煤矿充填智能模拟试验装置的制作方法

本发明属于力学试验设备技术领域，更具体地说，是涉及一种煤矿充填智能模拟试验装置。

背景技术：

煤矿开采的固体充填技术是以充填材料充满采空区，支撑两帮围岩，防止岩石移动，达到控制地压、防止煤矿垮塌的目的的技术，能够有效解决“三下”压煤、矸石堆积和生态环境等方面的问题。现有的充填结构都是通过力学分析和经验计算进行设计的，在进行充填开采前难以对充填结构的支撑效果进行精确有效的试验验证及反馈，但是煤矿中不同部位的煤层的倾角和走向以及地质状态都不相同，无法进行试验就无法对设计结果进行验证，一旦设计结果出现问题，会造成难以挽回的严重后果。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种煤矿充填智能模拟试验装置，以解决现有技术中存在的在进行充填开采前难以对充填结构的支撑效果进行精确有效的试验验证的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种煤矿充填智能模拟试验装置，包括：框架体，内部中部用于放置试件；荷载加载模拟机构，设置在框架体上部，用于对试件上部施力；以及岩层倾角模拟机构，设置在框架体下部且用于承托试件，并具有用于调节试件放置方向的两个自由度，两个自由度互相垂直。

进一步地，前述的煤矿充填智能模拟试验装置中，框架体包括：顶支撑板，用于与荷载加载模拟机构连接；底支撑板，用于与岩层倾角模拟机构连接；以及连接柱，用于分别与顶支撑板和底支撑板连接。

进一步地，前述的煤矿充填智能模拟试验装置中，荷载加载模拟机构包括：荷载加载油缸，一端与顶支撑板连接；以及荷载作用板，与荷载加载油缸另一端连接，且用于与试件连接。

进一步地，前述的煤矿充填智能模拟试验装置中，所述荷载加载模拟机构包括若干荷载加载油缸和若干分别与荷载加载油缸连接的荷载作用板，每个荷载加载油缸均与对应的荷载作用板通过万向铰接结构连接。

进一步地，前述的煤矿充填智能模拟试验装置中，岩层倾角模拟机构包括：第一倾角模拟旋转座，用于与底支撑板连接，且用于调节试件在第一自由度方向上的倾角；以及第二倾角模拟旋转座，分别与框架体下部和第一倾角模拟旋转座连接，且用于调节试件在与第一自由度垂直的第二自由度方向上的倾角。

进一步地，前述的煤矿充填智能模拟试验装置中，第一倾角模拟旋转座包括：第一承托板，上部用于与第二倾角模拟旋转座连接；第一弧形支撑件，设置在第一承托板下部，且设有用于在底支撑板上滚动的第一弧形面；以及第一调节油缸，一端与第一承托板的一侧铰接，另一端与底支撑板铰接，用于以第一弧形面与底支撑板的接触部位为支点来调节第一承托板与底支撑板之间的夹角。

进一步地，前述的煤矿充填智能模拟试验装置中，第二倾角模拟旋转座包括：第二承托板，上部用于与试件连接；第二弧形支撑件，设置在第二承托板下部，且设有用于在第一承托板上滚动的第二弧形面；以及第二调节油缸，一端与第二承托板的一侧铰接，另一端与第一承托板铰接，用于以第二弧形面与第一承托板的接触部位为支点来调节第二承托板与第一承托板之间的夹角；第一弧形面在底支撑板上的滚动方向与第二弧形面在第一承托板上的滚动方向互相垂直。

进一步地，前述的煤矿充填智能模拟试验装置中，第一承托板上设有用于限制第二弧形支撑件在垂直第二自由度方向上的运动的第二限位结构；第一承托板上设有用于容纳第二弧形支撑件下部的第二凹槽；第二限位结构包括第二凹槽的侧壁；第二弧形支撑件包括若干与第二承托板固定连接且互相并列设置的第二弧形板，第二凹槽内设有位于相邻的第二弧形板之间的第二限位板，第二限位结构包括第二限位板。

进一步地，前述的煤矿充填智能模拟试验装置中，底支撑板上设有用于限制第一弧形支撑件在垂直第一自由度方向上的运动的第一限位结构；底支撑板上设有用于容纳第一弧形支撑件下部的第一凹槽；第一限位结构包括第一凹槽的侧壁；第一弧形支撑件包括若干与第一承托板固定连接且互相并列设置的第一弧形板，第一凹槽内设有位于相邻的第一弧形板之间的第一限位板，第一限位结构还包括第一限位板；第一弧形面上设有第一齿牙，底支撑板上设有用于与第一齿牙啮合的第一啮合齿牙，用于防止第一弧形支撑件与底支撑板之间产生相对滑动；第二弧形面上设有第二齿牙，第一承托板上设有用于与第二齿牙啮合的第二啮合齿牙，用于防止第二弧形支撑件与第一承托板之间产生相对滑动。

进一步地，前述的煤矿充填智能模拟试验装置中，还包括：行程传感器，设置在荷载加载油缸上，用于测量荷载加载油缸的伸长量；压强传感器，设置在荷载加载油缸上，用于测量荷载加载油缸的压强；控制模块，分别与行程传感器和压强传感器电连接；以及数据储存模块，与控制模块电连接，用于储存控制模块获取的数据。

进一步地，前述的煤矿充填智能模拟试验装置中，还包括：数据输入模块，与控制模块电连接，用于向控制模块输入命令信号；控制模块还分别与荷载加载油缸的油泵、第一调节油缸的油泵和第二调节油缸的油泵电连接。

本发明提供的煤矿充填智能模拟试验装置的有益效果在于：与现有技术相比，本发明通过具有两个互相垂直的自由度的岩层倾角模拟机构能够模拟煤层的倾角和走势，并通过荷载加载模拟机构模拟煤层上层岩体的荷载状态，对设计出的充填结构进行精确地、可观测地试验验证，了解其支撑效果和可靠性，有利于避免设计问题造成的严重后果，并指导设计工作的改进。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的煤矿充填智能模拟试验装置的主视结构示意图(内含局部剖视结构)；

图2为图1实施例提供的煤矿充填智能模拟试验装置的a-a部位的剖视结构示意图。

其中，图中各附图标记：

11-顶支撑板；12-底支撑板；13-连接柱；14-第一凹槽；15-第一限位板；

21-荷载加载油缸；22-荷载作用板；23-万向铰接结构；

31-第一承托板；32-第一弧形支撑件；33-第一调节油缸；

34-第二凹槽；35-第二限位板；

41-第二承托板；42-第二弧形支撑件；43-第二调节油缸；

51-行程传感器；52-压强传感器；

53-数据储存模块；54-控制模块；55-数据输入模块；

60-试件。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请一并参阅图1及图2，现对本发明提供的一种煤矿充填智能模拟试验装置进行说明。所述煤矿充填智能模拟试验装置，包括：

框架体，内部中部用于放置试件60；

荷载加载模拟机构，设置在框架体上部，用于对试件60上部施力；

以及岩层倾角模拟机构，设置在框架体下部且用于承托试件60，并具有用于调节试件60放置方向的两个自由度，两个自由度互相垂直。

试件60即模拟的充填结构，可以是矸石砌筑体，也可以用于支撑岩体的液压支架。试件60的放置方向主要是指试件60与水平面之间的夹角，岩层倾角模拟机构用于模拟该夹角，其两个自由度可以分别模拟煤层的倾角和走势。

在进行试验时，将试件60放置在岩层倾角模拟机构上，并调节岩层倾角模拟机构至试件60与水平面之间的角度与煤层的倾角和走势相同，再根据煤层上层岩体的荷载状态，通过荷载加载模拟机构对试件60施加荷载，之后观察或检测试件60在该荷载下的状态。

本发明提供的煤矿充填智能模拟试验装置，与现有技术相比，通过具有两个互相垂直的自由度的岩层倾角模拟机构能够模拟煤层的倾角和走势，并通过荷载加载模拟机构模拟煤层上层岩体的荷载状态，对设计出的充填结构进行精确地、可观测地试验验证，了解其支撑效果和可靠性，有利于避免设计问题造成的严重后果，并指导设计工作的改进。

进一步地，请一并参阅图1及图2，作为本发明提供的煤矿充填智能模拟试验装置的一种具体实施方式，框架体包括顶支撑板11、底支撑板12和连接柱13，顶支撑板11用于与荷载加载模拟机构连接，底支撑板12用于与岩层倾角模拟机构连接，连接柱13用于分别与顶支撑板11和底支撑板12连接。连接柱13可以分别与顶支撑板11和底支撑板12固定连接或者可拆卸连接。

荷载加载模拟机构包括荷载加载油缸21和荷载作用板22，荷载加载油缸21一端与顶支撑板11连接；荷载作用板22与荷载加载油缸21另一端连接，且用于与试件60连接。荷载作用板22可以与试件60抵接，且可以通过螺栓连接结构、卡接结构等连接结构与试件60连接。

荷载加载模拟机构包括若干荷载加载油缸21和若干分别与荷载加载油缸21连接的荷载作用板22，以便于对试件60分部位施加荷载，以更好地模拟上层岩体的荷载，每个荷载加载油缸21均与对应的荷载作用板22通过万向铰接结构23连接，以便于荷载作用板22更好地与试件60连接，便于荷载的传递。

岩层倾角模拟机构包括第一倾角模拟旋转座和第二倾角模拟旋转座，第一倾角模拟旋转座用于与底支撑板12连接，且用于调节试件60在第一自由度方向上的倾角；第二倾角模拟旋转座分别与框架体下部和第一倾角模拟旋转座连接，且用于调节试件60在与第一自由度垂直的第二自由度方向上的倾角。

第一倾角模拟旋转座包括第一承托板31、第一弧形支撑件32和第一调节油缸33，第一承托板31上部用于与第二倾角模拟旋转座连接，第一弧形支撑件32设置在第一承托板31下部且设有用于在底支撑板12上滚动的第一弧形面；第一调节油缸33一端与第一承托板31的一侧铰接，另一端与底支撑板12铰接，用于以第一弧形面与底支撑板12的接触部位为支点来调节第一承托板31与底支撑板12之间的夹角。

第二倾角模拟旋转座包括第二承托板41、第二弧形支撑件42和第二调节油缸43，第二承托板41上部用于与试件60连接，第二弧形支撑件42设置在第二承托板41下部且设有用于在第一承托板31上滚动的第二弧形面；第二调节油缸43一端与第二承托板41的一侧铰接，另一端与第一承托板31铰接，用于以第二弧形面与第一承托板31的接触部位为支点来调节第二承托板41与第一承托板41之间的夹角。第一弧形面在底支撑板12上的滚动方向与第二弧形面在第一承托板31上的滚动方向互相垂直。

在进行试验时，第一承托板31在第一调节油缸33的推动下，使第一弧形支撑件32通过第一弧形面在底支撑板12上滚动，调节第一承托板31上表面与底支撑板12之间的角度与煤层的倾角相同；第二承托板41在第二调节油缸43的推动下，使第二弧形支撑件42通过第二弧形面在第一承托板31上滚动，调节第一承托板31上表面与第一承托板31上表面之间的角度与煤层的走势相同，由于第二承托板41是在第一承托板31上进行的单向角度调节，因此第二承托板41上表面与底支撑板12之间的角度即与煤层的倾角与走势相同。这种角度调节的结构能够承受巨大的压力，能够避免整个装置在试验过程中被压坏。

进一步地，请一并参阅图1及图2，作为本发明提供的煤矿充填智能模拟试验装置的一种具体实施方式，第一承托板31上设有用于限制第二弧形支撑件42在垂直第二自由度方向上的运动的第二限位结构，以防止试验过程中第二弧形支撑件42在第一承托板31上滑移。

第一承托板31上设有用于容纳第二弧形支撑件42下部的第二凹槽34，第二限位结构可以包括第二凹槽34的侧壁。第二凹槽34也可以是限制第二弧形支撑件42侧向运动的轨道。

第二弧形支撑件42包括若干与第二承托板41固定连接且互相并列设置的第二弧形板，第二凹槽34内设有位于相邻的第二弧形板之间的第二限位板35，第二限位结构也可以包括第二限位板35。

进一步地，底支撑板12上设有用于限制第一弧形支撑件32在垂直第一自由度方向上的运动的第一限位结构，以防止试验过程中第一弧形支撑件32在底支撑板12上滑移。

底支撑板12上设有用于容纳第一弧形支撑件32下部的第一凹槽14，第一限位结构可以包括第一凹槽14的侧壁。第一凹槽14也可以是限制第一弧形支撑件32侧向运动的轨道。

第一弧形支撑件32包括若干与第一承托板31固定连接且互相并列设置的第一弧形板，第一凹槽14内设有位于相邻的第一弧形板之间的第一限位板15，第一限位结构还可以包括第一限位板15。

第一弧形面上设有与第一弧形面平行的第一齿牙，底支撑板12上设有用于与第一齿牙啮合的第一啮合齿牙，用于防止第一弧形支撑件32与底支撑板12之间产生相对滑动；第二弧形面上设有与第二弧形面平行的第二齿牙，第一承托板31上设有用于与第二齿牙啮合的第二啮合齿牙，用于防止第二弧形支撑件42与第一承托板31之间产生相对滑动。

进一步地，请一并参阅图1及图2，作为本发明提供的煤矿充填智能模拟试验装置的一种具体实施方式，煤矿充填智能模拟试验装置还包括行程传感器51、压强传感器52、控制模块54和数据储存模块53，行程传感器51设置在荷载加载油缸21上，用于测量荷载加载油缸21的伸长量，压强传感器52设置在荷载加载油缸21上，用于测量荷载加载油缸21的压强，控制模块54分别与行程传感器51和压强传感器52电连接，数据储存模块53与控制模块51电连接，用于储存控制模块51获取的数据。

在进行试验时，控制模块54可以对行程传感器51和压强传感器52传递的信号进行处理，并储存到数据储存模块53中，以便于后期的研究和使用。

进一步地，煤矿充填智能模拟试验装置还包括数据输入模块55，数据输入模块55与控制模块51电连接，用于向控制模块51输入命令信号。控制模块54还分别与荷载加载油缸21的油泵、第一调节油缸33的油泵和第二调节油缸43的油泵电连接。以便于试验人员的控制。

在进行试验时，控制模块51可以通过对荷载加载油缸21、第一调节油缸33和第二调节油缸43的控制实现试验条件的模拟，实现试验的自动化和智能化，有利于对试验进行更加精确的控制，排除人工误差。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。