CN103604698B - 煤矿老采空区冒落带破碎岩体二次变形压实模拟实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了煤矿老采空区冒落带破碎岩体二次变形压实模拟实验方法，其包括以下步骤：现场取样；岩样制作；电阻压力应变器的放置；外加荷载和注水量计算；模拟方法。首先进行初始压力加载，监测岩体总压缩位移变化及岩体受力变化，直到岩体压缩位移及受力趋于稳定；在此基础上当外载压力一定时，继续增加外载压力，监测岩体压缩位移量和压力应变值；当该组实验外载荷压力达到设计值时，注入初始体积的水，监测岩体总压缩位移变化及岩体受力变化，直到岩体压缩位移及受力趋于稳定，再继续注入水重复实验；通过实验记录数据得出冒落带破碎岩体受不同荷载作用下破碎岩体应力应变规律；与水耦合条件下冒落带破碎岩体受外加荷载作用应力应变规律。

Description

煤矿老采空区冒落带破碎岩体二次变形压实模拟实验方法

技术领域

本发明涉及试验方法，尤其涉及一种煤矿老采空区冒落带破碎岩体在外加荷载及与水耦合条件下产生二次变形压实模拟实验方法。

背景技术

煤炭资源的地下开采必然形成煤矿老采空区和上覆岩体的冒落。实践证明，煤层在开采结束后经过了长时间自然压实,老采空区及其上覆岩体会逐渐压实稳定，但实际上冒落带中依然存在大量残留裂隙空间。

当整个矿井开采结束或矿中的某个开采水平开采结束后，开采区内的地下水位会逐渐恢复。有些已基本稳定的沉陷区下部采空区岩体因地下水的作用，有可能会使原本处于相对平衡状态下的区域出现“活化”，使裂隙带岩体再软化压密，上覆岩体产生二次变形导致采空区上方地表出现二次沉陷，从而危及老采空区上方建(构)筑物的安全。老采空区因后期充水、荷载作用下导致冒落岩体软化后受压变形是老采空区“活化”的特征之一。为了研究老采空区的“活化”机理，研究采空区在荷载和充水条件下破碎岩体二次变形的规律，同时对于合理利用老采空区上方采煤塌陷区土地资源，提高土地利用率、缓解矿区土地资源紧张局面和保障老采空区上方地表建筑物安全方面具有重要指导意义。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种煤矿老采空区冒落带破碎岩体二次变形压实模拟实验方法，即煤矿老采空区冒落带破碎岩体在外加荷载及与水耦合条件下产生二次变形压实模拟实验方法，模拟在荷载和充水条件下采空区冒落带破碎岩体二次变形的环境，研究破碎岩体变形特征机理。

本发明是这样实现的，一种煤矿老采空区冒落带破碎岩体二次变形压实模拟实验方法，其采用模拟实验装置进行试验，该模拟实验装置包括底座、筒体、筒盖、活塞、多个电阻压力应变器、位移传感器、数据采集器；该筒体安装在该底座上，该筒盖密封该筒体的一端，该活塞安装在该筒体的另一端而能由该筒体导引在该筒体内来回做活塞运动；该筒体、该筒盖、该活塞三者构成仪器缸体，该仪器缸体用于收容实验物；该筒盖开设有注水口，该位移传感器安装在该活塞面向该筒体外部的一侧上，该多个电阻压力应变器收容在该仪器缸体内且均匀分布，该数据采集器电性连接该多个电阻压力应变器与该位移传感器；该模拟实验方法包括以下步骤：

一、现场取样，在煤层采空区内采集粒径块度不同的顶板冒落煤矸石样品，同时对样品的粒径进行丈量、测算不同粒径矸石样品混合比率及混合规律以得到测算结果，并按该测算结果进行相似比率取样若干块；

二、岩样选取，按照步骤一的测算结果确定实验样品的级配，实验采用的破碎岩体粒径级配与老采空区现场实际破碎岩体级配接近；

三、电阻压力应变器的放置，将该多个电阻压力应变器均匀分布、固定于不同位置及尺寸的岩体表面；

四、外加荷载和注水量计算，外加荷载大小根据采空区上部覆岩各岩层物理性质计算而得，如公式（1）所示，若老采空区上方地表建有构筑物，还需对构筑物荷载进行估算，综合计算得出实验压力总荷载量，拟定实验压力初始值及压力递增量，从而确定实验组数；每次注水量根据填充岩石重量和容重算出体积，得出该仪器缸体的剩余体积，确定总注水量体积，拟定初次注水量及注水量递增量，从而确定注水次数；

$P=\underset{i=1}{\overset{i=n}{\mathrm{\Σ}}}{Y}_i\·h_i\·g---\left(1\right)$

其中：

Y—各岩层岩体容重，单位g/cm³；

h—各岩层厚度，单位m；

g—重力加速度；

五、模拟方法：

针对上述确定的每组实验，首先对该活塞进行初始压力加载，通过该位移传感器监测岩体总压缩位移变化，通过该多个电阻压力应变器监测岩体受力变化，直到岩体压缩位移及受力趋于稳定，进行下一步操作；

当外载压力一定，且该仪器缸体内部岩体总压缩位移量及压力应变值趋于稳定后，继续增加外载压力，进一步监测岩体压缩位移量和压力应变值；

当该组实验外载荷压力达到设计值时，通过该注水孔对该仪器缸体内部注入初始体积的水，通过该位移传感器监测岩体总压缩位移变化，通过该多个电阻压力应变器监测岩体受力变化，直到岩体压缩位移及受力趋于稳定，再继续注入水进行下一步实验；

通过实验记录数据得出不同荷载下破碎岩体应力应变规律；与水耦合条件下破碎岩体受外加荷载作用后应力应变规律。

作为上述方案的进一步改进，该多个电阻压力应变器粘牢于不同位置及尺寸的岩体表面。

作为上述方案的进一步改进，该多个电阻压力应变器通过铁丝缠绕引线。

本发明针对干燥岩体压实后（视为沉陷区稳定），注水并使其处于饱和状态，继续加压，观察岩体软化后的体积变形量，通过设计安装外置位移监测系统（采用位移传感器）和压力监测系统（采用多个电阻压力应变器），从而实时动态监测破碎岩体在荷载和充水状态下二次变形过程中岩体压缩量变化和应力变化，并研究破碎岩体二次变形规律。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，目前还未有研究采空区冒落岩体在荷载和充水条件下二次变形规律的具体方法，本发明能模拟在荷载和充水条件下采空区冒落岩体二次变形模型，并设计具体实验方法研究破碎岩体二次变形规律，提供一种研究冒落岩体在荷载和充水条件下二次变形规律的研究方法。

附图说明

图1为应用于本发明的模拟实验装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的煤矿老采空区冒落带破碎岩体二次变形压实模拟实验方法（即煤矿老采空区冒落带破碎岩体在外加荷载及与水耦合条件下产生二次变形压实模拟实验方法）采用如图1所示的模拟实验装置进行试验。请参阅图1，该模拟实验装置包括底座1、筒体2、筒盖3、活塞4、多个电阻压力应变器5、位移传感器6、数据采集器（图未示）。

该筒体2安装在该底座1上，该筒盖3密封该筒体2的一端，该活塞4安装在该筒体2的另一端而能由该筒体2导引在该筒体2内来回做活塞运动。该筒体2、该筒盖3、该活塞4三者构成仪器缸体，该仪器缸体用于收容实验物（本实施方式的实验物如下文详细介绍的破碎岩体8）。

该筒盖3开设有注水口7。该位移传感器6安装在该活塞4面向该筒体2外部的一侧上，该多个电阻压力应变器5收容在该仪器缸体内且均匀分布，该数据采集器电性连接该多个电阻压力应变器5与该位移传感器6。多个电阻压力应变器5为构成压力监测系统的传感器，位移传感器6为构成位移监测系统的传感器，通过数据采集器传递信息。

本发明针对干燥岩体压实后（视为沉陷区稳定），注水并使其处于饱和状态。继续加压，观察岩体软化后的体积变形量，通过设计安装外置位移监测系统和压力监测系统，从而实时动态监测破碎岩体8在荷载和充水状态下二次变形过程中岩体压缩量变化和应力变化，并研究破碎岩体8二次变形规律。

所述位移传感系统包括位位移传感器6，数据通过信息采集系统（采用数据采集器）采集；所述压力监测系统包括多个电阻压力应变器6，多个电阻压力应变器6的数量根据实验需要确定，数据通过信息采集系统采集。

本发明可以再现采空区冒落岩体在荷载和充水状态下二次压实过程，即再现破碎岩体8之间应力由平衡状态到打破平衡状态再到平衡状态的过程。

下面对本发明的实验方法作进一步详细的说明。

准备工作：

1、现场取样。在煤层采空区内采集粒径块度不同的顶板冒落煤矸石样品，同时对样品的粒径进行丈量、测算不同粒径矸石样品混合比率及混合规律，并按测算结果进行相似比率取样若干块。

2、岩样选取，按照步骤一的测算结果确定实验样品的级配，考虑实验装置最大直径，采用的破碎岩体8粒径级配与老采空区现场实际破碎岩体级配接近。

3、电阻压力应变器5的放置。将电阻压力应变器5可使用AB胶粘牢于不同位置及尺寸的岩体表面。为防止实验过程中电阻压力应变器5的引线被岩石棱角压断，故需采用细铁丝缠绕引线。

4、外加荷载和注水量计算。外加荷载大小根据采空区上部覆岩各岩层物理性质计算而得，若老采空区上方地表建有建(构)筑物，还需对建(构)筑物荷载进行估算，综合计算得出实验压力总荷载量，根据实验组数确定每次施加压力值的大小；注水量根据填充岩石重量和容重算出体积，得出仪器缸体剩余体积，确定总注水量体积，根据注水次数，确定每次注水量的大小。

5、模拟方法：

针对各组实验，首先对实验装置进行初始压力加载，通过位移监测系统监测岩体总压缩位移变化，通过压力监测系统监测岩体受力变化，直到岩体压缩位移及受力趋于稳定，方可进行下一步操作；

当外载压力一定，且实验装置内部岩体总压缩位移量及压力应变值趋于稳定后。继续增加外载压力，进一步监测岩体压缩位移量和压力应变值；

当该组实验外载荷压力达到设计值时，通过装置注水孔将容器内部注入初始体积的水，通过位移监测系统监测岩体总压缩位移变化，通过压力监测系统监测岩体受力变化，直到岩体压缩位移及受力趋于稳定，再继续注入水进行下一步实验；

通过实验记录数据得出不同荷载下破碎岩体应力应变规律；与水耦合条件下破碎岩体受外加荷载作用后应力应变规律。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.煤矿老采空区冒落带破碎岩体二次变形压实模拟实验方法，该方法采用模拟实验装置进行试验，该模拟实验装置包括底座、筒体、筒盖、活塞、多个电阻压力应变器、位移传感器、数据采集器；该筒体安装在该底座上，该筒盖密封该筒体的一端，该活塞安装在该筒体的另一端而能由该筒体导引在该筒体内来回做活塞运动；该筒体、该筒盖、该活塞三者构成仪器缸体，该仪器缸体用于收容实验物；该筒盖开设有注水口，该位移传感器安装在该活塞面向该筒体外部的一侧上，该多个电阻压力应变器收容在该仪器缸体内且均匀分布，该数据采集器电性连接该多个电阻压力应变器与该位移传感器，该模拟实验方法包括以下步骤：

一、现场取样，在煤矿老采空区内采集粒径块度不同的顶板冒落煤矸石样品，同时对样品的粒径进行丈量、测算不同粒径矸石样品混合比率及混合规律；

二、岩样选取，按照步骤一的测算结果确定实验样品的级配，实验采用的破碎岩体粒径级配与老采空区现场实际破碎岩体级配接近；

三、电阻压力应变器的放置，将该多个电阻压力应变器均匀分布、固定于不同位置及尺寸的岩体表面；

四、外加荷载和注水量计算，外加荷载量的大小根据采空区上部覆岩各岩层物理性质计算而得，如公式(1)所示，若老采空区上方地表建有建筑物或构筑物，还需对建筑物或构筑物荷载进行估算，综合计算得出实验压力总荷载量，拟定实验压力初始值及压力递增量，从而确定实验组数；每次注水量根据填充岩石重量和容重算出体积，得出该仪器缸体的剩余体积，确定总注水量体积，拟定初次注水量及注水量递增量，从而确定注水次数；

$P=\underset{i=1}{\overset{i=n}{\Σ}}{Y}_i\·h_i\·g---\left(1\right)$

其中：

Y—各岩层岩体容重，单位g/cm³；

h—各岩层厚度，单位m；

g—重力加速度；

五、模拟方法：

针对上述确定的每组实验，首先对该活塞进行初始压力加载，通过该位移传感器监测岩体总压缩位移变化，通过该多个电阻压力应变器监测岩体受力变化，直到岩体压缩位移及受力趋于稳定，进行下一步操作；

当外载压力一定，且该仪器缸体内部岩体总压缩位移量及压力应变值趋于稳定后，继续增加外载压力，进一步监测岩体压缩位移量和压力应变值；

当该组实验外载荷压力达到设计值时，通过该注水孔对该仪器缸体内部注入初始体积的水，通过该位移传感器监测岩体总压缩位移变化，通过该多个电阻压力应变器监测岩体受力变化，直到岩体压缩位移及受力趋于稳定，再继续注入水进行下一步实验；

通过实验记录数据获取不同荷载下破碎岩体应力应变规律；获取与水耦合条件下破碎岩体受外加荷载作用后应力应变规律。

2.如权利要求1所述的煤矿老采空区冒落带破碎岩体二次变形压实模拟实验方法，其特征在于，该多个电阻压力应变器粘牢于不同位置及尺寸的岩体表面。

3.如权利要求1或2所述的煤矿老采空区冒落带破碎岩体二次变形压实模拟实验方法，其特征在于，该多个电阻压力应变器通过铁丝缠绕引线。