(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210830632.5 (22)申请日 2022.07.14 (71)申请人 河北工程大 学 地址 056000 河北省邯郸市经济技 术开发 区太极路19号 (72)发明人 高帅　洛锋　樊浩冬　吕振　孙赓　 李盟　李国栋　董恩远　凌向阳　 (74)专利代理 机构 郑州博骏知识产权代理事务 所(普通合伙) 41222 专利代理师 赵云 (51)Int.Cl. G01N 1/28(2006.01) G01N 3/12(2006.01) G01N 3/02(2006.01) (54)发明名称 一种用于实验室模拟充填体受力变形的监 测装置 (57)摘要 本发明专利公开了一种用 于实验室模拟充 填体受力变形的测试装置， 通过相似模拟材料试 验， 模拟充填工作面所处的地质条件和应力环 境， 通过封闭联通软管， 保证装置内液体处于密 闭状态， 使上覆岩层对活塞的作用以液罐内液体 压力的形式表现， 通过液罐内壁的连通孔， 使内 部液体压力表现为橡胶皮套的弹性变形， 通过橡 胶皮套上贴覆的应变片， 将橡胶皮套的弹性变形 以电信号的形式输出， 记录并反演充填体受力变 化的数据， 通过橡胶皮套的标定， 获得液罐液压 应力‑橡胶应变关系， 通过液压测 力装置的标定， 可以采用该装置反映充填体的受力变化特 征。 权利要求书2页 说明书6页 附图2页 CN 115127890 A 2022.09.30 CN 115127890 A 1.一种用于实验室模拟充填体受力变形的监测装置， 其特征在于： 所述监测装置包括 平面应变实验台， 所述平面应变实验台包括容纳腔体， 所述容纳腔体内部设置有相似模拟 材料层、 模拟煤层工作面推进层和液压测力装置， 所述液压测力装置设置在所述模拟煤层 工作面推进层中； 所述液压测力装置包括活塞推头、 底部液罐以及外部橡胶皮套， 所述底部 液罐包括底座和罐体； 所述罐体设置在底座上， 所述活塞推头滑动设置在罐体上， 所述罐体 外侧套设有外部橡胶皮套， 所述外部橡胶皮套上端和下段均与罐体外侧密封连接， 所述罐 体中下部位置均匀开设有多个矩形狭缝， 所述外部橡胶皮套对应于所述矩形狭缝位置 设置 有应变片， 其中活塞推头高度、 罐体内液体高度以及底座高度之和等于模拟试验中充填体 的等价采高。 2.根据权利要求1所述的一种用于实验室模拟充填体受力变形的监测装置， 其特征在 于： 所述活塞推头包括活塞轴和橡胶压头， 所述活塞轴下端设置有橡胶压头， 所述橡胶压头 与所述底部液罐中的液体接触， 所述活塞轴外圆周面与所述底部液罐的内圆周面之 间设置 有滑动密封 部件。 3.根据权利要求1所述的一种用于实验室模拟充填体受力变形的监测装置， 其特征在 于： 所述活塞推头还包括加强筋， 所述活塞推头内部 设置有支撑柱， 所述支撑柱与活塞推头 外圆周面之间构成中空腔体， 所述中空腔体中设置有 多个加强筋。 4.根据权利要求1所述的一种用于实验室模拟充填体受力变形的监测装置， 其特征在 于： 所述活塞推头还包括联通软管， 所述联通软管设置在所述中空腔体中， 所述联通软管用 于向底部液 罐内注入或抽出 液体。 5.根据权利要求1所述的一种用于实验室模拟充填体受力变形的监测装置， 其特征在 于： 所述联通软 管上设置有开关阀。 6.根据权利要求1所述的一种用于实验室模拟充填体受力变形的监测装置， 其特征在 于： 所述监测装置通过如下步骤实施： (1)结合研究对象的地质和开采相关资料， 掌握充填工作面顶底板岩性及力学参数， 所 述岩性及力学参数包括弹性模量Ed、 抗拉强度σt、 抗压强度σc、 抗剪强度τ、 内聚力C、 内摩擦 角Φ、 泊松比v等， 对 采区附近 工作面的开采情况、 巷道的布置充分 掌握； (2)依照相似定律， 确定此次相似模拟试验的几何相似比、 容重相似比、 弹模相似比、 应 力相似比及边界条件等； (3)通过试验室中河砂、 石膏和腻子粉三种材料的配比试验， 确定模拟各岩层的相似模 拟材料的配比号， 以三种材料配合形成试件的力学参数与步骤(1)中岩性及力学参数近似 符合相似定律 为准； (4)结合地质资料， 依照不同配比号， 在平面应变试验台上顺序 搭建各岩层的相似模拟 材料， 搭建完成后进行20 ‑30天的静置， 使材 料中水分充分蒸发； (5)对液压测力装置进行标定： 选取三组原型充填体试件， 分别进行单轴压缩试验， 测 得的弹性模量、 峰值抗压强度等重要变形参数取平均值， 同时获得充填体材料的应力 ‑应变 曲线； (6)选取三组液压测力装置， 通过联通软管向液压测力装置内分别注入液体， 将整个装 置置于单轴试验机上， 封闭联通软管， 进 行单轴压缩试验， 获得装置的弹性模量等重要变形 参数取平均值， 并得到试验 装置的应力 ‑应变曲线；权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115127890 A 2(7)通过调整罐体内液体种类、 外部橡胶 皮套的橡胶材料和厚度， 使测力装置单轴压缩 试验得到的弹性模量等重要变形参数满足应力相似比关系， 完成液压测力装置的标定， 确 定此次模拟中使用的液体种类、 橡胶材 料与厚度； (8)对标定完成的液压测力装置表面的外部橡胶皮套进行标定： 在液罐留有的多个矩 形狭缝中心位置分别粘贴垂直于矩形狭缝长轴的应变片， 并将应变片与DH3816N静态应变 测试系统连接； (9)选择等重砝码10个， 等待应变 ‑时间曲线平稳， 将砝码逐个添加至活塞顶部， 添加完 成后等待曲线平稳， 再次将活塞顶部的砝码依 次取下； 期间注意每次添加或取下砝码后需 要等待曲线平稳后， 再进行 添加或取 下； (10)取三个测力装置重复步骤(9)并对实验所得数据取平均值， 通过弹性厚壁圆筒理 论计算得到液 罐液压应力 ‑橡胶应变曲线， 完成橡胶皮套的标定； (11)根据试验研究对象进行工作面的开挖， 将液压装置放入观测位置， 通过联通软管 向液罐内部注入标定液压测力装置过程确定的液体， 借助液体推动活塞向上运动直至与 顶 板接触， 封闭联通软 管； (12)随实验的进行， 工作 面不断推进， 向采空区内持续布置该监测装置， 顶板下沉与活 塞作用并出现压缩， 记录时间 ‑应变数据， 通过橡胶材料标定得到的液罐液压应力 ‑橡胶应 变关系， 结合罐体外表面刻度得到的液面高度变化， 计算得到充填工作面中充填体应力演 化与变形 特征； (13)通过重复步骤(5)至步骤(10)改变液压测力装置的罐内液体、 橡胶种类与厚度可 以模拟不同种类充填体在充填工作面中的受力情况。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115127890 A 3