[发明专利]一种机械施工荷载作用下采空区稳定性模拟试验装置

说明书

技术领域

本发明属于相似模拟试验装置技术领域。具体涉及一种机械施工荷载作用下采空区稳定性模拟试验装置。

背景技术

我国一些露天开采矿区，受初期民采及历史原因的影响，在露天开采境界内往往遗留浅埋采空区。在露天矿山逐层向下开采过程中，采空区上覆岩层厚度逐渐减小，且在采空区所对应的覆盖层上作业的大型电铲等机械施工设备产生的动能及其自重，形成了对下伏采空区顶板的加载环境。在机械施工的荷载作用下，下伏采空区产生的变形破坏效应，将导致采空区产生新的冒落、塌陷。当下伏采空区变形破坏范围发展到一定程度，使采空区顶板安全厚度不足时，将严重威胁露天矿作业人员和大型采掘设备的安全。因此，为保证采空区上部安全生产，有必要对机械施工荷载作用下采空区稳定性进行研究。

在岩土工程研究中，物理相似模拟试验是一种直观、经济、便捷和有效的方法。它根据相似原理将现实岩土工程的尺寸、物理力学参数和载荷进行一定比例的缩小，配制对应物理力学参数的相似材料，构筑对应尺寸模型，施加相应的荷载和边界条件，观测相似模型产生的微观变化和宏观表征现象，再根据相似准则，分析反推原型所产生的力学现象，在一定程度上可以反映出岩土工程的真实变形破坏情况，在地下开采、边坡工程、隧道工程、水利工程等领域研究中应用广泛。相似模拟试验也是研究机械施工荷载作用下采空区稳定性的有效途径，可以采用相似模拟试验装置来研究机械施工荷载作用下采空区稳定性问题。

目前，针对机械施工荷载作用下采空区稳定性的研究主要是通过理论分析、现场监控量测以及室内数值模拟分析方式实现，而通过室内相似模拟试验开展研究的实例较少，且已有模拟试验装置主要采用静力加载方式，与现场机械施工设备的动荷载状态不符，对实验结果造成不必要的误差，降低了试验的精度和可靠度。

发明内容

本发明旨在开发现有技术缺陷，目的在于提供一种成本低廉、结构简单和使用方便的机械施工荷载作用下采空区稳定性模拟试验装置；该装置不仅能模拟不同地质类型和采空区不同位置的加载，且能实现自动监测、试验结果符合实际和试验适应面广。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：所述模拟试验装置由模拟装置、数据采集装置、承载装置和电液伺服加载系统组成。

模拟装置由模型箱体、岩土层和模拟采空区构成。模型箱体是由底板和四个侧板围成的长方形箱体，模型箱体内填有岩土层，岩土层为1～5层。在岩土层宽边的一侧侧面朝内预留有模拟采空区，模拟采空区的中心线平行于模型箱体的长边，模拟采空区的竖直中心线与模型箱体的竖直中心线重合，模拟采空区的上边缘与岩土层上表面距离为200～800mm。所述模拟采空区的横截面呈矩形，矩形的几何相似常数C_l为：

式中：b为实际采空区的宽度，mm；

b₁为模拟采空区的宽度，mm；

h为实际采空区的高度，mm；

h₁为模拟采空区的高度，mm。

数据采集装置包括数据采集器、计算机和传感器组。在模拟采空区的开口处朝内均匀地预埋有2×(2～5)个传感器组，2×(2～5)个传感器组分别预埋于各自对应的模拟采空区的横截面处，每个传感器组在模拟采空区的左侧、右侧和上侧分别对应地预埋有1～3个传感器，所述左侧和右侧预埋的传感器呈对称布置，每个传感器的预埋位置与模拟采空区内壁的距离为30～50mm。每个传感器的输出端与数据采集器的输入端连接，数据采集器的输出端与计算机连接。

所述2×(2～5)个传感器组由2～5个位移传感器组和2～5个压力传感器组组成，位移传感器组和压力传感器组交替设置。位移传感器组由位移传感器组成，压力传感器组由压力传感器组成。

承载装置由4根立柱、1根纵梁和2个横梁组组成。4根立柱以模型箱体中心对称设置，4根立柱位于模型箱体外侧。4根立柱均为H型钢，每个立柱上部的两侧翼板边缘处对称地设有一排横梁定位螺孔，每排横梁定位螺孔孔距相等，所述孔距为80～100mm。

模型箱体两侧的立柱上部对称地固定有1个横梁组，2个横梁组平行于模型箱体的宽边。每个横梁组由2根槽钢组成，2根槽钢对称地固定在立柱的两侧，所述固定是每2根槽钢通过螺栓与立柱上部两侧相应的横梁定位螺孔连接。槽钢的上平面翼板均匀地设有纵梁定位螺孔，纵梁定位螺孔的孔距为40～60mm，每个横梁组的槽钢的纵梁定位螺孔错开设置。