CN104089822B - 深部开采采动应力场演变过程试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深部开采采动应力场演变过程试验方法，属于采场应力演变试验方法领域。该试验方法可以依据煤体力学条件进行大块度煤体非均布动态加载，真实仿真煤体在弹性、塑性状态下的力学条件。其首先在工作面采集完整煤块制作大尺度煤体，然后准备并安装实验硬件，实验硬件包括试验加载组件、伺服组件、控制组件和声波监测组件，将制作好的大尺度煤体放入试验加载组件中的加载主框架内，启动液压伺服组件来控制侧压加载单元和轴压加载单元中的加载油缸；大尺度煤体受各加载点加载作用后，所受到的力和变形分别通过压力传感器、位移传感器进行监测，并通过数据线传递给控制组件，控制组件按试验人员要求绘制实时试验曲线。

Description

深部开采采动应力场演变过程试验方法

技术领域

本发明属于采场应力演变试验方法领域，具体涉及一种深部开采采动应力场演变过程试验方法。

背景技术

近年来，我国煤炭开采以每年10m左右的速度向深部延伸，未来10年内，我国将有相当数量的矿井将进入深部开采。深部开采不同于浅部开采，煤岩的力学性质在高温和高地应力的作用下发生变化，使得煤炭开采的力学环境、煤岩体的组织结构、基本力学行为和工程响应与浅部明显不同，同时大空间开采模式导致采动应力场的时空关系和动力学特征更加复杂，更易诱发冲击地压、煤与瓦斯突出等动力灾害，造成严重破坏和大量人员伤亡，究其原因在于不了解或没有完全掌握不同采动条件下采动应力场分布时空演变规律，在错误的时间和空间开掘、维护巷道和推进工作面造成的。

对于采动影响下的煤体损伤破裂发展过程及损伤破裂过程中作用在煤体上的采动应力场，国内外相关学者主要利用弹塑性力学等经典力学对静态应力作用条件下的理想煤体进行研究分析，研究表明采场煤体处于上覆岩层逐次弯曲、裂断形成的动力载荷作用之下，导致其力学性能不断劣化，引起采动应力向煤体内部不断转移。因此，科学定量研究采动应力场随煤体力学性能劣化的时空演化机制和规律是非常必要的，这为进行开掘、维护巷道和推进工作面确定合理的时间和空间位置，实现煤炭资源科学开采有着极为重要的工程实际意义。

发明内容

本发明提出了一种深部开采采动应力场演变过程试验方法，该方法可以实现二维加载，实时采集应力、位移等基础数据，可以同时对多组煤体或充填体进行试验。

本发明技术方案包括：

一种深部开采采动应力场演变过程试验方法，包括以下步骤:

a制作大尺度煤体，在工作面采集完整煤块，沿煤块层理方向切割成150mm×150mm×500mm后，晾干、作为大尺度煤体；

b准备实验硬件，所述实验硬件包括试验加载组件、伺服组件、控制组件和声波监测组件；所述试验加载组件包括加载主框架、侧压加载单元和轴压加载单元，所述加载主框架包括底座、横梁和支撑框架，所述底座和支撑框架之间通过所述横梁连接，所述支撑框架为上横梁、下横梁、左立柱和右立柱组成的封闭框架，所述轴压加载单元位于所述左立柱和右立柱之间，所述轴压加载单元设置有五个独立的加载点；所述侧压加载单元有两个，分别设置在左、右立柱的两侧，每侧的侧压加载单元分别设置有三个独立的加载点；

c安装，将步骤a所述的大尺度煤体放置在步骤b所述的加载主框架内，将上述液压伺服组件、控制组件和声波监测组件分别与所述试验加载组件连接；

d加载，启动液压伺服组件，通过所述液压伺服组件控制侧压加载单元和轴压加载单元中的加载油缸，开始加载每个油缸，单独控制加载力值和位移量；

e接步骤d，大尺度煤体受各加载点加载作用后，所受到的力和变形分别通过侧压加载单元和轴压加载单元球铰上的压力传感器、位移传感器进行监测，并通过数据线传递给所述控制组件，控制组件按试验人员要求绘制实时试验曲线。

进一步的，所述步骤b中，上横梁和下横梁之间连接有左反力墙和右反力墙，所述每侧的侧压加载单元均包括侧向压头，侧向负荷传感器和侧向加载油缸，所述侧向负荷传感器位于所述侧向压头和所述侧向加载油缸中间，所述侧向压头用于对煤样进行加载，所述侧向加载油缸连接在所述左、右反力墙上；所述轴压加载单元包括竖向压头、竖向球铰、竖向负荷传感器、竖向连接杆和竖向加载油缸，所述竖向压头用于对煤样进行加载，所述竖向球铰位于所述竖向压头和所述竖向负荷传感器之间，所述竖向负荷传感器通过所述竖向连接杆连接所述竖向加载油缸，所述竖向加载油缸连接在所述支撑框架上。

进一步的，所述步骤b中，轴压加载单元的最大加载载荷为4500kN，位于两侧侧压加载单元上的加载点呈对称设置，每侧侧压加载单元的最大加载载荷为1200kN。

进一步的，所述的伺服组件用于多级可控的恒定油液流量控制，所述伺服组件包括采动应力伺服单元、伺服电机和EDC测控器；所述的采动应力伺服单元由永磁力矩马达、喷嘴、档板、阀芯、阀套和控制腔组成，所述EDC测控器具有多个测量通道，每个测量通道用于进行荷载、位移、变形单独控制或几个测量通道的联合控制，多种控制方式间实现无冲击转换。

进一步的，所述控制组件包括计算机，所述计算机连接所述试验加载组件和所述声波监测组件，用于控制所述试验加载组件的动作，并接收、记录检测所述声波监测组件检测得到的试样数据。

本发明所带来的有益技术效果：

本发明提出了一种深部开采采动应力场演变过程试验方法，与现有技术相比，该方法通过在试验加载组件的轴压加载单元和侧压加载单元上设置独立的加载点，即轴压加载单元上布置有五个加载点，侧压加载单元分别布置有三个加载点，每个加载点都是独立设计，可以通过调节顶板上方的加载点和左右两侧的加载点来实现不同的加载载荷，以实现大尺度煤体的非均布加载；依据煤体力学条件进行非均布动态加载，同时可以实施不同大小的围压，如围压范围在0～20MPa，真实仿真煤体在弹性、塑性状态下的力学条件；其最大加载强度为60MPa，围压为20MPa，可以实现不同硬度岩层的剪切试验，在实验室定量确定抗拉强度等力学特性；可以实现二维加载，实时采集应力、位移等基础数据，可以同时对多组煤体或充填体进行试验；在试样加载过程中通过调节侧压、轴压加载单元来实现煤体的非均布加载，煤样受各加载点加载作用后，所受到的力和变形分别通过球铰上的压力传感器、位移传感器进行监测，并通过数据线传递给计算机，计算机按试验人员要求绘制实时试验曲线。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步清楚、完整的说明：

图1为本发明试验加载组件的结构示意图；

图2为本发明轴压加载单元、侧压加载单元的主视图；

图3为本发明轴压加载单元的正视图；

图中，1、底座，2、横梁，3、加载主框架，4、煤样，5、侧压加载单元、6、轴压加载单元，7、侧向压头，8、侧向负荷传感器，9、侧向加载油缸，10、竖向压头，11、竖向球铰，12、竖向负荷传感器，13、竖向连接杆，14、竖向加载油缸。

具体实施方式

为了使本发明深部开采采动应力场演变过程试验方法更加清楚、明确，下面先对用于该试验方法的试验系统做如下说明。

结合图1、图2、图3所示，深部开采采动应力场演变过程试验系统，包括试验加载组件、伺服组件、控制组件和声波监测组件，伺服组件、控制组件和声波监测组件配合试验加载组件同步使用，声波监测组件是为了获得更加清晰的裂隙扩展演化过程，其中，伺服组件、控制组件和声波监测组件与现有技术相同，在此仅作简要说明；

伺服组件，用于多级可控的恒定油液流量控制，其包括采动应力伺服单元、伺服电机和EDC测控器；采动应力伺服单元由永磁力矩马达、喷嘴、档板、阀芯、阀套和控制腔组成，EDC测控器具有多个测量通道，每个测量通道可以分别进行荷载、位移、变形单独控制或几个测量通道的联合控制，多种控制方式间实现无冲击转换，并在EDC控制系统软件中设置一个压差控制通道，来测量进油口压力和出油口压力的差值；

控制组件，包括计算机，计算机连接上述试验加载组件和声波监测组件，选用计算机来控制试验加载组件的动作，并接收、记录检测声波监测组件检测得到的试样或煤样数据；

声波监测组件，其包括多个探头、声波检测分析仪和声波换能器，探头设置在支撑框架的内部，每个探头分别通过声波换能器连接声波检测分析仪；

上述试验加载组件包括煤样4、加载主框架3、侧压加载单元5和轴压加载单元6，其中，加载主框架3包括底座1、横梁2和支撑框架，底座和支撑框架之间通过横梁2连接，支撑框架为上横梁、下横梁、左立柱和右立柱组成的封闭框架，其中，上横梁、下横梁、左立柱和右立柱均是由高刚度钢板制成看，煤样4放置于支撑框架内，

轴压加载单元6位于左立柱和右立柱之间，轴压加载单元的一端用于对煤样4进行加载，另一端采用前法兰式连接方式固定在加载主框架3上，结合图2、图3所示，轴压加载单元6包括竖向压头10、竖向球铰11、竖向负荷传感器12、竖向连接杆13和竖向加载油缸14，竖向压头10用于对煤样4进行加载，竖向球铰11位于竖向压头10和竖向负荷传感器12之间，竖向负荷传感器12通过竖向连接杆13连接竖向加载油缸14，竖向加载油缸14采用前法兰式连接方式连接在支撑框架上；

轴压加载单元设置有五个独立的加载点，其每个加载点都可以独立的对煤样施加载荷，五个加载点同时施加载荷时，载荷可以相同或者不同；

侧压加载单元5有两个，分别设置在左、右立柱的两侧，每侧的侧压加载单元5分别设置有三个独立的加载点，在上横梁和下横梁之间连接有左反力墙和右反力墙，每侧的侧压加载单元均包括侧向压头7，侧向负荷传感器8和侧向加载油缸9，侧向负荷传感器8位于侧向压头7和侧向加载油缸9中间，侧向压头用于对煤样进行加载，侧向加载油缸连接在左、右反力墙上，通过轴压加载单元顶部受压变形量的差异，实现岩块裂隙左右两部分的剪切位移。

上述轴压加载单元的最大垂直荷载为4500kN，法向加载油缸作动器最大行程100mm，精度±1％F.S；左右反力墙处的的侧压加载单元包含6个加载点，分别是左侧压加载单元3个加载点，右侧压加载单元3个加载点，并且左、右两侧的加载点呈正交对称布置，每侧的侧压加载单元最大水平荷载1200kN，侧向加载油缸作动器最大行程200mm，精度±1％F.S。

本发明，深部开采采动应力场演变过程试验系统的使用方法，具体包括以下步骤：

a制作大尺度煤体，首先在工作面煤壁采集完整大煤块，例如尺寸为300mm×300mm×600mm，搬至室内，在搬运过程要轻拿轻放，尽可能保持煤样的原始状态；在室内，沿煤块层理方向切割成150mm×150mm×500mm，作为大尺度煤体，煤体6个侧面采用双面磨石机研磨，3个相邻侧面相互垂直，端面不平整程度小于0.1mm；

b按照上述说明，安装深部开采采动应力场演变过程试验系统，将大尺度煤体放入试验加载组件的加载主框架内，将上述液压伺服组件、控制组件和声波监测组件分别与试验加载组件连接；

c加载，启动液压伺服组件，通过所述液压伺服组件控制侧压加载单元和轴压加载单元中的加载油缸，开始加载每个油缸，单独控制加载力值和位移量；

d接步骤c，大尺度煤体受各加载点加载作用后，所受到的力和变形分别通过侧压加载单元和轴压加载单元球铰上的压力传感器、位移传感器进行监测，并通过数据线传递给所述控制组件，控制组件按试验人员要求绘制实时试验曲线。

需要说明的是，在本说明书的教导下本领域技术人员所做出的任何等同方式，或明显变型方式均应在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种深部开采采动应力场演变过程试验方法，其特征在于，包括以下步骤:

a制作大尺度煤体，在工作面采集完整煤块，沿煤块层理方向切割成150mm×150mm×500mm后，晾干、作为大尺度煤体；

b准备实验硬件，所述实验硬件包括试验加载组件、伺服组件、控制组件和声波监测组件；所述试验加载组件包括加载主框架、侧压加载单元和轴压加载单元，所述加载主框架包括底座、横梁和支撑框架，所述底座和支撑框架之间通过所述横梁连接，所述支撑框架为上横梁、下横梁、左立柱和右立柱组成的封闭框架，所述轴压加载单元位于所述左立柱和右立柱之间，所述轴压加载单元设置有五个独立的加载点；所述侧压加载单元有两个，分别设置在左、右立柱的两侧，每侧的侧压加载单元分别设置有三个独立的加载点；横梁和下横梁之间连接有左反力墙和右反力墙，每侧的侧压加载单元均包括侧向压头，侧向负荷传感器和侧向加载油缸，所述侧向负荷传感器位于所述侧向压头和所述侧向加载油缸中间，所述侧向压头用于对煤样进行加载，所述侧向加载油缸连接在所述左、右反力墙上；所述轴压加载单元包括竖向压头、竖向球铰、竖向负荷传感器、竖向连接杆和竖向加载油缸，所述竖向压头用于对煤样进行加载，所述竖向球铰位于所述竖向压头和所述竖向负荷传感器之间，所述竖向负荷传感器通过所述竖向连接杆连接所述竖向加载油缸，所述竖向加载油缸连接在所述支撑框架上；

所述轴压加载单元的最大加载载荷为4500kN，位于两侧侧压加载单元上的加载点呈对称设置，每侧侧压加载单元的最大加载载荷为1200kN；

所述的伺服组件用于多级可控的恒定油液流量控制，所述伺服组件包括采动应力伺服单元、伺服电机和EDC测控器；所述的采动应力伺服单元由永磁力矩马达、喷嘴、档板、阀芯、阀套和控制腔组成，所述EDC测控器具有多个测量通道，每个测量通道用于进行荷载、位移、变形单独控制或几个测量通道的联合控制，多种控制方式间实现无冲击转换；

c安装，将步骤a所述的大尺度煤体放置在步骤b所述的加载主框架内，将上述伺服组件、控制组件和声波监测组件分别与所述试验加载组件连接；

d加载，启动伺服组件，通过所述伺服组件控制所述侧向加载油缸和所述竖向加载油缸，开始加载每个加载油缸，单独控制加载力值和位移量；

e接步骤d，大尺度煤体受各加载点加载作用后，所受到的变形和侧向力通过位移传感器和所述侧向负荷传感器进行监测，所受到的变形和竖向力通过位移传感器和所述竖向负荷传感器进行监测，并通过数据线传递给所述控制组件，控制组件按试验人员要求绘制实时试验曲线。

2.根据权利要求1所述的深部开采采动应力场演变过程试验方法，其特征在于：所述控制组件包括计算机，所述计算机连接所述试验加载组件和所述声波监测组件，用于控制所述试验加载组件的动作，并接收、记录检测所述声波监测组件检测得到的试样数据。