一种气动加载相似模拟实验装置的制作方法

本发明涉及煤矿安全领域，特别涉及一种气动加载相似模拟实验装置。

背景技术：

相似材料模拟实验是一种研究矿山压力场变化和岩层移动变形规律的常用实验方法，该方法能够直观的描述岩体内部的破坏、运移过程。然而现有的相似材料模拟实验平台多为大尺度钢结构平台，常采用液压动力作为加载动力源，相似材料多以水、碳酸钙、砂子、石膏等固体材料混合配比而成。在这种情况下，每次实验需要消耗大量的时间用于相似材料的固结养护，实验周期长。另外在实验过程中，实验材料遭到破坏性影响，无法重复利用，为一次性实验，对于实验数据的可靠性和实验结论的验证造成了不便。在加载动力方面，由于采用液压动力，加载力大，精度低，难以实现对加载压力的精确控制。因此，开发一种可实现快速装样、实验材料可重复利用的相似模拟实验平台有着重要的技术意义。

本发明的方案便是针对上述问题对现有相似模拟实验平台进行的改进。

技术实现要素：

为了克服现有技术中的不足，本发明提供一种结构简单、装样速度快、材料可重复利用的气动加载相似模拟实验装置，解决目前相似模拟实验技术中，实验周期长、实验过程可重复性差等问题。

为了达到上述发明目的，解决其技术问题所采用的技术方案如下：

一种气动加载相似模拟实验装置，至少包括一压缩空气源、一垂向压力稳定罐、一水平压力稳定罐、若干垂向加载气缸、若干水平加载气缸和一实验箱体，其中：

所述压缩空气源、垂向压力稳定罐和水平压力稳定罐与若干所述垂向加载气缸和水平加载气缸通过管路相连；

所述实验箱体主要由万向压头连接件、第一导压板、第二导压板、盖板和外框架构成；

所述垂向压力稳定罐上设有第一进气阀和第一压力表，通过垂向进气管路与若干所述垂向加载气缸相连，在垂向进气管路上设有垂向进气路总阀和垂向进气路泄压阀，在垂向回气管路上设有垂向回气路总阀和垂向回气路泄压阀；

所述水平压力稳定罐上设有第二进气阀和第二压力表，通过水平进气管路与若干所述水平加载气缸相连，在水平进气管路上设有水平进气路总阀和水平进气路泄压阀，在水平回气管路上设有水平回气路总阀和水平回气路泄压阀。

进一步的，每个所述垂向加载气缸通过所述万向压头连接件与所述第一导压板相连，用于推动所述第一导压板实现垂向加载过程。

进一步的，在所述第一导压板一侧的外框架上开设有若干垂向通孔，用于所述垂向进气管路和垂向回气管路贯穿。

进一步的，每个所述垂向加载气缸上设置有第一独立进气阀和第三压力表。

优选的，所述垂向加载气缸的数量为3-10个。

进一步的，每个所述水平加载气缸通过所述万向压头连接件与所述第二导压板相连，用于推动所述第二导压板实现水平加载过程。

进一步的，在所述第二导压板一侧的外框架上开设有若干水平通孔，用于所述水平进气管路和水平回气管路贯穿。

进一步的，每个所述水平加载气缸上设置有第二独立进气阀和第四压力表。

优选的，所述水平加载气缸的数量为3-10个。

优选的，所述盖板和所述外框架可拆卸分离。

本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

本发明一种气动加载相似模拟实验装置，采用气体作为加载动力来源，通过垂向压力稳定罐和水平压力稳定罐可精确控制加载压力，加载装置中，垂向加载气缸和水平加载气缸为独立系统，可实现不同加载条件的组合，特别的，单个气缸均采用独立的阀门进气阀(第一独立进气阀和第二独立进气阀)进行控制，可进行更为精确的控制。垂向加载气缸和水平加载气缸通过万向压头连接件分别与第一导压板和第二导压板相连，万向压头连接件可对垂向加载气缸和水平加载气缸的加载方向进行自动修正，保证在实验过程中加载方向稳定性，第一导压板和第二导压板能够对加载应力的均匀性起到很好的控制作用。实验箱体采用拆卸分离式设计，方便快速装样的同时也便于实验材料的回收与重复利用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图中：

图1是本发明一种气动加载相似模拟实验装置的整体结构示意图；

图2是本发明一种气动加载相似模拟实验装置中实验箱体的结构示意图。

【主要符号说明】

1-压缩空气源；2-垂向压力稳定罐；3-水平压力稳定罐；4-垂向加载气缸；5-水平加载气缸；6-实验箱体；7-管路；8-万向压头连接件；9-第一导压板；10-第二导压板；11-盖板；12-外框架；13-第一进气阀；14-第一压力表；15-垂向进气管路；16-垂向进气路总阀；17-垂向进气路泄压阀；18-垂向回气管路；19-垂向回气路总阀；20-垂向回气路泄压阀；21-第二进气阀；22-第二压力表；23-水平进气管路；24-水平进气路总阀；25-水平进气路泄压阀；26-水平回气管路；27-水平回气路总阀；28-水平回气路泄压阀；29-垂向通孔；30-第一独立进气阀；31-第三压力表；32-水平通孔；33-第二独立进气阀；34-第四压力表。

具体实施方式

以下将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述和讨论，显然，这里所描述的仅仅是本发明的一部分实例，并不是全部的实例，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的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。

如图1和2所示，本实施例公开了一种气动加载相似模拟实验装置，至少包括一压缩空气源1、一垂向压力稳定罐2、一水平压力稳定罐3、若干垂向加载气缸4、若干水平加载气缸5和一实验箱体6，其中：

所述压缩空气源1、垂向压力稳定罐2和水平压力稳定罐3与若干所述垂向加载气缸4和水平加载气缸5通过管路7相连；本实施例中，采用压缩气源作为动力，利用垂向压力稳定罐2和水平压力稳定罐3，实现可靠稳定的加载过程。

所述实验箱体6主要由万向压头连接件8、第一导压板9、第二导压板10、盖板11和外框架12构成；本实施例中，所述盖板11和所述外框架12可拆卸分离。

所述垂向压力稳定罐2上设有第一进气阀13和第一压力表14，通过垂向进气管路15与若干所述垂向加载气缸4相连，在垂向进气管路15上设有垂向进气路总阀16和垂向进气路泄压阀17，在垂向回气管路18上设有垂向回气路总阀19和垂向回气路泄压阀20；

所述水平压力稳定罐3上设有第二进气阀21和第二压力表22，通过水平进气管路23与若干所述水平加载气缸5相连，在水平进气管路23上设有水平进气路总阀24和水平进气路泄压阀25，在水平回气管路26上设有水平回气路总阀27和水平回气路泄压阀28。

进一步的，每个所述垂向加载气缸4通过所述万向压头连接件8与所述第一导压板9相连，用于推动所述第一导压板9实现垂向加载过程。此外，每个所述垂向加载气缸4上设置有第一独立进气阀30和第三压力表31。优选的，所述垂向加载气缸4的数量为3-10个。本实施例中，所述垂向加载气缸4的数量为6个，实际操作中，可根据需要进行加减。继续参考图2，在所述第一导压板9一侧的外框架12上开设有若干垂向通孔29，用于所述垂向进气管路15和垂向回气管路18贯穿。

进一步的，每个所述水平加载气缸5通过所述万向压头连接件8与所述第二导压板10相连，用于推动所述第二导压板10实现水平加载过程。此外，每个所述水平加载气缸5上设置有第二独立进气阀33和第四压力表34。优选的，所述水平加载气缸5的数量为3-10个。本实施例中，所述水平加载气缸5的数量为4个，实际操作中，可根据需要进行加减。继续参考图2，在所述第二导压板10一侧的外框架12上开设有若干水平通孔32，用于所述水平进气管路23和水平回气管路26贯穿。

具体工作流程：

(1)相似材料模型铺设

操作打开实验箱体6的盖板11，将用于相似模拟的pmma(polymethylmethacrylate，聚甲基丙烯酸甲酯，又称亚克力)实验材料放入箱体中，以箱体外框架12、第一导压板9和第二导压板10为界，按层位依次铺设完成，随后关闭箱体盖板11。

(2)水平气动加载

首先确保所有阀门处于打开状态，依次关闭垂向进气路总阀16、垂向回气路总阀19、水平进气路泄压阀25、水平回气路总阀27、水平进气路总阀24，打开压缩空气源1，向水平压力稳定罐3中充入气体至预设压力。等待压力稳定后，缓慢打开水平进气路总阀24，气缸开始水平加载压力，加载过程中，可通过调整每个水平加载气缸5的第二独立进气阀33，控制单个气缸的压力大小，水平加载完成后，关闭水平进气路总阀24。

(3)垂向气动加载

调整压缩气源至垂向加载所需压力，等待压力稳定后，首先关闭垂向进气路泄压阀17，缓慢打开垂向进气路总阀16，气缸开始垂向加载压力，加载过程中，可通过调整每个垂向加载气缸4的第一独立进气阀30，控制单个气缸的压力大小，垂向加载完成后，关闭垂向进气路总阀16。

(4)开采模拟

通过盖板11上的开孔(垂向通孔29和水平通孔32)，抽取开采层位的pmma块体，模拟采动，其上覆和下伏pmma块体即可模拟在垂向和水平加载条件下的岩层移动过程。

(5)模型拆卸与重复装样

模型拆卸前，先关闭垂向进气路总阀16、垂向回气路总阀19、水平进气路总阀24、水平回气路总阀27，然后打开垂向进气路泄压阀17、垂向回气路泄压阀20、水平进气路泄压阀25、水平回气路泄压阀28。等待气缸压力释放完成后，打开盖板11，即可对箱体内的pmma相似模拟材料进行拆卸与重复装样。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，可轻易想到的变化或替换，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该以权利要求的保护范围为准。