CN104931353B - 煤柱塑性区测试方法和测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种煤柱塑性区测试方法和测试装置，其包括，预先垂直于待测试煤柱墙体钻取一钻孔；步骤二、在所述钻孔的孔深方向确定多个测试位置，测量每个所述测试位置到所述钻孔孔口处的距离值；每个所述测试位置的孔壁施加使孔壁发生脆性破坏时的压力，得到该压力施加在孔壁的强度值；步骤三、将每个所述测试位置的所述距离值和所述强度值拟合生成所述待测试煤柱的强度曲线；步骤四、所述强度曲线中包括一距离值增加时的强度值上升曲线段，从所述上升曲线段中获取所述待测试煤柱的塑性区。本发明提供一种煤柱塑性区的测试方法和装置，利用本方法和装置可以对煤柱的塑性区进行安全、准确的测试。

Description

煤柱塑性区测试方法和测试装置

技术领域

本发明属于煤柱塑性区领域，特别涉及一种煤柱塑性区测试方法和测试装置。

背景技术

在水利、矿山、交通、建筑等多个领域的地下工程之中，对于单轴强度不高的岩体，在开挖空间周围的岩体存在塑性区和弹性区，且塑性区包围弹性区。尤其对煤矿来说，煤矿开采深度逐年增加，煤体的强度不高，煤柱存在较大的塑性区，且随着煤矿工作面的推进，煤柱塑性区大小发生变化。确定煤柱塑性区的范围，从而确定煤柱内部是否存在弹性区，是判断煤柱是否稳定、可靠一种基本方法。

对煤柱的特性进行分析发现，从煤柱表面至其内部依次包括塑性区和弹性区。目前在煤柱设计、安全和可靠性评价中，仅通过测量煤柱应力是否降低来判断煤柱塑性区发展规律，但是煤柱应力监测在空间上是不连续的，不能通过测量煤柱应力的方法来准确确定塑性区的发展规律。

本发明利用煤柱中弹性区的强度值大于塑性区的强度值，并且，在同一层位的煤体弹性区的强度值相同，塑性区的强度值不相等的特性，研发一种煤柱塑性区测试方法和测试装置。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供一种煤柱塑性区测试方法，从待测试煤柱表面到内部进行多点测试，得到煤柱发生脆性破坏时所需要的压力的强度，利用强度值和测试位点距离煤柱表面的距离值拟合生成强度曲线，根据同一层位弹性区的强度值相等的特性确定塑性区所对于的曲线区段，进而得到待测试煤柱的塑性区。

本发明还有一个目的是提供一种煤柱塑性区测试装置，本装置对待测试煤柱施加并测量使其发生脆性破坏的压力的强度值，同时测量探针作用位点距离煤柱表面的距离值，并对强度值和距离值拟合生成强度曲线，从强度曲线确定待测试煤柱的塑性区。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种煤柱塑性区测试方法，包括：

步骤一、预先垂直于待测试煤柱墙体钻取一钻孔；

步骤二、在所述钻孔的孔深方向确定多个测试位置，测量每个所述测试位置到所述钻孔孔口处的距离值；从所述孔口处开始依次对每个所述测试位置的孔壁施加使孔壁发生脆性破坏时的压力，记录该压力的数值，并将所述压力数值作为所述待测试煤柱墙体承受的作用力的强度值；步骤三、将每个所述测试位置所对应的所述距离值和所述强度值进行拟合生成所述待测试煤柱在钻孔所在层位的强度曲线；

步骤四、所述强度曲线中包括一距离值增加时的强度值上升曲线段，从所述上升曲线段中获取最大距离值，则在所述钻孔所在层位上从所述待测试煤柱表面至所述最大距离值的区域为所述待测试煤柱的塑性区。

优选的是，所述的煤柱塑性区测试方法中，所述步骤一中还包括确定所述钻孔的孔径深度：

预先根据A.H.威尔逊煤柱估计所述待测试煤柱塑性区域的估计宽度值；

则所述钻孔的钻孔深度值不小于所述估计宽度值。根据待测试煤柱中的宽度值确定钻孔的深度，使得该钻孔的深度不小于预测的宽度值，例如，估计的宽度值为4m，则所述钻孔的深度值为10m，使得钻孔的孔深方向上包括全部的塑性区，确保对待测煤柱的塑性区进行准确测量。

优选的是，所述的煤柱塑性区测试方法中，

每个所述测试位置包括两个测试点，两个所述测试点的连线与所述孔壁圆周的一直径重合，且任两个测试位置处的所述测试点分布在同一平面上；

测量并计算每个所述测试点的孔壁发生脆性破坏时的压力的强度值，计算两个所述强度值的平均值并将该平均值作为该测试位置的强度值。在同一测试位置处孔壁上选取两个测试点，分别对两个测试点进行强度值测试，将两次测试结果的平均值作为该测试位置的强度值，从而保证强度值的准确性，避免测量误差。

优选的是，所述的煤柱塑性区测试方法中，所述步骤二中对每个孔壁施加使孔壁发生脆性破坏性压力的具体过程为：

对每一所述测试点的孔壁施加一初始压力，并逐渐增加该初始压力的压力强度直至孔壁发生脆性破坏时，并记录此时压力的数值。为了准确记录每个测试点发生脆性破坏的压力的压力值，逐渐增加对作用位点的压力，以便准确确定发生脆性破坏时间，进而准确确定的压力的数值。

优选的是，所述的煤柱塑性区测试方法中，多个所述测试位置在所述钻孔的孔深方向上等间距排布。等间距测量是为了提高强度曲线的精确度。

优选的是，所述的煤柱塑性区测试方法中，任两个所述测试位置的间距为100-500mm。以钻孔深度10m为例，具体测量过程中可以根据实际情况确定测试位置的间距，如可以每间隔100mm测量一次，或每间隔300mm测量一次，或者间隔500mm测量一次，

本发明的另一个目的是提供一种煤柱塑性区测试装置，其包括：

探针，其连接在一压力提供装置的输出端，所述探针接收所述压力提供装置的压力并垂直作用于待测试煤柱塑性区的钻孔侧壁；

位移传感器，其与所述探针同步杆连接，所述位移传感器用于感应所述探针垂直于所述孔壁方向上的位移并输出一电信号；

第一接收仪，其与所述位移传感器信号线连接，所述第一接受仪接收并显示所述电信号；

第二接受仪，其与所述压力提供装置输出端电连接，所述第二接受仪记录所述压力提供装置输出的压力的压力值，并将最大的压力值作为待测试煤柱承受压力的强度值，将所述强度值上传至数据库；

测量杆，其与所述探针固定连接，所述测量杆用于测量所述探针距离所述钻孔孔口处的距离值，并将所述距离值上传至数据库中；

所述数据库，其接收所述最大强度值和所述距离值，并将所述最大强度值与所述距离值绑定作为测试数据存储；

数据处理模块，其从所述数据库中调取所有所述测试数据，并利用所述测试数据拟合生成所述待测试煤柱的强度曲线图；从所述强度曲线中包括一距离值增加时强度值上升的上升曲线段，所述数据处理模块从所述上升曲线段中读取最大距离值，则所述待测试煤柱在所述钻孔所在层位上，从所述待测试煤柱表面至所述最大距离值的区域为所述待测试煤柱在该层位的塑性区。

其中，当所述第一接收仪显示所述电信号时，所述压力提供装置停止输出压力。

本发明利用探针对所述待测煤柱中每个测试位点施加压力，使待测试煤柱的墙壁发生脆性破坏，其具体过程为，破坏前墙壁无明显损坏，因为探针施加的压力使得墙体表面出现裂纹等表象，同时，探针突然向墙体内部移动，位移传感器检测到探针此时的位移变化即证明探针对墙体施加的压力正好使得待测试煤柱腔体发送脆性破坏，计算此时探针输出的压力的强度值以及测试位点距离待测试煤柱墙体表面的距离值，并利用所有距离值和压力的强度值拟合生成强度曲线，从而确定待测试煤柱的塑性区。

优选的是，所述的煤柱塑性区测试装置中，还包括一角度测试装置；

所述角度测试装置与所述强度测试装置固定连接，所述角度测试装置用于测量所述强度测试装置上的探针与水平线的角度，并将所述角度值上传至数据库。为了保证测量的准确性，需要在每个测试位置的圆周孔壁上选取两个位于同一层的测试点，在某一测试位置的第一测试位点时，保证探针处于水平位置处，当需要对第二测试点进行测试时，旋转探针并根据角度测试装置测量的角度值保证探针旋转180°，即探针在第二测试点也处于水平位置。

优选的是，所述的煤柱塑性区测试装置中，还包括一显示器；

所述显示器从所述数据库中调取所述角度值，并显示所述角度值；操作者根据所述角度值，旋转所述探针使得所述角度值为0。

优选的是，所述的煤柱塑性区测试装置，压力提供装置为一加压油泵。加压油泵为探针提供动力来源，并记录其输出压力的压力值。

本发明的有益效果如下：

1、所述煤柱塑性区测试方法和测试装置中，利用同一层面煤柱的塑性区和弹性区应力的强度值的特征，绘制待测试煤柱的强度曲线并确定待测煤柱的塑性区，测试方法简单，易行，并能对待测煤柱的塑性区进行准确测量。

2、所述煤柱塑性区测试装置中，其结构简单，操作方便。

附图说明

图1为本发明所述的煤柱塑性区测试方法流程图；

图2为本发明所述的煤柱塑性区测试装置结构示意图；

图3为本发明其中一个实施例所述的煤柱塑性区测试装置中包括所述探头和位移传感器的强度探头装置的结构示意图；

图4为本发明其中一个实施例所述的煤柱塑性区测试装置中角度测试装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

本发明公开了一种煤柱塑性区测试方法，如图1所示，该方法至少包括：

步骤一、预先根据A.H.威尔逊公式估计所述待测试煤柱塑性区域的估计宽度值；

垂直于待测试煤柱墙体钻取一钻孔，且所述钻孔的钻孔深度值不小于所述估计宽度值；

步骤二、在所述钻孔的孔深方向确定多个测试位置，测量每个所述测试位置到所述钻孔孔口处的距离值；从所述孔口处开始依次对每个所述测试位置的孔壁施加使孔壁发生脆性破坏时的压力，记录该压力的数值，并将所述压力数值作为所述待测试煤柱墙体承受的作用力的强度值；

步骤三、将每个所述测试位置所对应的所述距离值和所述强度值进行拟合生成所述待测试煤柱在钻孔所在层位的强度曲线；

步骤四、所述强度曲线中包括一距离值增加时的强度值上升曲线段，从所述上升曲线段中获取最大距离值，则在所述钻孔所在层位上从所述待测试煤柱表面至所述最大距离值的区域为所述待测试煤柱的塑性区。

上述方案中，所述步骤二中对每个孔壁施加使孔壁发生脆性破坏性压力的具体过程为：

对每一所述测试点的孔壁施加一初始压力，并逐渐增加该初始压力的压力强度直至孔壁发生脆性破坏时，并记录此时压力的数值。

在另一种实例中，每个所述测试位置包括两个测试点，两个所述测试点的连线与所述孔壁圆周的一直径重合，且任两个测试位置处的所述测试点分布在同一平面上；即测量并计算两个所述测试点的孔壁发生脆性破坏时的压力的强度值，计算两个所述强度值的平均值并将该平均值作为该测试位置的强度值。

在另一种实例中，多个所述测试位置在所述钻孔的孔深方向上等间距排布，且任两个所述测试位置的间距为100-500mm；优选的是，且任两个所述测试位置的间距为100mm；优选的是，且任两个所述测试位置的间距为500mm；优选的是，且任两个所述测试位置的间距为300mm。

本发明公开了一种煤柱塑性区测试装置，如图2所示，其包括：

探针1，其连接在一压力提供装置2的输出端，所述探针1接收所述压力提供装置2的压力并垂直作用于待测试煤柱3塑性区的钻孔4侧壁；

位移传感器120，其与所述探针同步杆连接，所述位移传感器120用于感应所述探针1垂直于所述孔壁方向上的位移并输出一电信号；

所述探针1和所述位移传感器120安装在一强度探针装置上，所述强度探针装置的具体结构如图3所示，所述强度探针装置包括，探针1、保护套100、压板110、位移传感器120、同步杆130、活塞140、压盖150和连接部160.

第一接收仪5，其与所述位移传感器120信号线连接，所述第一接受仪5接收并显示所述电信号；

第二接受仪6，其与所述压力提供装置2输出端电连接，所述第二接受仪6记录所述压力提供装置2输出压力的压力值，并将所述最大的压力值作为待测试煤柱承受的压力的强度值上传至数据库；

测量杆7，其与所述探针1固定连接，所述测量杆7用于测量所述探针1距离所述钻孔孔口处的距离值，并将所述距离值上传至数据库中；

所述数据库，其接收所述最大强度值和所述距离值，并将所述最大强度值与所述距离值绑定作为测试数据存储；

数据处理模块，其从所述数据库中调取所有所述测试数据，并利用所述测试数据拟合生成所述待测试煤柱的强度曲线图；从所述强度曲线中包括一距离值增加时强度值上升的上升曲线段，所述数据处理模块从所述上升曲线段中读取最大距离值，则所述待测试煤柱在所述钻孔所在层位上，从所述待测试煤柱表面至所述最大距离值的区域为所述待测试煤柱在该层位的塑性区。

其中，当所述第一接收仪显示所述电信号时，所述压力提供装置停止输出压力。

上述方案中的煤柱塑性区测试装置，还包括一角度测试装置8；

所述角度测试装置8与所述探针1固定连接，所述角度测试装置8用于测量所述探针1与水平线的角度，并将所述角度值上传至数据库；所述角度测试装置8的具体结构如图4所示，其包括倾角传感器800、电路板810、压盖820和连接部830。

上述方案中的煤柱塑性区测试装置，还包括一显示器；

所述显示器从所述数据库中调取所述角度值，并显示所述角度值；操作者根据所述角度值，旋转所述探针从而使得每个所述测试位置包括两个测试点，两个所述测试点的连线与所述孔壁圆周的一直径重合，且任两个测试位置处的所述测试点分布在同一平面上；

上述方案中，所述压力提供装置2为一加压油泵。

尽管本发明的实施例已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。

Claims (10)

1.煤柱塑性区测试方法，其特征在于，包括：

步骤一、预先垂直于待测试煤柱墙体钻取一钻孔；

步骤二、在所述钻孔的孔深方向确定多个测试位置，测量每个所述测试位置到所述钻孔孔口处的距离值；从所述孔口处开始依次对每个所述测试位置的孔壁施加使孔壁发生脆性破坏时的压力，记录该压力的压力数值，并将所述压力数值作为所述待测试煤柱墙体承受的作用力的强度值；

步骤三、将每个所述测试位置所对应的所述距离值和所述强度值进行拟合生成所述待测试煤柱在钻孔所在层位的强度曲线；

步骤四、所述强度曲线中包括一距离值增加时的强度值上升曲线段，从所述上升曲线段中获取最大距离值，则在所述钻孔所在层位上从所述待测试煤柱表面至所述最大距离值的区域为所述待测试煤柱的塑性区。

2.如权利要求1所述的煤柱塑性区测试方法，其特征在于，所述步骤一中还包括确定所述钻孔的孔径深度：

预先根据A.H.威尔逊公式估计所述待测试煤柱塑性区域的估计宽度值；

则所述钻孔的钻孔深度值不小于所述估计宽度值。

3.如权利要求2所述的煤柱塑性区测试方法，其特征在于，

每个所述测试位置包括两个测试点，两个所述测试点的连线与所述孔壁圆周的一直径重合，且任两个测试位置处的所述测试点分布在同一平面上；

测量并计算每个所述测试点的孔壁发生脆性破坏时的压力的强度值，计算两个所述强度值的平均值并将该平均值作为该测试位置的强度值。

4.如权利要求3所述的煤柱塑性区测试方法，其特征在于，所述步骤二中对每个孔壁施加使孔壁发生脆性破坏性压力的具体过程为：

对每一所述测试点的孔壁施加一初始压力，并逐渐增加该初始压力的压力强度直至孔壁发生脆性破坏时，并记录此时压力的数值。

5.如权利要求4所述的煤柱塑性区测试方法，其特征在于，多个所述测试位置在所述钻孔的孔深方向上等间距排布。

6.如权利要求5所述的煤柱塑性区测试方法，其特征在于，任两个所述测试位置的间距为100-500mm。

7.煤柱塑性区测试装置，其特征在于，包括：

探针，其连接在一压力提供装置的输出端，所述探针接收所述压力提供装置的压力并垂直作用于待测试煤柱塑性区的钻孔侧壁；

位移传感器，其与所述探针同步杆连接，所述位移传感器用于感应所述探针垂直于孔壁方向上的位移并输出一电信号；

第一接收仪，其与所述位移传感器信号线连接，所述第一接受仪接收并显示所述电信号；

第二接受仪，其与所述压力提供装置输出端电连接，所述第二接受仪记录所述压力提供装置输出压力的压力值，并将最大的压力值作为待测试煤柱承受的压力的强度值上传至数据库；

测量杆，其与所述探针固定连接，所述测量杆用于测量所述探针距离所述钻孔孔口处的距离值，并将所述距离值上传至数据库中；

所述数据库，其接收最大强度值和所述距离值，并将所述最大强度值与所述距离值绑定作为测试数据存储；

数据处理模块，其从所述数据库中调取所有所述测试数据，并利用所述测试数据拟合生成所述待测试煤柱的强度曲线图；从所述强度曲线中包括一距离值增加时强度值上升的上升曲线段，所述数据处理模块从所述上升曲线段中读取最大距离值，则所述待测试煤柱在所述钻孔所在层位上，从所述待测试煤柱表面至所述最大距离值的区域为所述待测试煤柱在该层位的塑性区；

其中，当所述第一接收仪显示所述电信号时，所述压力提供装置停止输出压力。

8.如权利要求7所述的煤柱塑性区测试装置，其特征在于，还包括一角度测试装置；

所述角度测试装置与所述探针固定连接，所述角度测试装置用于测量所述探针与水平线的角度，并将测试角度值上传至数据库。

9.如权利要求8所述的煤柱塑性区测试装置，其特征在于，还包括一显示器；

所述显示器从所述数据库中调取所述角度值，并显示所述角度值。

10.如权利要求9所述的煤柱塑性区测试装置，其特征在于，压力提供装置为一加压油泵。