CN104390861B - 一种用于测试沿空留巷稳定性的实验装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测试沿空留巷巷帮充填墙体及巷道底板稳定性的实验装置及测试方法，其包括用于填充模拟材料的实验架，实验架上部设置顶部钢梁，下部设置有底部槽钢，顶部钢梁下方的实验架设置有固定梁，固定梁的一端铰接有一加压梁，加压梁的另一端设置有加压机构，加压机构根据断裂拱内的岩梁断裂后对充填墙体的作用力对加压梁施加压力。在实验装置尺寸受限制的条件下，将巷旁充填墙体及所留巷道的模型尺寸放大，可以对巷旁充填墙体及底板岩石的位移及破坏过程进行细致的监测，避免了现有的模拟系统由于模拟比例尺太大、巷旁充填墙体模型尺寸太小而造成的变形不易监测等问题。

Description

一种用于测试沿空留巷稳定性的实验装置及测试方法

技术领域

本发明涉及相似材料模拟实验装置领域，尤其涉及一种用于测试沿空留巷稳定性的实验装置及测试方法。

背景技术

煤矿采场空间几何尺寸一般为数百米或近千米，而传统实验装置几何尺寸有限，试验所取的几何相似比一般较大，例如当几何相似比为1:100时，宽度为2.5m的充填墙体在实验模型中仅为2.5cm，与普通的应力传感器尺寸相近，因而存在尺寸效应，不能精确的对巷旁充填墙所承受的应力进行测量，也不利于对巷旁充填墙体和巷道底板的位移和变形进行监测。因此，现有技术有待于更进一步的改进和发展。

本专利是在已知煤矿采场结构力学模型基本参数的情况下，对沿空留巷巷旁充填体的稳定性、留巷区域底板岩层的应力和位移及其稳定性进行研究的实验方法及装置。

在已知“沿空留巷巷旁充填体所承受的载荷是由采场结构力学模型参数所确定的裂断拱内传递岩梁总厚度及其裂断步距所共同决定的”基础上，采用相似材料模拟底板岩层和煤层，采用钢梁结构模拟最下位的老顶岩梁，并采用大位移的液压油缸系统在钢梁上施加连续恒定的重力，模拟采场上覆岩层裂断拱内各岩梁施加在巷旁充填体上的载荷。由于本发明主要研究的是巷旁充填体及留巷区域的底板稳定性，因此，可以实现较小比例尺的模拟，不仅节省了实验材料，更重要的是可以将巷旁充填体及所留巷道的模型尺寸放大，可以对巷旁充填体及底板岩石的位移及破坏过程进行细致的监测，避免了现有的模拟系统由于模拟比例尺太大、巷旁充填体模型尺寸太小而造成的变形不易监测等问题。由于加载系统仅需要模拟裂断拱内各岩梁施加在巷旁充填体上的载荷，因此，加载系统简单，容易实施。

发明内容

鉴于传统相似材料模拟实验装置对沿空留巷模拟存在较大困难，本发明提供的一种用于模拟沿空留巷巷旁充填体受力情况下，充填墙体及底板稳定性的实验装置及测试方法，在实验装置几何尺寸的限定下，大幅度提高对墙体测试的精确度，减少相似材料模型铺设厚度。

为了解决上述技术问题，本发明方案包括：

一种用于测试沿空留巷稳定性的实验装置，其包括用于填充模拟材料的实验架，其中，实验架上部设置顶部钢梁，下部设置有底部槽钢，顶部钢梁下方的实验架设置有固定梁，固定梁的一端铰接有一加压梁，加压梁的另一端设置有加压机构，加压机构用于根据断裂拱内的岩梁断裂后对充填墙体的作用力对加压梁施加压力。

所述的实验装置中的加压机构，其特征在于，上述加压机构包括支柱，支柱上铰接有一加压杠杆，加压杠杆一端设置有加载重物，加压杠杆另一端铰接有一连杆，连杆的另一端设置有推动活塞，推动活塞设置在一液压管内，液压管的水平部通过固定块固定在顶部钢梁上，液压管的末端内设置有加压活塞，加压活塞的下端设置有压头，压头与加压梁相接触。

所述的实验装置，其中，上述液压管内填充有液压油，液压管上设置有压力计。

所述的实验装置，其中，实验架包括左侧板、右侧板、前侧板与后侧板，左侧板与右侧板上均匀布置有多个定位孔，固定梁能在左侧板或右侧板的任一高度固定，前侧板由钢化玻璃制成兼作观察窗口，前侧板、后侧板固定在左侧板、右侧板的对应处。

所述的实验装置，其中，按照比例在实验架内铺设底板，固定梁、加压梁形成的平面与底板之间填充有煤层，煤层的一侧设置有充填墙体，充填墙体与煤层之间形成巷道，充填墙体的另一侧为矸石冒落区。

一种根据所述实验装置之沿空留巷稳定性的测试方法，其包括以下步骤：

步骤一，根据工作面上覆岩层柱状图、岩层力学参数、工作面宽度确定上覆岩层断裂拱高度以及拱内岩梁个数，各岩梁厚度，各岩梁周期来压步距，其中上覆岩层断裂拱高度为工作面宽度的1/2；

各岩梁周期来压计算方程式：

$C=\sqrt{\frac{m_{\mathrm{\ϵ}}\left[{\mathrm{\δ}}_t\right]}{3{\mathrm{\γ}}_E}};$

其中，C为岩梁周期来压步距，m_e为岩梁平均厚度，[δ_t]为岩梁抗拉强度，γ_E为岩石容重；

步骤二，根据采场地质与开采参数，计算煤壁中内应力场范围，以确定模型中位于固定梁与加压梁之间铰接轴外侧的煤层宽度S₂；

内应力场宽度计算方程式为：

$S_0=\sqrt{\frac{2C_i{H}_g{S}_1}{K_{\max }H}};$

其中：c_i为基本顶周期来压步距，H_g为断裂拱高度，S₁为支承压力高峰区距煤壁距离，K_max为应力集中系数，H为采深；

S₂＝S₀×k₂；

其中：S₂为固定梁与加压梁之间铰接轴外侧的煤层宽度，S₀为内应力场宽度，k₂为几何相似比；

步骤三，根据上覆岩层中断裂拱内岩梁个数，各岩梁厚度、容重，各岩梁周期来压步距，确定各岩梁在侧向开裂进而回转下沉过程中，对充填墙体施加压强；

直接顶对充填墙体加载压力：

$p_0=\frac{m_z{r}_z(l_1+l_2)}{l_2};$

其中，l₁为巷道宽度，m_z为直接顶厚度，r_z为岩石容重，l₂为墙体宽度；

第一岩梁回转下沉时，其重力由巷旁充填墙体全部承担；

第一岩梁回转下沉时对充填墙体加载压力为：

$p_1=\frac{C_1\×m_1\×r}{l_2};$

式中：C₁为第一岩梁周期来压步距，m₁为第一岩梁层厚度，r为岩石容重l₂为墙体宽度；

第二岩梁回转下沉时，第二岩梁对充填体加载压力为：充填体为煤层、充填墙体与矸石冒落区；

式中：C₂为第二岩梁周期来压步距，m₂为第二岩梁厚度，r为岩石容重，l₂为墙体宽度；

第n岩梁回转下沉时，第n岩梁对充填体加载压力为：

式中：C_n为第n岩梁周期来压步距，m_n为第n岩梁厚度；r为岩石容重，l₂为墙体宽度；

当第n岩梁回转下沉时，充填墙体受力为:P_w＝P₁+P₂+P₃+……P_n；

步骤四，根据采场地质条件、岩层参数及相似模拟比，确定底板岩层、煤层以及巷旁充填墙体铺设时的材料配比，铺设厚度、宽度，根据内应力场宽度及几何相似比确定模型中位于固定梁与加压梁之间铰接轴外侧的煤层宽度S₂，并在底板岩层及巷旁充填墙体内安装应力应变传感器；

步骤五，根据各岩梁在回转下沉中对充填墙体加载压力P_i及相似模拟实验中应力相似比k₃，确定在实验模型中充填墙体所受压力P3；实验模型中充填墙体所受压强为P₃＝P_i×k₃；

步骤六，利用加压机构依次恒压加载，模拟各岩梁回转下沉对充填墙体施加的载荷，记录并观察巷旁充填墙体及巷道底板受力及位移状况；利用加压机构通过加载重物进行压力调节，加载重物质量确定方法为：

其中：M表示加压重物重量，p₃--模型中充填墙体所受压强，k₄--加压杠杆压力放大系数，k₅--加压梁长度L与铰接轴距充填墙体长度L₁之间的比值。

附图说明

图1是本发明中实验装置的结构示意图；

图2是本发明中测试方法的流程示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种用于测试沿空留巷稳定性的实验装置及测试方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种用于测试沿空留巷稳定性的实验装置及测试方法，如图1所示的，其包括用于填充模拟材料的实验架，实验架上设置有支撑柱1，以增强实验架的稳定性，实验架上部设置顶部钢梁2，下部设置有底部槽钢3，顶部钢梁2下方的实验架设置有固定梁4，固定梁4的一端铰接有一加压梁5，加压梁5的另一端设置有加压机构，加压机构用于根据实验架内填充模拟材料的应力数值对加压梁5施加压力，直接将作用力施加在对应模拟材料上。

在本发明的另一较佳实施例中，上述加压机构包括支柱6，支柱6上铰接有一加压杠杆7，加压杠杆7一端设置有加载重物8，加载重物8还可以采用压力器、液压设备代替，加压杠杆7另一端铰接有一连杆9，连杆9的另一端设置有推动活塞10，推动活塞10设置在一液压管11内，液压管11一般采用刚性的液压管，进而增加其强度。液压管11的水平部通过固定块12设置在顶部钢梁2上，液压管11的末端内设置有加压活塞13，加压活塞13的下端设置有压头14，压头14与加压梁5相接触，液压管11的长度可以根据需要进行调整。

更进一步的，上述液压管11内填充有液压油，液压管11上设置有压力计15。

并且实验架包括左侧板16、右侧板17、前侧板与后侧板，左侧板16与右侧板17上均匀布置有多个定位孔18，可以通过定位孔18来确定固定梁4在左侧板16上的高度，也就是说固定梁4能在左侧板16或右侧板17的任一高度固定，前侧板由钢化玻璃制成兼作观察窗口，在加压梁5向模拟材料加压时可以清楚的观测到模拟材料的变化状态，前侧板、后侧板固定在左侧板16、右侧板17的对应处。

更进一步的，按照比例在实验架内设置有底板19，固定梁4、加压梁5形成的平面与底板19之间填充有煤层23，煤层23的一侧设置有充填墙体20，充填墙体20与煤层23之间形成巷道21，充填墙体20的另一侧为矸石冒落区22，可以通过加压杠杆7直接将作用力施加在充填墙体20上，煤层23、充填墙体20与矸石冒落区22一起形成充填体。

本发明还提供了一种根据所述实验装置之沿空留巷稳定性的测试方法，如图2所示的，其包括以下步骤：

步骤1，根据工作面上覆岩层柱状图、岩层力学参数、工作面宽度确定上覆岩层断裂拱高度(上覆岩层断裂拱高度为约工作面宽度1/2)以及拱内岩梁个数，各岩梁厚度，各岩梁周期来压步距。

某矿工作面基本条件

工作面采用走向长壁综合机械化采煤法，该工作面走向1637m，倾斜平均168m，采高3m。工作面内煤层赋存稳定，以块状及小块状亮煤为主，少量暗煤，煤质较好，表1为煤层顶板钻孔柱状图。如图1所示，为沿空留巷实验装置的示意图，充填墙体宽度2.5米。

表1

由凝灰质粉砂岩与凝灰岩构成的6.30m岩层构成直接顶，由粉砂岩、细粒砂岩、粗粒砂岩构成的15.5m岩层构成第一岩梁，由细粒砂岩、粗粒砂岩构成的62m岩层构成第二岩梁。断裂拱高度约为倾向长度1/2，即84m左右。

各岩梁周期来压计算方程式：

$C=\sqrt{\frac{m_{\mathrm{\ϵ}}\left[{\mathrm{\δ}}_t\right]}{3{\mathrm{\γ}}_E}};$

其中，C为岩梁周期来压步距，m_ξ为岩梁平均厚度，[δ_t]为岩梁抗拉强度，γ_E为岩石容重；

带入数据得C₁为16.98m，得C₂为24.3m。

步骤2，根据采场地质与开采参数，计算煤壁中内应力场范围，以便确定模型中位于固定梁4与加压梁5之间铰接轴外侧的煤层宽度S₂。

内应力场宽度计算方程式为：

其中：c_i--基本顶周期来压步距，H_g--断裂拱高度，S₁--支承压力高峰区距煤壁距离，K_max--应力集中系数，H--采深。带入数据得S₀＝6m。

S₂＝S₀×k₂；

其中：S₂--固定梁与加压梁之间铰接轴外侧的煤层宽度，S₀--内应力场宽度，k₂--几何相似比，取k₂为1：25，S₂为24cm。

步骤3，根据上覆岩层中断裂拱内岩梁个数，各岩梁厚度、容重，各岩梁周期来压步距，确定各岩梁在侧向开裂进而回转下沉过程中，对充填墙体20施加压强。第一岩梁垮回转下沉时，其重力由巷旁充填墙体20全部承担。第一岩梁回转下沉时，其重力由巷旁充填墙体20全部承担。

第一岩梁回转下沉时对充填墙体20加载压力为：

$p_1=\frac{C_1\×m_1\×r}{l_2};$

其中，C₁为第一岩梁周期来压步距，m₁为第一岩梁层厚度，r为岩石容重，l₂为墙体宽度；代入得P₁为2.8Mpa。

第二岩梁回转下沉时，对充填体加载压力为：充填体为煤层、充填墙体与矸石冒落区；

式中：C₂为第二岩梁周期来压步距，m₂为第二岩梁厚度，r为岩石容重，l₂为墙体宽度；代入得P₂为17.64Mpa。；

步骤4，根据采场地质条件、岩层参数及相似模拟比，确定底板19岩层、煤层23以及巷旁充填墙体20铺设时的材料配比，铺设厚度、宽度。根据内应力场宽度及几何相似比确定模型中位于固定梁4与加压梁5之间铰接轴外侧的煤层宽度S₂，并在底板19岩层及巷旁充填墙体20内安装应力应变传感器。

步骤5，根据各岩梁在回转下沉中对充填墙体20加载压力Pi及相似模拟实验中应力相似比k₃，确定在实验模型中充填墙体20所受压力P₃。实验模型中充填墙体20所受压强为P₃＝P_i×k₃。

取应力相似系数为1：150，第一岩梁回转下沉过程中模型中充填墙体受力0.009333Mpa，第二岩梁回转下沉过程中模型中充填墙体受力0.1176Mpa。

步骤6，利用加压机构依次恒压加载，模拟各岩梁回转下沉对充填墙体20施加的载荷，记录并观察巷旁煤层23及巷道内底板19受力及位移状况。加压机构利用加压机构通过加载重物8进行压力调节，加载重物质量确定方法为：其中：M表示加压重物重量，p₃表示模型中充填墙体所受压强，k₄表示加压杠杆压力放大系数，k₅表示加压梁长度L与铰接轴距充填墙体长度L₁之间的比值。取k₄为6，k₅为5，计算可得第一岩梁回转下沉时加压机构中重物8质量为4.9Kg,第二岩梁回转下沉时加压机构中重物8质量为30.87Kg。

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims (1)

1.一种沿空留巷稳定性的测试方法，其包括以下步骤：

步骤一，根据工作面上覆岩层柱状图、岩层力学参数、工作面宽度确定上覆岩层断裂拱高度以及拱内岩梁个数，各岩梁厚度，各岩梁周期来压步距，其中上覆岩层断裂拱高度为工作面宽度的1/2；

各岩梁周期来压计算方程式：

$C=\sqrt{\frac{m_e\[{\mathrm{\δ}}_t\]}{3{\mathrm{\γ}}_E}};$

其中，C为岩梁周期来压步距，m_e为岩梁平均厚度，[δ_t]为岩梁抗拉强度，γ_E为岩石容重；

步骤二，根据采场地质与开采参数，计算煤壁中内应力场范围，以确定模型中位于固定梁与加压梁之间铰接轴外侧的煤层宽度S₂；

内应力场宽度计算方程式为：

$S_0=\sqrt{\frac{2C_i{H}_g{S}_1}{K_{max}H}};$

其中：c_i为基本顶周期来压步距，H_g为断裂拱高度，S₁为支承压力高峰区距煤壁距离，Kmax为应力集中系数，H为采深；

S₂＝S₀×k₂；

其中：S₂为固定梁与加压梁之间铰接轴外侧的煤层宽度，S₀为内应力场宽度，k₂为几何相似比；

步骤三，根据上覆岩层中断裂拱内岩梁个数，各岩梁厚度、容重，各岩梁周期来压步距，确定各岩梁在侧向开裂进而回转下沉过程中，对充填墙体施加压强；

直接顶对充填墙体加载压力：

$p_0=\frac{m_z{r}_z(l_1+l_2)}{l_2};$

其中，l₁为巷道宽度，m_z为直接顶厚度，r_z为岩石容重，l₂为墙体宽度；

第一岩梁回转下沉时，其重力由巷旁充填墙体全部承担；

第一岩梁回转下沉时对充填墙体加载压力为：

$p_1=\frac{C_1\×m_1\×r}{l_2};$

式中：C₁为第一岩梁周期来压步距，m₁为第一岩梁层厚度，r为岩石容重，l₂为墙体宽度；

第二岩梁回转下沉时，第二岩梁对充填体加载压力为：充填体为煤层、充填墙体与矸石冒落区；

式中：C₂为第二岩梁周期来压步距，m₂为第二岩梁厚度，r为岩石容重，l₂为墙体宽度；

第n岩梁回转下沉时，第n岩梁对充填体加载压力为：

式中：C_n为第n岩梁周期来压步距，mⁿ为第n岩梁厚度；r为岩石容重，l₂为墙体宽度；

当第n岩梁回转下沉时，充填墙体受力为:P_w＝P₁+P₂+P₃+……P_n；

步骤四，根据采场地质条件、岩层参数及相似模拟比，确定底板岩层、煤层以及巷旁充填墙体铺设时的材料配比，铺设厚度、宽度，根据内应力场宽度及几何相似比确定模型中位于固定梁与加压梁之间铰接轴外侧的煤层宽度S₂，并在底板岩层及巷旁充填墙体内安装应力应变传感器；

步骤五，根据各岩梁在回转下沉中对充填墙体加载压力P_i及相似模拟实验中应力相似比k₃，确定在实验模型中充填墙体所受压力P₃；实验模型中充填墙体所受压强为P₃＝P_i×k₃；

步骤六，利用加压机构依次恒压加载，模拟各岩梁回转下沉对充填墙体施加的载荷，记录并观察巷旁充填墙体及巷道底板受力及位移状况；利用加压机构通过加载重物进行压力调节，加载重物质量确定方法为：

其中：M表示加压重物重量，p₃--模型中充填墙体所受压强，k₄--加压杠杆压力放大系数，k₅--加压梁长度L与铰接轴距充填墙体长度L₁之间的比值。