一种二向应力状态的隔水层的测试试验模型的制作方法

本发明涉及一种基于保水采煤需要的测试试验模型，尤其是一种二向应力状态的隔水层的测试试验模型。

背景技术：

我国煤炭资源主要集中中西部地区，具有浅埋深、薄基岩、厚松沙及局部富含水的地质特点。在这种地质条件下开采不仅容易引起覆岩破坏和地表沉陷，而且容易导致重大突水或溃沙等灾害事故。在开采过程中，煤层上方顶板和其他岩层中裂隙的发育变化过程决定突水或溃沙的通道的形成。

因此，深入研究煤层上方岩层在开采过程中的变化过程尤为重要，利用模拟试验装置分析隔水层的变化过程，仍然集中在单向应力、或不考虑变化的二向应力状态，且没有考虑充填及注浆等耦合因素的相互作用过程中对隔水层的变化过程。

技术实现要素：

为了克服现有技术的上述不足，本发明提供一种二向应力状态的隔水层的测试试验模型，能够在加载横向和纵向二向应力的条件下，模拟挖煤、顶板注浆和充填时隔水层的变化状态，并在以上各种变化下施加不同水压，分析隔水层的变化，最终获得隔水关键层的变化过程及形成条件。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：所述的横向加载装置为两组，通过支架水平对称安装在底座的两侧，两组横向加载装置之间的底座上方形成测试区域，每组横向加载装置由齿条、棘轮、棘爪、齿轮、活动压板、弹簧组、导向杆组和内侧压板构成，棘轮和齿轮同轴且分别置于支架的两侧，棘爪和棘轮组成棘轮机构，齿轮与水平的齿条啮合，齿条的内端部与活动压板相连，活动压板的内侧与水平布置的弹簧组的一端相连，弹簧组的前端连接水平布置的导向杆组，弹簧组由不同弹性系数的弹簧组成，每个弹簧对应连接一个组成导向杆组的导向杆，内侧压板由多块竖向排列的横向压板组成，每个导向杆的前端对应连接一块横向压板；所述的试验模拟层包括从下至上依次设置于测试区域内的底板、煤层、顶板和隔水层；所述的纵向加载装置包括加载力模块和水压模块，加载力模块由上加载板、施压元件以及传力层组成，上加载板通过支架的另一侧支撑在测试区域的上方，并且上加载板与支架滑动连接，在支架上方上下位移，上加载板与外部的试压元件相连，传力层设在隔水层上方；水压模块包括硬质海绵、防水电磁阀、隔水带和外接水泵，隔水带位于隔水层上方中部，其上端口依次穿出隔水层和传力层，在隔水带以外的隔水层空间里填充硬质海绵；防水电磁阀内置在隔水带的下方，外接水泵与隔水带连接。

相比现有技术，本发明的一种二向应力状态的隔水层的测试试验模型，首先在通过测试区域设置包含底板、煤层、顶板和隔水层的试验模拟层，又分别通过横向加载装置和纵向加载装置，对试验模拟层产生二向应力，来模拟特定的地质条件，进而可以实现直接开挖煤层，或者通过在开挖煤层时，进行不同程度的充填采空区，还可以打开防水电磁阀，在以上两种变化下施加不同水压，从而研究各种特殊情况下隔水层和顶板的变化规律，找到隔水关键层的变化过程及形成条件，对西部煤炭资源的保水开采，具有重要意义。此外，本发明结构简单，容易实现。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明一个实施例的结构示意图。

图中：1、支架，2、齿条，3、棘轮，4、棘爪，5、齿轮，6、底座，7、活动压板，8、弹簧组，9、导向杆组，10、硬质海绵，11、防水电磁阀，12、隔水带，13、上加载板，14、前透明挡板，15、隔水层，16、顶板，17、煤层，18、注浆管路，19、传力层，20、内侧压板。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

图1示出了本发明一个较佳的实施例的结构示意图，图中的一种二向应力状态的隔水层的测试试验模型，包括底座6以及固定在底座6之上的横向加载装置、纵向加载装置和试验模拟层，所述的横向加载装置为两组，通过支架1水平对称安装在底座6的两侧，两组横向加载装置之间的底座6上方形成测试区域，每组横向加载装置由齿条2、棘轮3、棘爪4、齿轮5、活动压板7、弹簧组8、导向杆组9和内侧压板20构成，棘轮3和齿轮同轴且分别置于支架1的两侧，棘爪4和棘轮3组成棘轮机构，棘轮机构用于限制齿轮5、齿条2的单向移动；齿轮5与水平的齿条2啮合，齿条2的内端部与活动压板7相连，活动压板7的内侧与水平布置的弹簧组8的一端相连，弹簧组8的前端连接水平布置的导向杆组9，弹簧组8由不同弹性系数的弹簧组成，每个弹簧对应连接一个组成导向杆组9的导向杆，内侧压板20由多块竖向排列的横向压板组成，每个导向杆的前端对应连接一块横向压板；所述的试验模拟层包括从下至上依次设置于测试区域内的底板、煤层17、顶板16和隔水层15；所述的纵向加载装置包括加载力模块和水压模块，加载力模块由上加载板13、施压元件以及传力层19组成，其中，所述的施压元件可以选用气缸、液压缸或千斤顶等，上加载板13通过支架1的另一侧支撑在测试区域的上方，并且上加载板13与支架1滑动连接，在支架1上方上下位移；上加载板13向下移动时，纵向应力通过传力层19、硬质海绵10等传向隔水层15、顶板16等、；水压模块包括硬质海绵10、防水电磁阀11、隔水带12和外接水泵，隔水带12位于隔水层15上方中部，其上端口依次穿出隔水层15和传力层19，隔水带12位于隔水层15上方中部，在隔水带12的四周填充硬质海绵10，硬质海绵10上方配有传力层19，同时传力层19还放置在上加载板13的下方，使得上加载板13能够把纵向应力均匀施加在硬质海绵10上，防水电磁阀11内置在隔水带12的下方，外接水泵与与隔水带12连接。

作为本实施例的进一步优化设计是，在所述的测试区域前方还设有前透明挡板14，前透明挡板14固定在支架1上。开挖煤层17，可以通过前透明挡板14观察隔水层15的变化特性，还可以通过照相或其他手段研究隔水层15和顶板的变化规律。打开防水电磁阀11时，还能通过前透明挡板14，观察水的流动状态，并在以上各种变化下施加不同水压，分析隔水层15的变化，从而找到隔水关键层的变化过程及形成条件。

更进一步地，在所述的隔水层15内还布置若干个注浆管路18。以在开挖煤层17时，利用注浆管路18外接注浆泵，进行顶板16离层注浆，分析不同注浆量的情况下的隔水层15的变化特性。

为了更便于操作，再进一步地，在所述棘轮3和齿轮5的轴外部固定连接有手柄。在手柄的转动下通过弹簧组8，可以实现活动压板7的侧向移动，配合不同弹性系数的弹簧，以提供不同的侧向压力。

测试过程：使用时，首先，安装好支架1、齿条2、棘轮3、棘爪4、齿轮5、底座6和上上加载板13，在测试区域内按照预定顺序放入底板、煤层17、顶板16、隔水层、隔水带12、硬质海绵10以及传力层19，并在隔水带12中内置防水电磁阀11。然后，根据地质条件，根据相似比例计算应力的纵向和横向数值，选用合理弹性系数的弹簧安装在导向杆上，转动齿轮5带动齿条2移动，带动活动压板7移动，当施加到规定横向荷载后，棘轮3和棘爪4工作，限制活动压板7左右移动，以提供设定的侧向压力。在纵向方位，通过气缸等施压元件对上加载板13进行加载，可以得到规定的纵向应力。水压通过外接水泵加载压力，并且连接隔水带12和防水电磁阀11。可以通过在开挖煤层17时，进行不同程度的充填采空区，研究不同充填效果对隔水层闭合的影响。进而，还可以通过在开挖煤层17时，进行不同程度的充填采空区，并在开挖煤层17时，进行不同程度的充填采空区，分析不同注浆量和充填效果的情况下的隔水层的变化特性。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质，对以上实施例所做出任何简单修改和同等变化，均落入本发明的保护范围之内。