一种双向加压相似材料模拟实验效果对比架的制作方法

本实用新型属于教学设施技术领域，涉及一种模拟采矿工程中矿山相似材料模拟实验前期准备阶段的实验架，特别涉及一种双向加压相似材料模拟实验效果对比架。

背景技术：

目前，相似材料模拟实验已经很成熟，适用于平面应变问题的矿山相似材料模拟实验架的设计日趋完善，也有专门适用于立体三维实验的相似模拟实验架装置。

现有的平面应变问题的矿山相似材料模拟实验架就是在底座上安装一个长3米、高1.5米、宽20厘米的矩形铁架，铁架上部不密封（上部使用液压油缸加压），铁架两侧留有螺孔，使用时，铁架一侧用螺丝固定槽钢，另一侧随搭架进度逐一向上固定槽钢，待材料干燥一段时间后，拆除全部槽钢。

适用于立体三维实验的相似模拟实验架由水平槽钢和垂直槽钢组装的箱体、支撑箱体的支撑架和测力装置组成，可实现模拟三维受力情况的要求。对研究巷道受力情况有较好的应用。

故而，相似模拟实验架的设计在理论及应用中均趋于完善，但在实验的前期准备阶段，在搭设物理模型的过程中，由于加水量、开采速度、加压强度、材料搅拌时间以及材料配比的不同均会引起实验现象呈现一定的偏差，严重影响实验的仿真度，降低实验可信性。例如，若水量不够，造成相似材料不具备较强的粘结力，对成架造成一定困难；若水量过多，实验架干燥时间过长，经验表明，材料放置超过一周，会严重影响日后模拟开采效果；模拟开采的速度快慢以及加压时考虑单项或双向加压会对应力分布数据、覆岩垮落规律造成较大影响；材料搅拌时间过长，会造成材料提前凝固为颗粒状，无法使用；模拟材料中的河砂、石膏、碳酸钙的配比比例是实验仿真度的决定性因素。

专利《一种相似材料模拟实验装置》（专利号ZL201420374896.5，公告号CN204087665U，公告日2015.01.07）公开了一种实验装置，在普通相似模拟实验架的基础上增设抽拉式可伸缩挡板架，并将实验架右边框改成可拆卸的结构形式，使得相似模拟实验架所能进行的模型长度可任意调节，实现“一架多用”，大幅度降低了设备购置费用，省时省力。但未涉及对影响因素的对比功能，实验架过大，无法快速、反复进行对比论证实验。专利《可拆卸式相似模拟实验装置》（专利号ZL201520157595.1，公告号CN204439468U，公告日2015.07.01）公开的实验装置包括支架和加载机构，支架前后两侧固定有安装板，并有透明护板，在架体上部安装有两个对称的加压油缸。该设计可有效解决真实反映围岩应力及分布情况，便于拆卸。但同样未涉及实验的前期准备阶段，无法针对多种影响因素进行对比论证、装架速度过慢。

综合以上考虑，在实验的前期准备阶段，应对上述五点影响给予充分重视，分别对该五个方面开展大量对比论证性的实验，得到加水量、开采速度、加压强度、材料搅拌时间以及材料配比的最优解决方案，但现有的模拟实验架架体大、未设计对比功能，搭设一次耗时一到两周，无法适应开展大量对比论证性实验的要求，实验架设计只针对实验本身，未触及到实验的前期准备阶段。致使实验过程中由于加水量、开采速度、加压强度、材料搅拌时间以及材料配比等因素考虑不全面，进而造成实验现象与实际矿山现象出现较大差异，大大降低了实验的仿真度，实验结果缺乏说服力。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种双向加压相似材料模拟实验效果对比架，解决相似模拟实验前期准备阶段中，无法快速准确的确定加水量、开采速度、加压强度、材料搅拌时间以及材料配比的合理方案，且搭架周期长、做不到直观对比的困难，能够得到具有说服力的实验结果。

为实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：一种双向加压相似材料模拟实验效果对比架，包括底座和两块透明有机玻璃制成的挡板，底座两端分别固接有外框侧板，两块外框侧板之间的底座上并排安装有两台液压油缸，该两台液压油缸上设有内底板，一块外框侧板的侧壁上设有第三液压油缸，第三液压油缸的活塞杆上安装有第一内侧板；另一块外框侧板上设有第四液压油缸，第四液压油缸的活塞杆上安装有第二内侧板；第一内侧板和第二内侧板均位于内底板上；两块内侧板上均设有装架板，装架板一端与内侧板相连接，装架板另一端为自由端，装架板自由端安装有至少两个卡扣，装架板可沿内侧板上下往复移动；内底板上固接有分割挡板，分割挡板顶部安装有多个卡扣座。

本实用新型实验效果对比架通过两块装架板可实现快速成架，通过底部和两侧的液压油缸实现双向加压，通过可移动变形的内侧板和内底板构成的内对比架分别对不同影响因素进行反复对比实验，进而得到准确的实验设计参数，快速确定合理实验方案；极大减少了相关实验强度，提高矿山相似模拟实验的仿真度。通过四台液压油缸及可伸缩结构的设计，实现模拟架双向同步加压，更加符合矿山压力引起的应力场的分别特点；满足实验要求。通过比例的合理再微缩以及可供快速装架的装架铁板的设计，实现成架速度快，极大缩短对比论证实验的搭架周期，可短时间内反复试验的目的。

该实验效果对比架主要应用于矿山相似材料模拟实验的前期准备阶段，是将真实矿山按比例缩小为物理模型，在保证模型与原型的所有物理量均遵循一定比例的前提下，对模型中的矿层模拟实际情况进行“开采”，进而模拟矿压显现过程、采集相关实验数据。该专利适用于相似模拟实验前期准备阶段中，可以通过实验现象对比，快速准确确定实验时的加水量、开采方法、加压强度、材料搅拌时间和材料配比数据，并解决普通模拟实验架如若进行对比论证实验时搭架周期长、做不到直观对比的困难。该对比架可快速准确的确定相似模拟实验中加水量、开采速度、加压强度、材料搅拌时间以及材料配比的合理方案，一次实验搭架耗时20～30分钟，极大的缩短现有的实验架进行对比论证实验的实验强度。

附图说明

图1是本实用新型实验效果对比架的示意图。

图2是图1的左视图。

图3是本实用新型实验效果对比架中内侧板的示意图。

图4是图3的右视图。

图中：1.底座，2.第一外框侧板，3.第二外框侧板，4.第一内侧板，5.第二内侧板，6.分割挡板，7.第一装架板，8.第二装架板，9.第一装架把手，10.第二装架把手，11.卡扣座，12.卡扣，13.第一液压油缸，14.第二液压油缸，15.第三液压油缸，16.第四液压油缸，17.挡板，18.内底板，19.工作板，20.空腔，21.卡槽。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步说明。

如图1和图2所示，本实用新型实验效果对比架，包括底座1和两块透明有机玻璃制成的挡板17，底座1的两端分别固接有第一外框侧板2和第二外框侧板3，第一外框侧板2和第二外框侧板3之间的底座1上并排安装有第一液压油缸13和第二液压油缸14，第一液压油缸13和第二液压油缸14上设有内底板18，第一外框侧板2朝向第二外框侧板3的侧壁上安装有第三液压油缸15，第三液压油缸15的活塞杆上安装有第一内侧板4；第二外框侧板3朝向第一外框侧板2的侧壁上安装有第四液压油缸16，第四液压油缸16的活塞杆上安装有第二内侧板5；第一内侧板4和第二内侧板5均位于内底板18上，第三液压油缸15可驱动第一内侧板4产生变形，第四液压油缸16可驱动第二内侧板5产生变形；第一内侧板4上设有第一装架板7，第一装架板7的一端与第一内侧板4相连接接，第一装架板7的另一端为自由端，第一装架板7自由端安装有至少两个卡扣12，第一装架板7上安装有第一装架把手9；第二内侧板3上部设有第二装架板8，第二装架板8一端与第二内侧板3相连接，第二装架板8另一端为自由端，第二装架板8自由端安装有至少两个卡扣12,，第二装架板8上安装有第二装架把手10；内底板18上固接有分割挡板6，分割挡板6顶部安装有多个卡扣座11，卡扣座11的数量与两块装架板上安装的卡扣12的数量相同，且一个卡扣座11与一个卡扣12相对应。第一装架板7的长度和第二支架板8的长度均为内底板18长度的1/2。

底座1、第一外框侧板2和第二外框侧板3构成外对比架架。内底板18、第一内侧板4、第二内侧板5、分割挡板6、第一装架板7、第二装架板8和两块挡板17构成内对比架。内对比架和外对比架之间通过四台液压油缸相连接，第一液压油缸13和第二液压油缸14给内对比架垂直加压，第三液压油缸15和第四液压油缸16给内对比架水平加压。由于相似模拟实验要求材料以1～2cm的厚度自下而上逐层搭设，为方便掌握每次搭架时的装填量，在位于前方的挡板17的左右两侧分别标定以厘米为单位的刻度。

第一内侧板4和第二内侧板5的结构完全相同，下面以第一内侧板4为例进行说明。如图3和图4所示，本实用新型实验效果对比架中的第一内侧板4，包括并排设置的两块工作板19，两块工作板19之间形成空腔20，空腔20的上下两端封闭，空腔20内设有水平贯穿内侧板的连接轴，该连接轴的两端与装架板的一端相连接，且装架板可绕该连接轴转动，该连接轴可沿空腔20上下往复移动；同一内侧板的其中一块工作板19背离另一块工作板19的侧壁上设有垂直贯通该工作板19的卡槽21，设有卡槽21的工作板19朝向分割挡板6。

内侧板与装架板之间可以采用不同的连接形式，只要满足装架板与内侧板连接，且装架板可上下往复移动即可。

使用本实用新型实验效果对比架时：液压油缸关闭，内对比架处于不受力状态，将挡板17插入第一内侧板4和第二内侧板5相对的卡槽22内，充分搅拌相似模拟材料；抓住装架把手将第一装架板7和第二装架板8向两侧倾斜打开，按1～2cm一层的搭架要求向内对比架内逐层装填相似模拟材料，每装填一层，通过装架把手向下压装架板，使装填的相似模拟材料压模成型，直至装填至最高高度停止。装填过程中，装架板的高度位置随相似模拟材料的高度增加而升高，装填完成后，自然干燥1～2天。就可开展不同影响因素对比论证实验：实验要求模拟加压时，若要进行垂直方向加压实验，将装架板自由端的卡扣12与相对应卡扣座11扣合，关闭第三液压油缸15和第四液压油缸16，启动第一液压油缸13和第二液压油缸14，即可进行垂直方向的加压。若要进行水平方向加压实验，不扣合卡扣12和卡扣座11，关闭第一液压油缸13和第二液压油缸14，启动第三液压油缸15和第四液压油缸16，即可进行水平方向的加压。

本实用新型实验效果对比架的机理：

首先，实现模拟架双向加压，更加符合矿山压力引起的应力场的分布特点。为实现该设计要求，在外对比架和内对比架之间的相应位置安设加压油缸，实现双向加压，可满足相似模拟实验对围岩应力分布场模拟的要求，并将与加压油缸相连接的部分内对比架部件设计为可伸缩形式，可保证加压效果。

其次，实现不同影响参数的对比实验，快速确定合理实验方案。通过设立分割挡板，在内对比架中一次性搭设两台相似模拟实验架，起到对不同影响因素做到直观对比的作用，合理快速完成实验准备工作。

最后，成架速度快，极大缩短对比论证实验的搭架周期，可短时间内反复试验。考虑本实用新型实验效果对比架的主要设计目的是实现不同影响参数的对比实验，无需大型实验架，重新设计了架型尺寸，将其再次微缩，并通过设计装架把手，实现快速装填成架、承担顶梁提高垂直加压效果的目的。

本实用新型实验效果对比架服务于相似模拟实验的前期准备阶段，可实现不同影响参数的对比实验，快速确定合理实验方案；可实现模拟架双向同步加压，更加符合矿山压力引起的应力场的分布特点；成架速度快，极大缩短对比论证实验的搭架周期，可短时间内反复试验。是一个新的设计领域。