CN105716950B - 条带煤柱稳定性试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种条带煤柱稳定性试验装置及试验方法，条带煤柱稳定性试验装置包括试验箱体、加载单元、试验架以及供水单元，试验箱体包括下板、后侧板、前侧板、左侧板、右侧板和上板，加载单元包括液压组件、左压头、右压头、上压头、加压箱和水囊，试验架包括左立柱、右立柱和横梁，左压头连接左立柱，左压头的活柱连接左侧板，右压头连接右立柱，右压头的活柱连接右侧板，上压头连接横梁，上压头的活柱连接上板，供水单元连接水囊和水接头。本发明的有益效果为：结构牢固，组装简单，操作方便，模拟条带开采过程，试验得到的数据准确；模拟条带开采过程并获取条带开采中的数据，对条带煤柱的稳定性进行定量分析。

Description

条带煤柱稳定性试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及煤矿开采试验设备技术领域，特别是涉及一种条带煤柱稳定性试验装置及试验方法。

背景技术

随着城市建设的发展和煤炭开采强度的提高，我国建筑物下、水体下、铁路下的“三下”压煤量已迅速增大，条带开采是解决“三下”压煤的有效途径之一。条带开采是在开采范围内沿煤层走向或倾向划分一定尺寸的条带，采出一条、保留一条，采出条带与保留条带相间排列，依靠保留条带煤柱支撑上覆岩层，以减少上覆岩层的沉陷，控制岩层的移动，减少采动损害，实现对地表建(构)筑物、地形、地貌及地下结构保护的目的。采矿工程实践中，一方面，要求条带煤柱长期有效地支撑上覆岩层，但在相邻工作面推采完毕后，随着时间的推移，由于流变作用的影响，条带煤柱的强度会随上覆岩层作用的时间延长而降低；另一方面，为了减少资源浪费提高煤炭回收率，需要充分利用条带煤柱的支承能力，开采以前“三下”开采时留设的煤柱，与此同时，随着采深的增加，留设的煤柱也会越来越大，煤柱的受力状态、空间系统结构、力学性质均发生了极大的甚至本质的变化。现有技术中对条带煤柱的研究采用的方法主要有理论分析、数值计算、现场观测和室内试验。理论分析和数值计算忽略大量现场不确定因素，误差较大；现场观测开采完毕后的条带煤柱需再次进入采空区，困难较大，存在一定危险性；室内试验主要采用MTS伺服机进行单轴或者三轴煤岩压缩试验，主要研究煤岩体的强度，忽略了煤岩体的尺寸效应和煤层开采中采场水的耦合作用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种条带煤柱稳定性试验装置及试验方法以模拟条带开采过程并对条带煤柱的稳定性进行定量分析。

本发明提供一种条带煤柱稳定性试验装置，包括试验箱体、加载单元、试验架以及供水单元，试验箱体包括下板、后侧板、前侧板、左侧板、右侧板和上板，下板固定连接后侧板，后侧板经螺栓连接由透明材料制作的前侧板，加载单元包括液压组件、左压头、右压头、上压头、加压箱和水囊，液压组件液压连接左压头、右压头和上压头，加压箱包括渗流板、加压上板、支撑条板和加压条板，渗流板上开设有渗流孔，加压上板上固定连接有水接头，支撑条板与渗流板、加压上板的内表面固定连接，加压条板与渗流板、加压上板的四周固定连接，试验架包括左立柱、右立柱和横梁，横梁与左立柱、右立柱固定连接，左压头装配连接左立柱，左压头的活柱装配连接左侧板，右压头装配连接右立柱，右压头的活柱装配连接右侧板，上压头装配连接横梁，上压头的活柱装配连接上板，供水单元经水路连接水囊和水接头。

进一步的，加压条板包括加压左条板、加压右条板、加压前条板和加压后条板，加压左条板和加压右条板上固定连接有半圆柱体过渡板，过渡板的外表面装配连接有橡胶垫，加压前条板和加压后条板开设有凹槽，凹槽内装配连接有圆柱体橡胶条。

进一步的，左侧板的左边沿、右边沿和下边沿开设有凹槽，凹槽内装配连接有圆柱体橡胶条，右侧板的左边沿、右边沿和下边沿开设有凹槽，凹槽内装配连接有圆柱体橡胶条。

进一步的，左侧板或右侧板开设有试验连接孔。

进一步的，液压组件包括经液压管路串接的液压油箱、液压马达、液压阀门和液压表。

进一步的，供水单元包括经水路串接的水箱、水压力泵、水压表和水压阀门。

进一步的，前侧板由有机玻璃材料制成。

本发明还提供一种条带煤柱稳定性试验方法，应用上述的条带煤柱稳定性试验装置，包括以下步骤：

步骤一、选择配制顶板岩层、煤层和底板岩层的材料；

步骤二、在条带煤柱稳定性试验装置的试验箱体内逐层铺设加压箱、底板岩层、煤层、顶板岩层、加压箱，在煤层位置处间隔地铺设与煤层等高的水囊，在底板岩层和顶板岩层位置处埋设应力传感器、位移传感器和孔隙水压力传感器；

步骤三、通过加载单元对顶板岩层、煤层、底板岩层施加纵向压力或横向压力，或同时施加纵向压力和横向压力，向水囊内充相应压力的水；

步骤四、应力传感器达到应力标准后，通过顶板岩层上部的加压箱和底板岩层下部的加压箱施加高压水；

步骤五、水囊按照设定的方向放出水囊中的水以模拟煤层的开挖；

步骤六、煤层开挖后，根据试验的需要，渗流板中经渗流孔释放水；

步骤七、记录应力传感器、位移传感器和孔隙水压力传感器的数据。

进一步的，步骤二中在加压箱的外侧铺设合适倾角的混凝土三角块，以进行倾斜煤层模拟试验。

进一步的，步骤五中间隔一段时间，根据充填率的不同对水囊充填对应高度或对应压力的水。

与现有技术相比，本发明的条带煤柱稳定性试验装置具有以下特点和优点：

1、本发明的条带煤柱稳定性试验装置，结构牢固，组装简单，操作方便，可以模拟条带开采过程，试验得到的数据准确；

2、本发明的条带煤柱稳定性试验方法，模拟条带开采过程并获取条带开采中的数据，对条带煤柱的稳定性进行定量分析。

结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中条带煤柱稳定性试验装置模拟水平煤层时的结构示意图；

图2为本发明实施例中条带煤柱稳定性试验装置模拟倾斜煤层时的结构示意图；

图3为本发明实施例中条带煤柱稳定性试验装置的部分结构示意图；

图4为本发明实施例中条带煤柱稳定性试验装置中加压箱的结构示意图；

图5为本发明实施例中条带煤柱稳定性试验装置中左侧板和右侧板的结构示意图；

图6为本发明实施例中条带煤柱稳定性试验装置中供水单元和水囊的结构示意图；

其中，

11、下板，12、后侧板，13、前侧板，14、左侧板，15、右侧板，16、上板，2、螺栓，311、液压油箱，312、液压马达，313、液压阀门，314、液压表，315、液压管路，321、左压头，322、右压头，323、上压头，33、加压箱，331、渗流板，332、加压上板，333、支撑条板，334、加压条板，3341、过渡板，335、水接头，34、水囊，41、左立柱，42、右立柱，43、横梁，51、水箱，52、水压力泵，53、水压表，54、水压阀门，55、水管，6、试验连接孔，7、煤柱，81、顶板岩层，82、底板岩层，83、混凝土三角块，9、凹槽。

具体实施方式

如图1至图6所示，本实施例提供一种条带煤柱稳定性试验装置，包括试验箱体、加载单元、试验架以及供水单元。试验箱体包括下板11、后侧板12、前侧板13、左侧板14、右侧板15和上板16。左侧板14的左边沿、右边沿和下边沿开设有凹槽9，凹槽9内装配连接有圆柱体橡胶条，右侧板15的左边沿、右边沿和下边沿开设有凹槽9，凹槽9内装配连接有圆柱体橡胶条。左侧板14或右侧板15开设有试验连接孔6，传感器的信号线和连接水囊34的水管55穿过试验连接孔6连接计算机，在铺设完所需信号线和水管55后，采用强力胶填充整个实验孔连接孔6，防止渗水。下板11固定焊接后侧板12，在后侧板12两侧均匀布置10个螺孔，后侧板12经螺栓2连接由透明有机玻璃材料制作的前侧板13。前侧板13为透明材料，可以在试验过程实现可视操作，有机玻璃材料强度高，满足试验所需的力学要求。加载单元包括液压组件、左压头321、右压头322、上压头323、加压箱33和水囊34。水囊34包括若干个，水囊34可模拟未开采的煤层中除了煤柱7之外的煤层或充填开采时的充填体。在模拟一定高度的煤层时，在水囊34中注入相应高度的水体，关闭水压阀门54，此时水囊34能承受一定的压力，以模拟煤层受力。开采时，若干个水囊34根据煤层开采的方向按照一定的顺序放出水囊34中的水，模拟煤层的开挖。需要说明的是，水囊34可与水接头335处共用供水单元供水，但水囊34处和水接头335处的水压不一致。液压组件包括经液压管路315串接的液压油箱311、液压马达312、液压阀门313和液压表314。液压组件经液压管路315连接左压头321、右压头322和上压头323。加压箱33的长度及宽度小于试验箱的左侧板14和右侧板15，以便加压箱与左侧板14、右侧板15的接触位置有一定的行程。加压箱33包括渗流板331、加压上板332、支撑条板333和加压条板334。加压条板334包括加压左条板、加压右条板、加压前条板和加压后条板，加压左条板和加压右条板上固定连接有半圆柱体过渡板3341，便于加压箱33在不同煤层倾角试验实现加载，过渡板3341的外表面装配连接有橡胶垫，以实现加压箱33边缘的密封。加压前条板和加压后条板开设有凹槽9，凹槽9内装配连接有圆柱体橡胶条，以实现加压箱33侧边缘的密封。渗流板331上均匀开设有渗流孔，可实现对煤柱7、顶板岩层81、底板岩层82施加水压，实现研究一定的水压对煤柱稳定性的影响。加压上板332上固定连接有水接头335，支撑条板333与渗流板331、加压上板332的内表面固定连接，加压条板334与渗流板331、加压上板332的四周固定连接。试验架包括左立柱41、右立柱42和横梁43，横梁43与左立柱41、右立柱42固定连接。左压头321装配连接左立柱41，左压头321的活柱装配连接左侧板14，右压头322装配连接右立柱42，右压头322的活柱装配连接右侧板15，上压头323装配连接横梁43，上压头323的活柱装配连接上板16。供水单元包括经水管55串接的水箱51、水压力泵52、水压表53和水压阀门54，供水单元经水管55连接水囊34和水接头335。

本发明还提供一种条带煤柱稳定性试验方法，应用上述的条带煤柱稳定性试验装置，包括以下步骤：

步骤一、顶板岩层81、底板岩层82选择混凝土等相似材料，煤层中保留的煤柱7选择取样煤炭或混凝土等相似材料；

步骤二、在条带煤柱稳定性试验装置的试验箱体内逐层铺设加压箱33、底板岩层82、煤层(煤柱7和水囊34)、顶板岩层81、加压箱33，在煤层位置处间隔地铺设与煤柱7等高的水囊34，通过放出水囊34中的水可以模拟煤层的开挖，通过往水囊34中充水可以模拟对采煤工作面采空区的充填，在底板岩层82和顶板岩层81位置处埋设应力传感器、位移传感器和孔隙水压力传感器；

步骤三、通过加载单元对顶板岩层81、煤层、底板岩层82施加纵向压力或横向压力，或同时施加纵向压力和横向压力，向水囊34内充相应压力的水；

步骤四、应力传感器达到应力标准后，通过顶板岩层81上部的加压箱33和底板岩层82下部的加压箱33经渗流板331施加高压水；

步骤五、水囊34按照设定的方向放出水囊34中的水以模拟煤层的开挖；

步骤六、煤层开挖后，根据试验的需要，渗流板331中经渗流孔释放水，并对顶板岩层81、煤层、底板岩层82进行长期加载；

步骤七、经应力传感器、位移传感器和孔隙水压力传感器来监测应力、位移、孔隙水压力等数据，记录应力传感器、位移传感器和孔隙水压力传感器的数据，以对煤柱7的稳定性进行定量分析。

需要说明的是，本实施例中，当煤层有一定的倾角时，为保证条带煤柱稳定性试验装置的平衡，根据煤层倾角的需要，步骤二中在加压箱33的外侧铺设合适倾角的混凝土三角块83，以进行倾斜煤层模拟试验。若进行充填开采，按照开采的过程，步骤五中间隔一段时间，使顶板岩层81持续一定的垮落运动时间，根据充填率的不同对水囊34充填对应高度或对应压力的水。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种条带煤柱稳定性试验方法，应用条带煤柱稳定性试验装置，条带煤柱稳定性试验装置包括试验箱体、加载单元、试验架以及供水单元，试验箱体包括下板、后侧板、前侧板、左侧板、右侧板和上板，下板固定连接后侧板，后侧板经螺栓连接由透明材料制作的前侧板，加载单元包括液压组件、左压头、右压头、上压头、加压箱和水囊，液压组件液压连接左压头、右压头和上压头，加压箱包括渗流板、加压上板、支撑条板和加压条板，渗流板上开设有渗流孔，加压上板上固定连接有水接头，支撑条板与渗流板、加压上板的内表面固定连接，加压条板与渗流板、加压上板的四周固定连接，试验架包括左立柱、右立柱和横梁，横梁与左立柱、右立柱固定连接，左压头装配连接左立柱，左压头的活柱装配连接左侧板，右压头装配连接右立柱，右压头的活柱装配连接右侧板，上压头装配连接横梁，上压头的活柱装配连接上板，供水单元经水路连接水囊和水接头；其特征在于,包括以下步骤：

步骤一、选择配制顶板岩层、煤层和底板岩层的材料；

步骤二、在试验箱体内逐层铺设加压箱、底板岩层、煤层、顶板岩层、加压箱，在煤层位置处间隔地铺设与煤柱等高的水囊，在底板岩层和顶板岩层位置处埋设应力传感器、位移传感器和孔隙水压力传感器；

步骤三、通过加载单元对顶板岩层、煤层、底板岩层施加纵向压力或横向压力，或同时施加纵向压力和横向压力，向水囊内充相应压力的水；

步骤四、应力传感器达到应力标准后，通过顶板岩层上部的加压箱和底板岩层下部的加压箱施加高压水；

步骤五、水囊按照设定的方向放出水囊中的水以模拟煤层的开挖；

步骤六、煤层开挖后，根据试验的需要，渗流板中经渗流孔释放水；

步骤七、记录应力传感器、位移传感器和孔隙水压力传感器的数据。

2.根据权利要求1所述的条带煤柱稳定性试验方法，其特征在于：加压条板包括加压左条板、加压右条板、加压前条板和加压后条板，加压左条板和加压右条板上固定连接有半圆柱体过渡板，过渡板的外表面装配连接有橡胶垫，加压前条板和加压后条板开设有凹槽，凹槽内装配连接有圆柱体橡胶条。

3.根据权利要求1或2所述的条带煤柱稳定性试验方法，其特征在于：左侧板的左边沿、右边沿和下边沿开设有凹槽，凹槽内装配连接有圆柱体橡胶条，右侧板的左边沿、右边沿和下边沿开设有凹槽，凹槽内装配连接有圆柱体橡胶条。

4.根据权利要求3所述的条带煤柱稳定性试验方法，其特征在于：左侧板或右侧板开设有试验连接孔。

5.根据权利要求4所述的条带煤柱稳定性试验方法，其特征在于：液压组件包括经液压管路串接的液压油箱、液压马达、液压阀门和液压表。

6.根据权利要求5所述的条带煤柱稳定性试验方法，其特征在于：供水单元包括经水路串接的水箱、水压力泵、水压表和水压阀门。

7.根据权利要求1所述的条带煤柱稳定性试验方法，其特征在于：前侧板由有机玻璃材料制成。

8.根据权利要求1所述的条带煤柱稳定性试验方法，其特征在于：步骤二中在加压箱的外侧铺设合适倾角的混凝土三角块，以进行倾斜煤层模拟试验。

9.根据权利要求1所述的条带煤柱稳定性试验方法，其特征在于：步骤五中间隔一段时间，根据充填率的不同对水囊充填对应高度或对应压力的水。