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专利号: 2017111446039
申请人: 山东科技大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 测量;测试
更新日期:2023-12-04
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种动静组合载荷下巷道支护体力学模拟试验系统,其特征在于,它包括相似材料铺设系统、液压加载系统、动力系统、监测系统和控制系统,所述相似材料铺设系统包括一个至少由底板和两立板组成的试验槽,试验槽内部放置有铺设台,铺设台上设置有煤岩类似层,煤岩类似层由依次分层铺放的煤岩类似材料构成,在煤岩类似层的中部位置处设有预留锚杆模型;在试验槽两立板上方焊接有顶梁,液压加载系统固定在顶梁上;

所述预留锚杆模型包括一个由底板、顶板和两个立板组成的作为模拟巷道的模型支架;模型支架的左立板、右立板和顶板上均设有多组退位槽,退位槽的一端开口;顶板上间隔设有多组锚杆或锚索组,左立板和右立板上间隔设有多排锚杆,锚杆或锚索穿透左立板、右立板和顶板以及相应的退位槽后用锁具固紧;在模型支架的左右内侧面以及顶部下表面分别通过插接式设有左夹紧板、右夹紧板和顶夹紧板,锚杆或锚索固紧以后的露出端伸进夹紧板中;露出端伸进夹紧板中是为了防止锚索或锚杆在退位槽中移动;

所述液压加载系统包括静载液压油缸、动载冲击油缸和侧向压力机构,静载液压油缸和动载冲击油缸交错固定顶梁的下表面;侧向压力机构设置在煤岩类似层的左右两侧,且用于对所述煤岩类似层的左右两侧施加载荷; 所述侧向压力机构包括推进液压油缸、加力板、推进板、反力弹簧和压力板,所述推进液压油缸的两端分别与加力板和一侧试验槽的立板相连接,加力板的内侧自上而下设有多个滑槽,每个滑槽内设有推进板,压力板对称设置在所述煤岩类似层的左右两侧,反力弹簧外面套上弹簧套筒后连接在推进板和压力板之间,要求反力弹簧的刚度随着所述加力板的高度下降而依次递增,在压力板的外侧还设有反力板;

所述动力系统与所述液压加载系统相连接,且用于为所述液压加载系统提供动力;

所述监测系统用于对所述模拟巷道受力及变形进行监测;

所述控制系统分别与所述液压加载系统、动力系统和监测系统相连接。

2.如权利要求1所述的动静组合载荷下巷道支护体力学模拟试验系统,其特征在于,所述的顶夹紧板、左夹紧板和右夹紧板分别用多组夹紧螺柱和多组夹紧螺纹销顶紧在顶板、左立板和右立板上。

3.如权利要求1所述的动静组合载荷下巷道支护体力学模拟试验系统,其特征在于,所述监测系统包括相互连接的信号处理器和信号采集器,所述信号采集器分别经信号传输线与锚杆锚索测力传感器、应变片、围岩应力计和顶板离层仪相连接,所述锚杆锚索测力传感器用于监测锚杆锚索组的压力变化;所述应变片用于监测所述模拟巷道顶板受力下沉;所述围岩应力计用于监测所述模拟巷道左右两侧的煤岩类似层应力变化;所述顶板离层仪用于监测所述模拟巷道顶部的煤岩类似层离层变化。

4.如权利要求3所述的动静组合载荷下巷道支护体力学模拟试验系统,其特征在于,所述控制系统包括电脑主机、伺服控制器和显示器,所述液压油泵与所述伺服控制器相连接,所述伺服控制器与电脑主机相连接,所述电脑主机还分别与所述显示器和所述信号处理器相连接。

5.如权利要求1所述的动静组合载荷下巷道支护体力学模拟试验系统,其特征在于,在模型支架的内侧壁上部对称地设有两个第一凹形限位槽,模型支架的底壁设有第二凹形限位槽,顶夹紧板的下表面设有第三凹形限位槽,顶夹紧板的左右两端分别卡设在两个第一凹形限位槽中,左夹紧板的上端卡设在第三凹形限位槽的一侧侧壁处,其下端卡设在第二凹形限位槽的一侧侧壁处,右夹紧板的上端卡设在第三凹形限位槽的另一侧侧壁处,其下端卡设在第二凹形限位槽的另一侧侧壁处。

6.如权利要求1所述的动静组合载荷下巷道支护体力学模拟试验系统,其特征在于,试验槽前后均设有挡板,前挡板为透明材质。

7.一种如权利要求1-6任一所述的动静组合载荷下巷道支护体力学模拟试验系统的试验方法,其特征在于,其包括以下步骤:第一步、设计预留锚杆模型,具体包括:按照相似比支护参数,将锚杆锚索组插入退位槽,并旋入锁具,然后,利用夹紧螺柱和夹紧螺纹销的配合,使顶夹紧板、左夹紧板、右夹紧板和模型支架发生挤压,并压紧锁具;

第二步、将煤岩类似层铺设在铺设台上;具体包括:

将煤岩类似材料按照巷道具体地质情况分层布置在铺设台上,当煤岩类似材料铺设到预设巷道底板时,将根据相似比缩小的预留锚杆模型放入,然后继续完成煤岩类似材料铺设;

第三步、待煤岩类似层干燥后,分别拆下模型支架、顶夹紧板、左夹紧板和右夹紧板,并安装前后挡板和监测系统;具体包括:第3.1步、退下左右两侧的夹紧螺纹销,将左夹紧板和右夹紧板向中间挪动从锚杆固紧露出端脱落,再利用顶夹紧板的第三凹形限位槽和模型支架的第二凹形限位槽向前退出左夹紧板和右夹紧板;

第3.2步、退下顶夹紧板处的夹紧螺纹销,将顶夹紧板向下挪动从锚杆或锚索固紧露出端脱落,再利用模型支架的第一凹形限位槽向前退出顶夹紧板;接着,利用退位槽向前退出模型支架整体;

第3.3步、等拆除模型支架、顶夹紧板、左夹紧板和右夹紧板后,在试验槽上装上前后挡板,防止煤岩类似层加载过程中垮塌,最后给锁具施加预紧力,同时安装刚性支护体和监测系统;

第四步、设定静载输出值,通过伺服控制器控制静载液压油缸和推进液压油缸对铺设的煤岩类似层施加垂直压力和侧向压力,要求侧向压力分布按式(1)计算:     (1)

式中,σh为侧向压力;K为侧压系数;σv为垂直压力;

第五步、设定动载荷输出值,通过伺服控制器控制动载荷液压油缸对铺设的煤岩类似层施加动载载荷,并对预留锚杆模型的力学性能进行监测和记录。