CN103971585A - 沿空留巷锚固矸石墙承载性能的模拟测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种沿空留巷锚固矸石墙承载性能的模拟测试装置及测试方法，它由U型充填槽、承压板、锚固充填体和位移测量装置组成。利用实验室加载控制系统对压力传递结构进行施压，在压缩过程中，每隔一定时间，记录一次位移测量尺移动的距离以及相应的试验机载荷值，并记录轴向位移值；通过载荷值和轴向、横向移动位移换算出加载过程中不同时刻的横向锚固充填体应力值及应变值；最后绘出加载过程中充填体的应力-应变关系曲线，从而确定出横向锚固充填体的承载性能参数。本发明避免了煤矿井下沿空留巷矸石充填测试检验的单一性、不可重复性以及现场复杂试验环境等问题，对煤矿井下沿空留巷横向锚固矸石墙技术的应用具有重要的指导意义。

Description

沿空留巷锚固矸石墙承载性能的模拟测试装置及测试方法

技术领域

本发明涉及锚固结构承载性能测试装置和方法，尤其涉及沿空留巷横向锚固矸石墙承载性能模拟测试装置及方法。

背景技术

沿空留巷技术一直是我国煤炭开采的重要技术发展方向。它对降低巷道掘进量、提高煤炭资源回收率、减少矸石排放量、延长矿井服务年限、缓解采掘接替矛盾和实现矿井安全高效绿色开采有显著效果。而在众多的沿空留巷技术研究中，矸石充填沿空留巷技术应用最为广泛，在目前的技术水平下，沿空留巷的成败在很大程度上取决于留巷充填体的设计及顶板条件，如果支护设计方案不能取得良好的留巷效果，不仅会损耗巨大的人力物力，而且还会给矿井的安全生产造成威胁。

沿空留巷充填体的强度、泊松比、变形模量等物理力学参数的获取对留巷设计具有直接的指导作用。横向锚固矸石墙是通过将锚杆或锚索横向贯穿布置在矸石充填体内，施加一定的预紧力，与巷旁辅助支护、巷内支护形成统一的支护体系。在沿空留巷期间，横向锚固矸石墙通过辅助作用、过渡作用、下缩让压作用、平衡作用承载岩层剧烈运动所产生的应力，保持巷道围岩的稳定性。但在煤矿井下的实际应用中，矸石充填体是一种不可逆压缩材料，搬运耗时费力，无法进行过多的井下现场测试试验；同时由于煤矿井下工作环境的特殊性和复杂性，也无法对充填体中锚杆、钢带的受力情况进行实际的系统分析，再加上巷道变形难以控制、充填工艺与工作面的快速推进同步等现场实际操作问题，使得原位测试难以在煤矿井下进行。

因此，通过实验室进行模拟测试，是解决上述问题的可靠办法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种沿空留巷横向锚固矸石墙承载性能的模拟测试装置，并提出用该装置对锚固结构承载性能进行测试的方法，通过在实验室模拟测试，可为煤矿井下沿空留巷横向锚固矸石墙技术的应用提供设计指导。

为解决上述技术问题，本发明锚固结构承载性能模拟测试装置所采用的技术方案是：

一种沿空留巷锚固矸石墙承载性能的模拟测试装置，其特征在于，它由充填槽、锚固充填体、承压板和位移测量装置组成，锚固充填体放置在充填槽中，承压板沉入充填槽后搁置在锚固充填体上，位移测量装置活动安装在充填槽上并与锚固充填体贴紧，其中：

所述的充填槽是由底钢板和两侧的侧钢板构成的U型槽，侧钢板顶部再用加固钢带固紧，从而形成一个两侧面封闭的充填槽；

所述的锚固充填体由多个充填袋、锚杆和钢带构成；充填袋按模拟充填体的高度和宽度堆砌在充填槽内形成充填墙体，堆砌时上下层交错压茬，纵向钢带和横向钢带紧贴充填墙体的前、后立面；横向钢带和纵向钢带的重叠交叉处加工有通孔；上述的锚杆从前立面钢带通孔穿过充填袋从后立面钢带通孔中穿出，两端用螺母固定，从而构成锚固充填体；上述的锚杆可以是锚索；

所述的承压板是一个厚度不小于5mm的钢板，承压板压在充填体上表面处；

所述的位移测量装置包括固定在充填槽两侧的纵向套筒和卡尺支架，卡尺支架是一个与充填槽长度相匹配的平面框架，平面框架上设有卡尺槽，平面框架的两端设有纵向伸出的纵向杆，纵向杆上加工有螺纹，纵向杆穿过纵向套筒使卡尺支架安装在充填槽上，并在纵向杆上拧上限位螺母，在卡尺槽中水平插入卡尺，插入后卡尺应与充填袋靠紧。

一种利用本发明装置对锚固结构承载性能进行测试的方法如下：

第一步，制作模拟测试装置

第1.1步，制作锚固充填体；

第1.1.1步，将模拟充填体材料的颗粒装入布袋中，并封口形成充填袋，将充填袋按模拟充填体的高度和宽度堆砌在充填槽内，堆砌时上下层交错压茬，不够一整袋的位置，用半袋填充，将有缝隙的地方用充填体颗粒填实，使表面平整；

第1.1.2步，将纵向钢带和横向钢带紧贴充填墙体的前、后立面，将锚杆穿过前后立面纵向钢带和横向钢带的通孔后用螺母固紧，对充填袋施加一定的预紧力；

安装锚杆时可边充填边安装；

第1.2步，在充填体上表面安放上承压板；

第1.3步，安装位移测量装置

将卡尺支架的纵向杆穿过套筒，从而使卡尺支架安装在充填槽上，并在纵向杆上拧上限位螺母，在卡尺槽中水平插入卡尺，使卡尺与充填体贴紧；

第二步，将上述制作安装好的模拟测试装置放到压力试验机底座上，启动压力试验机，当承压板与压力试验机的传力支柱刚好接触时，记录下卡尺的初始读数；然后开始加载，在加载压缩过程中，充填墙体变形，将卡尺向外推移；此时每隔一定时间，记录一次卡尺移动距离，以及相应的载荷值和充填袋的轴向变形值；

第三步，通过载荷值和位移值换算出加载过程中不同时刻的充填体应力值σ及轴向应变值ε₁和横向应变值ε₂；

应力换算公式如下：

$\mathrm{\σ}=\frac{p_i}{\mathrm{ab}}---\left(1\right)$

式中：

a—承压板与充填体接触面的长度，mm；

b—承压板宽度，mm；

p_i—第i次试验机施加的载荷，KN；

轴向应变换算公式如下：

${\mathrm{\ϵ}}_1=\frac{u_i-u_0}{h}---\left(2\right)$

式中：

u_i—第i次试验机轴向位移值，mm；

u₀—试验机轴向初始位移值，mm；

h—测试之前的充填墙体高度，mm；

横向应变换算公式如下：

${\mathrm{\ϵ}}_2=\frac{l_i-l_0}{d}---\left(3\right)$

式中：

l_i—第i次卡尺读数值，mm；

l₀—卡尺初始读数值，mm；

d—测试之前的充填墙体宽度，mm；

根据(1)、(2)、(3)式计算得到i个充填体应力值σ及轴向应变值ε₁和横向应变值ε₂，然后再把i个σ和ε₁、ε₂值做出加载过程中充填体的应力-应变关系曲线，从而计算出横向锚固矸石墙的抗压强度、泊松比和变形模量等承载性能参数。

本发明的有益效果：

1、本发明可以满足各种巷道的充填体高度和宽度、锚杆(索)和钢带的布置方式、不同加载速率和加载路径、各种充填体材料的承载性能等实验室测试，并实现了加载与变形同步测量，同时具备记录数据量多和精度高等优点。

2、这种测试方法是在实验室进行的，避免了煤矿井下原位测试的不可重复性、单一性、局限性和现场复杂试验环境等带来的影响，更能够精准地反映出充填体的力学特性，为煤矿井下沿空留巷横向锚固矸石墙技术的应用提供支持和指导。

3、本发明的装置结构紧凑、操作简单、易于维护、使用可靠，测试方法简单可靠，能够实现多种不同的横向锚固矸石墙模拟测试方案，并可调整测试的精度，以满足不同巷道充填体承载性能测试的需要，在煤矿沿空留巷横向锚固矸石墙的检测方面具有广泛的实用性。

总之，本发明的充填体-钢带-锚杆(或锚索)横向锚固矸石墙的沿空留巷模拟测试方法，使充填体具有足够的可缩量，通过适当的下缩让压，充分发挥锚杆的承载能力，再加上充填体周围钢带支护及连接作用，三者形成一个整体，在沿空留巷支护体系中相辅相成、平衡互补，将变形控制在有效的范围之内，充分体现出充填体、锚杆、钢带共同维护巷道的稳定性作用。通过该装置在实验室还可进行不同工况环境下，不同充填方案的沿空留巷模拟测试，同时可调整充填体的材料及铺垫高度和宽度、对应的锚杆和钢带的布置及锚杆的直径等等，可通过调整试验机的加载速率、改变试验机对充填体的加载路径，来实现不同地层应力和开采扰动条件下的模拟测试方案；具有广泛的工程模拟测试应用前景。

附图说明

图1是本发明的结构立体图；

图2是本发明的主视图；

图3是本发明的俯视剖面图；

图4是卡尺的局部放大图；

图5是图1的I-I断面结构示意图；

图6是图5的局部放大图；

图7是应力-应变关系曲线图。

图中：1-侧钢板，2-充填袋，3-纵向套筒，4-底钢板，5-锚杆，6-横向钢带，7-纵向钢带，8-加固钢带，9-螺丝，10-螺母，11-承压板，12-卡尺，13-纵向杆，14-卡尺支架，15-卡尺槽，16-限位螺母。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步说明。

如图1--6所示的沿空留巷横向锚固矸石墙承载性能模拟测试装置，由充填槽、锚固充填体、承压板11和位移测量装置组成，锚固充填体放置在充填槽中，承压板11沉入充填槽后搁置在锚固充填体上，位移测量装置活动安装在充填槽上并与锚固充填体贴紧，其中：

所述的充填槽是由底钢板4和两侧的侧钢板1构成的U型槽，侧钢板1顶部再用加固钢带8固紧，从图1看出：加固钢带8通过螺丝9固定在侧钢板1上，从而形成一个两侧面封闭的充填槽，承压板11压在充填体上表面处；底钢板4和两侧的侧钢板1通过三角钢用螺栓和螺母10固定在一起。

所述的锚固充填体由多个充填袋2、锚杆5和钢带构成；充填袋2按模拟充填体的高度和宽度堆砌在充填槽内形成充填墙体，堆砌时上下层交错压茬，纵向钢带7和横向钢带6紧贴充填墙体的前、后立面；横向钢带6和纵向钢带7的重叠交叉处加工有通孔；上述的锚杆5从前立面钢带通孔穿过充填袋从后立面钢带通孔中穿出，两端用螺母固定，从而构成锚固充填体；上述的锚杆5可以是锚索；

上述横向钢带6为长×宽＝400mm×40mm的钢带，通孔间距为100mm；纵向钢带7为长×宽＝250mm×40mm的钢带，孔间距为90mm，纵向钢带7底部与充填槽底部的距离大于50mm；

所述的承压板11是一个厚度不小于5mm的钢板，承压板11压在锚固充填体上表面；

所述的位移测量装置包括固定在充填槽两侧的纵向套筒3和卡尺支架14，卡尺支架14是一个与充填槽长度相匹配的平面框架，平面框架上设有卡尺槽15，平面框架的两端设有纵向伸出的纵向杆13，纵向杆13上加工有螺纹，纵向杆13穿过纵向套筒3使卡尺支架14安装在充填槽上，并在纵向杆13上拧上限位螺母16，在卡尺槽15中水平插入卡尺12，插入后卡尺12应与充填袋2靠紧。

利用上述装置对锚固结构承载性能进行测试的方法如下：

第一步，制作模拟测试装置

第1.1步，制作锚固充填体

第1.1.1步，将模拟充填体材料的颗粒装入布袋中，并封口形成充填袋2，将充填袋2按模拟充填体的高度和宽度堆砌在充填槽内，堆砌时上下层交错压茬，不够一整袋的位置，用半袋填充，将有缝隙的地方用充填体颗粒填实，使表面平整；上述模拟充填体材料的颗粒为粒径小于5mm的矸石块；

第1.1.2步，将横向钢带6和纵向钢带7紧贴充填袋2墙体的前立面，将锚杆5通过穿过横向钢带6和纵向钢带7的通孔从充填槽后部穿出，锚杆5两端拧上螺母，对充填袋2施加一定的预紧力；

安装锚杆5和横向钢带6时可边充填边安装，铺一层填一层，保证每一层充填袋2是平的；铺好第三层及以上充填袋2时交错压茬，有空的地方及时填充；铺到纵向钢带7从下往上数第二个通孔时，穿好锚杆5和第二道横向钢带6，上好螺母，继续往上铺充填袋2，直到充填袋2距充填槽上部边缘四分之一处即可；

第1.2步，在充填体上表面安放上承压板11；

第1.3步，安装位移测量装置

将卡尺支架14的纵向杆13穿过纵向套筒3，从而使卡尺支架14安装在充填槽上，并在纵向杆13上拧上限位螺母16，在卡尺槽15中水平插入卡尺12，使卡尺12与充填体贴紧；

第二步，将上述制作安装好的模拟测试装置放到压力试验机底座上，启动压力试验机，当承压板11与压力试验机的传力支柱刚好接触时，记录下卡尺12的初始读数；然后开始加载，在加载压缩过程中，充填墙体变形，将卡尺12向外推移；此时每隔一定时间，记录一次卡尺12移动距离，以及相应的载荷值和充填袋的轴向变形值；

例如，某矿的模拟测试装置充填槽的承压板与充填体接触面的长度a＝500mm；承压板宽度b＝300mm；共记录数据i＝9次；模拟测试结果见表1所列；

表1

时刻	T0	T1	T2	T3	T4	T5	T6	T7	T8	T9
											载荷/KN	0	7.2	13.1	20.1	29.2	41.6	54.4	66.1	81.4	97.8
轴向变形/mm	0	4.5	9	13.5	18	22.5	27	31.5	36	40.5
											横向变形/mm	0	0.1	0.6	1.4	2.8	4.6	7.0	10.2	15.6	29.6

第三步，通过载荷值和位移值换算出加载过程中不同时刻的充填体应力值σ及轴向应变值ε₁和横向应变值ε₂；

应力换算公式如下：

$\mathrm{\σ}=\frac{p_i}{\mathrm{ab}}---\left(1\right)$

式中：

a—承压板与充填体接触面的长度，mm；

b—承压板宽度，mm；

p_i—第i次试验机施加的载荷，KN；

轴向应变换算公式如下：

${\mathrm{\ϵ}}_1=\frac{u_i-u_0}{h}---\left(2\right)$

式中：

u_i—第i次试验机轴向位移值，mm；

u₀—试验机轴向初始位移值，mm；

h—测试之前的充填墙体高度，mm；

横向应变换算公式如下：

${\mathrm{\ϵ}}_2=\frac{l_i-l_0}{d}---\left(3\right)$

式中：

l_i—第i次卡尺读数值，mm；

l₀—卡尺初始读数值，mm；

d—测试之前的充填墙体宽度，mm；

将表1载荷值、位移值代入(1)、(2)、(3)式，换算出加载过程中9次记录的充填体应力值σ及轴向应变值ε₁和横向应变值ε₂，如表2所列：

表2

时刻	T0	T1	T2	T3	T4	T5	T6	T7	T8	T9
											应力/MPa	0	0.05	0.09	0.13	0.20	0.28	0.36	0.44	0.54	0.65
轴向应变/％	0	1.5	3	4.5	6	7.5	9	10.5	12	13.5
											横向应变/％	0	0.04	0.21	0.47	0.92	1.50	2.32	3.39	5.22	9.86

然后根据上述σ和ε₁、ε₂值做出加载过程中充填体的应力-应变关系曲线(见图7)，从而计算出横向锚固矸石墙的抗压强度、泊松比和变形模量等承载性能参数。

Claims (3)

1.一种沿空留巷锚固矸石墙承载性能的模拟测试装置，其特征在于，它由充填槽、锚固充填体、承压板和位移测量装置组成，锚固充填体放置在充填槽中，承压板沉入充填槽后搁置在锚固充填体上，位移测量装置活动安装在充填槽上并与锚固充填体贴紧，其中：

所述的充填槽是由底钢板和两侧的侧钢板构成的U型槽，侧钢板顶部再用加固钢带固紧，从而形成一个两侧面封闭的充填槽；

所述的锚固充填体由多个充填袋、锚杆和钢带构成；充填袋按模拟充填体的高度和宽度堆砌在充填槽内形成充填墙体，堆砌时上下层交错压茬，纵向钢带和横向钢带紧贴充填墙体的前、后立面；横向钢带和纵向钢带的重叠交叉处加工有通孔；上述的锚杆从前立面钢带通孔穿过充填袋从后立面钢带通孔中穿出，两端用螺母固定，从而构成锚固充填体；

所述的承压板是一个厚度不小于5mm的钢板，承压板压在充填体上表面处；

所述的位移测量装置包括固定在充填槽两侧的纵向套筒和卡尺支架，卡尺支架是一个与充填槽长度相匹配的平面框架，平面框架上设有卡尺槽，平面框架的两端设有纵向伸出的纵向杆，纵向杆上加工有螺纹，纵向杆穿过纵向套筒使卡尺支架安装在充填槽上，并在纵向杆上拧上限位螺母，在卡尺槽中水平插入卡尺，插入后卡尺应与充填袋靠紧。

2.如权利要求1所述的沿空留巷锚固矸石墙承载性能的模拟测试装置，其特征在于，所述的锚杆用锚索替代。

3.一种利用权利要求1或2所述的模拟测试装置对沿空留巷锚固矸石墙承载性能进行测试的方法，其特征在于，

第一步，制作模拟测试装置；

第1.1步，制作锚固充填体；

第1.1.1步，将模拟充填体材料的颗粒装入布袋中，并封口形成充填袋，将充填袋按模拟充填体的高度和宽度堆砌在充填槽内，堆砌时上下层交错压茬，不够一整袋的位置，用半袋填充，将有缝隙的地方用充填体颗粒填实，使表面平整；

第1.1.2步，将纵向钢带和横向钢带紧贴充填墙体的前、后立面，将锚杆或锚索穿过前后立面纵向钢带和横向钢带的通孔后用螺母固紧，对充填袋施加一定的预紧力，安装锚杆或锚索时边充填边安装；

第1.2步，在充填体上表面安放上承压板；

第1.3步，安装位移测量装置；

将卡尺支架的纵向杆穿过套筒，从而使卡尺支架安装在充填槽上，并在纵向杆上拧上限位螺母，在卡尺槽中水平插入卡尺，使卡尺与充填体贴紧；

第二步，将上述制作安装好的模拟测试装置放到压力试验机底座上，启动压力试验机，当承压板与压力试验机的传力支柱刚好接触时，记录下卡尺的初始读数；然后开始加载，在加载压缩过程中，充填墙体变形，将卡尺向外推移；此时每隔一定时间，记录一次卡尺移动距离，以及相应的载荷值和充填袋的轴向变形值；

第三步，通过载荷值和位移值换算出加载过程中不同时刻的充填体应力值σ及轴向应变值ε1和横向应变值ε2；

应力换算公式如下：

$\mathrm{\σ}=\frac{p_i}{\mathrm{ab}}---\left(1\right)$

式中：

a—承压板与充填体接触面的长度，mm；

b—承压板宽度，mm；

p_i—第i次试验机施加的载荷，KN；

轴向应变换算公式如下：

${\mathrm{\ϵ}}_1=\frac{u_i-u_0}{h}---\left(2\right)$

式中：

u_i—第i次试验机轴向位移值，mm；

u₀—试验机轴向初始位移值，mm；

h—测试之前的充填墙体高度，mm；

横向应变换算公式如下：

${\mathrm{\ϵ}}_2=\frac{l_i-l_0}{d}---\left(3\right)$

式中：

l_i—第i次卡尺读数值，mm；

l₀—卡尺初始读数值，mm；

d—测试之前的充填墙体宽度，mm；

根据(1)、(2)、(3)式计算得到i个充填体应力值σ及轴向应变值ε₁和横向应变值ε₂，然后再把i个σ和ε₁、ε₂值做出加载过程中充填体的应力-应变关系曲线，从而计算出横向锚固矸石墙的抗压强度、泊松比和变形模量承载性能参数。