受采動(dòng)影響煤層底板突水模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】受采動(dòng)影響煤層底板突水模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，包括模擬試驗(yàn)裝置、操作控制臺(tái)和水壓控制裝置，操作控制臺(tái)通過控制電纜分別與模擬試驗(yàn)裝置和水壓控制裝置連接，水壓控制裝置通過進(jìn)水管與模擬試驗(yàn)裝置連接，模擬試驗(yàn)裝置包括外框架和設(shè)在外框架內(nèi)的試驗(yàn)臺(tái)。本實(shí)用新型在外框架的中部設(shè)置一密封性良好的試驗(yàn)臺(tái)，將試樣放置在試驗(yàn)臺(tái)內(nèi)，施加縱向應(yīng)力與橫向應(yīng)力，然后開挖煤層收集相關(guān)數(shù)據(jù)，模擬高水壓與底板巖性變化、底板突水全過程，從而獲得底板突水的相關(guān)數(shù)據(jù)，應(yīng)用于生產(chǎn)作業(yè)中，提高了采煤作業(yè)的安全性，本實(shí)用新型操作簡單、密封性好、自動(dòng)化程度高、試驗(yàn)結(jié)果精準(zhǔn)更接近實(shí)際。
【專利說明】
受采動(dòng)影響煤層底板突水模擬試驗(yàn)系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型屬于煤礦安全生產(chǎn)突水試驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種受采動(dòng)影響煤層底板突水模擬試驗(yàn)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 煤礦突水一直是煤礦工作者關(guān)注的重點(diǎn)，頻繁的突水事故給人民的生命與財(cái)產(chǎn)帶來了極大的損失。隨著近年來各種模擬軟件如FLAC-3D、Particle Flow Code、Ansys等數(shù)值手段的不斷研究深入，對(duì)于煤層底板突水問題的機(jī)理研究也變得較為多樣，并在突水前巖體的滲流場、應(yīng)力場等方面，取得了一定成果。但是由于底板斷層突水災(zāi)害的復(fù)雜性，尤其是深井開采誘發(fā)因素較多，僅僅依靠理論計(jì)算、數(shù)值模擬難以進(jìn)行分析研究，無法為底板斷層突水過程提供較為全面的認(rèn)識(shí)和分析。
[0003] 針對(duì)煤層底板突水機(jī)理的研究，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究工作。20世紀(jì)40、50 年代，匈牙利韋格弗倫斯第一次提出“底板相對(duì)隔水層”的概念。20世紀(jì)60年代，以煤科總院為代表，提出了采用突水系數(shù)作為預(yù)測預(yù)報(bào)底板突水與否的標(biāo)準(zhǔn)。其后，80年代初山東科技大學(xué)的學(xué)者提出了“下三帶”理論，該理論認(rèn)為開采煤層底板也像采動(dòng)覆巖那樣存在著三帶，即：底板破壞帶、完整巖層帶(保護(hù)帶）與承壓水導(dǎo)高帶。而煤科總院北京開采所的學(xué)者綜合采動(dòng)效應(yīng)及承壓水運(yùn)動(dòng)，提出了原位張裂與零位破壞理論，該理論揭示了底板巖體移動(dòng)的發(fā)生、發(fā)展、形成和變化的全過程。中科院地質(zhì)所提出的“強(qiáng)滲通道”說認(rèn)為底板是否發(fā)生突水，關(guān)鍵在于是否具備突水通道。煤科院西安分院提出的“巖水應(yīng)力關(guān)系”說認(rèn)為底板突水是巖、水與應(yīng)力共同作用的結(jié)果。中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)者提出的關(guān)鍵層理論認(rèn)為在煤層底板采動(dòng)破壞帶之下，含水層之上存在一層承載能力最高的巖層，稱為“關(guān)鍵層”，底板是否發(fā)生突水由關(guān)鍵層所控制。
[0004] 在實(shí)驗(yàn)室研究方面，國內(nèi)外在近幾十年取得了顯著的進(jìn)展，但相似模擬試驗(yàn)的研究進(jìn)展相對(duì)滯后。R〇mm，Sn〇w等人相繼進(jìn)行裂隙巖體水力學(xué)的試驗(yàn)研究，并建立了裂隙巖體滲流模型，初步得到了巖體應(yīng)力和滲流之間的一些基本關(guān)系。黎良杰、楊映濤等利用相似材料模擬試驗(yàn)，模擬了采場底板突水機(jī)理。王金安研制了橡膠液壓囊作為承壓水體模擬裝置， 對(duì)承壓水體上采煤進(jìn)行了相似模擬試驗(yàn)。趙毅鑫等利用雙向加載相似模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，結(jié)合基于獨(dú)立彈簧組模擬承壓水加載的試驗(yàn)裝置，開展了考慮地應(yīng)力影響條件下承壓水上工作面開采底板運(yùn)移規(guī)律的相似模擬試驗(yàn)研究。
[0005] 相似模擬試驗(yàn)是以相似理論、因次分析作為依據(jù)的試驗(yàn)研究方法，具有直觀、能解決理論分析、數(shù)值模擬難以解決的各種破壞問題，相比于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)更適用于礦山領(lǐng)域巖體突水的模型試驗(yàn)研究。原蘇聯(lián)學(xué)者首先采用相似材料立體模型對(duì)采空區(qū)底板巖層的變形進(jìn)行了研究；對(duì)于突水的相似模擬試驗(yàn)，我國上世紀(jì)80、90年代就有一定的研究，中國礦業(yè)大學(xué)、西安煤科院等單位先后開展煤層底板突水的相似物理模型試驗(yàn)，通過無斷層構(gòu)造條件下底板突水的相似物理模型試驗(yàn)，證明了底板的0X型破壞特征，并解釋了底板突水點(diǎn)的分布規(guī)律;又通過對(duì)完整底板和含地質(zhì)構(gòu)造的底板進(jìn)行模擬試驗(yàn)，表明完整底板破壞突水沿“零位破壞”線發(fā)生，斷層影響下突水與斷層性質(zhì)、采空區(qū)大小有密切關(guān)系。由于固-流耦合問題的復(fù)雜性，以往的研究往往做不到滲流模擬，僅采用柔性加載模擬水壓力的外力等效性。對(duì)于承壓水的模擬有多種方式，主要有采用橡膠水袋模擬含水層或選用流固耦合相似材料直接用于承壓水導(dǎo)通性試驗(yàn)，其中承壓水袋制作周期長、壓力不易控制及無法模擬底板破壞后承壓水導(dǎo)升而產(chǎn)生的賦水灰?guī)r局部水壓降低的特征;而選用特制的相似模擬材料并直接采用高壓水進(jìn)行模擬，對(duì)于設(shè)備的密封性和所選相似材料均有較高要求。 另外，在相似模擬中同時(shí)施加承壓水壓力和地應(yīng)力相對(duì)較為復(fù)雜，目前仍未見理想的試驗(yàn)系統(tǒng)。
[0006] 煤層底板突水是嚴(yán)重影響我國煤礦資源安全開采的重要因素，高承壓水體上大范圍開采防治底板水已成為關(guān)鍵性難題。近年來，隨著礦井開采深度的不斷增加，煤層底板奧陶紀(jì)灰?guī)r高承壓水的危害逐漸加劇。為此，眾多學(xué)者對(duì)承壓水上采煤底板破斷規(guī)律進(jìn)行了大量研究，得到許多有價(jià)值的結(jié)論。由于該問題在理論研究方面的復(fù)雜性和現(xiàn)場觀測方面的困難性，使得通過相似模擬試驗(yàn)研究帶壓開采突水機(jī)理及底板破斷規(guī)律成為有效的分析手段之一。然而，在相似模擬試驗(yàn)研究中如何體現(xiàn)底板的應(yīng)力環(huán)境、承壓水作用、承壓水的壓力穩(wěn)定及承壓水在沿底板破裂帶導(dǎo)升后其對(duì)應(yīng)壓力降低等特征是試驗(yàn)?zāi)芊穹从硨?shí)際問題的關(guān)鍵。
[0007] 目前，在有關(guān)模擬受采動(dòng)影響煤層底板突水試驗(yàn)中，對(duì)于承壓水壓力的控制大多采用柱塞栗、穩(wěn)壓器配合EDC控制系統(tǒng)軟件來實(shí)現(xiàn)。這種系統(tǒng)投資成本高，并且運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)根據(jù)補(bǔ)水壓力頻繁啟停補(bǔ)水栗，一方面消耗電能，另一方面頻繁啟停水栗將對(duì)水栗電機(jī)、 機(jī)封損害較大，后期維護(hù)費(fèi)用較高。另一方面，頻繁啟停補(bǔ)水栗會(huì)造成瞬時(shí)的壓力不穩(wěn)定。
[0008] 由此可見，現(xiàn)有技術(shù)有待于更進(jìn)一步的改進(jìn)和發(fā)展。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0009] 本實(shí)用新型為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、密封性好、試驗(yàn)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度高的受采動(dòng)影響煤層底板突水模擬試驗(yàn)系統(tǒng)。
[0010] 為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案:受采動(dòng)影響煤層底板突水模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，包括模擬試驗(yàn)裝置、操作控制臺(tái)和水壓控制裝置，操作控制臺(tái)通過控制電纜分別與模擬試驗(yàn)裝置和水壓控制裝置連接，水壓控制裝置通過進(jìn)水管與模擬試驗(yàn)裝置連接；
[0011] 模擬試驗(yàn)裝置包括外框架和設(shè)在外框架內(nèi)的試驗(yàn)臺(tái)，外框架包括下框、上框、左框和右框，下框和上框均水平設(shè)置，左框和右框均垂直設(shè)置，下框左右兩端分別與左框下端和右框下端固定連接，左框和右框上部均設(shè)有固定安裝架，左框和右框上端設(shè)有固定板，上框穿套在左框和右框上，上框左右兩端設(shè)有分別位于左框左側(cè)和右框右側(cè)的活動(dòng)板，固定板和固定安裝架之間設(shè)有穿過活動(dòng)板的調(diào)節(jié)螺栓，調(diào)節(jié)螺栓上螺接有與活動(dòng)板緊固的調(diào)節(jié)螺母，左框和右框的前側(cè)及后側(cè)沿垂直方向均勻布置有安裝孔，上框前側(cè)和后側(cè)分別通過安裝螺栓與安裝孔固定連接;上框中部設(shè)有縱向液壓缸，縱向液壓缸的縱向活塞桿垂直向下， 左框和右框的中部均設(shè)有一個(gè)橫向頂壓機(jī)構(gòu)，兩個(gè)橫向頂壓機(jī)構(gòu)左右對(duì)稱設(shè)置且結(jié)構(gòu)相同；下框上表面設(shè)有支撐板，支撐板上表面設(shè)有沿左右方向開設(shè)的導(dǎo)向槽；
[0012] 試驗(yàn)臺(tái)包括底座、左立板和右立板，底座內(nèi)設(shè)有頂部敞口的水槽，底座后部設(shè)有進(jìn)水口和出水口，進(jìn)水口與進(jìn)水管的出口連接，左立板垂直設(shè)在底座左側(cè)，左立板和底座的前側(cè)及后側(cè)邊沿設(shè)有整體呈L型的安裝臺(tái)階槽，安裝臺(tái)階槽處由內(nèi)向外依次設(shè)有L型密封墊、 高強(qiáng)度透明板和環(huán)形板，L型密封墊、高強(qiáng)度透明板和環(huán)形板通過螺釘緊固在底座和左立板上，高強(qiáng)度透明板和環(huán)形板的外輪廓均為矩形結(jié)構(gòu)，安裝臺(tái)階槽與高強(qiáng)度透明板之間對(duì)應(yīng)開設(shè)有密封槽，L型密封墊中部開設(shè)有注膠縫隙，注膠縫隙內(nèi)設(shè)有軟膠管，軟膠管上設(shè)有與密封槽相通的注膠孔;右立板左側(cè)表面設(shè)有U型槽，U型槽內(nèi)設(shè)有U型密封墊，底座右端面、兩塊高強(qiáng)度透明板的右邊沿均伸入到U型槽內(nèi)并與U型密封墊接觸配合，左立板、底座、右立板和兩塊高強(qiáng)度透明板之間合圍成頂部敞口的試驗(yàn)腔，底座底部、右立板下端均設(shè)有沿導(dǎo)向槽移動(dòng)的支撐滾輪。
[0013] 水壓控制裝置包括外型呈圓臺(tái)形的基座，基座內(nèi)設(shè)有支撐板，支撐板上設(shè)有動(dòng)力氣罐和位于動(dòng)力氣罐周圍的至少三個(gè)儲(chǔ)液罐，每個(gè)儲(chǔ)液罐側(cè)部均設(shè)有液位計(jì)，每個(gè)儲(chǔ)液罐頂部均通過氣壓管與動(dòng)力氣罐連接，每個(gè)氣壓管上均設(shè)有一個(gè)第一調(diào)節(jié)閥和位于第一調(diào)節(jié)閥下方的進(jìn)液管接頭，儲(chǔ)液罐上部設(shè)有開度小于第一調(diào)節(jié)閥的第二調(diào)節(jié)閥，動(dòng)力氣罐下部設(shè)有安全閥，動(dòng)力氣罐上部設(shè)有壓力表和泄壓閥，動(dòng)力氣罐頂部設(shè)有高壓氣體充裝接頭;基座側(cè)部設(shè)有與進(jìn)水管連接的出水接頭，出水接頭上設(shè)有壓力傳感器;每個(gè)儲(chǔ)液罐底部均通過一節(jié)連接管與出水接頭的進(jìn)口連通。
[0014] 右框上的橫向頂壓機(jī)構(gòu)包括壓板以及設(shè)在右框上的安裝框、上導(dǎo)桿和下導(dǎo)桿，安裝框設(shè)在右框的右側(cè)，安裝框上設(shè)有橫向液壓缸，橫向液壓缸的橫向活塞桿水平向左穿過左框，上導(dǎo)桿和下導(dǎo)桿分別位于橫向活塞桿的上方和下方，上導(dǎo)桿、橫向活塞桿和下導(dǎo)桿平行設(shè)置，上導(dǎo)桿和下導(dǎo)桿的左端穿過右框伸入到安裝框內(nèi)，壓板垂直設(shè)置，上導(dǎo)桿和下導(dǎo)桿左端均通過安裝盤與壓板左側(cè)面固定連接，壓板下端設(shè)有可調(diào)節(jié)長短的伸縮板，壓板和伸縮板的左側(cè)面與右立板右表面通過橫向液壓缸頂壓接觸。
[0015] 采用上述技術(shù)方案，本實(shí)用新型還包括以下技術(shù)特征：水槽內(nèi)設(shè)有第一承載透水結(jié)構(gòu)，基座內(nèi)設(shè)有第二承載透水結(jié)構(gòu)，支撐板設(shè)在第二承載透水結(jié)構(gòu)上，第一承載透水結(jié)構(gòu)和第二承載透水結(jié)構(gòu)的構(gòu)造相同，第一承載透水結(jié)構(gòu)包括均垂直設(shè)置的縱板和橫板，縱板和橫板上均開設(shè)有下透水孔，縱板和橫板均交叉固定連接形成支撐架，支撐架上設(shè)有下透水板，下透水板上設(shè)有上透水板，上透水板沿縱向和橫向均勻開設(shè)有透水縫，下透水板上設(shè)有上下通透的上透水孔。左框下端與下框左端的連接處設(shè)有左支架，右框下端與下框右端的連接處設(shè)有右支架，左支架、右支架和下框的底部位于同一水平面上。
[0016] 受采動(dòng)影響煤層底板突水模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的試驗(yàn)方法，其主要包括以下步驟：
[0017] A、將試驗(yàn)臺(tái)中各個(gè)部件進(jìn)行組裝，試驗(yàn)臺(tái)的密封性是靠L型密封墊配合高壓注入密封膠來實(shí)現(xiàn)的；上述試驗(yàn)臺(tái)的前后兩側(cè)開設(shè)有密封槽，開設(shè)的密封槽與高強(qiáng)度透明板上開設(shè)的密封槽相對(duì)，用來容納高壓注入的密封膠。安裝試驗(yàn)臺(tái)并密封完畢后，試驗(yàn)臺(tái)內(nèi)部形成一個(gè)頂部敞口的試驗(yàn)腔，將縱向液壓缸水平移動(dòng)至最左（右)邊，將操作調(diào)節(jié)螺母使上框向下移至與試驗(yàn)臺(tái)頂部接觸；
[〇〇18] B、鋪設(shè)模型。模型以澆灌方式鋪設(shè)，將底板鋪設(shè)在試驗(yàn)臺(tái)的底部，并在底板的上方和下方均鋪設(shè)多個(gè)傳感器，在底板上方鋪設(shè)煤層，在煤層的上方鋪設(shè)頂板，待頂板鋪設(shè)完畢后，相向的橫向液壓缸通過壓板向右立板施加橫向應(yīng)力，縱向液壓缸對(duì)頂板施加縱向應(yīng)力， 同時(shí)向水槽內(nèi)注入壓力恒定的有色高壓水；
[0019] C、待模型干燥，水槽內(nèi)的水在底板中自然導(dǎo)升停止后挖掘煤層同時(shí)收集相應(yīng)信息，直至底板突水。
[0020] 安裝試驗(yàn)臺(tái)，按順序在試驗(yàn)臺(tái)前后依次安裝密封墊、高強(qiáng)度透明板與環(huán)形板并用螺釘緊固；上述密封是采用密封墊與高壓注入密封膠配合完成;上述相應(yīng)信息包括水槽內(nèi)水的原始導(dǎo)升帶高度信息、底板裂縫的生成變化信息、底板應(yīng)力信息、水壓信息、水滲入底板的水量信息以及頂?shù)装逯g的位移信息。
[0021] 動(dòng)力氣罐和儲(chǔ)液罐均是由一定強(qiáng)度的材質(zhì)制成，其數(shù)量根據(jù)需要而定，且接口處均做密封處理。儲(chǔ)液罐中既可充入液體亦可充入氣體。即水槽內(nèi)填充可填充有色高壓水，亦可填充有色高壓氣體。
[0022] 動(dòng)力氣罐內(nèi)的氣壓值能滿足整個(gè)試驗(yàn)過程使用，只需實(shí)驗(yàn)前沖一次氣壓即可;儲(chǔ)液罐中能容納滿足試驗(yàn)所需要的液體，試驗(yàn)中間無需再加液體。本實(shí)用新型利用氣壓補(bǔ)充水壓的不足，動(dòng)力氣罐內(nèi)的氣體不會(huì)像水那樣腐蝕調(diào)節(jié)閥。壓力傳感器配合調(diào)節(jié)閥，通過 PLC控制閥門的開閉，實(shí)時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)了無人值守，而且實(shí)時(shí)控制保證了儲(chǔ)液罐中水壓力穩(wěn)定在所設(shè)定的值。
[〇〇23]受采動(dòng)影響煤層底板突水模擬試驗(yàn)系統(tǒng)在外框架的中部設(shè)置一密封性良好的試驗(yàn)臺(tái)，將試樣放置在試驗(yàn)臺(tái)內(nèi)，施加縱向應(yīng)力與橫向應(yīng)力，然后開挖煤層收集相關(guān)數(shù)據(jù)，模擬高水壓與底板巖性變化、底板突水全過程，從而獲得底板突水的相關(guān)數(shù)據(jù)，應(yīng)用于生產(chǎn)作業(yè)中，提高了采煤作業(yè)的安全性，本實(shí)用新型操作簡單、密封性好、自動(dòng)化程度高、試驗(yàn)結(jié)果精準(zhǔn)更接近實(shí)際。
【附圖說明】
[0024] 圖1是受采動(dòng)影響煤層底板突水模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025] 圖2是圖1中模擬試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026] 圖3是圖1中試驗(yàn)臺(tái)的爆炸圖；
[0〇27]圖4是圖3中左立板和底座的結(jié)構(gòu)不意圖；
[〇〇28]圖5是圖4中A處的放大圖；
[0029] 圖6是圖3中第一承載透水結(jié)構(gòu)的爆炸圖；
[0030] 圖7是圖2中壓板的放大拆分圖；
[〇〇31]圖8是圖1中水壓控制裝置的放大圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032]如圖1-8所示，受采動(dòng)影響煤層底板突水模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，包括模擬試驗(yàn)裝置67、操作控制臺(tái)1和水壓控制裝置68,操作控制臺(tái)1通過控制電纜2分別與模擬試驗(yàn)裝置67和水壓控制裝置68連接，水壓控制裝置68通過進(jìn)水管3與模擬試驗(yàn)裝置67連接。
[〇〇33]模擬試驗(yàn)裝置67包括外框架4和設(shè)在外框架4內(nèi)的試驗(yàn)臺(tái)5,外框架4包括下框6、上框7、左框8和右框9，下框6和上框7均水平設(shè)置，左框8和右框9均垂直設(shè)置，下框6左右兩端分別與左框8下端和右框9下端固定連接，左框8和右框9上部均設(shè)有固定安裝架10,左框8和右框9上端設(shè)有固定板11，上框7穿套在左框8和右框9上，上框7左右兩端設(shè)有分別位于左框 8左側(cè)和右框9右側(cè)的活動(dòng)板12,固定板11和固定安裝架10之間設(shè)有穿過活動(dòng)板12的調(diào)節(jié)螺栓13,調(diào)節(jié)螺栓13上螺接有與活動(dòng)板12緊固的調(diào)節(jié)螺母14,左框8和右框9的前側(cè)及后側(cè)沿垂直方向均勻布置有安裝孔15,上框7前側(cè)和后側(cè)分別通過安裝螺栓與安裝孔15固定連接； 上框7中部設(shè)有縱向液壓缸16，縱向液壓缸16的縱向活塞桿17垂直向下，左框8和右框9的中部均設(shè)有一個(gè)橫向頂壓機(jī)構(gòu)，兩個(gè)橫向頂壓機(jī)構(gòu)左右對(duì)稱設(shè)置且結(jié)構(gòu)相同；下框6上表面設(shè)有支撐板18,支撐板18上表面設(shè)有沿左右方向開設(shè)的導(dǎo)向槽19。
[〇〇34]試驗(yàn)臺(tái)5包括底座20、左立板21和右立板22，底座20內(nèi)設(shè)有頂部敞口的水槽23，水槽23內(nèi)設(shè)有第一承載透水結(jié)構(gòu)24，底座20后部設(shè)有進(jìn)水口 25和出水口 26，進(jìn)水口 25與進(jìn)水管3的出口連接，左立板21垂直設(shè)在底座20左側(cè)，左立板21和底座20的前側(cè)及后側(cè)邊沿設(shè)有整體呈L型的安裝臺(tái)階槽27，安裝臺(tái)階槽27處由內(nèi)向外依次設(shè)有L型密封墊28、高強(qiáng)度透明板29和環(huán)形板30，L型密封墊28、高強(qiáng)度透明板29和環(huán)形板30通過螺釘緊固在底座20和左立板21上，高強(qiáng)度透明板29和環(huán)形板30的外輪廓均為矩形結(jié)構(gòu)，安裝臺(tái)階槽27與高強(qiáng)度透明板29之間對(duì)應(yīng)開設(shè)有密封槽31，L型密封墊28中部開設(shè)有與密封槽31貫通的注膠縫隙32,注膠縫隙32內(nèi)設(shè)有軟膠管(軟膠管在圖中未示意出來），軟膠管上設(shè)有與密封槽31相通的注膠孔;右立板22左側(cè)表面設(shè)有U型槽，U型槽內(nèi)設(shè)有U型密封墊33,底座20右端面、兩塊高強(qiáng)度透明板29的右邊沿均伸入到U型槽內(nèi)并與U型密封墊33接觸配合，左立板21、底座20、右立板22 和兩塊高強(qiáng)度透明板29之間合圍成頂部敞口的試驗(yàn)腔，底座20底部、右立板22下端均設(shè)有沿導(dǎo)向槽19移動(dòng)的支撐滾輪34。
[〇〇35]水壓控制裝置68包括外型呈圓臺(tái)形的基座35,基座35內(nèi)設(shè)有第二承載透水結(jié)構(gòu)36 和位于第二承載透水結(jié)構(gòu)36上的支撐板18,支撐板18上設(shè)有動(dòng)力氣罐37和位于動(dòng)力氣罐37 周圍的至少三個(gè)儲(chǔ)液罐38,每個(gè)儲(chǔ)液罐38底部均通過一節(jié)連接管與第二承載透水結(jié)構(gòu)36連通，每個(gè)儲(chǔ)液罐38側(cè)部均設(shè)有液位計(jì)39,每個(gè)儲(chǔ)液罐38頂部均通過氣壓管40與動(dòng)力氣罐37 連接，每個(gè)氣壓管40上均設(shè)有一個(gè)第一調(diào)節(jié)閥41和位于第一調(diào)節(jié)閥41下方的進(jìn)液管接頭 42,儲(chǔ)液罐38上部設(shè)有開度小于第一調(diào)節(jié)閥41的第二調(diào)節(jié)閥43,動(dòng)力氣罐37下部設(shè)有安全閥44,動(dòng)力氣罐37上部設(shè)有壓力表45和泄壓閥46,動(dòng)力氣罐37頂部設(shè)有高壓氣體充裝接頭 47;基座35側(cè)部設(shè)有與進(jìn)水管3連接的出水接頭48，出水接頭48上設(shè)有壓力傳感器49。
[〇〇36]第一承載透水結(jié)構(gòu)24和第二承載透水結(jié)構(gòu)36的構(gòu)造相同，第一承載透水結(jié)構(gòu)24包括均垂直設(shè)置的縱板50和橫板51，縱板50和橫板51上均開設(shè)有下透水孔52,縱板50和橫板 51均交叉固定連接形成支撐架，支撐架上設(shè)有下透水板53，下透水板53上設(shè)有上透水板54， 上透水板54沿縱向和橫向均勻開設(shè)有透水縫55,下透水板53上設(shè)有上下通透的上透水孔 56 〇
[〇〇37] 右框9上的橫向頂壓機(jī)構(gòu)包括壓板57以及設(shè)在右框9上的安裝框58、上導(dǎo)桿61和下導(dǎo)桿62,安裝框58設(shè)在右框9的右側(cè)，安裝框58上設(shè)有橫向液壓缸59,橫向液壓缸59的橫向活塞桿60水平向左穿過左框8,上導(dǎo)桿61和下導(dǎo)桿62分別位于橫向活塞桿60的上方和下方， 上導(dǎo)桿61、橫向活塞桿60和下導(dǎo)桿62平行設(shè)置，上導(dǎo)桿61和下導(dǎo)桿62的左端穿過右框9伸入到安裝框58內(nèi)，壓板57垂直設(shè)置，上導(dǎo)桿61和下導(dǎo)桿62左端均通過安裝盤63與壓板57左側(cè)面固定連接，壓板57下端設(shè)有可調(diào)節(jié)長短的伸縮板64,壓板57和伸縮板64的左側(cè)面與右立板22右表面通過橫向液壓缸59頂壓接觸。
[0〇38]左框8下端與下框6左端的連接處設(shè)有左支架65,右框9下端與下框6右端的連接處設(shè)有右支架66,左支架65、右支架66和下框的底部位于同一水平面上。左支架65和右支架66 用于加強(qiáng)外框架4的穩(wěn)定性。
[0039] 外框架4頂部設(shè)置有縱向液壓缸16,該外框架4的左右兩側(cè)分別設(shè)置有橫向液壓缸 59以及用于升降上框7的調(diào)節(jié)螺桿，左框8和右框9的橫向液壓缸59相向布置，左框8右側(cè)和右框9左側(cè)設(shè)置有一豎向布置的壓板57,壓板57的底部配置有伸縮板64。該外框架4的中部設(shè)置有試驗(yàn)臺(tái)5,該試驗(yàn)臺(tái)5的前后兩側(cè)分別設(shè)置有高強(qiáng)度透明板29及環(huán)形板30,試驗(yàn)臺(tái)5內(nèi)的試驗(yàn)腔用來放置試樣，試樣采用頂板、煤層與底板的結(jié)構(gòu)方式。試驗(yàn)臺(tái)5的底座20內(nèi)設(shè)置有一水槽23,該水槽23后部的進(jìn)水口 25可以與外部的水壓控制裝置68相連通，水壓控制裝置68為水槽23提供恒定的高壓水。水槽23內(nèi)放置有第一承載透水結(jié)構(gòu)24,該承載透水結(jié)構(gòu)上設(shè)置有與該水槽23相連通的透水區(qū)域，該透水區(qū)域由上透水板54和下透水板53兩部分組成，下透水板53通過小的上透水孔56與水槽23內(nèi)的水相連通，上透水通過透水縫55同水槽 23內(nèi)的水和試驗(yàn)腔內(nèi)的試樣連通。
[0040] 為了更進(jìn)一步提高本實(shí)用新型的性能，試驗(yàn)臺(tái)5包括成“L”形的底座20和左立板 21以及呈“Γ形的右立板22，底座20和右立板22底部分別設(shè)有滾輪，能在底座20上的支撐板 18上的導(dǎo)向槽19內(nèi)水平移動(dòng)。為了提高試驗(yàn)臺(tái)5整體的密封性能，右立板22的左側(cè)面開設(shè)有 U型槽，U型槽內(nèi)放置有U型密封墊33,其形狀和大小與安裝完畢后的右立板22的左側(cè)面以及高強(qiáng)度透明板29右邊沿相匹配，使安裝完畢后的右立板22和高強(qiáng)度透明板29的右側(cè)剛好能安插進(jìn)去，在試驗(yàn)過程中通過上述U型密封墊33的形變來實(shí)現(xiàn)外框架4左右兩側(cè)的橫向液壓缸59對(duì)模型的橫向加載，與此同時(shí)，橫向液壓缸59施加的橫向應(yīng)力，使安裝完畢后的結(jié)構(gòu)的右側(cè)與U型密封墊33接觸更加緊密，提高了其密封性能。
[0041] 更進(jìn)一步的，為保證試驗(yàn)臺(tái)5前后兩側(cè)的密封效果，本實(shí)用新型在底座20和左立板 21的前后兩側(cè)分別開設(shè)有細(xì)小的密封槽31，在高強(qiáng)度透明面板一側(cè)亦開設(shè)有與之相對(duì)的密封槽31，試驗(yàn)臺(tái)5前后兩側(cè)的密封除使用L型密封墊28外還配合高壓注入的密封膠來填充L 型密封墊28處的縫隙及細(xì)小的密封槽31，以優(yōu)化試驗(yàn)臺(tái)5前后兩側(cè)的密封效果。其中，上述L 型密封墊28中配置有軟膠管，上述密封的具體操作如下：首先在底座20和左立板21的前后兩側(cè)按順序分別安裝L型密封墊28、高強(qiáng)度透明板29與環(huán)形板30(用來保護(hù)高強(qiáng)度透明板29 不被縱/橫向應(yīng)力破壞），并用螺釘緊緊固定;其次將安裝完畢后的底座20及兩塊高強(qiáng)度透明板29與右立板22拼接;最后用高壓裝置向L型密封墊28中的軟膠管中注入密封膠，注入的密封膠在高壓作用下通過注膠孔填充到L型密封墊28處細(xì)小的密封槽31內(nèi)，這樣就大大提高其密封性能。
[〇〇42]軟膠管上每隔一定距離開有注膠孔，注膠孔與底座20及左立板21上的密封槽31連通。在高強(qiáng)度透明板29上也設(shè)有密封槽31。高壓注入的密封膠進(jìn)入密封槽31并在高壓作用下擴(kuò)散到其他高強(qiáng)度透明板29與試驗(yàn)臺(tái)5間的裂縫，進(jìn)而優(yōu)化試驗(yàn)臺(tái)5的密封效果。
[〇〇43]本實(shí)用新型中外框架4的中部的試驗(yàn)臺(tái)5底部的底座20上設(shè)有水槽23，通過外部的水壓控制裝置68向其內(nèi)注入有色高壓水，當(dāng)然也可以注入有色高壓氣體，以此來模擬底板瓦斯突出的相關(guān)試驗(yàn);并且水槽23—般采用具有一定支撐透水結(jié)構(gòu)的不銹鋼水槽23，其尺寸一般為990mm X 200mm X 170mm(長X寬X高），水槽23的內(nèi)部放置有第一支撐透水結(jié)構(gòu)。第一支撐透水結(jié)構(gòu)方便水槽23內(nèi)試驗(yàn)腔間的聯(lián)系，支撐架上設(shè)置的下透水板53和上透水板 54,縱板50和橫板51上均開設(shè)有下透水孔52,上透水板54沿縱向和橫向均勻開設(shè)有透水縫 55，下透水板53上設(shè)有上下通透的上透水孔56，可使底板與恒定高壓水接觸，高壓水的水壓載荷可根據(jù)需要變換。同時(shí)還可以通過填堵上透水板54和下透水板53的孔來實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)腔大小及其形狀的控制。在水槽23后面一側(cè)開設(shè)有出水孔，便于試驗(yàn)后放水。水可以采用有色水，便于通過高強(qiáng)度透明板29觀察分析承壓水的導(dǎo)升、擴(kuò)散及滲流路徑等情況，方便了用戶操作與記錄相關(guān)狀態(tài)。
[0044] 本實(shí)用新型能滿足多種試驗(yàn)方式與試驗(yàn)手段，其中，上述多種試驗(yàn)方式與試驗(yàn)手段主要包括：
[0045] 1、該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能做有關(guān)受采動(dòng)影響煤層底板突水的試驗(yàn)，還可以在底板中布置斷層等地質(zhì)構(gòu)造，橫向加載可以實(shí)現(xiàn)斷層的活化或壓實(shí)；
[0046] 2、在試驗(yàn)臺(tái)5底部的水槽23內(nèi)，可以將注入的高壓有色水改成注入高壓有色氣體來做有關(guān)底板瓦斯突出的物理模擬試驗(yàn)；
[0047] 3、壓板57底部的伸縮板64是可以往下放出的，再將試驗(yàn)臺(tái)5取出，就可以做不需要密封、模型尺寸大些的相似模擬試驗(yàn)，橫向應(yīng)力根據(jù)需要可加可不加。
[〇〇48]本實(shí)用新型中水壓控制裝置68的工作原理是:壓力傳感器49測出出水口26處的實(shí)際供液壓力，送到操作控制臺(tái)1中壓力控制器與所希望控制的壓力數(shù)值(給定值)進(jìn)行比較， 當(dāng)實(shí)際壓力比給定值低，壓力控制器則控制第一調(diào)節(jié)閥41打開，使動(dòng)力氣罐37與儲(chǔ)液罐38 聯(lián)通，高壓氣體進(jìn)入儲(chǔ)液罐38,儲(chǔ)液罐38內(nèi)壓力升高，直至實(shí)際供液壓力與給定值相等，則第一調(diào)節(jié)閥41關(guān)閉。當(dāng)實(shí)際壓力比給定值高，壓力控制器則控制第二調(diào)節(jié)閥43打開，使儲(chǔ)液罐38內(nèi)的高壓氣體部分瀉出，降低儲(chǔ)液罐38內(nèi)的壓力，直至實(shí)際供液壓力與給定值相等，則第二調(diào)節(jié)閥43關(guān)閉。只有當(dāng)實(shí)際供液壓力與給定值相等時(shí)(沒有偏差），壓力控制器輸出保持不變，第一調(diào)節(jié)閥41和第二調(diào)節(jié)閥43保持閉合，供液壓力保持恒定。如供液壓力又增加或減少時(shí)，重新引起實(shí)際壓力的降低或升高，壓力控制系統(tǒng)又重新動(dòng)作，直至實(shí)際壓力又與給定值相等為止。需要說明的是儲(chǔ)液罐38內(nèi)液體的液面不可超過液位計(jì)39上端限定的定位線。
[〇〇49]水壓控制裝置68中的第二承載透水結(jié)構(gòu)36所起的作用是將多個(gè)儲(chǔ)液罐38當(dāng)中的液體在經(jīng)過第二承載透水結(jié)構(gòu)36可使高壓水在底部有個(gè)儲(chǔ)存，起到水量的儲(chǔ)存緩沖，防止儲(chǔ)液罐38內(nèi)的水用完后，還需要水時(shí)仍然在第二承載透水結(jié)構(gòu)36中留有一部分使用。
[0050]本實(shí)施例并非對(duì)本實(shí)用新型的形狀、材料、結(jié)構(gòu)等作任何形式上的限制，凡是依據(jù)本實(shí)用新型的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均屬于本實(shí)用新型技術(shù)方案的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 受采動(dòng)影響煤層底板突水模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于:包括模擬試驗(yàn)裝置、操作控制 臺(tái)和水壓控制裝置，操作控制臺(tái)通過控制電纜分別與模擬試驗(yàn)裝置和水壓控制裝置連接， 水壓控制裝置通過進(jìn)水管與模擬試驗(yàn)裝置連接； 模擬試驗(yàn)裝置包括外框架和設(shè)在外框架內(nèi)的試驗(yàn)臺(tái)，外框架包括下框、上框、左框和右 框，下框和上框均水平設(shè)置，左框和右框均垂直設(shè)置，下框左右兩端分別與左框下端和右框 下端固定連接，左框和右框上部均設(shè)有固定安裝架，左框和右框上端設(shè)有固定板，上框穿套 在左框和右框上，上框左右兩端設(shè)有分別位于左框左側(cè)和右框右側(cè)的活動(dòng)板，固定板和固 定安裝架之間設(shè)有穿過活動(dòng)板的調(diào)節(jié)螺栓，調(diào)節(jié)螺栓上螺接有與活動(dòng)板緊固的調(diào)節(jié)螺母， 左框和右框的前側(cè)及后側(cè)沿垂直方向均勻布置有安裝孔，上框前側(cè)和后側(cè)分別通過安裝螺 栓與安裝孔固定連接;上框中部設(shè)有縱向液壓缸，縱向液壓缸的縱向活塞桿垂直向下，左框 和右框的中部均設(shè)有一個(gè)橫向頂壓機(jī)構(gòu)，兩個(gè)橫向頂壓機(jī)構(gòu)左右對(duì)稱設(shè)置且結(jié)構(gòu)相同；下 框上表面設(shè)有支撐板，支撐板上表面設(shè)有沿左右方向開設(shè)的導(dǎo)向槽； 試驗(yàn)臺(tái)包括底座、左立板和右立板，底座內(nèi)設(shè)有頂部敞口的水槽，底座后部設(shè)有進(jìn)水口 和出水口，進(jìn)水口與進(jìn)水管的出口連接，左立板垂直設(shè)在底座左側(cè)，左立板和底座的前側(cè)及 后側(cè)邊沿設(shè)有整體呈L型的安裝臺(tái)階槽，安裝臺(tái)階槽處由內(nèi)向外依次設(shè)有L型密封墊、高強(qiáng) 度透明板和環(huán)形板，L型密封墊、高強(qiáng)度透明板和環(huán)形板通過螺釘緊固在底座和左立板上， 高強(qiáng)度透明板和環(huán)形板的外輪廓均為矩形結(jié)構(gòu)，安裝臺(tái)階槽與高強(qiáng)度透明板之間對(duì)應(yīng)開設(shè) 有密封槽，L型密封墊中部開設(shè)有注膠縫隙，注膠縫隙內(nèi)設(shè)有軟膠管，軟膠管上設(shè)有與密封 槽相通的注膠孔;右立板左側(cè)表面設(shè)有U型槽，U型槽內(nèi)設(shè)有U型密封墊，底座右端面、兩塊高 強(qiáng)度透明板的右邊沿均伸入到U型槽內(nèi)并與U型密封墊接觸配合，左立板、底座、右立板和兩 塊高強(qiáng)度透明板之間合圍成頂部敞口的試驗(yàn)腔，底座底部、右立板下端均設(shè)有沿導(dǎo)向槽移 動(dòng)的支撐滾輪。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的受采動(dòng)影響煤層底板突水模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于:水壓控 制裝置包括外型呈圓臺(tái)形的基座，基座內(nèi)設(shè)有支撐板，支撐板上設(shè)有動(dòng)力氣罐和位于動(dòng)力 氣罐周圍的至少三個(gè)儲(chǔ)液罐，每個(gè)儲(chǔ)液罐側(cè)部均設(shè)有液位計(jì)，每個(gè)儲(chǔ)液罐頂部均通過氣壓 管與動(dòng)力氣罐連接，每個(gè)氣壓管上均設(shè)有一個(gè)第一調(diào)節(jié)閥和位于第一調(diào)節(jié)閥下方的進(jìn)液管 接頭，儲(chǔ)液罐上部設(shè)有開度小于第一調(diào)節(jié)閥的第二調(diào)節(jié)閥，動(dòng)力氣罐下部設(shè)有安全閥，動(dòng)力 氣罐上部設(shè)有壓力表和泄壓閥，動(dòng)力氣罐頂部設(shè)有高壓氣體充裝接頭;基座側(cè)部設(shè)有與進(jìn) 水管連接的出水接頭，出水接頭上設(shè)有壓力傳感器;每個(gè)儲(chǔ)液罐底部均通過一節(jié)連接管與 出水接頭的進(jìn)口連通。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的受采動(dòng)影響煤層底板突水模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于：右 框上的橫向頂壓機(jī)構(gòu)包括壓板以及設(shè)在右框上的安裝框、上導(dǎo)桿和下導(dǎo)桿，安裝框設(shè)在右 框的右側(cè)，安裝框上設(shè)有橫向液壓缸，橫向液壓缸的橫向活塞桿水平向左穿過左框，上導(dǎo)桿 和下導(dǎo)桿分別位于橫向活塞桿的上方和下方，上導(dǎo)桿、橫向活塞桿和下導(dǎo)桿平行設(shè)置，上導(dǎo) 桿和下導(dǎo)桿的左端穿過右框伸入到安裝框內(nèi)，壓板垂直設(shè)置，上導(dǎo)桿和下導(dǎo)桿左端均通過 安裝盤與壓板左側(cè)面固定連接，壓板下端設(shè)有可調(diào)節(jié)長短的伸縮板，壓板和伸縮板的左側(cè) 面與右立板右表面通過橫向液壓缸頂壓接觸。
【文檔編號(hào)】G01N33/00GK205538895SQ201620113335
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年2月4日
【發(fā)明人】周甲富, 李振華, 卓金霞, 張帥龍, 杜鋒
【申請人】河南理工大學(xué)