CN111811955B - 一种基于曲率变形的相似模拟试验装置及方法 - Google Patents

一种基于曲率变形的相似模拟试验装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于曲率变形的相似模拟试验装置及方法，该装置包括横梁、立柱和曲率变形调节机构；该方法包括步骤：一、安装曲率变形调节机构；二、铺装相似模拟岩土层；三、模拟岩土层曲率变形；四、获取相似模拟岩土层变形数据并观测相似模拟岩土层裂缝发育特征。本发明利用曲率变形调节机构调节岩土层曲率变形量，替代煤层人工开采过程，避免采用锯条、凿子等工具进行人工模拟采掘，可实现模拟开采尺寸、开采时间和岩土层曲率变形值的精确控制，操作便利，实验精度高，操控性强，能满足岩土层曲率变形相似模拟的目的和要求，且相似模拟岩土层仅需铺设研究部分岩土层，避免了实验材料和人力浪费。

Description

一种基于曲率变形的相似模拟试验装置及方法
技术领域
本发明属于岩土工程相似模拟试验技术领域，具体涉及一种基于曲率变形的相似模拟试验装置及方法。
背景技术
相似模拟是基于相似理论的模型实验技术，目前广泛应用于地下工程与岩土工程研究领域。受矿山地质条件复杂性和煤层开采方法多样性综合影响，无法直接对煤层开采地表和岩层移动变形规律进行准确研究。相似模拟实验是指采用人工材料模拟岩层岩性，按照实际工程问题，以适当比例搭建煤层与地层相似模型，将复杂的地层移动研究过程转化为可视化模型实验研究，有助于简化研究过程、降低研究难度和提升研究精度。通过直观可视性的相似模拟实验研究煤层开采地表和岩层移动变形规律，已经成为解决采矿工程问题的重要科学研究途径之一。
现有的相似模拟试验装置存在以下问题和不足：1、模拟功能较单一，一种装置仅能模拟一种开采方法或实现一种实验要求，长期占用实验室空间资源；2、模拟煤层开采过程，采用锯条、凿子等工具进行人工模拟采掘，劳工强度高，且开挖效果受岩层相似材料强度影响较大；3、受人为影响，煤层开采时间、开采尺寸精度较差，且岩层移动变形曲率控制较难，试验结果不具有可重复性，误差较高；4、进行岩土层移动变形规律研究时，试验模型全部岩土层均需铺设，试验材料和人员劳动力浪费严重。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于曲率变形的相似模拟试验装置及方法，其设计新颖合理，利用曲率变形调节机构调节岩土层曲率变形量，替代煤层人工开采过程，避免采用锯条、凿子等工具进行人工模拟采掘，可实现模拟开采尺寸、开采时间和岩土层曲率变形值的精确控制，操作便利，实验精度高，操控性强，能满足岩土层曲率变形相似模拟的目的和要求，且相似模拟岩土层仅需铺设研究部分岩土层，避免了实验材料和人力浪费，便于推广使用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于曲率变形的相似模拟试验装置，其特征在于：包括横梁、设置在横梁两侧的立柱和设置在横梁上用于支撑相似模拟岩土层并调节相似模拟岩土层底部曲率变形的曲率变形调节机构，横梁中部开设有多个上下贯通的螺栓通孔，所述曲率变形调节机构包括多个沿横梁长度方向并排设置在横梁上侧的支撑块，支撑块的底部开设有凹槽，螺栓调节杆穿过螺栓通孔伸入至支撑块的底部凹槽内与凹槽的槽底抵接，螺栓调节杆远离支撑块的一端安装有旋转螺母，立柱两侧位于所述曲率变形调节机构的位置处均安装有倒L型支护模板和设置在倒L型支护模板上侧的L型支护模板，立柱两侧位于所述曲率变形调节机构以上的位置处均安装有多个依次布设且用于夹持所述相似模拟岩土层的侧护板，所述相似模拟岩土层为地表至开采层之间的相似模拟岩土层或地表至关键层顶部之间的相似模拟岩土层。
上述的一种基于曲率变形的相似模拟试验装置，其特征在于：所述螺栓调节杆的数量与螺栓通孔的数量相等且一一对应。
上述的一种基于曲率变形的相似模拟试验装置，其特征在于：所述横梁底部设置有多个底部支撑座，立柱位于横梁下侧的位置上安装有三角支架。
上述的一种基于曲率变形的相似模拟试验装置，其特征在于：所述倒L型支护模板的下侧与横梁连接，倒L型支护模板的倒L型支护水平板与L型支护模板的L型支护水平板配合，倒L型支护水平板和L型支护水平板均伸入至两个立柱之间的区域，两个倒L型支护水平板之间、两个L型支护水平板之间均具有间隙，所述间隙的宽度大于螺栓调节杆的直径。
上述的一种基于曲率变形的相似模拟试验装置，其特征在于：多个所述支撑块均设置在两个L型支护水平板上。
上述的一种基于曲率变形的相似模拟试验装置，其特征在于：所述倒L型支护模板和L型支护模板远离立柱的外侧面上设置有扶手。
上述的一种基于曲率变形的相似模拟试验装置，其特征在于：所述螺栓调节杆伸入至凹槽内的杆段外径与所述凹槽的内径尺寸一致。
同时，本发明还公开了一种岩土层曲率变形相似模拟试验的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤一、安装曲率变形调节机构：将两个倒L型支护模板安装在横梁两侧，同时两个倒L型支护模板的端部与立柱连接，两个倒L型支护模板的倒L型支护水平板朝上且伸入至两个立柱之间的区域，将两个L型支护模板安装在立柱两侧且位于倒L型支护模板上侧位置，倒L型支护模板的倒L型支护水平板与L型支护模板的L型支护水平板接触配合，沿L型支护水平板长度方向将多个支撑块并排设置在L型支护水平板上，螺栓调节杆依次穿过螺栓通孔、两个倒L型支护水平板之间间隙和两个L型支护水平板之间间隙伸入至支撑块底部与凹槽的槽底抵接，螺栓调节杆远离支撑块的一端安装有旋转螺母；
步骤二、铺装相似模拟岩土层：根据待模拟的岩土层属性确定相似模拟岩土层所需材料，在支撑块上由下至上通过分层铺装压实的方式铺装相似模拟岩土层对应的材料，并根据相似模拟岩土层铺设高度的增加，逐层加装立柱两侧的侧护板，直至满足相似模拟岩土层试验要求设计高度；
步骤三、模拟岩土层曲率变形：待相似模拟岩土层自然风干后，拆除L型支护模板和倒L型支护模板，将透明刻度板安装在L型支护模板和倒L型支护模板所在位置，根据试验要求的岩土层曲率，从左往右通过旋转螺母控制螺栓调节杆和支撑块逐级下降，直至各支撑块的下降高度满足试验要求的岩土层曲率变形值；
步骤四、获取相似模拟岩土层变形数据并观测相似模拟岩土层裂缝发育特征：相似模拟岩土层在重力作用下和对应曲率变形下呈现变形，并形成发育裂缝，通过透明刻度板记录相似模拟岩土层变形数据，拆除侧护板，观测相似模拟岩土层在对应曲率变形下岩土层的移动变形和裂缝发育参数。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明通过设置曲率变形调节机构，利用曲率变形调节机构根据岩土层指定的曲率变形量调节模拟相似模拟岩土层曲率变形，当相似模拟岩土层为地层顶层至开采层之间的相似模拟岩土层时，曲率变形调节机构替代人工煤层开采过程，避免采用锯条、凿子等工具进行人工模拟采掘，操作便利，实验精度高，操控性强，能满足岩土层曲率变形相似模拟的目的和要求；当相似模拟岩土层为地层顶层至关键层顶部之间的相似模拟岩土层时，曲率变形调节机构中多个支撑块充当关键层，可模拟关键层曲率变形下的垮塌情况，不受人为影响，煤层开采时间、开采尺寸精度高，且岩层移动变形曲率易控制，试验结果具有可重复性，误差小，且进行关键层移动变形规律研究时，仅需铺设需研究部分岩土层，避免了实验材料和人力浪费；试验装置功能多样，节约实验室空间，减少成本投入，便于推广使用。
2、本发明的曲率变形调节机构能通过调节螺栓调节杆位置控制支撑块升降，能模拟煤层开采过程，同时能模拟岩土层曲率变形，操作简便，机动灵活，能解决传统相似模拟实验中人为开采劳动强度高，开挖受材料影响大等实际问题，同时解决了人为开***度差，难控制的问题，可靠稳定，使用效果好。
3、本发明L型支护模板和倒L型支护模板能够固定支撑块，使螺栓调节杆与支撑块底部凹槽精确连接，在铺装相似模拟岩土层过程中，能分担螺栓调节杆承载重量，避免夯实模型产生的冲击动载压弯螺栓调节杆，此外，L型支护模板和倒L型支护模板可为相似模拟岩土层和支撑块提供侧向挡护。
4、本发明方法步骤简单，通过安装曲率变形调节机构为相似模拟岩土层的铺装提供了铺装基础，采用分层铺装压实的方式铺装相似模拟岩土层对应的材料，并根据相似模拟岩土层铺设高度的增加，逐层加装立柱两侧的侧护板，直至满足相似模拟岩土层试验要求设计高度，铺装还原度高，铺装效果好，曲率变形调节机构根据岩土层指定的曲率变形量调节模拟岩土层曲率变形，替代人工煤层开采过程，避免采用锯条、凿子等工具进行人工模拟采掘，可实现模拟开采尺寸、开采时间和岩土层曲率变形值的精确控制，操作便利，实验精度高，通过透明刻度板记录相似模拟岩土层变形数据，拆除侧护板，观测相似模拟岩土层在对应曲率变形下岩土层的移动变形和裂缝发育参数，透光性好，能在试验过程中实时观察螺栓调节杆的旋转圈数和对应的升降值，便于推广使用。
综上所述，本发明设计新颖合理，利用曲率变形调节机构根据岩土层指定的曲率变形量调节模拟相似模拟岩土层曲率变形，替代人工煤层开采过程，避免采用锯条、凿子等工具进行人工模拟采掘，可实现模拟开采尺寸、开采时间和岩土层曲率变形值的精确控制，操作便利，实验精度高，操控性强，能满足岩土层曲率变形相似模拟的目的和要求，且相似模拟岩土层仅需铺设需研究部分岩土层，避免了实验材料和人力浪费，便于推广使用。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明装置中去掉一侧L型支护模板和倒L型支护模板的结构示意图。
图2为图1的正视图。
图3为本发明横梁、立柱和螺栓通孔的位置关系示意图。
图4为本发明L型支护模板、倒L型支护模板和曲率变形调节机构的位置关系示意图。
图5为本发明L型支护模板的结构示意图。
图6为本发明倒L型支护模板的结构示意图。
图7为本发明方法的流程框图。
附图标记说明:
1—横梁； 2—立柱； 3—底部支撑座；
4—三角支架； 5—侧护板； 6—L型支护模板；
6-1—L型支护水平板； 7—倒L型支护模板；
7-1—倒L型支护水平板； 8—扶手；
12—螺栓调节杆； 13—支撑块； 14—旋转螺母；
15—螺栓通孔。
具体实施方式
实施例1
如图1至图6所示，本发明一种基于曲率变形的相似模拟试验装置，包括横梁1、设置在横梁1两侧的立柱2和设置在横梁1上用于支撑相似模拟岩土层并调节相似模拟岩土层底部曲率变形的曲率变形调节机构，横梁1中部开设有多个上下贯通的螺栓通孔15，所述曲率变形调节机构包括多个沿横梁1长度方向并排设置在横梁1上侧的支撑块13，支撑块13的底部开设有凹槽，螺栓调节杆12穿过螺栓通孔15伸入至支撑块13的底部凹槽内与凹槽的槽底抵接，螺栓调节杆12远离支撑块13的一端安装有旋转螺母14，立柱2两侧位于所述曲率变形调节机构的位置处均安装有倒L型支护模板7和设置在倒L型支护模板7上侧的L型支护模板6，立柱2两侧位于所述曲率变形调节机构以上的位置处均安装有多个依次布设且用于夹持所述相似模拟岩土层的侧护板5，所述相似模拟岩土层为地表至开采层之间的相似模拟岩土层。
需要说明的是，利用曲率变形调节机构根据岩土层指定的曲率变形量调节模拟岩土层曲率变形，当相似模拟岩土层为地表至开采层之间的相似模拟岩土层时，曲率变形调节机构替代人工煤层开采过程，避免采用锯条、凿子等工具进行人工模拟采掘，操作便利，实验精度高，操控性强，能满足岩土层曲率变形相似模拟的目的和要求；曲率变形调节机构能通过调节螺栓调节杆12位置控制支撑块3升降，能模拟煤层开采过程，同时能模拟岩土层曲率变形，操作简便，机动灵活，能解决传统相似模拟实验中人为开采劳动强度高，开挖受材料影响大等实际问题，同时解决了人为开***度差，难控制的问题，可靠稳定，使用效果好；L型支护模板6和倒L型支护模板7能够固定支撑块13，使螺栓调节杆12与支撑块13底部凹槽精确连接，在铺装相似模拟岩土层过程，能分担螺栓调节杆12承载重量，避免夯实模型产生的冲击动载压弯螺栓调节杆12，此外，L型支护模板6和倒L型支护模板7可为相似模拟岩土层和支撑块13提供侧向挡护。
如图3所示，本实施例中，所述螺栓调节杆12的数量与螺栓通孔15的数量相等且一一对应。
本实施例中，所述横梁1底部设置有多个底部支撑座3，立柱2位于横梁1下侧的位置上安装有三角支架4。
如图4所示，本实施例中，所述倒L型支护模板7的下侧与横梁1连接，倒L型支护模板7的倒L型支护水平板7-1与L型支护模板6的L型支护水平板6-1配合，倒L型支护水平板7-1和L型支护水平板6-1均伸入至两个立柱2之间的区域，两个倒L型支护水平板7-1之间、两个L型支护水平板6-1之间均具有间隙，所述间隙的宽度大于螺栓调节杆12的直径。
需要说明的是，倒L型支护模板7的倒L型支护水平板7-1与L型支护模板6的L型支护水平板6-1配合，保证多个支撑座3水平安装在试验装置中，避免仅采用倒L型支护水平板7-1支撑多个支撑座3对倒L型支护水平板7-1的倾斜挤压，导致倒L型支护水平板7-1受力失衡，倒L型支护模板7的倒L型支护水平板7-1与L型支护模板6的L型支护水平板6-1配合且多个所述支撑块13均设置在两个L型支护水平板6-1上，保证L型支护模板6和倒L型支护模板7拆卸的省力，两个倒L型支护水平板7-1的宽度之和小于横梁1的宽度，两个L型支护水平板6-1的宽度之和小于横梁1的宽度的目的是为螺栓调节杆12与支撑块13连接让位，提供空间螺栓调节杆12穿过的空间，保证螺栓调节杆12与支撑块13的可靠连接。
本实施例中，多个所述支撑块13均设置在两个L型支护水平板6-1上。
如图5和图6所示，本实施例中，所述倒L型支护模板7和L型支护模板6远离立柱2的外侧面上设置有扶手8。
需要说明的是，倒L型支护模板7和L型支护模板6远离立柱2的外侧面上设置有扶手8的目的是有利于倒L型支护模板7和L型支护模板6的组装、拆卸和搬运，能提高试验效率，避免因试验过程中人员的误伤。
本实施例中，所述螺栓调节杆12伸入至凹槽内的杆段外径与所述凹槽的内径尺寸一致。
需要说明的是，螺栓调节杆12伸入至凹槽内的杆段外径与所述凹槽的内径尺寸一致的目是保证螺栓调节杆12为支撑块13的稳定支撑，避免支撑块13在上下移动的过程中倾斜，带来试验误差，保证试验精度和可靠度。
如图7所示的一种岩土层曲率变形相似模拟试验方法，包括以下步骤：
步骤一、安装曲率变形调节机构：将两个倒L型支护模板7安装在横梁1两侧，同时两个倒L型支护模板7的端部与立柱2连接，两个倒L型支护模板7的倒L型支护水平板7-1朝上且伸入至两个立柱2之间的区域，将两个L型支护模板6安装在立柱2两侧且位于倒L型支护模板7上侧位置，倒L型支护模板7的倒L型支护水平板7-1与L型支护模板6的L型支护水平板6-1接触配合，沿L型支护水平板6-1长度方向将多个支撑块13并排设置在L型支护水平板6-1上，螺栓调节杆12依次穿过螺栓通孔15、两个倒L型支护水平板7-1之间间隙和两个L型支护水平板6-1之间间隙伸入至支撑块13底部与凹槽的槽底抵接，螺栓调节杆12远离支撑块13的一端安装有旋转螺母14；
步骤二、铺装相似模拟岩土层：根据待模拟的岩土层属性确定相似模拟岩土层所需材料，在支撑块13上由下至上通过分层铺装压实的方式铺装相似模拟岩土层对应的材料，并根据相似模拟岩土层铺设高度的增加，逐层加装立柱2两侧的侧护板5，直至满足相似模拟岩土层试验要求设计高度；
步骤三、模拟岩土层曲率变形：待相似模拟岩土层自然风干后，拆除L型支护模板6和倒L型支护模板7，将透明刻度板安装在L型支护模板6和倒L型支护模板7所在位置，根据试验要求的岩土层曲率，从左往右通过旋转螺母14控制螺栓调节杆12和支撑块13逐级下降，直至各支撑块13的下降高度满足试验要求的岩土层曲率变形值；
步骤四、获取相似模拟岩土层变形数据并观测相似模拟岩土层裂缝发育特征：相似模拟岩土层在重力作用下和对应曲率变形下呈现变形，并形成发育裂缝，通过透明刻度板记录相似模拟岩土层变形数据，拆除侧护板5，观测相似模拟岩土层在对应曲率变形下岩土层的移动变形和裂缝发育参数。
需要说明的是，本实施例中，所述相似模拟岩土层为地表至开采层之间的相似模拟岩土层，曲率变形调节机构替代开采层的人工煤层开采过程，避免采用锯条、凿子等工具进行人工模拟采掘，操作便利，实验精度高，操控性强，能满足岩土层曲率变形相似模拟的目的和要求。
实施例2
本实施例与实施例1不同的是，所述相似模拟岩土层为地表至关键层顶部之间的相似模拟岩土层，曲率变形调节机构中多个支撑块充当关键层，可模拟关键层曲率变形下的垮塌情况，不受人为影响，煤层开采时间、开采尺寸精度高，且岩层移动变形曲率易控制，试验结果具有可重复性，误差效，且进行关键层移动变形规律研究时，仅需铺设需研究部分岩土层，避免了实验材料和人力浪费；试验装置功能多样，节约实验室空间，减少成本投入，功能多样化。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于曲率变形的相似模拟试验装置，其特征在于：包括横梁(1)、设置在横梁(1)两侧的立柱(2)和设置在横梁(1)上用于支撑相似模拟岩土层并调节相似模拟岩土层底部曲率变形的曲率变形调节机构，横梁(1)中部开设有多个上下贯通的螺栓通孔(15)，所述曲率变形调节机构包括多个沿横梁(1)长度方向并排设置在横梁(1)上侧的支撑块(13)，支撑块(13)的底部开设有凹槽，螺栓调节杆(12)穿过螺栓通孔(15)伸入至支撑块(13)的底部凹槽内与凹槽的槽底抵接，螺栓调节杆(12)远离支撑块(13)的一端安装有旋转螺母(14)，立柱(2)两侧位于所述曲率变形调节机构的位置处均安装有倒L型支护模板(7)和设置在倒L型支护模板(7)上侧的L型支护模板(6)，立柱(2)两侧位于所述曲率变形调节机构以上的位置处均安装有多个依次布设且用于夹持所述相似模拟岩土层的侧护板(5)，所述相似模拟岩土层为地表至开采层之间的相似模拟岩土层或地表至关键层顶部之间的相似模拟岩土层；
所述倒L型支护模板(7)的下侧与横梁(1)连接，倒L型支护模板(7)的倒L型支护水平板(7-1)与L型支护模板(6)的L型支护水平板(6-1)配合，倒L型支护水平板(7-1)和L型支护水平板(6-1)均伸入至两个立柱(2)之间的区域，两个倒L型支护水平板(7-1)之间、两个L型支护水平板(6-1)之间均具有间隙，所述间隙的宽度大于螺栓调节杆(12)的直径；
多个所述支撑块(13)均设置在两个L型支护水平板(6-1)上；
所述螺栓调节杆(12)伸入至凹槽内的杆段外径与所述凹槽的内径尺寸一致。
2.按照权利要求1所述的一种基于曲率变形的相似模拟试验装置，其特征在于：所述螺栓调节杆(12)的数量与螺栓通孔(15)的数量相等且一一对应。
3.按照权利要求1所述的一种基于曲率变形的相似模拟试验装置，其特征在于：所述横梁(1)底部设置有多个底部支撑座(3)，立柱(2)位于横梁(1)下侧的位置上安装有三角支架(4)。
4.按照权利要求1所述的一种基于曲率变形的相似模拟试验装置，其特征在于：所述倒L型支护模板(7)和L型支护模板(6)远离立柱(2)的外侧面上设置有扶手(8)。
5.一种利用如权利要求1所述装置进行岩土层曲率变形相似模拟试验的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤一、安装曲率变形调节机构：将两个倒L型支护模板(7)安装在横梁(1)两侧，同时两个倒L型支护模板(7)的端部与立柱(2)连接，两个倒L型支护模板(7)的倒L型支护水平板(7-1)朝上且伸入至两个立柱(2)之间的区域，将两个L型支护模板(6)安装在立柱(2)两侧且位于倒L型支护模板(7)上侧位置，倒L型支护模板(7)的倒L型支护水平板(7-1)与L型支护模板(6)的L型支护水平板(6-1)接触配合，沿L型支护水平板(6-1)长度方向将多个支撑块(13)并排设置在L型支护水平板(6-1)上，螺栓调节杆(12)依次穿过螺栓通孔(15)、两个倒L型支护水平板(7-1)之间间隙和两个L型支护水平板(6-1)之间间隙伸入至支撑块(13)底部与凹槽的槽底抵接，螺栓调节杆(12)远离支撑块(13)的一端安装有旋转螺母(14)；
步骤二、铺装相似模拟岩土层：根据待模拟的岩土层属性确定相似模拟岩土层所需材料，在支撑块(13)上由下至上通过分层铺装压实的方式铺装相似模拟岩土层对应的材料，并根据相似模拟岩土层铺设高度的增加，逐层加装立柱(2)两侧的侧护板(5)，直至满足相似模拟岩土层试验要求设计高度；
步骤三、模拟岩土层曲率变形：待相似模拟岩土层自然风干后，拆除L型支护模板(6)和倒L型支护模板(7)，将透明刻度板安装在L型支护模板(6)和倒L型支护模板(7)所在位置，根据试验要求的岩土层曲率，从左往右通过旋转螺母(14)控制螺栓调节杆(12)和支撑块(13)逐级下降，直至各支撑块(13)的下降高度满足试验要求的岩土层曲率变形值；
步骤四、获取相似模拟岩土层变形数据并观测相似模拟岩土层裂缝发育特征：相似模拟岩土层在重力作用下和对应曲率变形下呈现变形，并形成发育裂缝，通过透明刻度板记录相似模拟岩土层变形数据，拆除侧护板(5)，观测相似模拟岩土层在对应曲率变形下岩土层的移动变形和裂缝发育参数。
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