一种工作面煤壁破坏模式试验装置及方法与流程

[0001]
本发明涉及煤矿试验设备技术领域，具体涉及一种工作面煤壁破坏模式试验装置及方法。


背景技术：

[0002]
这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。
[0003]
随着煤炭开采向深部延伸，工作面煤壁片帮、顶板垮落、冲击地压、巷道围岩大变形等问题日益突出，严重影响了煤炭资源的安全、高效开采。煤炭赋存条件普遍比较复杂，随着采深、采高及工作面长度的增加，工作面超前支承压力影响范围不断扩大，上覆岩层作用在煤壁和顶板岩层上的压力也随之增加，加之复杂地质构造(断层、褶曲、向斜等)及开采方式等影响，使工作面煤壁处于复杂的应力状态作用下，进而造成煤壁片帮、顶板冒落、煤壁与顶板组合失稳等现象的发生。现阶段，针对此问题可借助理论研究、数值模拟及模型试验等方法进行，一般而言，实验室相似模拟试验具有经济、简便、直观、可重复的特点，可清晰的再现工作面煤壁在复杂应力状态下的破坏过程，可较好的反映煤壁的破坏特点，是一项应用较为广泛的研究手段。
[0004]
发明人发现，目前，由于受试验条件和试验对象等因素的影响，现有的试验装置无法更确切的还原煤壁破坏过程。另外，现有的试验装置无法为试验模拟超前支承荷载及顶板悬臂梁断裂前后荷载的变化过程，且无法实现不同采高、支护及应力条件下的煤壁破坏特点。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供一种工作面煤壁破坏模式试验装置，能够模拟回采工作面复杂应力作用下煤壁的裂隙开裂、扩展演化过程及煤壁破坏模式、特点的情况，具有良好的推广前景。
[0006]
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0007]
一种工作面煤壁破坏模式试验装置，包括：
[0008]
承载台，承载台固定有反力架机构；
[0009]
约束机构：包括能够贴合试件前端面的前板及贴合试件侧面的侧板，还包括能够与侧板可拆卸连接并且部分贴合试件后端面的护帮板，前板、侧板与反力架机构之间设有第一加载机构。
[0010]
压力模拟机构：包括能够贴合试件上表面且相互铰接的支承压力加载板及悬臂梁加载板，支承压力加载板、悬臂梁加载板与反力架机构之间分别设有第二加载机构和第三加载机构。
[0011]
结合第一方面，本发明的实施例提供了第一方面的一种可能实施方式，所述第一加载机构包括多个第一加载件，第一加载件的固定部与反力架机构固定连接，加载部能够对前板和侧板施加荷载。
[0012]
结合第一方面，本发明的实施例提供了第一方面的一种可能实施方式，所述第二加载机构包括多个第二加载件及第一弹性件，第二加载件的固定部与反力架机构固定连接，加载部能够对支承压力加载板施加荷载，第一弹性件两端分别通过刚性挂钩与反力架机构及支承压力加载板连接。
[0013]
结合第一方面，本发明的实施例提供了第一方面的一种可能实施方式，所述第三加载机构包括多个第三加载件及第二弹性件，第三加载件的固定部与反力架机构固定连接，加载部能够对悬臂梁加载板施加荷载，第二弹性件的一端通过刚性挂钩与反力架机构连接，另一端通过塑性挂钩与悬臂梁加载板连接。
[0014]
结合第一方面，本发明的实施例提供了第一方面的一种可能实施方式，所述支承压力加载板由多块板拼接构成。
[0015]
结合第一方面，本发明的实施例提供了第一方面的一种可能实施方式，所述承载台上还固定有第四加载件，所述第四加载件用于设置在悬臂梁加载板与试件上表面贴合后其悬空部分的下方，用于模拟工作面液压支架。
[0016]
结合第一方面，本发明的实施例提供了第一方面的一种可能实施方式，所述承载台上还固定有由多个第三弹性件构成的采空区模拟垫层，悬臂梁转动后其端部能够与采空区模拟垫层接触。
[0017]
结合第一方面，本发明的实施例提供了第一方面的一种可能实施方式，所述护帮板包括至少一个分级钢化玻璃挡板，分级钢化玻璃挡板的两端能够与侧板可拆卸固定连接。
[0018]
结合第一方面，本发明的实施例提供了第一方面的一种可能实施方式，所述反力架机构包括多个与承载台固定的反力架，多个反力架的顶部通过多个连接梁连接为整体。
[0019]
第二方面，本发明的实施例提供了第一方面所述的工作面煤壁破坏模式试验装置的方法，
[0020]
利用前板、侧板及护帮板对试件进行浇注，并将浇注好的试件转移至承载台上；
[0021]
根据设定要求调节第二加载机构及第三加载机构，并将支承压力加载板及悬臂梁加载板与试件上表面贴合；
[0022]
第一加载机构、第二加载机构及第三加载机构工作，分别通过前板、侧板、支承压力加载板及悬臂梁加载板对试件施加设定值的荷载，进行工作面煤壁破坏模式试验。
[0023]
本发明的有益效果：
[0024]
1.本发明的试验装置，支承压力加载板和悬臂梁加载板铰接，能够进行超前支承荷载及顶板悬臂梁断裂前后荷载的变化过程的模拟；护帮板与侧板可拆卸连接，能够部分贴合试件的后端面，能够模拟护帮板产生的水平反力；悬臂梁加载板通过塑性挂钩与第二弹性件连接，塑性挂钩破坏后，悬臂梁加载板能够转动至与采空区模拟垫层接触，实现了煤壁破坏情况更加真实的模拟，综上所述，通过第一加载机构、第二加载机构及第三加载机构荷载的施加，实现了对工作面煤壁施加复杂应力，能够更加确切的还原煤壁的破坏过程，可以模拟回采工作面复杂应力作用下煤壁的裂隙开裂、扩展演化过程及煤壁破坏模式、特点的情况，具有良好的推广前景。
[0025]
2.本发明的试验装置，支承压力加载板由多块板拼接构成，每块板能够通过不同弹性系数及个数、位置的弹性件与反力架连接，加载件的应力经弹性件的作用在试件的上
表面各位置产生不同强度的应力，实现了偏压。
[0026]
3.本发明的试验装置，由于护帮板与侧板可拆卸连接，因此能够利用前板、侧板及护帮板浇注不同高度的试样，能够实现工作面不同采高的模拟，通过调节第一加载机构、第二加载机构及第三加载机构施加的荷载，能够模拟不同支护及应力调节下煤壁的破坏过程。
附图说明
[0027]
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。
[0028]
图1为本发明实施例1整体结构主视图；
[0029]
图2为本发明实施例1整体结构侧视图；
[0030]
其中，1.承载台，2.反力架，3.连接梁，4.钢管立柱，5.前板，6.侧板，7.分级钢化玻璃，8.第一液压千斤顶，9.螺栓，10.螺栓孔，11.连接铰，12.支承压力加载板，13.悬臂梁加载板，14.第二液压千斤顶，15.第一弹簧，16.第三液压千斤顶，17.第二弹簧，18.刚性挂钩，19.塑性挂钩，20.第四液压千斤顶，21.垫块，22.第三弹簧，23.试件。
具体实施方式
[0031]
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0032]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0033]
为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0034]
正如背景技术所介绍的，现有的工作面煤壁破坏模式试验装置无法确切的还原煤壁的破坏过程，而且无法为试验模拟超前支承荷载及顶板悬臂梁断裂前后荷载的变化过程，且无法实现不同采高、支护及应力条件下的煤壁破坏特点，针对上述问题，本申请提出了一种工作面煤壁破坏模式试验装置。
[0035]
本申请的一种典型实施方式实施例1中，如图1-图2所示，一种工作面煤壁破坏模式试验装置，包括承载台、反力架机构、约束机构及压力模拟机构。
[0036]
所述承载台1为长方体结构，其尺寸为3000mm(长度)x2500mm(宽度)x1500mm(高度)。
[0037]
所述反力架机构包括四个反力架2，所述反力架采用“门”型架，采用高强度钢材(规格为q235-355)制作，高度为1500mm，四个反力架固定在承载台上，其中一个反力架固定在承载台的一端，并固定有加载件安装板，另外三个反力架分别固定在试件的前端、中部和
后端位置。四个反力架的顶端通过多个连接梁3连接为一个整体，所述连接梁采用h型钢梁，承载台另一端的h型钢梁的端部与钢管立柱4的顶端焊接固定，钢管立柱的底端与承载台焊接固定连接，采用钢管立柱用于平衡h型钢梁的位置及受力。
[0038]
所述约束机构包括前板5、侧板6及护帮板，所述前板、侧板均采用高强度钢材(规格为q235-355)制作，所述前板的高度不小于试件的高度，宽度等于试件的宽度，试件的前端面能够完全贴合前板。所述侧板设置两块，其长度等于试件的长度，其高度不小于试件的高度，使得试件的侧面能够完全贴合侧板。所述护帮板采用至少一块厚度为20mm的分级钢化玻璃7，所述侧板的端面设置螺栓孔，所述分级钢化玻璃的两端也设置螺栓孔，分级钢化玻璃的两端能够通过螺栓孔10和螺栓9与两块侧板的端部可拆卸固定连接，使得多个分级钢化玻璃沿竖向排列固定于侧板上，能够使得试件的右端面部分与分级钢化玻璃贴合，以部分遮挡住试件的右端面，能够通过调节分级钢化玻璃的高度以模拟不同护帮板的高度。
[0039]
所述前板、侧板与反力架机构之间设置有第一加载机构，所述第一加载机构采用多个第一加载件，所述第一加载件采用第一液压千斤顶8，位于前板与反力架机构之间的多个第一液压千斤顶的固定部固定在承载台端部的反力架的加载件安装板上，其加载部能够对前板施加沿试件长度方向的荷载，所述侧板与反力架机构之间的第一液压千斤顶的固定部固定在另外三个反力架上，其加载部能够对侧板施加沿试件宽度方向的荷载。
[0040]
所述压力模拟机构包括通过连接铰11铰接的支承压力加载板12和悬臂梁加载板13，所述支承压力加载板由多块板拼接构成。支承压力加载板和悬臂梁加载板均采用高强度钢材(规格为q235-355)制作。
[0041]
所述支承压力加载板与反力架机构之间设置有第二加载机构，所述悬臂梁加载板与反力架机构之间设置有第三加载机构。
[0042]
所述第二加载机构包括多个第二加载件及第一弹性件，所述第二加载件采用多个第二液压千斤顶14，所述第二液压千斤顶的固定部固定在连接梁上，其加载部能够通过支承压力加载板对试件施加竖向荷载，所述第一弹性件采用第一弹簧15，所述第一弹簧的两端分别通过刚性挂钩与连接梁和支承压力加载板连接。第一弹簧能够对支承压力加载板施加与第二液压千斤顶方向相反的竖向作用力。
[0043]
对支承压力加载板的每块板调节其连接的第一弹簧的数量、位置及弹性系数，能够实现第二液压千斤顶产生的应力经第一弹簧的作用在试件上表面各位置产生不同强度的应力，实现了偏压。
[0044]
所述第三加载机构包括多个第三加载件及第二弹性件，所述第三加载件采用第三液压千斤顶16，所述第三液压千斤顶的固定部与连接梁固定连接，其加载部能够对悬臂梁加载板施加竖向荷载，所述第二弹性件采用第二弹簧17，所述第二弹簧的一端通过刚性挂钩18与连接梁固定连接，另一端通过塑性挂钩19与悬臂梁加载板连接。第二弹簧能够对悬臂梁加载板施加与第三液压千斤顶方向相反的竖向作用力。第三液压千斤顶施加竖向荷载与第二弹簧的合力大于塑性挂钩的临界值时，塑性挂钩会发生破坏。
[0045]
所述承载台上还固定有第四加载件，所述第四加载件用于设置在悬臂梁加载板与试件上表面贴合后其悬空部分的下方，用于模拟工作面液压支架。所述第四加载件采用第四液压千斤顶20，其固定在垫块21上，垫块与承载台固定连接。第四液压千斤顶的加载部能够对悬臂梁加载板施加竖向的荷载。
[0046]
所述第四加载件的一侧还设置有采空区模拟垫层，所述采空区模拟垫层固定在承载台上，由多个第三弹性件构成，所述第三弹性件采用第三弹簧22，塑性挂钩发生破坏后，悬臂梁加载板端部能够与采空区模拟垫层接触，能够更加确切的模拟了工作面煤壁的破坏过程。
[0047]
本实施例的试验装置，支承压力加载板和悬臂梁加载板铰接，能够进行超前支承荷载及顶板悬臂梁断裂前后荷载的变化过程的模拟；护帮板与侧板可拆卸连接，能够部分贴合试件的后端面，能够模拟护帮板产生的水平反力；悬臂梁加载板通过塑性挂钩与第二弹性件连接，塑性挂钩破坏后，悬臂梁加载板能够转动至与采空区模拟垫层接触，实现了煤壁破坏情况更加真实的模拟，综上所述，通过第一加载机构、第二加载机构及第三加载机构荷载的施加，实现了对工作面煤壁施加复杂应力，能够更加确切的还原煤壁的破坏过程，可以模拟回采工作面复杂应力作用下煤壁的裂隙开裂、扩展演化过程及煤壁破坏模式、特点的情况，具有良好的推广前景。
[0048]
实施例2：
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本实施例公开了一种实施例1所述的工作面煤壁破坏模式试验装置的方法，包括以下步骤：
[0050]
步骤1：浇注试件23，借助正交试验选取合理的相似材料配合比，利用前板、侧板及护帮板作为浇注模具，将相似材料与水混合并借助搅拌机搅拌至均匀便可直接浇筑于模具中，此外，可通过调节右侧面可拆卸式分级钢化玻璃挡板的高度，便于浇筑不同高度的试样，以模拟工作面不同采高。
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步骤2：将步骤1得到的试样转移至承载台上，通过前板、侧板及第一液压千斤顶固定试样位置；根据测试要求拆除分级钢化玻璃挡板，以模拟护帮板高度，在悬臂梁加载板下方架设第四液压千斤顶以模拟工作面支架阻力；
[0052]
步骤3：根据测试要求调整第一弹簧、第二弹簧的刚度及个数，第二液压千斤顶、第三液压千斤顶及第一液压千斤顶配合工作，输出设定的恒定荷载，实现超前支承压力及悬臂梁压力的施加，模拟工作面煤壁的受力状态，进行工作面煤壁破坏模式试验。
[0053]
通过调节第一液压千斤顶、第二液压千斤顶及第三液压千斤顶输出的荷载大小，能够调节不同支护及应力条件下煤壁中裂隙开裂、扩展与破坏的过程特征。
[0054]
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。