流固耦合相似模擬的試驗裝置的制作方法

本發明涉及煤炭開采領域，特別涉及一種流固耦合相似模擬的試驗裝置。

背景技術：

現有技術采用剛性二維平面模型對高效開采覆巖運移、頂板含水層突水潰砂潛在風險等一系列現象進行流固耦合相似模擬實驗。

該二維平面模型無法真實反映井下開采立體三維空間層位關系；單純的固體材料相似模擬，無法實現固液耦合、含水層突水潰沙、覆巖導水裂隙帶發育等煤礦開采過程水害模擬；現有相似模擬試驗臺為二維平面模型，在施加側向壓力、巷道掘進與支護、井筒開鑿應力場模擬等方面都顯得力不從心。

另外，現有二維平面模型的密閉性不好，無法準確實現含水層模擬；模擬過程中巖層運移的宏觀可視性較差，微觀數據的采集精度較低；流體不能沿著采動過程中形成的裂隙流動；含水層、導水通道中的水壓和水量無法及時調控和監測。

公開于該背景技術部分的信息僅僅旨在增加對本發明的總體背景的理解，而不應當被視為承認或以任何形式暗示該信息構成已為本領域一般技術人員所公知的現有技術。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種結構簡單合理的流固耦合相似模擬的試驗裝置，該流固耦合相似模擬的試驗裝置在寬度方向增加自由度，使得寬度可調，以適用于不同實驗需求。該流固耦合相似模擬的試驗裝置的水平液壓加載模塊化，每塊可單獨控壓，實現精準調壓。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的試驗裝置的模擬箱體能夠推進和拉出，正面采用玻璃鋼可視化，易于觀察記錄。該模擬箱體內部設有防水密封內膽，提高實驗精度。

為實現上述目的，本發明提供了一種流固耦合相似模擬的試驗裝置，包括：臺架，其包括：底座、立柱、橫梁和導軌，所述導軌位于橫梁的下方，為多條并排設置，所述底座通過其下表面能夠滑動的設置在該導軌上，所述底座的上表面為箱體支撐面；模擬箱體，其為頂端開口的長方體形狀，采用可拆卸墻板通過螺釘連接而成，該模擬箱體的內部具有內膽；垂直方向液壓加載系統，其包括：第一可伸縮加壓裝置和上加壓板，所述上加壓板設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上加壓板對所述模擬箱體進行垂直壓力加載；以及水平方向液壓加載系統，其包括：第二可伸縮加壓裝置以及分別設置在第二可伸縮加壓裝置兩端的抗壓板和側加壓板，所述第二可伸縮加壓裝置通過側加壓板抵接模擬箱體對其進行側向壓力加載。

優選地，上述技術方案中，導軌為并排設置的四條。

優選地，上述技術方案中，立柱、底座和橫梁均采用槽鋼材料制作。

優選地，上述技術方案中，內膽的正面由玻璃鋼制成，其余三面由橡膠構成。

優選地，上述技術方案中，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。

優選地，上述技術方案中，第一可伸縮加壓裝置包括：設置在所述模擬箱體的頂部中央的二十五個加壓油缸和設置在所述模擬箱體的頂部兩側的各三十五個油缸。

優選地，上述技術方案中，垂直方向液壓加載系統和水平方向液壓加載系統共設置有三個控制臺。

優選地，上述技術方案中，垂直方向液壓加載系統和水平方向液壓加載系統還共設置有三個蓄能器。

優選地，上述技術方案中，模擬箱體的后方還設置有輔助液壓推拉裝置。

與現有技術相比，本發明具有如下有益效果：

1、該流固耦合相似模擬的試驗裝置的寬度可調，寬度方向增加自由度，適用于不同實驗需求。

2、該流固耦合相似模擬的試驗裝置的水平液壓加載模塊化，每塊可單獨控壓，實現精準調壓。

3、該流固耦合相似模擬的試驗裝置的頂部垂直加壓可控，模擬地層不同深度荷載，可施加不均勻壓力。

4、該流固耦合相似模擬的模擬箱體由液壓推拉裝置控制，可推進和拉出，正面采用玻璃鋼可視化，易于觀察記錄

5、該流固耦合相似模擬的模擬箱體內部設有防水密封內膽，提高實驗精度。

附圖說明

圖1是本發明的流固耦合相似模擬的試驗裝置的立體結構示意圖。

圖2是本發明的流固耦合相似模擬的試驗裝置的主視結構示意圖。

圖3是本發明的流固耦合相似模擬的試驗裝置的水平方向液壓加載系統結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖，對本發明的具體實施方式進行詳細描述，但應當理解本發明的保護范圍并不受具體實施方式的限制。

除非另有其它明確表示，否則在整個說明書和權利要求書中，術語“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，根據本發明具體實施方式的流固耦合相似模擬的試驗裝置的具體包括：臺架、模擬箱體3、垂直方向液壓加載系統和水平方向液壓加載系統，其中，模擬箱體3能夠在寬度方向移動的設置在臺架內，能夠推進和拉出，以適用于不同實驗需求，模擬箱體3的正面采用玻璃鋼可視化，易于觀察記錄。該模擬箱體內部設有防水密封的內膽，提高實驗精度。水平方向液壓加載系統用于對模擬箱體3進行側向壓力加載，為固液耦合相似模擬材料提供側向應力。垂直方向液壓加載系統用于對模擬箱體3進行垂直壓力加載，為固液耦合相似模擬材料提供垂直應力。垂直方向液壓加載系統和水平方向液壓加載系統的加壓可控，還設置有三個蓄能器，達到穩定垂直方向液壓加載系統和水平方向液壓加載系統壓力的目的。

具體來講，臺架包括：底座4、立柱2、橫梁1和導軌5，其中，立柱2設置在橫梁1的兩端形成長方體框架支撐結構，總體長度為2496mm，寬度為1558mm，高度為2878mm。導軌5位于橫梁1的下方，為多條并排設置，底座4通過其下表面能夠滑動的設置在該導軌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的設置在臺架內，能夠推進和拉出，以適用于不同實驗需求。優選的，導軌5為并排設置的四條。立柱2采用槽鋼材料制作，中間開設有注水孔。底座4采用槽鋼材料制作，并具有斜支撐加強結構。橫梁1采用槽鋼材料加工，所用鋼板厚度誤差不超過0.5mm，焊接牢靠堅固。

模擬箱體3為頂端開口的長方體形狀，采用可拆卸墻板通過螺釘連接而成，單側面分為七行五列，與水平方向液壓加載系統一一對應。可拆卸墻板的外部設置有鐵塊，用于連接水平方向液壓加載系統的可伸縮加壓裝置進行側向壓力加載。模擬箱體3的內部具有內膽，具有很好的防水密封性，用于填充模擬地層材料，該內膽的正面由玻璃鋼制成，便于對模擬的觀察，記錄。該內膽的其余三面由橡膠構成。優選的，模擬箱體3的長度2000mm，寬度為1200mm，高度為1600mm，能夠滿足2000×1200×1400mm的模擬實體，實驗時，寬度可以選擇200/400/600/800/1000mm，高度可以選擇200/400/600/800/1000/1200/1400mm。優選的，模擬箱體3的后方還設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在該導軌5上滑動。

垂直方向液壓加載系統淘汰鐵塊等機械加載方式，采用電液伺服頂板壓力加載系統，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通過上加壓板6對模擬箱體3進行垂直壓力加載，為固液耦合相似模擬材料提供垂直應力。優選的，第一可伸縮加壓裝置9為加壓油缸。優選的，第一可伸縮加壓裝置9包括：設置在模擬箱體3的頂部中央的25個加壓油缸和設置在模擬箱體3的頂部兩側的各35個油缸，其中，模擬箱體3的頂部中央的每個油缸加壓面積200×400mm²，模擬箱體3的頂部兩側的各35個油缸，每個油缸加壓面積為200×200mm²，第一可伸縮加壓裝置9的三組油缸壓力可調，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分別設置在模擬箱體3的兩側，采用電液伺服水平側向壓力加載，為固液耦合相似模擬材料提供側向應力。該水平方向液壓加載系統具體包括：第二可伸縮加壓裝置10以及分別設置在第二可伸縮加壓裝置10兩端的抗壓板8和側加壓板7，第二可伸縮加壓裝置10通過側加壓板7抵接模擬箱體3的可拆卸墻板的鐵塊，對模擬箱體3進行側向壓力加載。優選的，第二可伸縮加壓裝置10為加壓油缸。優選的，在各側的模擬箱體3第二可伸縮加壓裝置10分為七行五列，與模擬箱體3外部鐵塊一一對應。

垂直方向液壓加載系統和水平方向液壓加載系統共設置有三個控制臺，分別控制三組油缸的壓力，控制臺上有各組油缸的數字壓力表，顯示各組油缸的壓力變化。垂直方向液壓加載系統和水平方向液壓加載系統還共設置有三個蓄能器，達到穩定三組油缸壓力的目的。

實驗過程：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水平加壓模擬圍壓，頂部根據需求加壓模擬不同深度荷載。當下部煤層采空，上部地層會產生裂隙，水會延裂隙流下，可能出現潰砂現象。通過埋設在地層中的傳感器傳出各項參數，以及正面觀察水的下滲規律進行規律總結。

綜上，該流固耦合相似模擬的試驗裝置在寬度方向增加自由度，使得寬度可調，以適用于不同實驗需求。該流固耦合相似模擬的試驗裝置的水平液壓加載模塊化，每塊可單獨控壓，實現精準調壓。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的試驗裝置的模擬箱體能夠推進和拉出，正面采用玻璃鋼可視化，易于觀察記錄。該模擬箱體內部設有防水密封內膽，提高實驗精度。

前述對本發明的具體示例性實施方案的描述是為了說明和例證的目的。這些描述并非想將本發明限定為所公開的精確形式，并且很顯然，根據上述教導，可以進行很多改變和變化。對示例性實施例進行選擇和描述的目的在于解釋本發明的特定原理及其實際應用，從而使得本領域的技術人員能夠實現并利用本發明的各種不同的示例性實施方案以及各種不同的選擇和改變。本發明的范圍意在由權利要求書及其等同形式所限定。