CN107621415A - 一种真三轴多功能大型深部矿井巷道模型试验机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种真三轴多功能大型深部矿井巷道模型试验机，包括回形框架***、液压加载与保压***、控制***、压力水***、设备基础***和模型拆装***，其特点在于：回形框架***为全密封结构，可进行真三轴五面三向加载，可提供高于的模型表面应力，可实现长时间高压保压以及可进行富水保压试验。本发明适用于矿井深部巷道的多项科学研究，可实现地下巷道工程开挖、支护、掘进、突水和高地压等相互影响的模拟试验，具有结构紧凑、简单，操作方便，环保节能的优点。
Description
技术领域
本发明专利适用于矿山深部巷道的多项科学研究，实现地下巷道工程开挖、支护、掘进、突水及高地压等相互影响的模型试验。
背景技术
地下开采是矿产资源来源的主要途径，在长期大强度的开采中，浅部矿产资源储量逐渐减少，开采的井深越来越大。随着采矿开采深度的增加，高地压和高水压矿井破碎岩体巷道发生灾害越来越多。在高地应力条件下，深部洞室围岩的结构、力学特性和工程响应出现了一系列新的特征和现象，已成为岩土力学与工程领域研究的热点问题。模型试验具有其独特的优越性，在国内外岩土与采矿工程界得到广泛应用，成为开展地下工程研究的必要手段。
现有的有关装置和***存在以下不足：没有全密封的真三轴加载***、没有能够模拟深部高水压的压力水***，没有足够的加载压力，且没有长时间的保压效果，使得模拟情况下的围岩受力情况与真实情况差异很大，无法模拟现实情况下的渗水、突水和涌水等富水试验。
发明内容
本发明专利目的在于克服现有地质力学模型试验机存在的不足，提供一种真三轴多功能大型深部矿井巷道模型试验机；采用全密封式回形框架***，可进行真三轴五面三向加载，可提供高于的模型表面应力，可实现长时间高压保压，可进行富水试验。
本发明专利采用的技术方案是：本模型试验机包括回形框架***、液压加载与保压***、压力水***、设备基础***、模型拆装***和控制***。其特征在于：（1）所述回形框架***包括回字形主框架、前网格板、后网格板和防干涉框；所述防干涉框由8根方柱焊接组成，包括周向4根方柱、纵向4根方柱，用于防止相邻加载板同时加载时的相互干涉；所述纵向4根方柱，中部穿过所述回字形主框架，前端为螺杆，用于连接所述前、后网格板，承受前后方向模型反力；所述后网格板设有沿四周分布的筋板，且所述筋条与所述回字形主框架以及所述周向4根方柱焊接成整体；所述回字形主框架、所述前网格板和所述后网格板构成模型试验空腔；所述前网格板中心部位预留有基础观察孔，用三级大小不同的法兰端盖组合装配到所述基础观察孔上得到三级不同尺寸的观察孔，实现所述三种尺寸下对试验模型的开挖、监测与观察；所述三级大小不同的法兰端盖的安装螺孔交错布置，实现所述组合装配；（2）所述液压加载与保压***包括加载板、液压作动器、液压管路、液压阀门、液压泵、蓄能器和油箱；所述液压作动器镶嵌布置在所述回字形主框架的上、下、左、右网格梁柱内以及所述后网格板网格内，实现五面三向的真三轴加载；所述液压作动器进出油口统一布置在所述液压作动器尾部，在设备外面连接液压管路，使得拆装简单，检修方便；所述液压加载与保压***能实现同步或独立加载深部地压应力下的任意梯度表面压力；所述任意梯度表面压力和保压时间由所述控制***控制；所述液压泵分为大功率主泵与小功率补油泵，所述大功率主泵和所述小功率补油泵配合所述蓄能器作用，实现长时间、高精度、压力自补偿保压，且保压过程能耗低；（3）所述压力水***（另行申请了实用新型）包括高压水泵、水阀、水管、水箱和密封件；所述密封件设置在连通所述模型空腔与外界的各部件的安装面，形成全密封空腔，用于对所述高压水泵提供的压力水进行保压；所述高压水泵为多级高压离心水泵，可提供深部地压应力下的高压水，用于对所述全密封空腔注水，进行渗水、突水和涌水等富水试验；所述水阀为电比例阀，可精准控制水压；（4）所述设备基础***设置水槽，所述设备基础***设置有水槽，所述水槽使水回流，回流水经沉淀后重复利用，进而实现节能降耗；（5）所述模型拆装***包括平板车、轨道、行走装置、起盖油缸和卸料油缸；所述起盖油缸，分为左右两个，镶嵌布置在所述前网格板两侧，试验完毕时，松开前网格板与回形框架之间的连接后，起盖油缸活塞杆伸出，推动前网格板与回形框架分离，实现自动起盖。所述卸料油缸为上下两个大行程油缸，镶嵌布置在所述后网格板上，试验完毕后，所述卸料油缸将模型试样从所述全密封空腔推出至所述平板车上，实现自动卸料；所述轨道包括横向轨道和纵向轨道；所述行走装置包括前网格板行走装置和平板车行走装置，由电动马达驱动，使所述前网格板在所述纵向轨道上行走，使所述平板车在所述纵向轨道和所述横向轨道上行走，实现自动输送；（6）所述控制***能把试验时施加给试验对象的激励信号以及试验对象的响应信号实时生成曲线。
附图说明
下面结合附图进一步说明本发明专利。
附图1是本发明专利主体部分结构示意图。
附图2是本发明专利液压作动器及推板安装示意图（左视图，中轴线半剖）。
附图3是本发明专利防干涉框结构示意图。
附图4是本发明专利三级观察孔示意图。
图中：1.后网格板，2.回字形主框架，3.前网格板，4.液压作动器，5.周向推板，6.防干涉框，6-1、6-2、6-3、6-4.纵向四根方柱6-5、6-6、6-7、6-8.周向四根方柱，7.平板车，8.平板车行走装置，9.纵向轨道，10.横向轨道，11.前网格板安装孔，12.起盖油缸，13.基础观察孔，13-1.一级观察法兰，13-2.二级观察法兰，13-3.三级观察法兰，14.前网格板行走装置，15.卸料油缸，16.加强肋板，17.卸料推板。
具体实施方式
参照附图1-3：（1）后网格板1上以及回字形主框架2的四个面上均镶嵌有液压作动器4，且有口统一布置在外侧，其中回字形主框架2上的液压作动器4的活动端与周向推板5固连；（2）后网格板1上镶嵌有上下两个卸料油缸15，卸料油缸15活动端与卸料推板17固连；（3）防干涉框6的纵向四根方柱6-1、6-2、6-3、6-4穿过回字形主框架2，其接触面焊接固定，防干涉框6的周向四根方柱6-5、6-6、6-7、6-8与后网格板1焊接固定；（4）加强肋板16与后网格板1、回字形主框架2焊接固定；（5）周向推板5在液压作动器4的作用下，可沿着防干涉框6的导向方向运动；（6）前网格板3的下端设置有前网格板行走装置14，可沿纵向轨道9运动；（7）平板车7的下端设置有平板车行走装置8，可沿纵向轨道9以及横向轨道10运动；（8）前网格板3上设置有4个前网格板安装孔11以及基础观察孔13；（9）前网格板上布置有左右两个起盖油缸12；参照附图4：（10）一级观察法兰13-1、二级观察法兰13-2、三级观察法兰13-3的安装螺孔交错布置，一级观察法兰13-1以前网格板3上的基础观察孔13为基础安装，二级观察法兰13-2以一级观察法兰13-1为基础安装，三级观察法兰13-3以二级观察法兰13-2为基础安装。
其工作工程如下
步骤1：使装置处于工作状态，使所有液压作动器复位，卸下前网格板安装装置，起盖油缸活塞杆伸出，推动前网格板与回形框架分离，驱动前网格板行走装置，使前网格板远离回字形主框架；
步骤2：将试验材料和相关传感器均置于模拟试验机内并压实；
步骤3：驱动前网格板行走装置，使前网格板运动至工作面贴近回字形主框架，使防干涉框的纵向四根方柱的前端螺杆穿过前网格板安装孔，安装前网格板；
步骤4：对模型进行加载、监测、采集试验数据；
步骤5：重复步骤1，驱动平板车行走装置，使其运动到回字形主框架前，启用卸料油缸，卸料油缸活塞杆伸出，将模型从模腔内推出至平板车上；
步骤6：驱动平板车行走装置，使平板车运动至横向轨道；
步骤7：重复步骤3。
Claims (8)
1.一种真三轴多功能大型深部矿井巷道模型试验机，包括回形框架***、液压加载与保压***、压力水***、设备基础***、模型拆装***和控制***。
2.根据权利要求1所述真三轴多功能大型深部矿井巷道模型试验机，其特征在于，所述回形框架***包括回字形主框架、前网格板、后网格板和防干涉框；所述防干涉框由8根方柱焊接组成，包括周向4根方柱、纵向4根方柱，用于防止相邻加载板同时加载时的相互干涉；所述纵向4根方柱，中部穿过所述回字形主框架，前端为螺杆，用于连接所述前、后网格板，承受前后方向模型反力；所述后网格板四周筋板与所述回字形主框架以及所述周向4根方柱焊接成整体；所述回字形主框架、所述前网格板和所述后网格板形成所述模型的试验空腔；所述前网格板中心部位预留有基础观察孔，用三级大小不同的法兰端盖组合装配到所述基础观察孔上得到三级不同尺寸的观察孔，实现所述三种尺寸下对试验模型的开挖、监测与观察；所述三级大小不同的法兰端盖的安装螺孔交错布置，实现所述组合装配。
3.根据权利要求1所述真三轴多功能大型深部矿井巷道模型试验机，其特征在于，所述液压加载与保压***包括加载板、液压作动器、液压管路、液压阀门、液压泵、蓄能器和油箱；所述液压作动器镶嵌布置在所述回字形主框架的上、下、左、右网格梁柱内以及所述后网格板网格内，实现五面三向的真三轴加载；所述液压作动器进出油口统一布置在所述液压作动器尾部，在设备外面连接液压管路，使得拆装简单，检修方便；所述液压加载与保压***能实现同步或独立加载深部地压应力下的任意梯度表面压力；所述任意梯度表面压力和保压时间由所述控制***控制；所述液压泵分为大功率主泵与小功率补油泵，所述大功率主泵和所述小功率补油泵配合所述蓄能器作用，实现长时间、高精度、压力自补偿保压，且保压过程能耗低。
4.根据权利要求1所述真三轴多功能大型深部矿井巷道模型试验机，其特征在于，所述压力水***包括高压水泵、水阀、水管、水箱和密封件；所述密封件设置在连通所述模型空腔与外界的各部件的安装面，形成全密封空腔，用于对所述高压水泵提供的压力水进行保压；所述高压水泵为多级高压离心水泵，可提供深部地压应力下的高压水，用于对所述全密封空腔注水，进行渗水、突水、涌水等富水试验；所述水阀为电比例阀，可精准控制水压。
5.根据权利要求1所述真三轴多功能大型深部矿井巷道模型试验机，其特征在于，所述设备基础***设置有水槽，所述水槽使水回流，回流水经沉淀后重复利用，进而实现节能降耗。
6.根据权利要求1所述真三轴多功能大型深部矿井巷道模型试验机，其特征在于，所述模型拆装***包括平板车、轨道、行走装置、起盖油缸和卸料油缸；所述起盖油缸，分为左右两个，镶嵌布置在所述前网格板两侧，试验完毕时，松开前网格板与回形框架之间的连接后，起盖油缸活塞杆伸出，推动前网格板与回形框架分离，实现自动起盖。
7.所述卸料油缸为上下两个大行程油缸，镶嵌布置在所述后网格板上，所述卸料油缸为上下两个大行程油缸，镶嵌布置在所述后网格板上，试验完毕后，所述卸料油缸将模型试样从所述全密封空腔推出至所述平板车上，实现自动卸料；所述轨道包括横向轨道和纵向轨道；所述行走装置包括前网格板行走装置和平板车行走装置，由电动马达驱动，使所述前网格板在所述纵向轨道上行走，使所述平板车在所述纵向轨道和所述横向轨道上行走，实现自动输送。
8.根据权利要求1所述真三轴多功能大型深部矿井巷道模型试验机，其特征在于，所述控制***能把试验时施加给试验对象的激励信号以及试验对象的响应信号实时生成曲线。
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