CN101936161B - 煤岩体强度与变形模量原位测量方法 - Google Patents

煤岩体强度与变形模量原位测量方法 Download PDF

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本发明公开了一种煤岩体强度与变形模量原位测量方法，包括：在巷道上选择测量区，在测量区向煤岩体内钻孔；将锚索锚固在孔中；将垫板安装在孔口的索体上，使垫板与煤岩面紧贴；沿垫板周围向煤岩体内钻若干个相互连通的孔，使垫板对应的煤岩体的周围与母体分离；在垫板上安装数个位移传感器；采用锚索张拉设备对锚索进行分级加载，记录锚索载荷与垫板垂直于煤岩面的位移，直到煤岩体被破坏；根据锚索最大载荷计算煤岩体强度，根据载荷位移曲线计算变形模量。传统的煤岩体强度和变形模量的测试都是取岩块在实验室进行，测量结果与实际偏差较大，本发明能精确测量煤岩体强度和变形模量，操作简单，成本低廉。

Description

煤岩体强度与变形模量原位测量方法
技术领域
本发明涉及煤岩体参数测试技术领域，特别涉及一种煤岩体强度与变形模量原位测量方法。
背景技术
煤岩体的原始力学参数测试是岩体力学研究内容之一，比较重要的参数有煤岩体承载力、煤岩体强度以及变形模量等。在水利、交通等行业的岩土工程中，其对工程成本有着直接的影响。目前，对煤岩体强度的检测大都采用井下取试样然后带到实验室进行压力机测试的方法，测量过程十分繁杂；试样采集容易使煤岩整体性受到破坏，而且将试样从井下带至地面，气象环境发生较大变化，测量的煤岩体的强度常常与井下煤岩体的实际强度有所出入，满足不了工程的需要。对变形模量的测量往往采用一些静态变形模量测试仪，这些仪器结构复杂，体型庞大，成本太高，而且运送到井下需要耗费大量人力物力。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是如何精确测量煤岩体强度与变形模量，并简化操作，降低测量成本。
(二)技术方案
为此，本发明提供了一种煤岩体强度与变形模量原位测量方法，包括以下步骤：
步骤10、在巷道四周选择测量区并将所述测量区的煤岩面打磨平整；
步骤20、在所述测量区垂直于煤岩面向煤岩体内钻孔；
步骤30、将长度大于所述步骤20钻的孔的深度的锚索锚固在孔中；
步骤40、将垫板用与所述锚索配套的锚具安装在孔口的索体上，使所述垫板与煤岩面紧贴；
步骤50、沿所述垫板周围垂直煤岩面向煤岩体内钻若干个孔，若干个孔相互连通，使所述垫板对应的煤岩体的周围与煤岩体母体分离；
步骤60、在所述垫板上安装数个用于测量垫板垂直于煤岩面的位移的位移传感器；
步骤70、采用锚索张拉设备对所述锚索进行分级加载，记录锚索载荷与垫板垂直于煤岩面的位移，直到煤岩体被破坏，此时对应锚索最大载荷；
步骤80、根据记录的锚索最大载荷计算煤岩体单轴抗压强度，根据载荷-位移曲线计算煤岩体的变形模量。
其中，所述步骤10中测量区的形状打磨为正方形，所述步骤40中选取的垫板的形状也为正方形。
所述步骤10中打磨的正方形的边长为100-300mm。
所述步骤20和步骤50中采用定向钻机向煤岩体内钻孔。
所述步骤30中选择的锚索的锚固力不小于索体的屈服载荷。
所述步骤30中采用树脂锚固剂将锚索锚固。
所述步骤40中采用张拉设备对锚索施加预紧力，使所述垫板与煤岩面紧贴，所述预紧力为10-30kN。
所述步骤20中钻的孔的直径为28-35mm，深度为2-5m；所述步骤50中钻的孔的深度为100-500mm。
所述锚索的长度比步骤20钻的孔的深度长300-500mm。
(三)有益效果
本发明提供的技术方案具有如下有益效果：通过测量锚索的载荷以及垫板垂直于煤岩面的位移，能够精确测量出煤岩体的强度和变形模量。本方法操作简单，成本低廉，且节省人力物力。
附图说明
图1是本发明实施例的煤岩体强度与变形模量原位测量方法流程图；
图2是应用本发明测量方法的现场侧视图；
图3是应用本发明测量方法的现场主视图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
图1是本发明实施例的煤岩体强度与变形模量原位测量方法流程图；图2是应用本发明测量方法的现场侧视图；图3是应用本发明测量方法的现场主视图；如图1、图2和图3所示，本方法包括以下步骤：
步骤10、在巷道1四周选择测量区，将该测量区打磨平整；
一般情况下，在巷道的两帮或顶板处选择测量区，该测量区的煤岩面可以打磨为正方形，也可以打磨为圆形等规则形状；图2、图3以打磨为正方形为例，正方形的边长取为100-300mm；
步骤20、在测量区垂直于测量区向煤岩体内钻孔2；
当测量区位于巷道两帮时，垂直于巷道两帮水平向煤岩体内钻孔，当测量区位于顶板时，则垂直于顶板向上向煤岩体内钻孔；可以采用定向钻机向煤岩体内钻孔，优选地，在测量区的中心位置处向煤岩体内钻孔，测量效果较好；
本实施例中钻的孔的直径为28-35mm，深度为2-5m；
步骤30、将长度大于步骤20的孔2的深度的锚索3锚固在孔2中；
具体地，选择的锚索的长度比孔的深度长300-500mm，可以用树脂锚固剂4将锚索锚固，选取的锚索3的锚固力不小于索体的屈服载荷；
步骤40、将垫板5用与锚索3配套的锚具6安装在孔口的索体上，使垫板5与煤岩面紧贴；
本实施例选择的垫板为正方体，其边长为100-300mm，厚度为20-50mm，面积尽量不要大于测量区；可以采用张拉设备对锚索施加预紧力，使垫板与煤岩面紧贴，张拉设备可以为千斤顶，千斤顶对锚索施加的预紧力为10-30kN；
步骤50、沿垫板5周围垂直煤岩面向煤岩体内钻孔，若干个孔相互连通，使垫板对应的煤岩体的周围与母体分离；
本实施例采用定向钻机钻孔，孔的深度为100-500mm；若干孔形成的缝称之为隔离缝7；
步骤60、在垫板5周围安装数个位移传感器8；
本实施例在垫板的上下左右中间位置各安装一个位移传感器，用来测量垫板垂直于煤岩面的位移；
步骤70、采用锚索张拉设备9对锚索3进行分级加载，记录锚索载荷与垫板5垂直于煤岩面的位移，直到煤岩体被破坏，此时对应锚索最大载荷；
具体地，张拉设备可以选用千斤顶；
步骤80、根据记录的锚索3最大载荷计算煤岩体单轴抗压强度，根据载荷-位移曲线计算煤岩体的变形模量；
其中，岩石的单轴抗压强度是指岩石试件在无侧压且只受轴向载荷的作用下，所能承受的最大应力，根据如下公式计算：
R c = P A ;
上式中，Rc为煤岩体的抗压强度Rc，单位为kPa，P为煤岩体破坏时的载荷，即最大载荷，单位为kN，A为煤岩体破坏时的横断面面积，单位为m2。
煤岩体的变形模量根据如下公式计算：
E = Δσ Δϵ ,
其中E为煤岩体的变形模量，Δσ为应力增量，
Figure GDA00001722499100051
F为张拉设备施加的力；Δε为应变增量，
Figure GDA00001722499100052
Δl为变形量，l为位移增量。
本发明提供的煤岩体强度与变形模量原位测量方法，通过在巷道的两帮或顶板上选择测量区，在测量区钻孔打设锚索，并用锁具将垫板紧固在测量区上，来测试锚索载荷和垫板垂直于煤岩面的位移，从而精确计算出煤岩体强度和变形模量。传统的煤岩体强度和变形模量的测试都是在井下取岩块，在实验室进行测试。由于岩块脱离了岩体，实验室环境与煤矿井下的环境也有一定差异，因此测得的数据偏差较大。本发明能够进行煤岩体强度和变形模量的原位测量，操作简单，成本低廉，且节省大量人力物力。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种煤岩体强度与变形模量原位测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤10、在巷道四周选择测量区并将所述测量区的煤岩面打磨平整；
步骤20、在所述测量区垂直于煤岩面向煤岩体内钻孔；
步骤30、将长度大于所述步骤20钻的孔的深度的锚索锚固在孔中；
步骤40、将垫板用与所述锚索配套的锚具安装在孔口的索体上，使所述垫板与煤岩面紧贴；
步骤50、沿所述垫板周围垂直煤岩面向煤岩体内钻若干个孔，若干个孔相互连通，使所述垫板对应的煤岩体的周围与煤岩体母体分离；
步骤60、在所述垫板上安装数个用于测量垫板垂直于煤岩面的位移的位移传感器；
步骤70、采用锚索张拉设备对所述锚索进行分级加载，记录锚索载荷与垫板垂直于煤岩面的位移，直到煤岩体被破坏，此时对应锚索最大载荷；
步骤80、根据记录的锚索最大载荷计算煤岩体单轴抗压强度，根据载荷-位移曲线计算煤岩体的变形模量。
2.如权利要求1所述的煤岩体强度与变形模量原位测量方法，其特征在于，所述步骤10中测量区的形状打磨为正方形，所述步骤40中选取的垫板的形状也为正方形。
3.如权利要求2所述的煤岩体强度与变形模量原位测量方法，其特征在于，所述步骤10中打磨的正方形的边长为100-300mm。
4.如权利要求1所述的煤岩体强度与变形模量原位测量方法，其特征在于，所述步骤20和步骤50中采用定向钻机向煤岩体内钻孔。
5.如权利要求1所述的煤岩体强度与变形模量原位测量方法，其特征在于，所述步骤30中选择的锚索的锚固力不小于索体的屈服载荷。
6.如权利要求1所述的煤岩体强度与变形模量原位测量方法，其特征在于，所述步骤30中采用树脂锚固剂将锚索锚固。
7.如权利要求1所述的煤岩体强度与变形模量原位测量方法，其特征在于，所述步骤40中采用张拉设备对锚索施加预紧力，使所述垫板与煤岩面紧贴，所述预紧力为10-30kN。
8.如权利要求1所述的煤岩体强度与变形模量原位测量方法，其特征在于，所述步骤20中钻的孔的直径为28-35mm，深度为2-5m；所述步骤50中钻的孔的深度为100-500mm。
9.如权利要求1所述的煤岩体强度与变形模量原位测量方法，其特征在于，所述步骤30中选取的锚索的长度比步骤20钻的孔的深度长300-500mm。
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