本发明涉及一种矿山安全试验装置，尤其是一种矿山吸能支护实验装置，具体地说是一种立柱式可调预紧力吸能支护模拟实验装置及方法。
背景技术：
冲击地压是一种煤体中聚积的弹性变形势能在一定条件下突然猛烈释放、造成采掘空间瞬间破坏的动力灾害。相当一部分冲击地压的发生无法事先预测，加强巷道支护是抵抗冲击地压灾害、包含巷道中人员和设备的最后一道防线。目前，煤矿井下巷道内往往采用立柱式支护体（单体、液压支架），立柱式支护体的柱腿立在巷道底板，通过驱动顶部伸出杆伸出，对巷道顶板、底板施加张紧力，从而固定在巷道中，并对巷道顶板、底板起到支撑作用。巷道中间隔一段距离，布置一台立柱式支护体。目前，煤矿井下使用的立柱式支护可以解决由于支护效果差导致的底板鼓起及顶板下沉等问题，但由于其刚性较大，不能吸收巷道在发生矿震或冲击地压时产生的震动能量，难以防治冲击地压对巷道的破坏。
因此需要对煤矿井下使用的立柱式支护进行改造，使其具备柔性吸能功能。但目前吸能支护的研究还处于起步阶段，相关机理和设计理论、方法还不清楚。针对立柱式支护体，在不同井下地质条件、巷道施工形式下需要其具备多大的吸能能力、初撑力、支护密度等均不清楚。针对冲击地压动力灾害的支护研究，由于发生时空、位置未知、发生原因和破坏形式复杂多样，很难在煤矿井下开展系统的研究。物理模型实验是研究吸能支护机理及相关支护设计理论的重要方法。实验室物理模型实验研究是研究吸能支护机理及相关支护设计理论的重要方法。为通过物理模型实验，研究吸能支护的作用机制，获得合理的吸能支护参数，需设计一种吸能支护模拟实验装置，在实验室开展系统的实验研究，为今后设计可吸能的立柱式支护体提供理论依据。另外，物理模型中的巷道往往狭小而长，通过人手逐个安装吸能支护模拟装置、并调节支护预紧力非常困难。因此，研制的吸能支护模拟装置还需能够在狭小而长的物理模型巷道中便于安装、便于调节支护预紧力。最后，研制的吸能支护模拟装置还需能够实时监测支架上的受力情况。
技术实现要素：
本发明的目的是针对目前还缺乏可独立调节预紧力、安装调节方便的吸能支护模拟实验装置，导致不能通过物理模型实验研究吸能支护机理、确定吸能支护参数的实际问题。设计一种安装调节方便的立柱式可调预紧力吸能支护模拟实验装置，同时提供相应的实验方法。
本发明的技术方案之一是：
一种立柱式可调预紧力吸能支护模拟实验装置，其特征在于：包含柱腿1、可升降装置2、弹簧3、柱体4、力传感器5；所述力传感器5放置在柱体4顶部端头上，柱体4上安装有弹簧3、可升降装置2，柱体4轴底部插入柱腿1，柱腿1安装在巷道11的底部；所述弹簧3顶部抵紧柱体4顶部端头底面，弹簧3底部抵紧可升降装置2中的升降块27；所述可升降装置2包含：底座21、螺栓22、滚轴23、销子a24、转臂25、销子b26、升降块27，所述底座21固定安装在柱腿1上，螺栓22旋装在底座21的竖侧边上，螺栓22的作用端紧抵滚轴23，滚轴23通过销子a24安装在两个转臂25之间，转臂25通过销子b26安装在升降块27上，升降块27上安装有销子c28，销子c28插入柱体4轴表面的轴向槽29中并能沿轴向槽上下滑动。
所述弹簧3的尺寸参数根据实验需求设计，相应需改变柱体4的直径、柱腿1直径和高度。
所述柱腿1呈倒t形结构。
本发明的技术方案之二是：
一种立柱式可调预紧力吸能支护模拟实验方法，其特征在于：包含以下步骤：
（1）根据相似材料配比原理，配置物理模型10，在物理模型10中开挖巷道11，并施工锚固14；
（2）设计安装间距、位置，在巷道11中安装立柱式可调预紧力吸能支护模拟实验装置；
（3）根据设计位置从巷道11的最里部开始安装第一台可调预紧力吸能支护模拟实验装置，利用长柄扳手，旋转螺栓22，带动滚轴23移动，转臂25旋转，升降块27上移，压缩弹簧3，弹簧3带动柱体4上移，柱体4顶部端头压缩力传感器5；通过控制旋转螺栓的位移量来控制对巷道11顶部、底部施加的初撑力，通过压力传感器5实时监测力的变化；
（4）在巷道11内依次安装多台可调预紧力吸能支护模拟实验装置，从巷道11的里部开始向外依次间隔一定距离安装；
（5）对物理模型施加水平和竖直方向上静载荷12，改变静载荷12，对模型施加竖直方向的动载荷13，依次增加动载荷的强度；
（6）结合巷道表面应变、高速摄像、数字照相量测、高速摄像、声发射、微震，分别观测巷道11前半部、后半部发生变形、破坏的情况；
（7）分析使用和未使用可调预紧力吸能支护模拟实验装置时巷道变形、破坏情况的差异，为揭示吸能支护机理提供实验数据；
（8）改变巷道内可调预紧力吸能支护模拟实验装置的安装密度，在物理模型10宽度方向上一半的宽度上，设计一种安装密度，同时在另一半的宽度上，设计另一种密度，重复步骤（1）～（7），比较巷道11前半部、后半部发生变形、破坏的情况的差异，为确定吸能支护参数提供实验数据。
（9）分别改变弹簧刚度、支护预紧力，在物理模型10宽度方向上一半的宽度上，设计一种实验参数，同时在另一半的宽度上，设计另一种实验参数，重复步骤（1）～（8），比较巷道变形、破坏情况的变化，为确定吸能支护参数提供实验数据。
（10）分别改变物理模型各组成岩层的强度、厚度、开挖巷道的形状和尺寸，实验研究不同地质条件和巷道施工形式下所需吸能支护的参数，重复步骤（1）～（7），比较巷道变形、破坏情况的变化，为在不同地质条件下施工巷道并进行立柱式吸能支护提供设计依据。
本发明的有益效果是：
本发明的实验装置体积小、安装调整方便。
本发明的实验用支护装置结构简单，制备方便，成本低。
本发明能够针对立柱式支护体在不同井下地质条件、巷道施工形式下需要其具备多大的吸能能力、初撑力、支护密度等开展系统的实验研究，有利于研究吸能支护的机理、确定吸能支护参数。
本发明能适应物理模型中的狭小而长的巷道现状，可模拟井下实际支护情况，逐个安装吸能支护模拟装置，能够单独调节支护预紧力，并能够实时监测各个吸能支护模拟装置上的受力情况。
附图说明
图1是本发明的单个吸能支护装置的结构示意图。
图2是本发明的可升降装置的俯视结构示意图。
图3是本发明的吸能支护装置在巷道内试验状态示意图。
图4是本发明巷道内支护安装状态示意图之一。
图5是本发明巷道内支护安装状态示意图之二。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
实施例一。
如图1-4所示。
一种立柱式可调预紧力吸能支护模拟实验装置，它包插柱腿1、可升降装置2、弹簧3、柱体4、力传感器5，如图1所示，柱腿1为空心倒t字形结构，安装在巷道11的地面上，倒t字形类似法兰结构，空心部分的尺寸应与柱体4相配，既能保证柱体4能方便插入和上升，间隙又不能太大，两端之间应动配合并加装润滑油；所述力传感器5放置在柱体4顶部端头上，力传感器5的上部与巷道11的顶部相抵，因此巷道11的顶部最好加装钢板，以保证测力的准确性，柱体4上安装有弹簧3、可升降装置2，所述弹簧3的尺寸参数应根据实验需求设计，与柱体4的直径、柱腿1直径和高度相匹配，可通过常规设计加以确定。柱体4轴底部插入柱腿1的空心部分中，柱腿1安装在巷道11的底部；所述弹簧3顶部抵紧柱体4顶部端头底面，弹簧3底部抵紧可升降装置2中的升降块27，为了便于制造和安装，升降块27最好设计成方形结构；所述可升降装置2包含：底座21、螺栓22、滚轴23、销子a24、转臂25、销子b26、升降块27，如图2、4所示。所述底座21固定安装在柱腿1上，螺栓22旋装在底座21的竖侧边28上，螺栓22的作用端紧抵滚轴23，滚轴23通过销子a24安装在两个转臂25之间，转臂25通过销子b26安装在升降块27上，升降块27上安装有销子c28，销子c28插入柱体4轴表面的轴向槽29中并能沿轴向槽上下滑动，如图3所示。安装时，先用扳手扳动螺栓22，螺栓22推动滚轴23（必要可在滚轴上加装迫使其只能作水平移动的限位装置）在底座21上水平移动，滚轴23的销子a24推动对应的转臂25的下端向前移动，进而迫使转臂25的上端通过销子b26推动升降块27上升，升降块27推动弹簧3上移，弹簧3推动柱体4上升，柱体4上端的力传感器5显示柱体4作用在巷道顶部的作用力，不断转动扳手，直接力传感器5显示的预压力达到设计值即完成一个支护实验装置的安装，重复上述动作，直接巷道内的所有支护实验装置安装完成满足实验设计要求即可进行静态和动态载荷的加载实验。
实施例二。
如图3-4所示。
一种立柱式可调预紧力吸能支护模拟实验方法，包含以下步骤：
（1）根据相似材料配比原理，配置物理模型10，在物理模型10中开挖巷道11，并施工锚固14；
（2）设计安装间距、位置，在一半长度的巷道11中安装立柱式可调预紧力吸能支护模拟实验装置，另一半不安装立柱式可调预紧力吸能支护模拟实验装置，以便于进行参数对比试验，获得支护与不支护的实验参数，如图3所示；
（3）根据设计位置从巷道11的最里部开始安装第一台可调预紧力吸能支护模拟实验装置，利用长柄扳手，旋转螺栓22，带动滚轴23移动，转臂25旋转，升降块27上移，压缩弹簧3，弹簧3带动柱体4上移，柱体4顶部端头压缩力传感器5；通过控制旋转螺栓的位移量来控制对巷道11顶部、底部施加的初撑力，通过压力传感器5实时监测力的变化；
（4）在巷道11内依次安装多台可调预紧力吸能支护模拟实验装置，从巷道11的里部开始向外依次间隔一定距离安装；
（5）外部载荷采用现有动静组合加载实验机加载，对物理模型施加水平和竖直方向上静载荷12，改变静载荷12，同时通过落锤击打中空液压缸中的滑动杆或击打在静载荷加载板上开孔放置的滑动杆，对模型施加竖直方向的动载荷13，依次增加动载荷至预定强度；
（6）结合巷道表面应变、高速摄像、数字照相量测、高速摄像、声发射、微震，分别观测巷道11前半部、后半部发生变形、破坏的情况；
（7）分析使用和未使用可调预紧力吸能支护模拟实验装置时巷道变形、破坏情况的差异，为揭示吸能支护机理提供实验数据。
实施例三。
如图5所示。
本实施例与实施例二的区别是在整个巷道中均布置了立柱式可调预紧力吸能支护模拟实验装置，为了加快安装速度，具体实施时可从巷道11中心向两端安装，如图5所示。
实施例四。
本实施例与实施例三的区别是，巷道内可调预紧力吸能支护模拟实验装置的安装密度不同，在物理模型10宽度方向上一半的宽度上，设计一种安装密度，同时在另一半的宽度上，设计另一种密度，比较巷道11前半部、后半部发生变形、破坏的情况的差异，为确定吸能支护参数提供实验数据。
实施例五。
本实施例与实施例一至四的区别是：分别改变弹簧刚度、支护预紧力，在物理模型10宽度方向上一半的宽度上，设计一种实验参数，同时在另一半的宽度上，设计另一种实验参数，比较巷道变形、破坏情况的变化，为确定吸能支护参数提供实验数据。
实施例六。
本实施例与实施例一至四的区别是：分别改变物理模型各组成岩层的强度、厚度、开挖巷道的形状和尺寸，实验研究不同地质条件和巷道施工形式下所需吸能支护的参数，重复步骤（1）～（7），比较巷道变形、破坏情况的变化，为在不同地质条件下施工巷道并进行立柱式吸能支护提供设计依据。
本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
1.一种立柱式可调预紧力吸能支护模拟实验装置，其特征在于：包含柱腿（1）、可升降装置（2）、弹簧（3）、柱体（4）、力传感器（5）；所述力传感器（5）放置在柱体（4）顶部端头上，柱体（4）上安装有弹簧（3）、可升降装置（2），柱体（4）轴底部插入柱腿（1），柱腿（1）安装在巷道（11）的底部；所述弹簧（3）顶部抵紧柱体（4）顶部端头底面，弹簧（3）底部抵紧可升降装置（2）中的升降块（27）；所述可升降装置（2）包含：底座（21）、螺栓（22）、滚轴（23）、销子a（24）、转臂（25）、销子b（26）、升降块（27），所述底座（21）固定安装在柱腿（1）上，螺栓（22）旋装在底座（21）的竖侧边上，螺栓（22）的作用端紧抵滚轴（23），滚轴（23）通过销子a（24）安装在两个转臂（25）之间，转臂（25）通过销子b（26）安装在升降块（27）上，升降块（27）上安装有销子c（28），销子c（28）插入柱体（4）轴表面的轴向槽（29）中并能沿轴向槽上下滑动。
2.根据权利要求1所述的立柱式可调预紧力吸能支护模拟实验装置，其特征在于：所述弹簧（3）的尺寸参数根据实验需求设计，相应需改变柱体（4）的直径、柱腿（1）直径和高度。
3.根据权利要求1所述的立柱式可调预紧力吸能支护模拟实验装置，其特征在于：所述柱腿（1）呈倒t形结构。
4.一种立柱式可调预紧力吸能支护模拟实验方法，其特征在于：包含以下步骤：
根据相似材料配比原理，配置物理模型（10），在物理模型（10）中开挖巷道（11），并施工锚固（14）；
设计安装间距、位置，在巷道（11）中安装权利要求1所述的立柱式可调预紧力吸能支护模拟实验装置；
根据设计位置从巷道（11）的最里部开始安装第一台可调预紧力吸能支护模拟实验装置，利用长柄扳手，旋转螺栓（22），带动滚轴（23）移动，转臂（25）旋转，升降块（27）上移，压缩弹簧（3），弹簧（3）带动柱体（4）上移，柱体（4）顶部端头压缩力传感器（5）；通过控制旋转螺栓的位移量来控制对巷道（11）顶部、底部施加的初撑力，通过压力传感器（5）实时监测力的变化；
在巷道（11）内依次安装多台可调预紧力吸能支护模拟实验装置，从巷道（11）的里部开始向外依次间隔一定距离安装；
对物理模型施加水平和竖直方向上静载荷（12），改变静载荷（12），对模型施加竖直方向的动载荷（13），依次增加动载荷至预定强度；
结合巷道表面应变、高速摄像、数字照相量测、高速摄像、声发射、微震，分别观测巷道（11）前半部、后半部发生变形、破坏的情况；
分析使用和未使用可调预紧力吸能支护模拟实验装置时巷道变形、破坏情况的差异，为揭示吸能支护机理提供实验数据；
改变巷道内可调预紧力吸能支护模拟实验装置的安装密度，在物理模型（10）宽度方向上一半的宽度上，设计一种安装密度，同时在另一半的宽度上，设计另一种密度，重复步骤（1）～（7），比较巷道（11）前半部、后半部发生变形、破坏的情况的差异，为确定吸能支护参数提供实验数据；
分别改变弹簧刚度、支护预紧力，在物理模型（10）宽度方向上一半的宽度上，设计一种实验参数，同时在另一半的宽度上，设计另一种实验参数，重复步骤（1）～（8），比较巷道变形、破坏情况的变化，为确定吸能支护参数提供实验数据；
分别改变物理模型各组成岩层的强度、厚度、开挖巷道的形状和尺寸，实验研究不同地质条件和巷道施工形式下所需吸能支护的参数，重复步骤（1）～（7），比较巷道变形、破坏情况的变化，为在不同地质条件下施工巷道并进行立柱式吸能支护提供设计依据。
技术总结