加压部件由正置固定在试验台架主体两侧梁之间下部的水压加载***架的底面长槽口，分别伸入到该水压加载***架的若干水袋隔室内，顶部加压***置于试验台架主体内腔，顶梁下部的空间内，顶部加压***的若干加压部件由倒置固定在试验台架主体两侧梁之间上部的水压加载***架的底面长槽口，分别伸入到该水压加载***架的若干水袋隔室内，在两水压加载***架的每个水袋隔室内，底部加压***的每个加压部件前端，以及顶部加压***的每个加压部件前端均设置有垫片，水压加载***由两组水袋组成，每组水袋包括有若干个水袋，每个水袋中充有一定体积的水，其中一组水袋分别装于正置固定在试验台架主体两侧梁之间下部的水压加载***架的若干水袋隔室内，另一组水袋分别装于倒置固定在试验台架主体两侧梁之间上部的水压加载***架的若干水袋隔室内，每个水袋与每个垫片之间，设有底部钢板，两组水袋之间的试验台架主体内腔空间里，装有相似材料试验模型，相似材料试验模型的下部与上部，分别与两组水袋之间，均设有一层柔性薄膜。
本发明每个水压加载***架由两角钢和少于每组水袋1个数量的竖向固定隔板组成，两角钢前、后平行，且开口向内设置，并分别固定在试验台架主体两侧梁之间的下部或上部，前、后两侧位置，两角钢的底边水平边构成每个水压加载***架的底面，两角钢底部水平边之间的间隙构成每个水压加载***架的底面中间位置的长槽口，两角钢的侧边竖直边分别构成每个水压加载***架的前、后面，少于每组水袋1个数量的竖向固定隔板均匀分布、固定在两角钢的底边水平边上，将两角钢之间的空间分隔成若干个横向并排设置的独立的水袋隔室。
本发明的底部加压***由若干横向并排正置设置的液压加载器或者千斤顶构成；顶部加压***由若干横向并排倒置设置的液压加载器或者千斤顶构成。
本发明的各水袋均为橡胶高压气囊。
本发明每个水袋的形状为平面水枕头形状，其正、反面呈长方形，且在正面设有折叠纹理，侧面呈方形圆角状。
本发明在试验台架主体的前面板中间位置的观察窗口处安装有机玻璃板，并用钢板，采用25×25方格形式加固。
本发明的每个水袋(6)中充有2/3体积的水。
本发明的优点是：1)该装置结构简单，提供了一种新的底板突水试验的承压水水压加载方式，能够提供给底板主动的水压环境，实现水压均布或非均布加载，提供足够的相似材料试验模型变形量；2)采用该装置，通过改变分离式加载***的压力，可模拟底板在均布和非均布载荷作用下的突水机理，可以做不同水压环境的底板变形破坏规律研究，每个水袋装于每个独立的水袋隔室内，做到各个水袋位置试验不受影响，且便于观察，大大提高了试验的可靠性和实用性；3)水袋的承压能力强；4)该装置便于观察提供均布承压水水压环境的各水袋活动规律，以及各水袋与相似材料试验模型相交处的相似材料试验模型变形破坏特征，即形成承压水导升带的特点，是一种理想的用于模拟底板突水的非均匀加载试验装置。
且便于观察，
附图说明
图1是本发明试验装置去掉前、后面板后的主视局部剖视结构示意图；
图2是本发明试验装置去掉前、后面板后的左视结构示意图。
具体实施方式
如图1、2所示，用于模拟底板突水的非均匀加载试验装置，包括试验台架***、加载***和测试***，所述测试***包括压力盒和位移计，压力盒和位移计均布置在试验的相似材料试验模型9内部，压力盒和位移计均通过数据线与计算机相连，其特征是：所述试验台架***由试验台底座2、试验台架主体1和两水压加载***架组成，试验台架主体1为由底梁11、顶梁13、两侧梁12和前、后面板组成的封闭框架结构，底梁11装在试验台底座2上，顶梁13位于试验台架主体1的顶部，两侧梁12装在底梁11、顶梁13之间两帮位置，前、后面板分别固定在试验台架主体1的前、后两侧，在试验台架主体1的前面板中间位置开有观察窗口，在该观察窗口处安装有机玻璃板，并用钢板加固，每个水压加载***架上横向并排设有若干独立的水袋隔室，每个水压加载***架的底面中间位置开设有长槽口14，两水压加载***架分别正置和倒置固定在试验台架主体1两侧梁12之间的下部和上部；加载***由底部加压***、顶部加压***和水压加载***组成，底部加压***置于试验台架主体1内腔，底梁11上部的空间内，底部加压***的若干加压部件由正置固定在试验台架主体1两侧梁12之间下部的水压加载***架的底面长槽口14，分别伸入到该水压加载***架的若干水袋隔室内，顶部加压***置于试验台架主体1内腔，顶梁13下部的空间内，顶部加压***的若干加压部件由倒置固定在试验台架主体1两侧梁12之间上部的水压加载***架的底面长槽口14，分别伸入到该水压加载***架的若干水袋隔室内，在两水压加载***架的每个水袋隔室内，底部加压***的每个加压部件前端，以及顶部加压***的每个加压部件前端均设置有垫片5，水压加载***由两组水袋组成，每组水袋包括有若干个水袋6，每个水袋6中充有一定体积的水，其中一组水袋分别装于正置固定在试验台架主体1两侧梁12之间下部的水压加载***架的若干水袋隔室内，另一组水袋分别装于倒置固定在试验台架主体1两侧梁12之间上部的水压加载***架的若干水袋隔室内，每个水袋与每个垫片5之间，设有底部钢板7，两组水袋之间的试验台架主体1内腔空间里，装有相似材料试验模型9，相似材料试验模型9的下部与上部，分别与两组水袋6之间，均设有一层柔性薄膜10。
如图1、2所示，每个水压加载***架由两角钢4和少于每组水袋61个数量的竖向固定隔板8组成，两角钢4前、后平行，且开口向内设置，并分别固定在试验台架主体1两侧梁12之间的下部或上部，前、后两侧位置，两角钢4的底边水平边构成每个水压加载***架的底面，两角钢4底部水平边之间的间隙构成每个水压加载***架的底面中间位置的长槽口14，两角钢4的侧边竖直边分别构成每个水压加载***架的前、后面，少于每组水袋61个数量的竖向固定隔板8均匀分布、固定在两角钢4的底边水平边上，将两角钢4之间的空间分隔成若干个横向并排设置的独立的水袋隔室。底部加压***由若干横向并排正置设置的液压加载器或者千斤顶3构成；顶部加压***由若干横向并排倒置设置的液压加载器或者千斤顶3构成。各水袋6均为橡胶高压气囊。每个水袋6的形状为平面水枕头形状，其正、反面呈长方形，且在正面设有折叠纹理，侧面呈方形圆角状。每个水袋7的注水口为自封闭式注水口，或者为强力胶粘接封闭式注水口。每个水袋6中充有2/3体积的水。在试验台架主体1的前面板中间位置的观察窗口处安装有机玻璃板，并用钢板，采用25×25方格形式加固。
本用于模拟底板突水的非均匀加载试验装置，在装置底部，由底部加压***加压，通过若干个垫片5传递给若干块底部钢板7，直接作用于水压加载***其中一组水袋的若干个水袋6，该组水袋的各水袋6直接作用于相似材料试验模型9，给相似材料试验模型9提供主动的承压水水压环境。在装置顶部，由顶部加压***加压，通过若干个垫片5传递给若干块底部钢板7，直接作用于水压加载***另一组水袋的若干个水袋6，该组水袋的各水袋6直接作用于相似材料试验模型9，给相似材料试验模型9提供主动的上覆岩层压力。
本用于底板突水模拟试验的试验装置，水压加载***的两组水袋及相似材料试验模型9的布置过程为：首先在底部加压***若干加压部件上各设置一个垫片5和一块底部钢板7后，在正置固定在试验台架主体1两侧梁12之间下部的水压加载***架内，布置水压加载***的其中一组水袋；水压加载***的其中一组水袋布置好后，在该组水袋之上，设置一层柔性薄膜10；再按照设定要求一层一层地铺设相似材料，并在规定的相似材料层中布置压力盒、位移计等设备，这些设备均通过数据线与计算机相连，用于收集数据，待相似材料达到风干后，即构筑成相似材料试验模型9；然后在相似材料试验模型9上部设置另一层柔性薄膜10，再布置另一组水袋。

Claims (7)

1.一种用于模拟底板突水的非均匀加载试验装置，包括试验台架***、加载***和测试***，所述测试***包括压力盒和位移计，压力盒和位移计均布置在试验的相似材料试验模型(9)内部，压力盒和位移计均通过数据线与计算机相连，其特征是：所述试验台架***由试验台底座(2)、试验台架主体(1)和两水压加载***架组成，试验台架主体(1)为由底梁(11)、顶梁(13)、两侧梁(12)和前、后面板组成的封闭框架结构，底梁(11)装在试验台底座(2)上，顶梁(13)位于试验台架主体(1)的顶部，两侧梁(12)装在底梁(11)、顶梁(13)之间两帮位置，前、后面板分别固定在试验台架主体(1)的前、后两侧，在试验台架主体(1)的前面板中间位置开有观察窗口，在该观察窗口处安装有机玻璃板，并用钢板加固，每个水压加载***架上横向并排设有若干独立的水袋隔室，每个水压加载***架的底面中间位置开设有长槽口(14)，两水压加载***架分别正置和倒置固定在试验台架主体(1)两侧梁(12)之间的下部和上部；加载***由底部加压***、顶部加压***和水压加载***组成，底部加压***置于试验台架主体(1)内腔，底梁(11)上部的空间内，底部加压***的若干加压部件由正置固定在试验台架主体(1)两侧梁(12)之间下部的水压加载***架的底面长槽口(14)，分别伸入到该水压加载***架的若干水袋隔室内，顶部加压***置于试验台架主体(1)内腔，顶梁(13)下部的空间内，顶部加压***的若干加压部件由倒置固定在试验台架主体(1)两侧梁(12)之间上部的水压加载***架的底面长槽口(14)，分别伸入到该水压加载***架的若干水袋隔室内，在两水压加载***架的每个水袋隔室内，底部加压***的每个加压部件前端，以及顶部加压***的每个加压部件前端均设置有垫片(5)，水压加载***由两组水袋组成，每组水袋包括有若干个水袋(6)，每个水袋(6)中充有一定体积的水，其中一组水袋分别装于正置固定在试验台架主体(1)两侧梁(12)之间下部的水压加载***架的若干水袋隔室内，另一组水袋分别装于倒置固定在试验台架主体(1)两侧梁(12)之间上部的水压加载***架的若干水袋隔室内，每个水袋与每个垫片(5)之间，设有底部钢板(7)，两组水袋之间的试验台架主体(1)内腔空间里，装有相似材料试验模型(9)，相似材料试验模型(9)的下部与上部，分别与两组水袋(6)之间，均设有一层柔性薄膜(10)。
2.根据权利要求1所述的用于模拟底板突水的非均匀加载试验装置，其特征是：每个水压加载***架由两角钢(4)和少于每组水袋(6)1个数量的竖向固定隔板(8)组成，两角钢(4)前、后平行，且开口向内设置，并分别固定在试验台架主体(1)两侧梁(12)之间的下部或上部，前、后两侧位置，两角钢(4)的底边水平边构成每个水压加载***架的底面，两角钢(4)底部水平边之间的间隙构成每个水压加载***架的底面中间位置的长槽口(14)，两角钢(4)的侧边竖直边分别构成每个水压加载***架的前、后面，少于每组水袋(6)1个数量的竖向固定隔板(8)均匀分布、固定在两角钢(4)的底边水平边上，将两角钢(4)之间的空间分隔成若干个横向并排设置的独立的水袋隔室。
3.根据权利要求1或2所述的用于模拟底板突水的非均匀加载试验装置，其特征是：底部加压***由若干横向并排正置设置的液压加载器或者千斤顶(3)构成；顶部加压***由若干横向并排倒置设置的液压加载器或者千斤顶(3)构成。
4.根据权利要求1或2所述的用于模拟底板突水的非均匀加载试验装置，其特征是：各水袋(6)均为橡胶高压气囊。
5.根据权利要求1或2所述的用于模拟底板突水的非均匀加载试验装置，其特征是：每个水袋(6)的形状为平面水枕头形状，其正、反面呈长方形，且在正面设有折叠纹理，侧面呈方形圆角状。
6.根据权利要求1或2所述的用于模拟底板突水的非均匀加载试验装置，其特征是：在试验台架主体(1)的前面板中间位置的观察窗口处安装有机玻璃板，并用钢板，采用25×25方格形式加固。
7.根据权利要求1或2所述的用于模拟底板突水的非均匀加载试验装置，其特征是：每个水袋(6)中充有2/3体积的水。
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