一种动压巷道稳定性三维相似模拟装置及应用方法与流程

本发明涉及一种动压巷道稳定性三维相似模拟装置及应用方法，属于井工开采巷道模拟室内实验领域。

背景技术：

煤矿井下煤岩巷道的稳定性事关煤矿的安全生产,更关系到井下工人的健康安全，其初期建设费用和后期维护费用占据煤矿生产成本很大比重,事关煤矿盈亏,其重要性不言而喻。随着煤矿进入深部开采,软岩流变特性显现、复杂构造应力等天然复杂条件,以及为满足煤矿整体生产的需要,经常需要在酮室群、上山酮室、交叉巷道、过断层等特殊条件下维护巷道稳定性,从而导致大变形甚至是顶板冒落在绝大数深部矿井时有发生,煤岩巷道的稳定性维护变得越来越困难现实中又无法在理论上说清楚深部巷道大变形破坏机理,只能借助相似模拟进行研究,寻找到可行的控制技术。

而目前煤岩巷道德相似模拟实验装置主要存在以下不足：无法模拟不同巷道倾角无法方便拆卸、组装，实验台无法很好的模拟动载效应，因此,需要对上述煤岩巷道相似模拟实验台进行改进。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种动压巷道稳定性三维相似模拟装置及应用方法，该方案主要目的在于为实验室提供一种可在实验室内进行模拟井下开采动载巷道稳定性的实验台，用于进行相关条件下的实验，以益于相关理论及现象的研究。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种动压巷道稳定性三维相似模拟装置，包括实验台、控制按钮、第一千斤顶、第一柔性钢化玻璃板、第二钢化玻璃板、顶板加载系统、第二千斤顶、固定横梁、两帮动压加载系统、重锤抬高板、第三钢化玻璃板、重锤、底板加载系统和第三千斤顶，所述的实验台台面上表面设置有底板加载系统；底板加载系统上方设置有顶板加载系统；底板加载系统与顶板加载系统之间设置有由第一柔性钢化玻璃板和第二钢化玻璃板组成的支撑系统；两帮动压加载系统对称设置在支撑系统两侧。

所述的实验台上表面靠近侧边位置设置有控制按钮，实验台底部设置有支撑腿。

所述的底板加载系统还包括第一千斤顶和第一柔性钢化玻璃板，底板加载系统通过螺栓直接固定在实验台上，第一千斤顶底座设置在实验台上，第一千斤顶顶杆设置在底板加载系统的第一柔性钢化玻璃板底板上。

所述的顶板加载系统还包括固定横梁、第二千斤顶和第一柔性钢化玻璃板，固定横梁设置在顶板加载系统顶部，第一柔性钢化玻璃板设置在顶板加载系统底部，第二千斤顶设置在固定横梁与第一柔性钢化玻璃板之间。

所述的两帮动压加载系统还包括重锤抬高板、重锤、第三千斤顶和第三钢化玻璃板，重锤抬高板与两帮动压加载系统活动连接，第三千斤顶一端固定在两帮动压加载系统底板下方，另一端固定在重锤抬高板内侧；重锤通过引线连接到两帮动压加载系统底板下方，重锤安装在重锤抬高板外侧。

所述的第一钢化玻璃板为柔性钢化玻璃板。

其动压巷道稳定性三维相似模拟装置的使用方法，包括以下步骤：

第一步、实验前检查实验台各组成部分的可靠性；

第二步、按照几何相似比1:6~1:18的比例，利用实验台将沙子、石膏、石灰、水和水泥材料配制成的煤岩体材料制作成巷道整体模型；

第三步、根据地质条件，对巷道顶底板应力系统的千斤顶进行加载，模拟顶底板的应力情况；

第四步、将巷道两帮动载系统中的重锤抬高不同的高度后释放；

第五步、待巷道在加载系统加载稳定后，观测并记录模拟实验所的数据，进行分析和理论研究。

与现有技术对比，采用本发明的一种动压巷道稳定性三维相似模拟装置应用方法，可以模拟巷道动压加载的稳定性及破坏形式，并可以在模拟巷道中加入一定的支护参数来测量巷道稳定性，通过改变支护参数，得出控制巷道稳定性的措施，为现场巷道维护提供依据。

本发明具有简单易操作，能安全、有效、经济地确定动压巷道稳定性，通过室内物理实验能有效指导现场实践工作中的巷道稳定的治理问题，具有很好的推广应用前景。

附图说明

图1为一种动压巷道稳定性三维相似模拟装置示意图；

图2为一种动压巷道稳定性三维相似模拟装置正视图；

图3为一种动压巷道稳定性三维相似模拟装置重锤抬高板示意图；

附图中的标记符号说明：

1、实验台；2、控制按钮；3、千斤顶；4、第一钢化玻璃板；5、第二钢化玻璃板；6、顶板加载系统；7、千斤顶；8、固定横梁；9、两帮动压加载系统；10、重锤抬高板；11、第三钢化玻璃板；12、重锤；13、底板加载系统;14、千斤顶。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明的一种工作面煤壁柔性加固实验系统主要通过以下技术方案实现的，参照图1、2、3对本发明的实施例进行说明：

一种动压巷道稳定性三维相似模拟装置，由实验台1、控制按钮2、千斤顶3、柔性钢化玻璃板4、钢化玻璃板5、顶板加载系统6、千斤顶7、固定横梁8、两帮动压加载系统9、重锤抬高板10、钢化玻璃板11、重锤12、底板加载系统13和千斤顶14。

顶板加载系统6包括固定横梁8、千斤顶7和柔性钢化玻璃板4。在做巷道整体模型时，可将顶板加载系统6和钢化玻璃板5拆下，待巷道模型制作完成后可以将顶板加载系统6和钢化玻璃板5固定在两帮动压加载系统9上；两帮动压加载系统9包括重锤太高板10、重锤12、千斤顶14和钢化玻璃板11。两帮动压加载系统同样是可以拆卸固定的，在做巷道整体模型时，可将两帮动压加载系统9和钢化玻璃板11拆下，待巷道模型制作完成后可以再将两帮动压加载系统9和钢化玻璃板11固定在底板加载系统13上.，重锤抬高板10可以将重锤抬高不同的高度释放，已达到对系统加载所需不同动压的目的。重锤抬高板10中间设置一个凹槽并可以弹开装置，以便于固定和释放重锤12。底板加载系统13包括千斤顶3和钢化玻璃板4，底板加载系统13直接固定在实验台1上，在制作巷道整体模型时可以通过改变各个千斤顶3的高度来满足制作整体巷道模型的倾角要求。控制按钮2可以控制千斤顶3、7、14，以及重锤抬高板10的闭合。

试验时，先将顶板加载系统13和两帮动压加载系统9拆下，然后根据实验的现场实际条件将底板加载统13的各个千斤顶调整，满足巷道的倾角，巷道煤岩体用通常所用的沙子、石膏、石灰、水按一定的相似比例模拟煤岩体材料，巷道煤岩体成型以后，将钢化玻璃板5和11固定在实验台1上，然后再分别固定两帮动压加载系统9和顶板加载系统6。根据实验模拟要求，对巷道整体模型进行加载模拟，得出巷道变形及稳定性特征，为解决现场煤壁稳定性问题提供有效控制措施。其实验步骤如下：

第一步、实验前检查实验台各组成部分的可靠性；

第二步、按照几何相似比1:6~1:18的比例，利用实验台把沙子、石膏、石灰、水和水泥材料配制成的煤岩体材料制作成巷道整体模型；

第三步、根据地质条件，对巷道顶底板应力系统的千斤顶进行加载，模拟顶底板的应力情况；

第四步、将巷道两帮动载系统中的重锤抬高不同的高度后释放；

第五步、待巷道在加载系统加载稳定后，观测并记录模拟实验所的数据，进行分析和理论研究。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。