CN112067447B - 一种模拟煤层顶板突水的相似实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟煤层顶板突水的相似实验装置,其包括实验台、围压仓、顶板模拟组件、水仓以及压力模拟组件,其中,所述围压仓的底部外圆周上套设有安装座,所述安装座固定在实验台上,所述围压仓中放置有所述顶板模拟组件,所述顶板模拟组件能够支撑包裹顶板模拟体,并能够采用水仓从顶板模拟体的上方注入水体;所述围压仓的底部还同轴嵌入有密封柱塞,所述密封柱塞的内部贯穿有出液管,所述出液管能够收集渗透穿过顶板模拟体的水体;所述围压仓的顶部还设置有所述压力模拟组件,所述压力模拟组件能够模拟交替施加在顶板模拟组件上方的点压以及面压。
Description
技术领域
本发明属于煤层顶板突水模拟技术领域,具体是一种模拟煤层顶板突水的相似实验装置。
背景技术
在煤矿开采中会遇到多种安全问题,每一种安全问题如果不能及时有效的处理,都会威胁着人员的生命安全,其中顶板突水造成的伤亡更为突出,因而需要加强对于顶板突水方面的研究;目前,一般会采用相似实验来模拟煤层顶板突水状况,然而现有的相似实验装置,仅通过三轴渗透实验计算岩石的渗透率来研究顶板突水的相关机理,其实验结果较为片面,不能够模拟整体地貌对于顶板突水的影响,另外,在实际情况中,顶板受力情况较为复杂,仅通过简单三轴施力无法模拟出其真实的受力情况。
因此,本领域技术人员提供了一种模拟煤层顶板突水的相似实验装置,以解决上述背景技术中提出的问题。
发明内容
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:一种模拟煤层顶板突水的相似实验装置,其包括实验台、围压仓、顶板模拟组件、水仓以及压力模拟组件,其中,所述围压仓的底部外圆周上套设有安装座,所述安装座固定在实验台上,
所述围压仓中放置有所述顶板模拟组件,所述顶板模拟组件能够支撑包裹顶板模拟体,并能够采用水仓从顶板模拟体的上方注入水体;
所述围压仓的底部还同轴嵌入有密封柱塞,所述密封柱塞的内部贯穿有出液管,所述出液管能够收集渗透穿过顶板模拟体的水体;
所述围压仓的顶部还设置有所述压力模拟组件,所述压力模拟组件能够模拟交替施加在顶板模拟组件上方的点压以及面压。
进一步,作为优选,所述顶板模拟组件包括围压套、囊体以及底部支撑件,其中,所述底部支撑件上布设有多个防水煤层柱,所述防水煤层柱上支撑有所述顶板模拟体,所述顶板模拟体的上方套设有[形囊体,所述囊体以及底部支撑件的外部套设有围压套;
所述囊体的中部为通孔,通孔中嵌入有弹性补充塞,所述弹性补充塞能够在外界压力下进行弹性形变;
所述囊体的底部还固定嵌入连通有环形注水盘,所述注水盘避开弹性补充塞设置,所述注水盘的底部均匀布有注水孔;
所述囊体的靠外一个圆周上固定连通有注水管,所述注水管穿过围压仓与水仓相连。
进一步,作为优选,所述顶板模拟体包括从上向下依次排布的变形区、裂隙进水区以及垮落区。
进一步,作为优选,所述底部支撑件包括支撑底座、包裹环体以及连接柱,其中,所述支撑底座为回转体,其上表面为向下凹陷的弧形,且其上表面靠外的一个圆周上固定有包裹环体,用于支撑包裹顶板模拟体,所述支撑底座的底部固定有连接柱,所述连接柱中开设有贯穿支撑底座与连接柱的引流孔。
进一步,作为优选,所述出液管的外部同轴固定有调节柱,所述调节柱滑动穿过密封柱塞,且所述调节柱位于围压仓内的一端固定有分隔板,所述分隔板能够将围压仓分隔成上部围压空间以及下部分离空间;
所述分隔板的上方固定有槽体,用于与连接柱密封转动相连;
所述出液管贯穿分隔板以及分隔板上方的槽体从而与引流孔相连通。
进一步,作为优选,所述密封柱塞的上表面固定有密封环一,所述密封柱塞的下表面固定有凸型密封连接座,所述密封连接座的中部开设有螺纹通孔,所述调节柱的下半部外表面布有外螺纹,用于螺纹连接密封连接座的螺纹通孔,且通过转动所述调节柱,能够改变调节柱伸入围压仓中的长度。
进一步,作为优选,所述围压仓的顶部内侧固定嵌入有封头,所述围压仓的顶部外侧固定套设有封头座,所述封头座上连接有驱动仓,所述驱动仓中设置有所述压力模拟组件;
所述压力模拟组件包括液压缸、两组连杆组件、面压盘以及点压盘,其中,所述液压缸固定嵌入在驱动仓中,所述液压缸的输出端采用支杆连接有点压盘,所述液压缸的输出端还采用两组连杆组件连接有面压盘,且,所述液压缸的输出端的伸缩能够驱动所述点压盘和面压盘交替上下移动;
所述面压盘的中部开设有通槽,用于所述点压盘穿过其中。
进一步,作为优选,所述连杆组件包括支撑杆、连杆、连接筒以及驱动杆,其中,所述连杆为L形,其弯钩部位活动插接在液压缸输出端开设的让位圆孔中,所述连杆的另一端与连接筒相铰接,所述连接筒的内部采用弹簧与驱动杆滑动相连,所述驱动杆竖直穿过封头座以及封头与面压盘相连,所述连杆靠近连接筒的位置处铰接有支撑杆,所述支撑杆的另一端铰接在驱动仓的顶壁上;
所述封头座的上表面固定嵌入有密封环三,所述封头的下表面固定嵌入有密封环二,所述支杆和驱动杆自上至下依次滑动穿过密封环三、封头座、封头以及密封环二。
进一步,作为优选,所述围压仓中对称设置有围压入口和围压出口。
进一步,作为优选,所述实验台上还设置有收集槽,所述收集槽为透明玻璃材质,其表面刻有刻度。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
1.本装置中,设置的顶板模拟组件包括围压套、囊体以及底部支撑件,其中,底部支撑件上布设有多个防水煤层柱,防水煤层柱上支撑有顶板模拟体,从而实现真实模拟煤层顶板的结构,另外,囊体的中部为通孔,通孔中嵌入有弹性补充塞,当弹性补充塞被点压盘挤压时,能够将点压反馈至顶板模拟体中,而囊体被面压盘挤压时,能够将面压反馈至顶板模拟体中,而液压缸的输出端的伸缩能够驱动点压盘和面压盘交替上下移动,从而分别实现点压与面压对于顶板模拟体的影响实验;
2.本装置能够实现多种情况下的模拟实验,其中,以一定的水压向囊体中注入水体,记录注水量,水压以及出水量,另外,施加点压,记录相关参数,或者,施加面压,记录相关参数,或者增加围压重复上述实验,从而全面了解围压、水压、注水量、点压、面压等对于煤层顶板突水情况的影响,提高了实验对于实际煤矿生产的指导意义。
附图说明
图1为一种模拟煤层顶板突水的相似实验装置的平面结构示意图;
图2为一种模拟煤层顶板突水的相似实验装置中压力模拟组件的结构示意图;
图3为一种模拟煤层顶板突水的相似实验装置中顶板模拟组件的结构示意图;
图中:1、实验台;2、安装座;3、密封柱塞;4、围压仓;5、围压入口;6、围压出口;7、顶板模拟组件;8、水仓;9、注水管;10、分隔板;11、密封环一;12、调节柱;13、出液管;14、密封连接座;15、收集槽;16、封头座;17、封头;18、密封环二;19、密封环三;20、驱动仓;21、压力模拟组件;22、液压缸;23、支撑杆;24、连杆;25、连接筒;26、让位圆孔;27、驱动杆;28、面压盘;29、点压盘;30、围压套;31、囊体;32、弹性补充塞;33、注水盘;34、支撑底座;35、包裹环体;36、防水煤层柱;37、连接柱;38、引流孔;39、变形区;40、裂隙进水区;41、垮落区。
具体实施方式
请参阅图1~3,本发明实施例中,一种模拟煤层顶板突水的相似实验装置,其包括实验台1、围压仓4、顶板模拟组件7、水仓8以及压力模拟组件21,其中,所述围压仓4的底部外圆周上套设有安装座2,所述安装座2固定在实验台1上;
所述围压仓4中放置有所述顶板模拟组件7,所述顶板模拟组件7能够支撑包裹顶板模拟体,并能够采用水仓8从顶板模拟体的上方注入水体;
所述围压仓4的底部还同轴嵌入有密封柱塞3,所述密封柱塞3的内部贯穿有出液管13,所述出液管13能够收集渗透穿过顶板模拟体的水体,通过外部测量工具得出涌水量;
所述围压仓4的顶部还设置有所述压力模拟组件21,所述压力模拟组件21能够模拟交替施加在顶板模拟组件7上方的点压以及面压。
本实施例中,如图1和图3,所述顶板模拟组件7包括围压套30、囊体31以及底部支撑件,其中,所述底部支撑件上布设有多个防水煤层柱36,所述防水煤层柱36上支撑有所述顶板模拟体,从而实现真实模拟煤层顶板的结构,所述顶板模拟体的上方套设有[形囊体31,所述囊体31以及底部支撑件的外部套设有围压套30;
所述囊体31的中部为通孔,通孔中嵌入有弹性补充塞32,所述弹性补充塞32能够在外界压力下进行弹性形变,弹性补充塞32的直径与点压盘的直径相同,当弹性补充塞32被点压盘挤压时,能够将点压反馈至顶板模拟体中,而囊体31被面压盘挤压时,能够将面压反馈至顶板模拟体中;
另外,所述囊体31的底部还固定嵌入连通有环形注水盘33,所述注水盘33避开弹性补充塞32设置,所述注水盘33的底部均匀布有注水孔,从而均匀的为顶板模拟体提供注水;
所述囊体31的靠外一个圆周上固定连通有注水管9,所述注水管9穿过围压仓4与水仓8相连。
作为较佳的实施例,所述顶板模拟体包括从上向下依次排布的变形区39、裂隙进水区40以及垮落区41,当然,为了能够提高实验数据的可靠性,还可根据实际情况增加相应的区域。
本实施例中,如图3,所述底部支撑件包括支撑底座34、包裹环体35以及连接柱37,其中,所述支撑底座34为回转体,其上表面为向下凹陷的弧形,便于收集水体,将水体汇集至中部位置,一起收集,且其上表面靠外的一个圆周上固定有包裹环体35,用于支撑包裹顶板模拟体,所述支撑底座34的底部固定有连接柱37,所述连接柱37中开设有贯穿支撑底座34与连接柱37的引流孔38。
本实施例中,如图1,所述出液管13的外部同轴固定有调节柱12,所述调节柱12滑动穿过密封柱塞3,且所述调节柱12位于围压仓4内的一端固定有分隔板10,所述分隔板10能够将围压仓4分隔成上部围压空间以及下部分离空间;
所述分隔板10的上方固定有槽体,用于与连接柱37密封转动相连;
所述出液管13贯穿分隔板10以及分隔板上方的槽体从而与引流孔38相连通。
作为较佳的实施例,所述密封柱塞3的上表面固定有密封环一11,所述密封柱塞3的下表面固定有凸型密封连接座14,所述密封连接座14的中部开设有螺纹通孔,所述调节柱12的下半部外表面布有外螺纹,用于螺纹连接密封连接座14的螺纹通孔,且通过转动所述调节柱12,能够改变调节柱12伸入围压仓4中的长度,从而改变来自于底板对于防水煤层柱的压力。
本实施例中,如图1-2,所述围压仓4的顶部内侧固定嵌入有封头17,所述围压仓4的顶部外侧固定套设有封头座16,所述封头座16上连接有驱动仓20,所述驱动仓20中设置有所述压力模拟组件21;
所述压力模拟组件21包括液压缸22、两组连杆组件、面压盘28以及点压盘29,其中,所述液压缸22固定嵌入在驱动仓20中,所述液压缸22的输出端采用支杆连接有点压盘29,所述液压缸22的输出端还采用两组连杆组件连接有面压盘28,且,所述液压缸22的输出端的伸缩能够驱动所述点压盘和面压盘交替上下移动,从而分别实现点压与面压对于顶板模拟体的影响实验;
所述面压盘28的中部开设有通槽,用于所述点压盘29穿过其中。
作为较佳的实施例,所述连杆组件包括支撑杆23、连杆24、连接筒25以及驱动杆27,其中,所述连杆24为L形,其弯钩部位活动插接在液压缸22输出端开设的让位圆孔26中,所述连杆24的另一端与连接筒25相铰接,所述连接筒25的内部采用弹簧与驱动杆27滑动相连,所述驱动杆27竖直穿过封头座16以及封头17与面压盘28相连,所述连杆24靠近连接筒25的位置处铰接有支撑杆23,所述支撑杆23的另一端铰接在驱动仓20的顶壁上,如图2中各部件位置,当液压缸22的输出端向下移动时,连接筒25以支撑杆23为支撑,有向液压缸22移动的趋势,此时通过支撑杆的偏移作为补偿即可,而让位圆孔的大小能够满足支撑杆23的偏移,所引起的连杆24的偏移;
所述封头座16的上表面固定嵌入有密封环三19,所述封头17的下表面固定嵌入有密封环二18,所述支杆和驱动杆27自上至下依次滑动穿过密封环三19、封头座16、封头17以及密封环二18。
本实施例中,所述围压仓4中对称设置有围压入口5和围压出口6。
作为较佳的实施例,所述实验台1上还设置有收集槽15,所述收集槽15为透明玻璃材质,其表面刻有刻度。
在具体实施时,先转动调节柱12,改变调节柱12伸入围压仓4中的长度,从而改变来自于底板对于防水煤层柱的压力,在底部支撑件上固定有多个防水煤层柱,然后在防水煤层柱上从下向上依次放置垮落区、裂隙进水区以及变形区,随后放置囊体31,套上围压套,开始模拟实验,以一定的水压向囊体中注入水体,记录注水量,水压以及出水量,第二次实验中,施加点压,记录相关参数,第三次实验中,施加面压,记录相关参数,当然,还需要增加围压重复上述实验,从而了解围压、水压、注水量、点压、面压等对于煤层顶板突水情况的影响,提高了实验对于实际煤矿生产的指导意义。
以上所述的,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种模拟煤层顶板突水的相似实验装置,其包括实验台(1)、围压仓(4)、顶板模拟组件(7)、水仓(8)以及压力模拟组件(21),其中,所述围压仓(4)的底部外圆周上套设有安装座(2),所述安装座(2)固定在实验台(1)上,其特征在于:
所述围压仓(4)中放置有所述顶板模拟组件(7),所述顶板模拟组件(7)能够支撑包裹顶板模拟体,并能够采用水仓(8)从顶板模拟体的上方注入水体;
所述围压仓(4)的底部还同轴嵌入有密封柱塞(3),所述密封柱塞(3)的内部贯穿有出液管(13),所述出液管(13)能够收集渗透穿过顶板模拟体的水体;
所述围压仓(4)的顶部还设置有所述压力模拟组件(21),所述压力模拟组件(21)能够模拟交替施加在顶板模拟组件(7)上方的点压以及面压;
所述顶板模拟组件(7)包括围压套(30)、囊体(31)以及底部支撑件,其中,所述底部支撑件上布设有多个防水煤层柱(36),所述防水煤层柱(36)上支撑有所述顶板模拟体,所述顶板模拟体的上方套设有[形囊体(31),所述囊体(31)以及底部支撑件的外部套设有围压套(30);
所述囊体(31)的中部为通孔,通孔中嵌入有弹性补充塞(32),所述弹性补充塞(32)能够在外界压力下进行弹性形变;
所述囊体(31)的底部还固定嵌入连通有环形注水盘(33),所述注水盘(33)避开弹性补充塞(32)设置,所述注水盘(33)的底部均匀布有注水孔;
所述囊体(31)的靠外一个圆周上固定连通有注水管(9),所述注水管(9)穿过围压仓(4)与水仓(8)相连;
所述围压仓(4)的顶部内侧固定嵌入有封头(17),所述围压仓(4)的顶部外侧固定套设有封头座(16),所述封头座(16)上连接有驱动仓(20),所述驱动仓(20)中设置有所述压力模拟组件(21);
所述压力模拟组件(21)包括液压缸(22)、两组连杆组件、面压盘(28)以及点压盘(29),其中,所述液压缸(22)固定嵌入在驱动仓(20)中,所述液压缸(22)的输出端采用支杆连接有点压盘(29),所述液压缸(22)的输出端还采用两组连杆组件连接有面压盘(28),且,所述液压缸(22)的输出端的伸缩能够驱动所述点压盘和面压盘交替上下移动;
所述面压盘(28)的中部开设有通槽,用于所述点压盘(29)穿过其中。
2.根据权利要求1所述一种模拟煤层顶板突水的相似实验装置,其特征在于:所述顶板模拟体包括从上向下依次排布的变形区(39)、裂隙进水区(40)以及垮落区(41)。
3.根据权利要求1所述一种模拟煤层顶板突水的相似实验装置,其特征在于:所述底部支撑件包括支撑底座(34)、包裹环体(35)以及连接柱(37),其中,所述支撑底座(34)为回转体,其上表面为向下凹陷的弧形,且其上表面靠外的一个圆周上固定有包裹环体(35),用于支撑包裹顶板模拟体,所述支撑底座(34)的底部固定有连接柱(37),所述连接柱(37)中开设有贯穿支撑底座(34)与连接柱(37)的引流孔(38)。
4.根据权利要求3所述一种模拟煤层顶板突水的相似实验装置,其特征在于:所述出液管(13)的外部同轴固定有调节柱(12),所述调节柱(12)滑动穿过密封柱塞(3),且所述调节柱(12)位于围压仓(4)内的一端固定有分隔板(10),所述分隔板(10)能够将围压仓(4)分隔成上部围压空间以及下部分离空间;
所述分隔板(10)的上方固定有槽体,用于与连接柱(37)密封转动相连;
所述出液管(13)贯穿分隔板(10)以及分隔板上方的槽体从而与引流孔(38)相连通。
5.根据权利要求4所述一种模拟煤层顶板突水的相似实验装置,其特征在于:所述密封柱塞(3)的上表面固定有密封环一(11),所述密封柱塞(3)的下表面固定有凸型密封连接座(14),所述密封连接座(14)的中部开设有螺纹通孔,所述调节柱(12)的下半部外表面布有外螺纹,用于螺纹连接密封连接座(14)的螺纹通孔,且通过转动所述调节柱(12),能够改变调节柱(12)伸入围压仓(4)中的长度。
6.根据权利要求1所述一种模拟煤层顶板突水的相似实验装置,其特征在于:所述连杆组件包括支撑杆(23)、连杆(24)、连接筒(25)以及驱动杆(27),其中,所述连杆(24)为L形,其弯钩部位活动插接在液压缸(22)输出端开设的让位圆孔(26)中,所述连杆(24)的另一端与连接筒(25)相铰接,所述连接筒(25)的内部采用弹簧与驱动杆(27)滑动相连,所述驱动杆(27)竖直穿过封头座(16)以及封头(17)与面压盘(28)相连,所述连杆(24)靠近连接筒(25)的位置处铰接有支撑杆(23),所述支撑杆(23)的另一端铰接在驱动仓(20)的顶壁上;
所述封头座(16)的上表面固定嵌入有密封环三(19),所述封头(17)的下表面固定嵌入有密封环二(18),所述支杆和驱动杆(27)自上至下依次滑动穿过密封环三(19)、封头座(16)、封头(17)以及密封环二(18)。
7.根据权利要求1所述一种模拟煤层顶板突水的相似实验装置,其特征在于:所述围压仓(4)中对称设置有围压入口(5)和围压出口(6)。
8.根据权利要求1所述一种模拟煤层顶板突水的相似实验装置,其特征在于:所述实验台(1)上还设置有收集槽(15),所述收集槽(15)为透明玻璃材质,其表面刻有刻度。
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2020
- 2020-08-20 CN CN202010842697.2A patent/CN112067447B/zh active Active
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