一种大型真三维老空透水灾害模拟实验装置

摘要

本发明公开了一种大型真三维老空透水灾害模拟实验装置，设置实验平台，在所述的实验平台上固设加载机构；所述的加载机构内设置实验模型，在所述的实验模型表面固设加载组件，所述的加载组件端部设置位移传感器，加载组件与实验模型之间顶设重力传感器；实验平台带动加载机构模拟地层的倾斜角度。通过安装的位移传感器，位移传感器配合外界设备可以实时监测在油缸对实验模型施加压力的同时实验模型是否发生位移及其位移变化，在发生位移变化时，通过重力传感器得到产生位移时压力数据，实现大型真三维老空透水事故再现模拟，为老空透水事故分析鉴定提供科学依据。

说明书

技术领域

本发明涉及矿井防治水技术领域，具体为一种大型真三维老空透水灾害模拟实验装置。

背景技术

矿山水文地质条件复杂，矿产资源特别是煤炭资源开发长期受到水害的严重威胁和制约。随着煤炭资源开采向深部延伸和开发重心向西部转移，开采条件和水害类型更加复杂多样，但是现有的用于矿井水害机理模拟实验平台采用固定绞点旋转模式，模拟实验数据比较单一，不能满足复杂多样地形的模拟实验。国内外对矿井水害机理模拟实验平台多集中在底板突水方面，较为成熟的底板突水模拟试验平台具有底板突水机理分析、底板突水过程再现模拟验证能力，最大相似比1：50，最大模型尺寸为直径2m，高为2m，采用气囊围岩加载，但缺少老空透水机理模拟实验平台，由于老空透水机理与底板突水机理具有本质区别，因此，现有底板突水相似模拟实验平台对老空透水事故的模拟验证不适用，有必要研制一套满足深度1000m以内的老空透水真三维相似模拟实验平台，为研究矿井老空透水机理分析和事故鉴定模拟再现验证提供试验平台。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大型真三维老空透水灾害模拟实验装置，以解决现有的用于矿井水害机理模拟实验平台采用固定绞点旋转模式，模拟实验数据比较单一，不能满足复杂多样地形的模拟实验的问题。对矿井水害机理模拟实验平台多集中在底板突水方面，较为成熟的底板突水模拟试验平台具有底板突水机理分析、底板突水过程再现模拟验证能力，但缺少老空透水机理模拟实验平台，由于老空透水机理与底板突水机理具有本质区别，因此，现有底板突水相似模拟实验平台对老空透水事故的模拟验证不适用的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种大型真三维老空透水灾害模拟实验装置，设置实验平台，在所述的实验平台上固设加载机构；所述的加载机构内设置实验模型，在所述的实验模型表面固设加载组件，所述的加载组件端部设置位移传感器，加载组件与实验模型之间顶设重力传感器；实验平台带动加载机构模拟地层的倾斜角度。

可选的，所述的实验模型为至少带有一个平面的空腔体结构；在所述的平面上设置加载组件，所述的加载组件由多个加载单元组成，加载单元端部设置位移传感器，加载单元与平面之间顶设重力传感器；所述的加载单元为油缸结构。

可选的，所述的实验模型为带有六个面的平面立体结构，至少一个面上设置加载组件；加载组件由九个加载单元组成，加载单元端部设置位移传感器，加载单元与平面之间顶设重力传感器；所述的加载单元为油缸结构。

可选的，所述的加载组件包括加载单元、油管、液压阀组和连接块；加载单元外壁上固设连接块，连接块上连通油管和液压阀组。

可选的，所述的加载单元为油缸结构，加载单元顶端穿设位移传感器；加载单元内设置油缸活塞，油缸活塞底部设置连接螺杆，连接螺杆上依次叠设转接板、重力传感器、连接板和加载板。

可选的，所述的实验平台设置台体架，台体架上对称设置两个支撑板，两个支撑板顶部滑动悬设安装平台，安装平台通过调节组件和支撑组件实现相对于支撑板的倾斜角度滑动调节；所述的加载机构固设在安装平台上。

可选的，所述的安装平台下与所述的支撑板对应设置调节板；所述的调节组件包括固设在支撑板外的电机，所述电机的输出端固定连接有贯穿支撑板的转动杆，所述转动杆远离电机的输出端固定连接有第一齿轮，所述第一齿轮啮合有第二齿轮；所述的第二齿轮固设在调节板上。

可选的，所述的调节板下边缘为弧形，所述的支撑板侧壁上开设弧形的调节槽，位于所述调节槽内滚动连接有辅助辊，所述辅助辊与调节板转动连接。

可选的，所述的第一齿轮与第二齿轮的最大转动角度为32°。

可选的，所述的支撑组件包括设置在台体架上的辅助板，所述辅助板上固设支撑块，支撑块上安装辅助轮；所述的辅助轮与调节板的下边缘卡接。

本发明的加载机构通过安装的位移传感器，位移传感器配合外界设备可以实时监测在油缸对实验模型施加压力的同时实验模型是否发生位移及其位移变化，在发生位移变化时，通过重力传感器得到产生位移时压力数据，为后期煤炭开采或岩层强度检测工作提供数据支持，提高工作效率及准确率；实验平台能给加载机构提供稳定的支撑，同时方便进行倾斜角度的调节。

附图说明

附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：

图1为本发明的大型真三维老空透水灾害模拟实验装置整体结构示意图；

图2为本发明的加载机构结构立体图；

图3为图2中单个加载组件的结构示意图；

图4为图3的纵向剖视图；

图5为本发明的实验平台结构立体图；

图6为图5中调节机构和支撑机构放大图；

图7为图5中支撑机构放大图。

图中：1-加载机构、11-操作台、12-安装槽、13-实验模型、131-实验台、14-加载组件、141-加载单元、1411-位移传感器、1412-油缸活塞、1413-连接板、1414-加载板、1415-连接螺杆、1416-重力传感器、1417-转接板、142-油管、143-液压阀组、144-连接块；

2-实验平台、21-台体架、211-支撑板、212-安装平台、2121-调节板、2122-调节槽、22-调节组件、221-电机、222-第一法兰、223-减速机、224-辅助锟、225-第一齿轮、226-第二齿轮、227-第二法兰、228-转动杆、23-支撑组件、231-支撑块、232-辅助轮、233-辅助板、234-辅助块、235-辅助片、236-L型垫片。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。

结合图1，本发明的大型真三维老空透水灾害模拟实验装置，设置实验平台2，在实验平台2上固设加载机构1；加载机构1设置实验模型13，在实验模型13表面固设加载组件14，加载组件14端部设置位移传感器1411，加载组件14与实验模型13之间顶设重力传感器1416；实验平台2带动加载机构1模拟地层的倾斜角度。在使用时，通过在加载组件14上安装的位移传感器1411，位移传感器1411配合外界设备可以实时监测在加载组件14对实验模型13施加压力的同时实验模型13是否发生位移及其位移变化，在发生位移变化时，通过重力传感器1416得到产生位移时压力数据，为后期煤炭开采或岩层强度检测工作提供数据支持，提高工作效率及准确率，同时，通过实验平台2的设置能够稳定的进行地层倾角的模拟调节。

参阅图2-4，本发明的加载机构1，包括操作台11，操作台11底部开设有安装槽12，位于操作台11上端表面放置有实验模型13，实验模型13为位于地表面1000米以下的岩层，且实验模型13呈块状。实验模型13为至少带有一个平面的空腔体结构；在平面上设置加载组件14，加载组件14由多个加载单元141组成，加载单元141端部设置位移传感器1411，加载单元141与平面之间顶设重力传感器1416；加载单元141为油缸结构。

在本公开的实施例中，具体的，实验模型13为带有六个面的平面立体结构，至少一个面上设置加载组件14；加载组件14由九个加载单元141组成，加载单元141端部设置位移传感器1411，加载单元141与平面之间顶设重力传感器1416；加载单元141为油缸结构。加载组件14设置有六个，且六个加载组件14分别设置在实验模型的六个面，通过在实验模型六个面均设置有加载组件14，可以有效保证实验的数据的全面性，使实验模拟数据更加的真实。

在本公开的实施例中，加载组件14包括加载单元141、油管142、液压阀组143和连接块144；加载单元141外壁上固设连接块144，连接块144上连通油管142和液压阀组143。操作台11上设置有加载组件14，加载组件14包括通过固定螺栓固定在操作台11表面的实验模型13，位于实验模型13表面上开设有安装孔，位于安装孔内设置有加载单元141，且位于加载单元141外壁上固定连接有法兰，且法兰配合固定螺栓固定在实验模型13表面，位于加载单元141外壁上固定连接有连接块144，连接块144上连通有油管142，且油管142远离连接块144的一端连通有液压阀组143，且液压阀组143固定连接在实验模型13表面，位于加载单元141上端表面开设有连接孔，且连接孔内安装有位移传感器1411，优选磁致位移传感器。

在本公开的实施例中，加载单元141为油缸结构，加载单元141顶端穿设位移传感器1411；加载单元(141)内设置油缸活塞1412，油缸活塞1412底部设置连接螺杆1415，连接螺杆1415上依次叠设转接板1417、重力传感器1416、连接板143和加载板1414。位于加载单元141底部固定连接有连接螺杆1415，且连接螺杆1415远离加载单元141的一端螺接有连接板1413，且连接板1413远离连接螺杆1415的一端抵触有加载板1414，且加载板1414与实验模型相抵触，位于连接螺杆1415外壁上套设有转接板1417，且位于连接板1413上端表面安装有与转接板1417相配合的重力传感器1416。本发明的具体实施例中，在使用时，通过加载单元141驱动连接螺杆1415配合连接板1413与加载板1414对实验模型施加压力，在转接板1417配合连接板1413对重力传感器1416进行挤压，通过外接设备与重力传感器1416相连，可以得出加载单元141对实验模型挤压的压力数值，工作人员通过对加载单元141加压及减压得到不同的数据，再根据实验模型的损坏程度计算出实验模型的压力临界值，为后期实际需要提供数据依据，且转接板1417的设置可以减小加载单元141对重力传感器1416的压力，防止重力传感器1416发生损坏，保证重力传感器1416的工作效率。

工作原理：对于本发明，在使用时，首先工作人员将实验模型放置到操作台11表面，将加载单元141通过安装孔安装到实验模型13表面，并通过法兰配合固定螺栓对加载单元141固定在实验模型13表面，随后工作人员启动加载单元141，液压阀组143通过油管142配合连接块144对加载单元141进行加压，加载单元141活塞式按压原理，加载单元141通过连接螺杆1415对连接板1413施加压力，连接板1413再次通过加载板1414对实验模型施加压力，待到加载单元141加载工作完成之后，工作人员通过观察实验模型的破坏程度推测出实验模型的基本硬度，其中在连接板1413上端表面安装有与转接板1417相配合的重力传感器1416，在加载单元141进行加压工作时，转接板1417配合连接板1413对重力传感器1416进行挤压，通过外接设备与重力传感器1416相连，可以通过重力传感器1416实时监测加载单元141的压力，为实验提供压力数据，且转接板1417的设置可以减小加载单元141对重力传感器1416的压力，保证重力传感器1416的工作效率，最后在加载单元141上端表面通过连接孔213安装的位移传感器1411，位移传感器1411可以实时监测在加载单元141对实验模型施加压力时实验模型的是否发生位移及其位移变化，同样位移传感器1411配合外界设备为实验提供数据，在试验过程不但可以测量系统主动加载的应力，也可以测量整个试验过程的被动加载应力场。

本发明的加载机构1解决了国内外对矿井水害机理模拟实验平台多集中在底板突水方面，较为成熟的底板突水模拟试验平台具有底板突水机理分析、底板突水过程再现模拟验证能力，但缺少老空透水机理模拟实验平台，由于老空透水机理与底板突水机理具有本质区别，因此，现有底板突水相似模拟实验平台对老空透水事故的模拟验证不适用的问题，首先通过在实验模型13六个面均设置有加载组件14，相比较传统的三面加载组件，可以有效保证实验数据的全面性，使实验模拟数据更加的真实；其次，通过在每个面上均匀设置九个加载点，即加载单元141，可以在垂直方向上加不同地应力，同时也可以为不同尺寸的模型加载地应力；其中油缸驱动连接螺杆配合连接板与加载板1414对实验模型13施加压力，在转接板1417配合连接板1413对重力传感器1416进行挤压，通过外接设备与重力传感器1416相连，可以得出油缸对实验模型13挤压的压力数值，工作人员通过对油缸加压及减压得到不同的数据，再根据实验模型13的损坏程度计算出实验模型13的压力临界值，为后期实际需要提供数据依据，且转接板1417的设置可以减小油缸对重力传感器1416的压力，防止重力传感器1416发生损坏，保证重力传感器1416的工作效率；通过在油缸上端表面安装的位移传感器1411，位移传感器1411配合外界设备可以实时监测在油缸对实验模型13施加压力的同时实验模型13的是否发生位移及其位移变化，在发生位移变化时，通过重力传感器1416得到产生位移时压力数据，为后期煤炭开采或岩层强度检测工作提供数据支持，提高工作效率及准确率。

请参阅图5-7，本发明提供实验平台2设置台体架21，台体架21上对称设置两个支撑板211，两个支撑板211顶部滑动悬设安装平台212，安装平台212通过调节组件22和支撑组件23实现相对于支撑板211的倾斜角度滑动调节；加载机构1固设在安装平台212上。

在本公开的实施例中，安装平台212下与支撑板211对应设置调节板2121；调节组件22包括固设在支撑板211外的电机221，电机221的输出端固定连接有贯穿支撑板211的转动杆228，转动杆228远离电机221的输出端固定连接有第一齿轮225，第一齿轮225啮合有第二齿轮226；第二齿轮226固设在调节板2121上。具体的，调节组件22包括固定连接在支撑板211外壁上的电机221，电机221的上端连接有减速机223，电机221的输出端固定连接有贯穿支撑板211的转动杆228，转动杆228远离电机221的输出端的一端固定连接有第一齿轮225，第一齿轮225啮合有第二齿轮226，第一齿轮225与第二齿轮226最大转动角度为32°，第二齿轮226一侧固定连接有调节板2121，且调节板2121呈弧形状，位于调节板2121上端固定连接有安装平台212，安装平台212的长度小于两个支撑板211之间的宽度，位于支撑板211侧壁上开设有调节槽2122，位于调节槽2122内滚动连接有辅助辊224，辅助辊224靠近调节板2121的一端固定连接有连接杆，且连接杆另一端与调节板2121转动连接，位于转动杆228外壁上转动连接有第一法兰222、第一法兰227，且第一法兰222、第一法兰227均通过固定螺栓与支撑板211相螺接固定。在支撑板211上开设有弧形的调节槽2122，当调节板2121在转动时会带动辅助辊224在调节槽2122内滚动，调节槽2122配合辅助辊224可对第一齿轮225和第二齿轮226的旋转角度进行限位，防止第一齿轮225与第二齿轮226的旋转角度过大从而影响整体装置的稳定，最后在调节板2121底部设置有与调节板2121相配合的辅助轮232，辅助轮232安装在支撑块231上，调节板2121在进行转动工作时会带动辅助轮232进行转动，相比较传统的辅助装置，辅助轮232自身可以减少与调节板2121之间的摩擦力，降低能源损耗，辅助轮232再通过支撑块231对调节板2121进行辅助支撑，提高装置整体的稳定性。

本发明的具体实施例中，工作人员将实验模型放置到安装平台212上，再配合外界设备将其固定，工作人员再次启动电机221，电机221上设置的减速机223会配合电机221驱动转动杆228，转动杆228驱动第一齿轮225，第一齿轮225通过啮合第二齿轮226带动调节板2121和安装平台212进行转动，其中第一齿轮225与第二齿轮226的最大转动角度为32°，且在支撑板211上开设有调节槽2122，当调节板2121在转动时会带动辅助辊224在调节槽2122内滚动，调节槽2122配合辅助辊224可对第一齿轮225与第二齿轮226的旋转角度进行限位，防止第一齿轮225与第二齿轮226的旋转角度过大从而影响安装平台212的稳定。

在本公开的实施例中，支撑组件23包括设置在台体架21上的辅助板233，辅助板233上固设支撑块231，支撑块231上安装辅助轮232；辅助轮232与调节板2121的下边缘卡接。具体的，支撑组件23包括配合固定螺栓螺接在台体架21上端表面的辅助板233，辅助板233上端表面固定连接有支撑块231，位于支撑块231上端表面配合固定螺栓螺接固定有辅助块234，辅助块234上端安装有与辅助板233相配合的辅助轮232，位于台体架21表面固定连接有L型垫片236，L型垫片236上穿设有销钉，且销钉远离L型垫片236的一端固定连接有辅助片235，且辅助片235固定连接在支撑块231外壁上。

本发明的具体实施例中，通过在调节板2121底部设置有与调节板2121相配合的辅助轮232，辅助轮232安装在支撑块231上，在调节板2121在进行转动工作时会带动辅助轮232进行转动，相比较传统的辅助装置，辅助轮232自身可以减少与调节板2121之间的摩擦力，降低能源损耗，辅助轮232再通过支撑块231对调节板2121进行辅助支撑，提高整体的稳定，通过转动L型垫片236上的销钉，销钉配合辅助片235进一步增加L型垫片236与支撑块231之间的稳定。

工作原理：对于本发明，在具体使用时，首先工作人员将实验模型放置到安装平台212上，再配合外界设备将其固定，工作人员再次启动电机221，电机221上设置的减速机223会配合电机221驱动转动杆228，转动杆228驱动第一齿轮225，第一齿轮225通过啮合第二齿轮226带动调节板2121和安装平台212进行转动，其中第一齿轮225与第二齿轮226的最大转动角度为32°，且在支撑板211上开设有调节槽2122，当调节板2121在转动时会带动辅助辊224在调节槽2122内滚动，调节槽2122配合辅助辊224可对第一齿轮225与第二齿轮226的旋转角度进行限位，防止第一齿轮225与第二齿轮226的旋转角度过大，从而影响安装平台212的稳定，最后在调节板2121底部设置有与调节板2121相配合的辅助轮232，辅助轮232安装在支撑块231上，调节板2121在进行转动工作时会带动辅助轮232进行转动，相比较传统的辅助装置，辅助轮232自身可以减少与调节板2121之间的摩擦力，降低能源损耗，辅助轮232再通过支撑块231对调节板2121进行辅助支撑，提高安装平台212的稳定，通过转动L型垫片236上的销钉303，销钉303配合辅助片235进一步增加L型垫片236与支撑块231之间的稳定。

本发明的实验平台2解决了现有的用于矿井水害机理模拟实验平台采用固定铰点旋转模式，在旋转时重心会产生偏移、抬升等问题，大模型大倾角模型铺设受安全限制，模拟实验数据比较单一，不能满足复杂多样地形的模拟实验的问题，在具体使用时，根据实验模拟地层倾角需求，首先工作人员启动电机221，电机221上设置的减速机223会配合电机221驱动转动杆228，转动杆228驱动第一齿轮225，第一齿轮225通过啮合第二齿轮226带动安装平台212进行转动，转动到实验模拟地层角度时，工作人员安装实验模型13，待实验模型13安装完毕，工作人员将安装平台212转回到水平位置，准备实验。

以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。