相似模拟实验材料的铺设装置和使用方法与流程

本发明涉及煤炭领域，尤其涉及一种相似模拟实验材料的铺设装置和使用方法。

背景技术：

相似材料模拟试验是以现场工程地质条件为基础，采用相似理论、因次分析等方法在实验室模拟再现工程现场的一种技术手段，广泛应用于采矿工程、岩土工程等工程技术领域。实验室相似材料与工程现场岩体材料在几何尺寸、密度、强度等的相似性直接决定相似模拟试验的成败。

目前，相似模拟试验的材料铺设、压实主要采用人工或振动机械完成，例如山东科技大学提出了一种用于相似材料模拟试验的自动铺料装置及其使用方法(ZL201510889401.1)，通过振动电机进行相似材料的铺设与振实；中国矿业大学(北京)提出了一种可模拟倾斜岩层的全自动相似模拟试验装置及方法(ZL201510689917.1)，能够实现相似材料的自动铲平、捣实等自动化铺设。上述相似材料铺设方法在一定程度上实现了相似材料铺设的自动化，降低了人工劳动强度，但存在以下问题：

(1)由于大型三维相似模拟试验台在三个方向的尺寸均较大，传统相似材料的铺设、压实方法很难保证铺设岩层的厚度均匀、强度一致、层面平整；

(2)现有相似模拟材料主要采用振动方法(振动台或人工敲打)进行相似材料的压实，这种方法不仅会对本层岩层进行压实，还会对已经压实的岩层产生二次振动压缩影响，导致铺设岩层的几何尺寸、力学参数与工程现场不符，严重影响相似模拟试验结果的可靠性；

(3)现有相似模拟材料铺设方法难以直接实现带倾角岩层的铺设，一般先将岩层铺设为水平岩层，然后再将实验台倾斜一定角度，从而实现倾斜岩层的模拟。由于大型三维相似模拟实验台尺寸、重量等均较大，难以采用这种方法实现倾斜岩层的铺设。

技术实现要素：

基于以上问题，本发明提出一种相似模拟实验材料的铺设装置和使用方法，解决了传统的垂直敲打、振动对下部已铺设岩层强度、厚度产生影响的问题，通过设计新的铺设装置使铺设过程不会对已铺设好的本层岩体及下部岩层产生影响。

本发明提出一种相似模拟实验材料的铺设装置，包括：

相似模拟实验台架以及设置在相似模拟实验台架内的液压推移千斤顶、导向横梁、挤压横梁、两根平行设置的导向轨道、固定梁和盖板；

液压推移千斤顶位于导向轨道的上方，盖板位于导向轨道的下方，导向轨道用于盖板和导向横梁移动；

导向横梁与挤压横梁连接固定，固定梁与导向横梁对应平行设置，液压推移千斤顶的两端分别连接固定梁和导向横梁，固定梁的两端分别设有连接孔，固定梁的两端分别通过连接孔与两根导向轨道连接固定，两个连接孔分别与两根导向轨道连接的两个固定点为液压推移千斤顶提供两个固定支点。

此外，所述装置还包括可伸缩固定标尺，可伸缩固定标尺的两端分别设有顶部固定孔和底部导向轨道固定孔，可伸缩固定标尺通过顶部固定孔和底部导向轨道固定孔分别与相似模拟实验台架和导向轨道连接固定。

此外，可伸缩固定标尺上设有标尺长度调整固定孔，用于调整和固定可伸缩固定标尺的长度。

此外，所述装置包括两个可伸缩固定标尺，每一个可伸缩固定标尺的两端分别与相似模拟实验台架和导向轨道连接固定。

此外，导向横梁通过贴板与挤压横梁连接固定，贴板将液压推移千斤顶的推力传递至挤压横梁上，以对相似模拟实验材料压实。

此外，在导向横梁的两端分别设有导向横梁滚轮，横梁滚轮用于在导向轨道的上方滚动以使导向横梁水平移动。

此外，导向轨道内部设有使盖板移动的导向轨道滚轮，当盖板移动时，导向轨道对盖板起到限位作用。

此外，导向轨道上设有用于确定导向横梁以及挤压横梁的推移距离的刻度。

此外，盖板的两端开设移动槽，导向横梁与挤压横梁通过移动槽连接，并在移动槽内移动。

本发明还提出一种上述任一项所述的相似模拟实验材料的铺设装置的使用方法，包括：

获取相似模拟实验材料在松散状态与压实状态下的重量、密度和/或体积比；

调整铺设装置；

获取经第一次压实且宽度为预设宽度的相似模拟实验材料，将相似模拟实验材料放置于挤压横梁后；

推移液压千斤顶，利用挤压横梁对相似模拟实验材料进行挤压压实，当挤压横梁将相似模拟实验材料压缩至预设厚度时，若相似模拟实验材料的铺设长度大于相似模拟试验台的长度，则继续向下执行，否则重复对相似模拟实验材料进行挤压压实的步骤；

沿相似模拟实验台架的边界对端部岩层进行切割，并安装侧向盖板完成相似模拟试验材料的铺设。

通过采用上述技术方案，具有如下有益效果：

本发明解决了传统的垂直敲打、振动对下部已铺设岩层强度、厚度产生影响的问题，通过设计新的铺设装置使铺设过程不会对已铺设好的本层岩体产生影响；而且通过设置导向轨道，使盖板和导向横梁能够移动，从而实现倾斜岩层的铺设，有效解决现有相似模拟实验材料的铺设装置存在的不足。

附图说明

图1是本发明一个实施例提供的相似模拟实验材料的铺设装置的结构示意图；

图2是本发明一个实施例提供的相似模拟实验材料的铺设装置的正视图；

图3是图1中的导向轨道的结构示意图；

图4是本发明一个实施例提供的相似模拟实验材料的铺设装置的俯视图；

图5是本发明一个实施例提供的相似模拟实验材料的铺设装置的使用方法的流程图。

具体实施方式

以下结合具体实施方案和附图对本发明进行进一步的详细描述。其只意在详细阐述本发明的具体实施方案，并不对本发明产生任何限制，本发明的保护范围以权利要求书为准。

参照图1，本发明提出一种相似模拟实验材料的铺设装置，包括：

相似模拟实验台架8以及设置在相似模拟实验台架8内的液压推移千斤顶1、导向横梁2、挤压横梁3、两根平行设置的导向轨道4、固定梁5和盖板6；

液压推移千斤顶1位于导向轨道4的上方，盖板6位于导向轨道4的下方，导向轨道4用于盖板6和导向横梁2移动；

导向横梁2与挤压横梁3连接固定，固定梁5与导向横梁2对应平行设置，液压推移千斤顶1的两端分别连接固定梁5和导向横梁2，固定梁5的两端分别设有连接孔15，固定梁5的两端分别通过连接孔15与两根导向轨道4连接固定，两个连接孔15分别与两根导向轨道4连接的两个固定点为液压推移千斤顶1提供两个固定支点。

液压推移千斤顶1位于导向轨道4的上方，盖板6位于导向轨道4的下方，这样可以消除液压推移千斤顶1的几何尺寸对铺设材料厚度的限制。当挤压横梁3对相似模拟实验材料进行挤压时，盖板6可以限制相似材料在垂直方向的移动。

本发明中相似模拟实验材料铺设在已经铺设好的岩层上面。

铺设装置在工作时，液压推移千斤顶1通过导向横梁2、挤压横梁3对相似模拟实验材料施加挤压力，由于导向轨道4对盖板6有限位作用，可以实现对相似模拟实验材料的静载压实，不会对已铺设好的下部岩层产生影响；由于每层相似模拟实验材料均需要多次挤压成型，根据力的传递与能量耗散原理，液压千斤顶1通过松散相似模拟实验材料传递至已铺设好的同层材料上的力要小于相似模拟实验材料最终压实需要的力(部分力以能量的形式耗散在相似模拟实验材料的压实过程中)，因此，这种技术方案同样不会对已铺设好的本层岩体产生影响。根据工程现场岩层的倾斜角度，通过调整不同位置可伸缩固定标尺7的高度，可以实现导向轨道4和盖板6倾斜，从而进行倾斜岩层的铺设。

综上所述，本发明可以解决现有铺设装置和铺设方法易导致岩体的物理力学参数失真等问题，保证了大型三维相似模拟试验相似材料铺设的平整度。

本发明实施例解决了传统的垂直敲打、振动对下部已铺设岩层强度、厚度产生影响的问题，通过设计新的铺设装置使铺设过程不会对已铺设好的本层岩体产生影响；而且通过设置导向轨道4，使盖板6和导向横梁2能够移动，从而实现倾斜岩层的铺设，有效解决现有相似模拟实验材料的铺设装置存在的不足。

在其中的一个实施例中，所述装置还包括可伸缩固定标尺7，可伸缩固定标尺7的两端分别设有顶部固定孔11和底部导向轨道固定孔13，可伸缩固定标尺7通过顶部固定孔11和底部导向轨道固定孔13分别与相似模拟实验台架8和导向轨道4连接固定。

为了使倾斜岩层的铺设更加精准，通过对不同位置可伸缩固定标尺7的长度进行调整，可以比较精准的改变导向轨道4和盖板6的倾角，进行倾斜岩层的铺设。由于利用挤压横梁3、盖板6对相似模拟试验相似材料进行挤压成型，因此可以保证铺设岩层的平整度。

在其中的一个实施例中，可伸缩固定标尺7上设有标尺长度调整固定孔12，用于调整和固定可伸缩固定标尺7的长度。

可选地，固定孔12设置于可伸缩固定标尺7的中间位置，当选择好长度后，通过固定孔12使可伸缩固定标尺7固定，以方便使用。

在其中的一个实施例中，所述装置包括两个可伸缩固定标尺7，每一个可伸缩固定标尺7的两端分别与相似模拟实验台架8和导向轨道4连接固定。

由于导向轨道4有两根，所以当配合使用两个可伸缩固定标尺7时，能够通过对比两个可伸缩固定标尺7的数据，从而更加精确的测量出倾角。

在其中的一个实施例中，导向横梁2通过贴板9与挤压横梁3连接固定，贴板9将液压推移千斤顶1的推力传递至挤压横梁3上，以对相似模拟实验材料压实。通过贴板9连接主要是实现力的传递，同时根据不同的岩层厚度可以对贴板9进行更换，能够满足不同厚度岩层的铺设。

可选地，导向横梁2采用螺栓通过贴板9与挤压横梁3连接固定。

在其中的一个实施例中，在导向横梁2的两端分别设有导向横梁滚轮10，横梁滚轮10用于在导向轨道4的上方滚动以使导向横梁2水平移动。

通过设置横梁滚轮10使导向横梁2移动时以滚动的方式移动，使移动更加平稳和顺畅。

在其中的一个实施例中，导向轨道4内部设有使盖板6移动的导向轨道滚轮14，当盖板6移动时，导向轨道4对盖板6起到限位作用。

在其中的一个实施例中，导向轨道4上设有用于确定导向横梁2以及挤压横梁3的推移距离的刻度。

通过在导向轨道4上面设计刻度，可以准确的确定导向横梁2和挤压横梁3的推移距离。

在其中的一个实施例中，盖板6的两端开设移动槽16，导向横梁2与挤压横梁3通过移动槽16连接，并在移动槽16内移动。

盖板6在靠近两端部开设移动槽16，以实现导向横梁2与挤压横梁3的连接和移动。移动槽16是导向横梁2和挤压横梁3的移动通道，贴板9刚好利用移动槽16将导向横梁2和挤压横梁3连接，移动槽16为贴板9提供移动空间。

参照图5，本发明还提出一种相似模拟实验材料的铺设装置的使用方法，包括：

步骤S501，获取相似模拟实验材料在松散状态与压实状态下的重量、密度和/或体积比；

步骤S502，调整铺设装置；

步骤S503，获取经第一次压实且宽度为预设宽度的相似模拟实验材料，将相似模拟实验材料放置于挤压横梁后；

步骤S504，推移液压千斤顶，利用挤压横梁对相似模拟实验材料进行挤压压实，当挤压横梁将相似模拟实验材料压缩至预设厚度时，若相似模拟实验材料的铺设长度大于相似模拟试验台的长度，则继续向下执行，否则重复对相似模拟实验材料进行挤压压实的步骤；

步骤S505，沿相似模拟实验台架的边界对端部岩层进行切割，并安装侧向盖板完成相似模拟试验材料的铺设。

步骤S501中，在使用铺设装置时，基于工程现场岩体的力学参数及相似模型的相似比，制作相似模拟实验材料试件，通过实验室抗拉、抗压和抗剪切试验确定合理的相似模拟实验材料配比，得出其松散状态与压实状态下相似材料的重量、密度以及体积比；

步骤S502中，根据工程岩体的实际倾角，通过调整可伸缩固定标尺将导向轨道、盖板按相应倾角固定于相似模拟实验台上，同时将固定梁、液压推移千斤顶、导向横梁、挤压横梁按图1进行装配，其中挤压横梁的厚度可以根据相应岩层的厚度(或一次成型岩层厚度)进行调整；

步骤S503中，按照得出的松散状态与压实状态下相似材料的重量、密度和体积比，称出压实后宽度为预设宽度如10cm的相似模拟实验材料，并将相似模拟实验材料较均匀的放置于挤压横梁后；

步骤S504中，推移液压千斤顶，利用挤压横梁对相似模拟实验材料进行压实，当挤压横梁将相似模拟实验材料压缩至预设厚度如10cm时，停止压缩；

继续称出压实后宽度为10cm的相似模拟实验材料，重复步骤S504的操作，直至相似模拟实验材料的铺设长度超出相似模拟试验台，例如超出1cm；

步骤S505中，当完成预设厚度岩层的铺设后，对端部岩层沿模拟试验台的边界进行切割，并安装侧向盖板，完成相似模拟试验材料的铺设。

本实施例中利用铺设装置对相似模拟试验材料进行铺设时，能够避免对已铺设好的本层岩体产生影响，从而使铺设结果更加接近真实的情况。

以上所述的仅是本发明的原理和较佳的实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在本发明原理的基础上，还可以做出若干其它变型，也应视为本发明的保护范围。