CN107478804A - 模拟采动影响下不同区域煤体受力的非均布加载方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种模拟采动影响下不同区域煤体受力的非均布加载方法，包括以下步骤：从煤矿回采施工现场采集制作煤岩试样；利用现有材料制作类煤岩试样；将多个类煤岩试样依次排列为一列模拟煤岩依次排列的不同区域；对不同区域类煤岩试样施加非均布载荷；记录试验数据；对试验数据进行数据分析以研究深部采动应力下不同区域煤岩的变形破坏特征及动力灾变孕育过程。本发明的有益效果：对不同区域的类煤岩试样施加非均布载荷，逼真地模拟深部开采煤体支承应力分布规律，进而定量研究深部采动应力下不同区域煤岩变形破坏特征及动力灾变孕育过程。

Description

模拟采动影响下不同区域煤体受力的非均布加载方法
技术领域
本发明涉及采矿工程模拟试验技术领域，特别是涉及一种模拟采动影响下不同区域煤体受力的非均布加载方法。
背景技术
如图1所示，煤矿巷道掘进或工作面开采时，在采动压力和开挖卸荷作用下，采掘空间围岩经历了支承压力升高而围压逐渐降低的过程，巷道两侧和工作面前方不同部位煤(岩)体支承压力和围压区域特征明显。在不同开采深度及开采方式条件下，虽然支承应力的分布规律基本一致，但是不同区域煤体所承受的采动应力和围压不同，因此其承载能力和变形变形破坏特征也不相同。
目前国内外学者主要通过理论分析、数值模拟和室内力学实验研究岩石的变形破坏特征，在室内力学实验方面，目前主要的试验方法为单轴、三轴、循环加卸载和卸围压等，上述方法的试验对象为单一岩石试件，无法进行多个岩石试件的试验，并且上述试验方法主要通过改变岩石试件的围压来模拟该试件所处的不同区域。然而实际开采过程中，处在同一开采深度，距离采掘空间不同位置的煤岩体受到的采动应力和围压有明显差异，并且不同区域的煤岩体的变形破坏往往受到相邻区域煤岩体的变形破坏的影响。因此，目前国内外学者主要通过理论分析和室内力学试验，对煤岩变形破坏特征进行了大量研究。姜德义等人在《盐岩在围压卸荷作用下的扩容特征研究》中研究了岩盐在围压卸荷作用下的变形扩容特征，认为与单轴压缩条件相比，卸荷条件下变形速率及幅度减小，并且温度对变形存在促进作用；刘泉声等人在《高位应力下原煤三轴压缩力学特性研究》中研究了常规三轴不同围压下原煤的变形破坏特性，结果表明在低围压条件下表现出变形机制，且围压越低变形特征越明显；李杨杨在《采动影响下煤(岩)体变形破坏特征及能量演化规律研究》中研究了单轴循环加卸载下煤岩变形破坏特征及能量演化规律，提出了煤岩变形破坏过程发展阶段能量的积聚和释放机制。然而目前仍然以下问题有待进一步研究和探讨，如传统试验只是对单个煤岩试样进行均布加载分析，无法模拟深部开采煤体支承应力分布规律；如何通过非均布载荷试验模拟深部采动的真实过程，非均布载荷试验下不同区域煤岩损伤破坏行为与常规力学试验存在怎样的差异，该如何描述非均布载荷下煤岩变形破坏特征和破裂碎胀演化机制；某一区域煤岩变形破坏对相邻区域煤岩承载能力、变形破坏特征及能量积聚和释放的有何影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种模拟采动影响下不同区域煤体受力的非均布加载方法，对不同区域的类煤岩试样施加非均布载荷，逼真地模拟深部开采煤体支承应力分布规律，进而定量研究深部采动应力下不同区域煤岩的变形破坏特征及灾变孕育过程。
本发明提供一种模拟采动影响下不同区域煤体受力的非均布加载方法，包括以下步骤：
步骤一、从煤矿回采施工现场采集煤岩并制作煤岩试样，对煤岩试样进行力学试验得到煤岩试样的力学参数；
步骤二、将水泥、碳酸钙、煤粉、水和外加剂按照比例注入模具中制作多个类煤岩试样，类煤岩试样的力学参数与煤岩试样的力学参数相似，在类煤岩试样中设置有应力应变传感器布置孔道，在应力应变传感器布置孔道中布置有应力应变传感器；
步骤三、将多个类煤岩试样依次排列为一列，相邻的类煤岩试样接触面之间通过粘合剂粘接，以模拟煤岩依次排列的不同区域；
步骤四、通过同步位移控制方式对多个类煤岩试样施加水平应力F至预定值，通过同步位移控制方式对多个类煤岩试样从右到左分别施加垂向应力P1、P2、P3……Pn至预定值P，此时P与P1、P2、P3……Pn均相等，侧向约束力FC由水平应力F和垂向应力P1、P2、P3……Pn共同作用产生；
步骤五、通过位移控制方式对最右端的类煤岩试样加载，设定停止加载阈值σm，其中，σm为岩石的峰后强度，设定σm＝40％×峰值强度，峰值强度在试验过程中自动识别，加载作位移保持，以模拟实际开采过程中煤体卸压区；
通过位移控制方式分别对最右端和最左端之间的类煤岩试样加载，设定停止加载阈值分别为P′2、P′3……P′n-1，P′2＝2P，P′3……P′n-1在小于2P且大于P的范围内依次递减，以模拟实际开采过程中煤体应力集中区；
对最左端的类煤岩试样保持Pn＝P的加载不变，加载作位移保持，以模拟实际开采过程中原岩应力区；
步骤六、通过同步应力控制方式对最右端和最左端之间的类煤岩试样加载至类煤岩试样完全破坏；
步骤七、在步骤一至步骤六的过程中，记录水平应力和水平位移的试验数据，记录垂向应力和垂向位移的试验数据，由应力应变传感器监测获得侧向约束力和侧向位移的试验数据，通过声发射系统监测类煤岩试样破坏各阶段声发射能量、累计振铃计数和波形的试验数据；
步骤八、由步骤七的试验数据得到在不同垂向应力、水平应力和侧向约束力下煤岩进入峰前损伤变形与峰后破裂碎胀阶段的临界条件，以及得到在不同垂向应力、水平应力和侧向约束力下煤岩变形破坏行为与能量演化的内在关系，分析某一区域煤岩变形破坏对相邻区域煤岩承载能力、变形破坏特征及能量积聚和释放的影响，以研究深部采动应力下不同区域煤岩的变形破坏特征及灾变孕育过程。
进一步的，步骤二中，所述模具的一侧开设有槽口，槽口中滑动连接有调整垫板，根据调整垫板伸入槽口的长度来设置成型的类煤岩试样中应力应变传感器布置孔道的深度。
进一步的，通过粘合剂将应力应变传感器粘贴于应力应变传感器布置孔道内，向应力应变传感器布置孔道内装满填充物并将槽口打磨平整。
进一步的，步骤一中，对煤岩试样进行单轴和三轴力学试验得到煤岩试样抗压强度、内摩擦角及泊松比的力学参数。
进一步的，步骤二中，采用正交试验法确定水泥、碳酸钙、煤粉、水和外加剂的比例，以使类煤岩试样的力学参数与煤岩试样脆性、剪胀及摩擦特性的力学参数相似。
进一步的，步骤二中，先将水泥、碳酸钙、煤粉、水和外加剂按照比例混合成配比材料并搅拌，将搅拌好的配比材料注入模具中，通过振动台将模具中的配比材料振动均质密实，1天后拆除模具，将得到的类煤岩试样放入养护箱养护28天。
进一步的，步骤四中，施加水平应力F的同步位移控制方式设定为0.5mm/min，施加垂向应力的同步位移控制方式设定为0.5mm/min。
进一步的，步骤五中，对最右端的类煤岩试样加载的位移控制方式设定为0.5mm/min，对最右端和最左端之间的类煤岩试样加载的位移控制方式设定为0.5mm/min。
进一步的，步骤六中，对最右端和最左端之间的类煤岩试样加载的同步应力控制方式设定为0.5kN/s。
进一步的，步骤七中，声发射系统为PCI-2声发射系统，设置PCI-2声发射系统的主放为40dB，门槛值为45dB，探头谐振频率为20-400kHz，采样频率为106次/s。
与现有技术相比，本发明的模拟采动影响下不同区域煤体受力的非均布加载方法具有以下特点和优点：
本发明的模拟采动影响下不同区域煤体受力的非均布加载方法，基于煤岩试样制备多个类煤岩试样并依次排列，对不同区域的类煤岩试样施加非均布载荷，以逼真地模拟深部开采煤体支承应力分布规律，试验过程中记录相关数据参数，根据数据参数得到在不同垂向应力、水平应力和侧向约束力下煤岩进入峰前损伤变形与峰后破裂碎胀阶段的临界条件，以及得到在不同垂向应力、水平应力和侧向约束力下煤岩变形破坏行为与能量演化的内在关系，分析某一区域煤岩变形破坏对相邻区域煤岩承载能力、变形破坏特征及能量积聚和释放的影响，以定量研究深部采动应力下不同区域煤岩体的变形破坏及灾变孕育过程。
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为现场煤柱受力示意图；
图2为本发明实施例的模拟采动影响下不同区域煤体受力的非均布加载方法的原理示意图；
图3为本发明实施例5个区域(类煤岩试样)的受力示意图；
图4为本发明实施例5个区域(类煤岩试样)的结构示意图；
图5为本发明实施例类煤岩试样中传感器的布置示意图；
其中，1、应力应变传感器布置孔道，21、位移传感器，22、应力传感器。
具体实施方式
本实施例的模拟采动影响下不同区域煤体受力的非均布加载方法，采用自主研发的采动应力试验系统、采动应力伺服系统和计算机控制系统。
①采动应力试验系统分为垂直加载系统和水平加载系统两部分，垂直加载系统由5组轴向加载单元组成，可分别独立施加轴向应力P1、P2、P3、P4、P5，实现对煤岩垂直方向施加非均布荷载；水平加载系统由3组水平加载单元组成，可分别独立施加水平应力F1、F2、F3，实现对煤岩水平方向施加非均布荷载，也可实现对煤岩水平方向整体均匀加载。
②采动应力伺服系统具有多个测量通道，每个测量通道可以分别进行荷载、位移、变形等的单独控制或几个测量通道的联合控制，而且多种控制方式间可以实现无冲击转换；测量控制精度可达到示值的±1％，力控制荷载加载速率最小、最大分别为0.05kN/s和100kN/s，位移控制加载速率最小、最大分别为0.5mm/min和100mm/min，位移控制稳定时间为72h，其测量控制精度可达到示值的±1％。
③计算机控制系统：采动应力试验系统的计算机控制系统具有多个控制模式，包括：应力转移试验模式、单次试验模式、编程试验模式和同步编程试验模式。
如图2至图5所示，本实施例提供一种模拟采动影响下不同区域煤体受力的非均布加载方法，包括以下步骤：
步骤一、从煤矿回采施工现场采集煤岩并制作煤岩试样，对煤岩试样进行力学试验得到煤岩试样的力学参数，具体的，是对煤岩试样进行单轴和三轴力学试验得到煤岩试样抗压强度、内摩擦角及泊松比的力学参数。
步骤二、依据《普通混凝土配合比设计规程》，将水泥、碳酸钙、煤粉(粒径≤1mm)、水和外加剂按照比例注入模具(150mm×100mm×150mm)中制作五个类煤岩试样，具体的，先将水泥、碳酸钙、煤粉、水和外加剂按照比例混合成配比材料并搅拌，将搅拌好的配比材料注入模具中，通过振动台将模具中的配比材料振动均质密实，1天后拆除模具，将得到的类煤岩试样放入养护箱养护28天；类煤岩试样的力学参数与煤岩试样的力学参数相似，具体的，采用正交试验法确定水泥、碳酸钙、煤粉、水和外加剂的比例，以使类煤岩试样的力学参数与煤岩试样脆性、剪胀及摩擦特性的力学参数相似；所述模具的一侧开设有槽口，槽口中滑动连接有调整垫板，根据调整垫板伸入槽口的长度来设置成型的类煤岩试样中应力应变传感器布置孔道1的深度；通过环氧树脂系胶结剂将位移传感器21和应力传感器22粘贴于应力应变传感器布置孔道1内，使位移传感器21、应力传感器22与类煤岩试样紧密接触，向应力应变传感器布置孔道1内装满石膏并将槽口打磨平整，以减小应力集中。
步骤三、将五个类煤岩试样依次排列为一列，相邻的类煤岩试样接触面之间通过环氧树脂系胶结剂粘接，以模拟煤岩依次排列的五个不同区域。
步骤四、通过同步位移控制方式对五个类煤岩试样施加水平应力F至预定值，施加水平应力F的同步位移控制方式设定为0.5mm/min，通过同步位移控制方式对五个类煤岩试样从右到左分别施加垂向应力P1、P2、P3、P4、P5至预定值P，施加垂向应力的同步位移控制方式设定为0.5mm/min，此时P与P1、P2、P3、P4、P5均相等，侧向约束力FC由水平应力F和垂向应力P1、P2、P3、P4、P5共同作用产生。
步骤五、通过位移控制方式对最右端的类煤岩试样加载，对最右端的类煤岩试样加载的位移控制方式设定为0.5mm/min，设定停止加载阈值σm，其中，σm为岩石的峰后强度，设定σm＝40％×峰值强度，峰值强度在试验过程中自动识别，加载作位移保持，以模拟实际开采过程中煤体卸压区；
通过位移控制方式分别对最右端和最左端之间的三个类煤岩试样加载，对最右端和最左端之间的三个类煤岩试样加载的位移控制方式设定为0.5mm/min，设定停止加载阈值分别为P′2、P′3、P′4，P′2＝2P，P′3、P′4在小于2P且大于P的范围内依次递减，具体的，P′3＝1.5P，P4′＝1.2P以模拟实际开采过程中煤体应力集中区；
对最左端的类煤岩试样保持Pn＝P的加载不变，加载作位移保持，以模拟实际开采过程中原岩应力区。
步骤六、通过同步应力控制方式对最右端和最左端之间的三个类煤岩试样加载至类煤岩试样完全破坏，对最右端和最左端之间的三个类煤岩试样加载的同步应力控制方式设定为0.5kN/s。
步骤七、在步骤一至步骤六的过程中，记录水平应力和水平位移的试验数据，记录垂向应力和垂向位移的试验数据，由位移传感器21和应力传感器22监测获得侧向约束力和侧向位移的试验数据，通过声发射系统监测类煤岩试样破坏各阶段声发射能量、累计振铃计数和波形的试验数据，声发射系统为PCI-2声发射系统，设置PCI-2声发射系统的主放为40dB，门槛值为45dB，探头谐振频率为20-400kHz，采样频率为106次/s。
步骤八、由步骤七的试验数据得到在不同垂向应力、水平应力和侧向约束力下煤岩进入峰前损伤变形与峰后破裂碎胀阶段的临界条件，以及得到在不同垂向应力、水平应力和侧向约束力下煤岩变形破坏行为与能量演化的内在关系，分析某一区域煤岩变形破坏对相邻区域煤岩承载能力、变形破坏特征及能量积聚和释放的影响，以研究深部采动应力下不同区域煤岩的变形破坏特征及灾变孕育过程。
本实施例的模拟采动影响下不同区域煤体受力的非均布加载方法，基于煤岩试样制备五个类煤岩试样并依次排列，对不同区域的类煤岩试样施加非均布载荷，以逼真地模拟深部开采煤体支承应力分布规律，试验过程中记录相关数据参数，根据数据参数得到在不同垂向应力、水平应力和侧向约束力下煤岩进入峰前损伤变形与峰后破裂碎胀阶段的临界条件，以及得到在不同垂向应力、水平应力和侧向约束力下煤岩变形破坏行为与能量演化的内在关系，分析某一区域煤岩变形破坏对相邻区域煤岩承载能力、变形破坏特征及能量积聚和释放的影响，以定量研究深部采动应力下不同区域煤岩的变形破坏特征及灾变孕育过程。
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 (10)

1.一种模拟采动影响下不同区域煤体受力的非均布加载方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、从煤矿回采施工现场采集煤岩并制作煤岩试样，对煤岩试样进行力学试验得到煤岩试样的力学参数；
步骤二、将水泥、碳酸钙、煤粉、水和外加剂按照比例注入模具中制作多个类煤岩试样，类煤岩试样的力学参数与煤岩试样的力学参数相似，在类煤岩试样中设置有应力应变传感器布置孔道，在应力应变传感器布置孔道中布置有应力应变传感器；
步骤三、将多个类煤岩试样依次排列为一列，相邻的类煤岩试样接触面之间通过粘合剂粘接，以模拟煤岩依次排列的不同区域；
步骤四、通过同步位移控制方式对多个类煤岩试样施加水平应力F至预定值，通过同步位移控制方式对多个类煤岩试样从右到左分别施加垂向应力P1、P2、P3……Pn至预定值P，此时P与P1、P2、P3……Pn均相等，侧向约束力FC由水平应力F和垂向应力P1、P2、P3……Pn共同作用产生；
步骤五、通过位移控制方式对最右端的类煤岩试样加载，设定停止加载阈值σm，其中，σm为岩石的峰后强度，设定σm＝40％×峰值强度，峰值强度在试验过程中自动识别，加载作位移保持，以模拟实际开采过程中煤体卸压区；
通过位移控制方式分别对最右端和最左端之间的类煤岩试样加载，设定停止加载阈值分别为P′2、P′3……P′n-1，P′2＝2P，P′3……P′n-1在小于2P且大于P的范围内依次递减，以模拟实际开采过程中煤体应力集中区；
对最左端的类煤岩试样保持Pn＝P的加载不变，加载作位移保持，以模拟实际开采过程中原岩应力区；
步骤六、通过同步应力控制方式对最右端和最左端之间的类煤岩试样加载至类煤岩试样完全破坏；
步骤七、在步骤一至步骤六的过程中，记录水平应力和水平位移的试验数据，记录垂向应力和垂向位移的试验数据，由应力应变传感器监测获得侧向约束力和侧向位移的试验数据，通过声发射系统监测类煤岩试样破坏各阶段声发射能量、累计振铃计数和波形的试验数据；
步骤八、由步骤七的试验数据得到在不同垂向应力、水平应力和侧向约束力下煤岩进入峰前损伤变形与峰后破裂碎胀阶段的临界条件，以及得到在不同垂向应力、水平应力和侧向约束力下煤岩变形破坏行为与能量演化的内在关系，分析某一区域煤岩变形破坏对相邻区域煤岩承载能力、变形破坏特征及能量积聚和释放的影响，以研究深部采动应力下不同区域煤岩的变形特征及灾变孕育过程。
2.根据权利要求1所述的模拟采动影响下不同区域煤体受力的非均布加载方法，其特征在于：步骤二中，所述模具的一侧开设有槽口，槽口中滑动连接有调整垫板，根据调整垫板伸入槽口的长度来设置成型的类煤岩试样中应力应变传感器布置孔道的深度。
3.根据权利要求2所述的模拟采动影响下不同区域煤体受力的非均布加载方法，其特征在于：通过粘合剂将应力应变传感器粘贴于应力应变传感器布置孔道内，向应力应变传感器布置孔道内装满填充物并将槽口打磨平整。
4.根据权利要求1所述的模拟采动影响下不同区域煤体受力的非均布加载方法，其特征在于：步骤一中，对煤岩试样进行单轴和三轴力学试验得到煤岩试样抗压强度、内摩擦角及泊松比的力学参数。
5.根据权利要求4所述的模拟采动影响下不同区域煤体受力的非均布加载方法，其特征在于：步骤二中，采用正交试验法确定水泥、碳酸钙、煤粉、水和外加剂的比例，以使类煤岩试样的力学参数与煤岩试样脆性、剪胀及摩擦特性的力学参数相似。
6.根据权利要求1所述的模拟采动影响下不同区域煤体受力的非均布加载方法，其特征在于：步骤二中，先将水泥、碳酸钙、煤粉、水和外加剂按照比例混合成配比材料并搅拌，将搅拌好的配比材料注入模具中，通过振动台将模具中的配比材料振动均质密实，1天后拆除模具，将得到的类煤岩试样放入养护箱养护28天。
7.根据权利要求1所述的模拟采动影响下不同区域煤体受力的非均布加载方法，其特征在于：步骤四中，施加水平应力F的同步位移控制方式设定为0.5mm/min，施加垂向应力的同步位移控制方式设定为0.5mm/min。
8.根据权利要求1所述的模拟采动影响下不同区域煤体受力的非均布加载方法，其特征在于：步骤五中，对最右端的类煤岩试样加载的位移控制方式设定为0.5mm/min，对最右端和最左端之间的类煤岩试样加载的位移控制方式设定为0.5mm/min。
9.根据权利要求1所述的模拟采动影响下不同区域煤体受力的非均布加载方法，其特征在于：步骤六中，对最右端和最左端之间的类煤岩试样加载的同步应力控制方式设定为0.5kN/s。
10.根据权利要求1所述的模拟采动影响下不同区域煤体受力的非均布加载方法，其特征在于：步骤七中，声发射系统为PCI-2声发射系统，设置PCI-2声发射系统的主放为40dB，门槛值为45dB，探头谐振频率为20-400kHz，采样频率为106次/s。
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