一种模拟老采空区地层残余变形的相似模型试验装置

1.本实用新型涉及模拟采空区模型试验技术领域，具体为一种模拟老采空区地层残余变形的相似模型试验装置。


背景技术：

2.随着地下煤炭的不断采出，我国形成了大量面积的开采沉陷区，造成了土地资源浪费以及地面塌陷灾害。因此，研究由煤炭开采引起的上覆岩层变形破坏规律与裂隙发育形态是非常有必要的，常用的一种研究方法便是相似模拟试验。目前，针对采空区地面沉降问题的研究已相当成熟，然而针对老采空区残余变形问题的研究尚处于起步阶段。
3.煤矿老采空区经过一段时间的自然压实，其上覆岩层的破碎岩体会处于一个相对平衡状态，但是老采空区上覆岩层内的空隙依然存在，在各种内外荷载的作用下，上覆岩层的这种相对平衡状态将再次被打破，从而造成地表的二次沉降，这一过程称为老采空区的“活化”，由于老采空区上覆岩层的破碎岩体岩性复杂，传统的相似模拟试验装置无法对其进行相似材料模拟的铺设，而且通过开挖煤层的方式研究采空区残余变形持续时间较长，且残余变形特征不明显，并且实验完成后，观察处需要进行清扫，避免影响下次实验观察，对此有必要提出一种模拟老采空区地层残余变形的相似模型试验装置。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于提供一种模拟老采空区地层残余变形的相似模型试验装置，以解决上述背景技术中提出的问题。
5.为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种模拟老采空区地层残余变形的相似模型试验装置，包括底座，所述底座的上表面两侧均固定连接有一个固定块，两个所述固定块的相对内壁两侧均共同固定连接有一块观察板，且两块所述观察板均与底座固定相连，所述底座的上表面等距固定连接有若干个压缩弹簧，若干个所述压缩弹簧的上表面共同固定连接有一个弹簧顶板，所述底座的上表面固定连接有两个充气气囊，且两个所述充气气囊均相对于压缩弹簧呈对称状设置均与弹簧顶板相抵，两个充气气囊的输入端均固定连接有一根气管，且两根所述气管均贯穿延伸至其中一个固定块外，两个所述固定块的相对内壁均贯穿开设有一个滑槽，其中一个所述滑槽的上下两端内壁共同滑动连接有一个螺纹杆，所述螺纹杆的外壁螺纹连接有一个螺母，两个所述滑槽的内壁均滑动连接有一个连接块，且其中一个所述连接块与螺母固定相连，两个所述连接块均延伸至滑槽外并共同固定连接有一个清洁架。
6.优选的，其中一个所述固定块的上表面固定连接有一个安装架，所述安装架的内壁固定连接有一个电机，且所述螺纹杆通过轴承贯穿延伸至固定块外并通过联轴器与电机固定相连。
7.优选的，两根所述气管延伸至固定块外的一端共同固定连接有一个真空冲压泵。
8.优选的，所述清洁架的两侧外壁均固定连接有一个清洁刷，且两个所述清洁刷均
与对应的观察板相抵。
9.优选的，两个充气气囊均呈矩形设置。
10.优选的，两个所述观察板与弹簧顶板均采用透明亚克力板制成。
11.与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：透明模型箱使得整个相似模拟试验过程直观化，微型充气千斤顶装置在相似材料铺设过程中起到支撑弹簧装置，以及释放弹簧装置的作用，弹簧装置起到模拟老采空区上覆岩层破碎岩体的作用，可省去相似模拟试验煤层的开挖过程，可缩短相似模拟试验研究地层残余变形的时间，使用完成后可利用清洁刷对观察口进行清洁，减少灰尘对观察的影响。
附图说明
12.图1为本实用新型的正视结构示意图；
13.图2为本实用新型的固定块与观察板安装结构示意图；
14.图3为本实用新型的清洁刷安装结构示意图；
15.图4为本实用新型的压缩弹簧与充气气囊安装结构示意图；
16.图5为本实用新型的图1中a部分放大结构示意图。
17.图中：1、底座；2、固定块；3、观察板；4、压缩弹簧；5、弹簧顶板；6、充气气囊；7、气管；8、滑槽；9、螺纹杆；10、螺母；11、连接块；12、清洁架；13、安装架；14、电机；15、真空冲压泵；16、清洁刷。
具体实施方式
18.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
19.请参阅图1-5，本实用新型提供一种技术方案：一种模拟老采空区地层残余变形的相似模型试验装置，包括底座1，底座1的上表面两侧均固定连接有一个固定块2，两个固定块2的相对内壁两侧均共同固定连接有一块观察板3，且两块观察板3均与底座1固定相连，底座1的上表面等距固定连接有若干个压缩弹簧4，若干个压缩弹簧4的上表面共同固定连接有一个弹簧顶板5，底座1的上表面固定连接有两个充气气囊6，且两个充气气囊6均相对于压缩弹簧4呈对称状设置均与弹簧顶板5相抵，两个充气气囊6的输入端均固定连接有一根气管7，且两根气管7均贯穿延伸至其中一个固定块2外，两个固定块2的相对内壁均贯穿开设有一个滑槽8，其中一个滑槽8的上下两端内壁共同滑动连接有一个螺纹杆9，螺纹杆9的外壁螺纹连接有一个螺母10，两个滑槽8的内壁均滑动连接有一个连接块11，且其中一个连接块11与螺母10固定相连，两个连接块11均延伸至滑槽8外并共同固定连接有一个清洁架12。
20.其中，其中一个固定块2的上表面固定连接有一个安装架13，安装架13的内壁固定连接有一个电机14，且螺纹杆9通过轴承贯穿延伸至固定块2外并通过联轴器与电机14固定相连，便于使用人员利用电机14带动螺纹杆9转动。
21.其中，两根气管7延伸至固定块2外的一端共同固定连接有一个真空冲压泵15，便
于使用人员利用真空冲压泵15对充气气囊6进行充气。
22.其中，清洁架12的两侧外壁均固定连接有一个清洁刷16，且两个清洁刷16均与对应的观察板3相抵，便于使用人员利用清洁刷16对观察板3进行清洁。
23.其中，两个充气气囊6均呈矩形设置，防止充气气囊6未能将弹簧顶板5撑起。
24.其中，两个观察板3与弹簧顶板5均采用透明亚克力板制成，便于使用人员透过观察板3进行观察。
25.具体的，使用本实用新型时，根据上覆岩层破碎岩体岩石力学参数及其模型相似比挑选合适的压缩弹簧4，再将压缩弹簧4固定在底座1上，将弹簧顶板5与压缩弹簧4相连，再分别将固定块2与观察板3进行安装，启动安装架13内的电机14，电机14带动螺纹杆9转动，螺纹杆9在滑槽8内带动外壁的螺母10转动。但螺母10在连接块11的限位下，螺纹杆9带动螺母10与连接块11移动，连接块11带动连接的清洁刷16对观察板3进行清扫，测量时，先启动真空冲压泵15，真空冲压泵15通过气管7对充气气囊6进行充气，充气气囊6逐渐将弹簧顶板5撑起，在弹簧顶板5上端配置地层相似模拟材料至设计高度，配制完成后静置24小时，通过真空冲压泵15将两个充气气囊6内的气体缓慢放出，直至气体全部放出，使压缩弹簧4能够达到可完全压缩状态，观察地层模型的残余变形特征，并进行记录，记录完成后，将模拟材料取出，重新启动电机14带动连接的清洁刷16对观察板3进行清扫。
26.先按设计尺寸制作透明模型箱和矩形充气气囊，按上覆岩层破碎岩体岩石力学参数及其模型相似比制作弹簧装置；制作完成后擦洗透明模型箱侧壁，在透明模型箱内放置一排弹簧装置及两个矩形充气气囊，随后通过微型真空冲压泵将两个矩形充气气囊充满，支撑起所有的弹簧装置；继续在弹簧装置上方配置地层相似模拟材料至设计高度；配制完成后静置24小时，通过微型真空冲压泵同时将两个矩形充气气囊的气体缓慢放出，直至气体全部放出，使得弹簧装置能够达到可完全压缩状态；观察地层模型的残余变形特征。
27.通过采取以上方案，本发明的有益效果是：
28.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“前部”、“中央”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
29.此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量，由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”、“第四”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
30.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
31.尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。