[實用新型]一種機械施工條件下采空區(qū)穩(wěn)定性模擬試驗裝置

有效

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• 申請日: 2017-07-10
• 公開（公告）號: CN206863026U
• 公開（公告）日: 2018-01-09
• 發(fā)明（設計）人: 葉義成;李玉飛;胡南燕;王其虎;胡盛棟;元宙昊
• 申請（專利權(quán)）人: 武漢科技大學
• 主分類號: G01N33/24
• 分類號: G01N33/24;G01D21/02
• 代理公司: 武漢科皓知識產(chǎn)權(quán)代理事務所(特殊普通合伙)42222
• 代理人: 張火春

技術領域

本實用新型屬于相似模擬試驗裝置技術領域。具體涉及一種機械施工條件下采空區(qū)穩(wěn)定性模擬試驗裝置。

背景技術

我國一些露天開采礦區(qū)，受初期民采及歷史原因的影響，在露天開采境界內(nèi)往往遺留淺埋采空區(qū)。在露天礦山逐層向下開采過程中，采空區(qū)上覆巖層厚度逐漸減小，且在采空區(qū)所對應的覆蓋層上作業(yè)的大型電鏟等機械施工設備產(chǎn)生的動能及其自重，形成了對下伏采空區(qū)頂板的加載環(huán)境。在機械施工的條件下，下伏采空區(qū)產(chǎn)生的變形破壞效應，將導致采空區(qū)產(chǎn)生新的冒落、塌陷。當下伏采空區(qū)變形破壞范圍發(fā)展到一定程度，使采空區(qū)頂板安全厚度不足時，將嚴重威脅露天礦作業(yè)人員和大型采掘設備的安全。因此，為保證采空區(qū)上部安全生產(chǎn)，有必要對機械施工條件下采空區(qū)穩(wěn)定性進行研究。

在巖土工程研究中，物理相似模擬試驗是一種直觀、經(jīng)濟、便捷和有效的方法。它根據(jù)相似原理將現(xiàn)實巖土工程的尺寸、物理力學參數(shù)和載荷進行一定比例的縮小，配制對應物理力學參數(shù)的相似材料，構(gòu)筑對應尺寸模型，施加相應的荷載和邊界條件，觀測相似模型產(chǎn)生的微觀變化和宏觀表征現(xiàn)象，再根據(jù)相似準則，分析反推原型所產(chǎn)生的力學現(xiàn)象，在一定程度上可以反映出巖土工程的真實變形破壞情況，在地下開采、邊坡工程、隧道工程、水利工程等領域研究中應用廣泛。相似模擬試驗也是研究機械施工條件下采空區(qū)穩(wěn)定性的有效途徑，可以采用相似模擬試驗裝置來研究機械施工條件下采空區(qū)穩(wěn)定性問題。

目前，針對機械施工條件下采空區(qū)穩(wěn)定性的研究主要是通過理論分析、現(xiàn)場監(jiān)控量測以及室內(nèi)數(shù)值模擬分析方式實現(xiàn)，而通過室內(nèi)相似模擬試驗開展研究的實例較少，且已有模擬試驗裝置主要采用靜力加載方式，與現(xiàn)場機械施工設備的動荷載狀態(tài)不符，對實驗結(jié)果造成不必要的誤差，降低了試驗的精度和可靠度。

發(fā)明內(nèi)容

本實用新型旨在開發(fā)現(xiàn)有技術缺陷，目的在于提供一種成本低廉、結(jié)構(gòu)簡單和使用方便的機械施工條件下采空區(qū)穩(wěn)定性模擬試驗裝置；該裝置不僅能模擬不同地質(zhì)類型和采空區(qū)不同位置的加載，且能實現(xiàn)自動監(jiān)測、試驗結(jié)果符合實際和試驗適應面廣。

為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用的技術方案是：所述模擬試驗裝置由模擬裝置、數(shù)據(jù)采集裝置、承載裝置和電液伺服加載系統(tǒng)組成。

模擬裝置由模型箱體、巖土層和模擬采空區(qū)構(gòu)成。模型箱體是由底板和四個側(cè)板圍成的長方形箱體，模型箱體內(nèi)填有巖土層，巖土層為1～5層。在巖土層寬邊的一側(cè)側(cè)面朝內(nèi)預留有模擬采空區(qū)，模擬采空區(qū)的中心線平行于模型箱體的長邊，模擬采空區(qū)的豎直中心線與模型箱體的豎直中心線重合，模擬采空區(qū)的上邊緣與巖土層上表面距離為200～800mm。所述模擬采空區(qū)的橫截面呈矩形，矩形的幾何相似常數(shù)C_l為：

式中：b為實際采空區(qū)的寬度，mm；

b₁為模擬采空區(qū)的寬度，mm；

h為實際采空區(qū)的高度，mm；

h₁為模擬采空區(qū)的高度，mm。

數(shù)據(jù)采集裝置包括數(shù)據(jù)采集器、計算機和傳感器組。在模擬采空區(qū)的開口處朝內(nèi)均勻地預埋有2×(2～5)個傳感器組，2×(2～5)個傳感器組分別預埋于各自對應的模擬采空區(qū)的橫截面處，每個傳感器組在模擬采空區(qū)的左側(cè)、右側(cè)和上側(cè)分別對應地預埋有1～3個傳感器，所述左側(cè)和右側(cè)預埋的傳感器呈對稱布置，每個傳感器的預埋位置與模擬采空區(qū)內(nèi)壁的距離為30～50mm。每個傳感器的輸出端與數(shù)據(jù)采集器的輸入端連接，數(shù)據(jù)采集器的輸出端與計算機連接。

所述2×(2～5)個傳感器組由2～5個位移傳感器組和2～5個壓力傳感器組組成，位移傳感器組和壓力傳感器組交替設置。位移傳感器組由位移傳感器組成，壓力傳感器組由壓力傳感器組成。

承載裝置由4根立柱、1根縱梁和2個橫梁組組成。4根立柱以模型箱體中心對稱設置，4根立柱位于模型箱體外側(cè)。4根立柱均為H型鋼，每個立柱上部的兩側(cè)翼板邊緣處對稱地設有一排橫梁定位螺孔，每排橫梁定位螺孔孔距相等，所述孔距為80～100mm。

模型箱體兩側(cè)的立柱上部對稱地固定有1個橫梁組，2個橫梁組平行于模型箱體的寬邊。每個橫梁組由2根槽鋼組成，2根槽鋼對稱地固定在立柱的兩側(cè)，所述固定是每2根槽鋼通過螺栓與立柱上部兩側(cè)相應的橫梁定位螺孔連接。槽鋼的上平面翼板均勻地設有縱梁定位螺孔，縱梁定位螺孔的孔距為40～60mm，每個橫梁組的槽鋼的縱梁定位螺孔錯開設置。