本發(fā)明涉及煤炭開采領(lǐng)域，特別涉及一種流固耦合相似模擬試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)方法。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有技術(shù)采用剛性二維平面模型對(duì)高效開采覆巖運(yùn)移、頂板含水層突水潰砂潛在風(fēng)險(xiǎn)等一系列現(xiàn)象進(jìn)行流固耦合相似模擬實(shí)驗(yàn)。

該二維平面模型無(wú)法真實(shí)反映井下開采立體三維空間層位關(guān)系；單純的固體材料相似模擬，無(wú)法實(shí)現(xiàn)固液耦合、含水層突水潰沙、覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育等煤礦開采過(guò)程水害模擬；現(xiàn)有相似模擬試驗(yàn)臺(tái)為二維平面模型，在施加側(cè)向壓力、巷道掘進(jìn)與支護(hù)、井筒開鑿應(yīng)力場(chǎng)模擬等方面都顯得力不從心。

另外，現(xiàn)有二維平面模型的密閉性不好，無(wú)法準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)含水層模擬；模擬過(guò)程中巖層運(yùn)移的宏觀可視性較差，微觀數(shù)據(jù)的采集精度較低；流體不能沿著采動(dòng)過(guò)程中形成的裂隙流動(dòng)；含水層、導(dǎo)水通道中的水壓和水量無(wú)法及時(shí)調(diào)控和監(jiān)測(cè)。

公開于該背景技術(shù)部分的信息僅僅旨在增加對(duì)本發(fā)明的總體背景的理解，而不應(yīng)當(dāng)被視為承認(rèn)或以任何形式暗示該信息構(gòu)成已為本領(lǐng)域一般技術(shù)人員所公知的現(xiàn)有技術(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理的流固耦合相似模擬試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)方法，該流固耦合相似模擬試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)方法能夠適用于不同實(shí)驗(yàn)需求。該流固耦合相似模擬試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)方法能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)壓，并模擬地層不同深度荷載，可施加不均勻壓力。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種流固耦合相似模擬試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)方法，流固耦合相似模擬試驗(yàn)裝置包括：臺(tái)架，其包括：底座、立柱、橫梁和導(dǎo)軌，所述導(dǎo)軌位于橫梁的下方，為多條并排設(shè)置，所述底座通過(guò)其下表面能夠滑動(dòng)的設(shè)置在該導(dǎo)軌上，所述底座的上表面為箱體支撐面；模擬箱體，其為頂端開口的長(zhǎng)方體形狀，采用可拆卸墻板通過(guò)螺釘連接而成，該模擬箱體的內(nèi)部具有內(nèi)膽；垂直方向液壓加載系統(tǒng)，其包括：第一可伸縮加壓裝置和上加壓板，所述上加壓板設(shè)置在第一可伸縮加壓裝置的下方，所述第一可伸縮加壓裝置通過(guò)上加壓板對(duì)所述模擬箱體進(jìn)行垂直壓力加載；以及水平方向液壓加載系統(tǒng)，其包括：第二可伸縮加壓裝置以及分別設(shè)置在第二可伸縮加壓裝置兩端的抗壓板和側(cè)加壓板，所述第二可伸縮加壓裝置通過(guò)側(cè)加壓板抵接模擬箱體對(duì)其進(jìn)行側(cè)向壓力加載；該流固耦合相似模擬試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)方法為：首先將模擬地層材料按層狀分布填充于模擬箱體中，利用注水裝置注水模擬含水層；然后用水平方向液壓加載系統(tǒng)對(duì)模擬箱體兩側(cè)水平加壓，以模擬圍壓，最后，用垂直方向液壓加載系統(tǒng)對(duì)模擬箱體進(jìn)行垂直壓力加載，以模擬不同深度荷載。

優(yōu)選地，上述技術(shù)方案中，導(dǎo)軌為并排設(shè)置的四條。

優(yōu)選地，上述技術(shù)方案中，立柱、底座和橫梁均采用槽鋼材料制作。

優(yōu)選地，上述技術(shù)方案中，內(nèi)膽的正面由玻璃鋼制成，其余三面由橡膠構(gòu)成。

優(yōu)選地，上述技術(shù)方案中，第一可伸縮加壓裝置和第二可伸縮加壓裝置均為加壓油缸。

優(yōu)選地，上述技術(shù)方案中，第一可伸縮加壓裝置包括：設(shè)置在所述模擬箱體的頂部中央的二十五個(gè)加壓油缸和設(shè)置在所述模擬箱體的頂部?jī)蓚?cè)的各三十五個(gè)油缸。

優(yōu)選地，上述技術(shù)方案中，垂直方向液壓加載系統(tǒng)和水平方向液壓加載系統(tǒng)共設(shè)置有三個(gè)控制臺(tái)。

優(yōu)選地，上述技術(shù)方案中，垂直方向液壓加載系統(tǒng)和水平方向液壓加載系統(tǒng)還共設(shè)置有三個(gè)蓄能器。

優(yōu)選地，上述技術(shù)方案中，模擬箱體的后方還設(shè)置有輔助液壓推拉裝置。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：該流固耦合相似模擬試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)方法能夠適用于不同實(shí)驗(yàn)需求。該流固耦合相似模擬試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)方法能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)壓，并模擬地層不同深度荷載，可施加不均勻壓力。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的流固耦合相似模擬的試驗(yàn)裝置的立體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明的流固耦合相似模擬的試驗(yàn)裝置的主視結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明的流固耦合相似模擬的試驗(yàn)裝置的水平方向液壓加載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)描述，但應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明的保護(hù)范圍并不受具體實(shí)施方式的限制。

除非另有其它明確表示，否則在整個(gè)說(shuō)明書和權(quán)利要求書中，術(shù)語(yǔ)“包括”或其變換如“包含”或“包括有”等等將被理解為包括所陳述的元件或組成部分，而并未排除其它元件或其它組成部分。

如圖1和圖2所示，根據(jù)本發(fā)明具體實(shí)施方式的流固耦合相似模擬試驗(yàn)裝置具體包括：臺(tái)架、模擬箱體3、垂直方向液壓加載系統(tǒng)和水平方向液壓加載系統(tǒng)，其中，模擬箱體3能夠在寬度方向移動(dòng)的設(shè)置在臺(tái)架內(nèi)，能夠推進(jìn)和拉出，以適用于不同實(shí)驗(yàn)需求，模擬箱體3的正面采用玻璃鋼可視化，易于觀察記錄。該模擬箱體內(nèi)部設(shè)有防水密封的內(nèi)膽，提高實(shí)驗(yàn)精度。水平方向液壓加載系統(tǒng)用于對(duì)模擬箱體3進(jìn)行側(cè)向壓力加載，為固液耦合相似模擬材料提供側(cè)向應(yīng)力。垂直方向液壓加載系統(tǒng)用于對(duì)模擬箱體3進(jìn)行垂直壓力加載，為固液耦合相似模擬材料提供垂直應(yīng)力。垂直方向液壓加載系統(tǒng)和水平方向液壓加載系統(tǒng)的加壓可控，還設(shè)置有三個(gè)蓄能器，達(dá)到穩(wěn)定垂直方向液壓加載系統(tǒng)和水平方向液壓加載系統(tǒng)壓力的目的。

具體來(lái)講，臺(tái)架包括：底座4、立柱2、橫梁1和導(dǎo)軌5，其中，立柱2設(shè)置在橫梁1的兩端形成長(zhǎng)方體框架支撐結(jié)構(gòu)，總體長(zhǎng)度為2496mm，寬度為1558mm，高度為2878mm。導(dǎo)軌5位于橫梁1的下方，為多條并排設(shè)置，底座4通過(guò)其下表面能夠滑動(dòng)的設(shè)置在該導(dǎo)軌5上，底座4的上表面為箱體支撐面，用于放置模擬箱體3，使得模擬箱體3能夠在寬度方向移動(dòng)的設(shè)置在臺(tái)架內(nèi)，能夠推進(jìn)和拉出，以適用于不同實(shí)驗(yàn)需求。優(yōu)選的，導(dǎo)軌5為并排設(shè)置的四條。立柱2采用槽鋼材料制作，中間開設(shè)有注水孔。底座4采用槽鋼材料制作，并具有斜支撐加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。橫梁1采用槽鋼材料加工，所用鋼板厚度誤差不超過(guò)0.5mm，焊接牢靠堅(jiān)固。

模擬箱體3為頂端開口的長(zhǎng)方體形狀，采用可拆卸墻板通過(guò)螺釘連接而成，單側(cè)面分為七行五列，與水平方向液壓加載系統(tǒng)一一對(duì)應(yīng)?？刹鹦秹Π宓耐獠吭O(shè)置有鐵塊，用于連接水平方向液壓加載系統(tǒng)的可伸縮加壓裝置進(jìn)行側(cè)向壓力加載。模擬箱體3的內(nèi)部具有內(nèi)膽，具有很好的防水密封性，用于填充模擬地層材料，該內(nèi)膽的正面由玻璃鋼制成，便于對(duì)模擬的觀察，記錄。該內(nèi)膽的其余三面由橡膠構(gòu)成。優(yōu)選的，模擬箱體3的長(zhǎng)度2000mm，寬度為1200mm，高度為1600mm，能夠滿足2000×1200×1400mm的模擬實(shí)體，實(shí)驗(yàn)時(shí)，寬度可以選擇200/400/600/800/1000mm，高度可以選擇200/400/600/800/1000/1200/1400mm。優(yōu)選的，模擬箱體3的后方還設(shè)置有輔助液壓推拉裝置，用于輔助推拉模擬箱體，使其連同底座4在該導(dǎo)軌5上滑動(dòng)。

垂直方向液壓加載系統(tǒng)淘汰鐵塊等機(jī)械加載方式，采用電液伺服頂板壓力加載系統(tǒng)，模擬上覆巖層直至地表的巖層重量。該垂直方向液壓加載系統(tǒng)具體包括：第一可伸縮加壓裝置9和上加壓板6，上加壓板6設(shè)置在第一可伸縮加壓裝置9的下方，第一可伸縮加壓裝置9通過(guò)上加壓板6對(duì)模擬箱體3進(jìn)行垂直壓力加載，為固液耦合相似模擬材料提供垂直應(yīng)力。優(yōu)選的，第一可伸縮加壓裝置9為加壓油缸。優(yōu)選的，第一可伸縮加壓裝置9包括：設(shè)置在模擬箱體3的頂部中央的25個(gè)加壓油缸和設(shè)置在模擬箱體3的頂部?jī)蓚?cè)的各35個(gè)油缸，其中，模擬箱體3的頂部中央的每個(gè)油缸加壓面積200×400mm²，模擬箱體3的頂部?jī)蓚?cè)的各35個(gè)油缸，每個(gè)油缸加壓面積為200×200mm²，第一可伸縮加壓裝置9的三組油缸壓力可調(diào)，行程0-250mm，壓力范圍0-10MPa。

如圖3所示，水平方向液壓加載系統(tǒng)分別設(shè)置在模擬箱體3的兩側(cè)，采用電液伺服水平側(cè)向壓力加載，為固液耦合相似模擬材料提供側(cè)向應(yīng)力。該水平方向液壓加載系統(tǒng)具體包括：第二可伸縮加壓裝置10以及分別設(shè)置在第二可伸縮加壓裝置10兩端的抗壓板8和側(cè)加壓板7，第二可伸縮加壓裝置10通過(guò)側(cè)加壓板7抵接模擬箱體3的可拆卸墻板的鐵塊，對(duì)模擬箱體3進(jìn)行側(cè)向壓力加載。優(yōu)選的，第二可伸縮加壓裝置10為加壓油缸。優(yōu)選的，在各側(cè)的模擬箱體3第二可伸縮加壓裝置10分為七行五列，與模擬箱體3外部鐵塊一一對(duì)應(yīng)。

垂直方向液壓加載系統(tǒng)和水平方向液壓加載系統(tǒng)共設(shè)置有三個(gè)控制臺(tái)，分別控制三組油缸的壓力，控制臺(tái)上有各組油缸的數(shù)字壓力表，顯示各組油缸的壓力變化。垂直方向液壓加載系統(tǒng)和水平方向液壓加載系統(tǒng)還共設(shè)置有三個(gè)蓄能器，達(dá)到穩(wěn)定三組油缸壓力的目的。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：將模擬地層材料按層狀分布填充于箱體中，利用注水裝置注水模擬含水層。用水平方向液壓加壓裝置兩側(cè)水平加壓模擬圍壓，頂部根據(jù)需求加壓模擬不同深度荷載。當(dāng)下部煤層采空，上部地層會(huì)產(chǎn)生裂隙，水會(huì)延裂隙流下，可能出現(xiàn)潰砂現(xiàn)象。通過(guò)埋設(shè)在地層中的傳感器傳出各項(xiàng)參數(shù)，以及正面觀察水的下滲規(guī)律進(jìn)行規(guī)律總結(jié)。

綜上，該流固耦合相似模擬試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)方法在寬度方向增加自由度，使得寬度可調(diào)，以適用于不同實(shí)驗(yàn)需求。該流固耦合相似模擬試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)方法的水平液壓加載模塊化，每塊可單獨(dú)控壓，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)壓。頂部垂直加壓可控，模擬地層不同深度荷載，可施加不均勻壓力。該流固耦合相似模擬試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)方法的模擬箱體能夠推進(jìn)和拉出，正面采用玻璃鋼可視化，易于觀察記錄。該模擬箱體內(nèi)部設(shè)有防水密封內(nèi)膽，提高實(shí)驗(yàn)精度。

前述對(duì)本發(fā)明的具體示例性實(shí)施方案的描述是為了說(shuō)明和例證的目的。這些描述并非想將本發(fā)明限定為所公開的精確形式，并且很顯然，根據(jù)上述教導(dǎo)，可以進(jìn)行很多改變和變化。對(duì)示例性實(shí)施例進(jìn)行選擇和描述的目的在于解釋本發(fā)明的特定原理及其實(shí)際應(yīng)用，從而使得本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)并利用本發(fā)明的各種不同的示例性實(shí)施方案以及各種不同的選擇和改變。本發(fā)明的范圍意在由權(quán)利要求書及其等同形式所限定。