CN108398330B - 矿柱支撑系统动载稳定性试验系统及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矿柱支撑系统动载稳定性试验系统及试验方法，涉及采矿技术领域。其主要解决了现有技术中矿柱支撑系统失稳后即不能进行观测，无法观测矿柱支撑系统由稳定到失稳过程的这一技术缺陷。本发明试验系统包括试验架和位于试验架内的试验箱体，在该试验架内设置动载发生装置，动载发生装置由壳体、强力弹簧、木质块体和铁棒组成，通过千斤顶对弹簧加压，千斤顶的顶端与穿透木质块体的铁棒端部接触，千斤顶推动木质块体向上移动，到达设置的刻度，将铁棒固定于壳体的开口处，撤除千斤顶，将铁棒从壳体的开口处瞬间释放，强力弹簧带动木质块体冲击薄钢板。本发明能够更直观的反应物体运动变形原理。

Description

矿柱支撑系统动载稳定性试验系统及试验方法

技术领域

本发明涉及采矿技术领域，具体涉及一种矿柱支撑系统动载稳定性试验系统及试验方法。

背景技术

目前，煤矿和非煤矿山普遍采用留设矿柱作为巷道或采空区的支撑体，以控制顶板运动、地表沉陷或有利于采矿工艺。该采矿方法必然要在众多矿山遗留大量的非稳定采空区。采空区矿柱支撑系统在复合载荷的长期作用和外界因素的扰动下，局部破坏失稳可能会引发采空区整体失稳。大范围采空区冒落和地表塌陷事故通常是突发的，并伴随有强烈的气浪冲击、地表的沉陷和张裂、建筑物的大面积损坏或人员的伤亡等。此类灾害分布广、发生几率高、危害大。

随着开采量的逐年增加，由此形成的采空区面积也在增加，其稳定性问题有待研究解决。对于诸多存在的具有失稳风险的采空区中，现有技术中通过留设煤柱来降低其安全隐患，许多由矿柱系统支撑的采空区整体处于稳定状态。

然而，在采动、煤爆、岩爆等动力干扰因素的作用下，可能打破矿柱支撑系统的整体稳定性。在矿柱支撑系统中，某一矿柱达到支撑极限发生失稳，随着矿柱支撑系统能量场的转移，进而可能引发相邻矿柱的失稳，如此循环引发像多米诺效应一样的连续失稳，最终引起矿柱支撑系统的整体失稳和采空区失稳。

研究矿柱支撑系统的动载稳定性可以通过理论分析、数值模拟、物理模拟、现场观测等方法进行，但是这几种方法也存在一定的弊端：

(1)理论分析和数值模拟忽略了大量现场不确定因素，误差较大；

(2)现场观测只能在矿柱安全支撑条件下进行，矿柱支撑系统失稳后即不能进行观测，无法观测矿柱支撑系统由稳定到失稳的过程。

因此，通过一种新思路来模拟矿柱支撑系统的动载稳定性很有必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种矿柱支撑系统动载稳定性试验系统及试验方法，其主要通过物理模拟法，通过相似的人工材料，按实际原型，遵循一定比例缩小做成模型，然后在模型中研究变形或破坏的规律，能够更直观的反应物体运动变形原理，是研究矿柱支撑系统动载失稳破坏规律的最佳方法。

为实现上述目的，所要解决的技术问题是：如何能够克服通过理论分析、数值模拟和现场观测研究矿柱支撑系统动载稳定性误差较大、不够具体的问题，更清楚、直观、具体的实现动载冲击对矿柱支撑系统失稳规律的研究工作，得出不同动静载组合条件对矿柱支撑系统失稳破坏的临界条件。

本发明的任务之一在于提供一种矿柱支撑系统动载稳定性试验系统。

一种矿柱支撑系统动载稳定性试验系统，其包括试验架和试验箱体，所述试验架是由上板、下板、左侧板及右侧板构成的方形框体结构，其特征在于：所述试验架还包括有钢板，所述钢板位于所述方形框体内部，所述钢板的两端连接在所述左侧板及右侧板上，所述钢板将所述方形框体结构分为上下两部分，分别为位于下方的第一框体和位于上方的第二框体，所述试验箱体位于所述第一框体内部；

所述试验箱体包括实体材料、若干组矿柱及石头垫板，所述实体材料位于所述第一框体的两侧，所述矿柱位于所述第一框体的中间，所述矿柱并排设置有若干组，其中每组矿柱的顶部均布置有所述石头垫板，所述石头垫板的顶面与所述钢板面接触；

在所述第二框体及其上方区域设置有用于对所述钢板施加压力的加载机构；

所述加载机构包括若干个压头，所述压头并排设置在所述第二框体内，且每个压头的上端与所述上板接触并固定连接，每个压头的下端能够伸缩，以对所述钢板施加压力；

在靠近第二框体中间的相邻的两个压头之间设置有动载发生装置，所述动载发生装置包括壳体、强力弹簧、木质块体和铁棒，所述强力弹簧和木质块体均位于所述壳体内，其中，木质块体位于所述强力弹簧的下方，所述壳体的两侧均设置有开口，所述铁棒穿透所述木质块体，且所述铁棒的两端穿出所述开口并伸出一段长度，在所述铁棒的两端连接有千斤顶，通过所述千斤顶推动所述木质块体向上移动，在所述壳体上还设置有刻度，所述开口的底端为0刻度，所述0刻度处对应所述木质块体的自然状态，在铁棒位置对应的刻度为所述强力弹簧的变形量；

所述每组矿柱上均设置有应变片，用于分析动载作用下矿柱失稳过程中其应力应变关系。

上述技术方案所带来的直接有益技术效果：通过试验架和试验箱体能够近似模拟煤矿与非煤矿山的矿柱支撑系统，通过强力弹簧释放的弹性能能够近似模拟矿山矿柱支撑系统所受的动载，该矿柱支撑系统动载稳定性试验系统能够仿真模拟矿柱在动载作用下的多米诺连锁失稳破坏过程，可以研究动静载组合作用下的矿柱应力应变规律，分析不同静载作用下矿柱支撑系统的临界动载荷。

作为本发明的一个优选方案，强力弹簧的顶端固定连接在上述壳体上，底端固定连接在木质块体上。

作为本发明的另一个优选方案，矿柱设置有六组，压头设置有四个。

进一步的，上述矿柱与实体材料均由与石膏矿参数相同的混凝土配制而成，其中，上述的参数主要包括抗压强度、弹性模量、泊松比、粘聚力及内摩擦角。

进一步的，上述加载机构还包括液压油箱、液压马达、液压表、液压阀门和液压管路。

本发明的另一任务在于提供一种矿柱支撑系统动载稳定性试验方法，依次包括以下步骤：

第一步、开启加载机构，通过压头对所述矿柱支撑系统逐渐加压，直至矿柱发生失稳，记录下矿柱失稳时刻的读数即为该矿柱支撑系统的极限承受载荷，定为F_k；

第二步、首先取压头压力为0.6F_k，将强力弹簧压缩到Δx₁刻度，瞬间释放强力弹簧，用以冲击钢板，此时，弹簧的弹性模量为K，弹簧动载冲击载荷为KΔx₁；

第三步、判断矿柱支撑系统是否失稳，如果失稳，则记录下压头压力为0.6F_k时，矿柱支撑系统失稳需要的冲击载荷为KΔx₁；反之，则通过应变片读出矿柱的应变大小，记录下来，然后增加弹簧的压缩量为Δx₂，重复上述步骤，直至矿柱支撑系统发生失稳；

第四步、得出压头压力为0.6F_k时，矿柱支撑系统失稳需要的弹性冲击载荷；增加压头的压力为0.7F_k，重复进行压头压力为0.7F_k时的试验，得出压头压力为0.7F_k时，矿柱支撑系统失稳需要的弹性冲击载荷；

第五步、重复上述步骤，依次求出压头压力为0.6F_k、0.7F_k、0.8F_k、0.9F_k时对应的矿柱支撑系统发生失稳需要的冲击载荷；

第六步、对观测数据进行分析，结合相关理论知识总结出矿柱支撑系统的应变与压头压力及动载冲击载荷的关系，以及压头压力及动载冲击载荷与矿柱支撑系统失稳的规律。

与现有技术相比，本发明带来了以下有益技术效果：

本发明可以研究动载作用下矿柱支撑系统稳定性机理，揭示采空区塌陷规律，对预防采空区塌陷灾害及保障矿山安全生产具有重要的理论意义和工程应用前景。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为本发明矿柱支撑系统动载稳定性试验系统的结构示意图；

图2主要示出了动载发生装置结构示意图；

图3为本发明矿柱支撑系统动载稳定性试验流程图；

图中，1、上板，2、下板，3、左侧板，4、右侧板，5、薄钢板，6、矿柱，7、石头垫板，8、应变片，9、实体材料，10、压头，11、液压油箱，12、液压马达，13、液压表，14、液压阀门，15、液压管路，16、壳体，17、强力弹簧，18、木质块体，19、刻度，20、铁棒。

具体实施方式

本发明提出了一种矿柱支撑系统动载稳定性试验系统及试验方法，为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。

结合图1和图2所示，本发明一种矿柱支撑系统动载稳定性试验系统，其包括试验架、试验箱体、加载结构和动载发生装置。试验架包括上板1、下板2、左侧板3、右侧板4、薄钢板5，薄钢板5分别与左侧板3和右侧板4固定焊接在一起。其中，薄钢板5将该试验架内部分为两个框体，分别为位于下方的第一框体和位于上方的第二框体，试验箱体位于第一框体内，第二框体及以上区域用于布置加载机构。

试验箱体包括矿柱6、石头垫板7、应变片8、实体材料9，其中，矿柱6有多组，本发明优选有6组，在薄钢板5和矿柱6之间放置石头垫板7，其目的是为了减小薄钢板5传递冲击载荷时对矿柱6和薄钢板5接触面的破坏，下板2与矿柱6直接接触。

加载单元的具体结构借鉴现有技术即可实现，如加载单元包括压头10、液压油箱11、液压马达12、液压表13、液压阀门14、液压管路15，液压油箱11、液压马达12、液压表13、液压阀门14和液压管路15组成一个液压系统，用来控制压头10对薄钢板的压力，压头10上端与上板1接触并固定连接，压头10下端能够伸缩，以实现压头10对薄钢板5施加压力。

作为本发明的主要改进部分动载发生装置，其包括壳体16、强力弹簧17、木质块体18、刻度19、铁棒20，动载发生装置位于两个压头10之间的空隙位置，具体的在位于第二框体中间的两个压头之间放置，壳体16的下端与薄钢板5焊接固定，通过压缩强力弹簧17来提供对矿柱6的冲击载荷。

动载发生装置具体结构如图2所示，强力弹簧17和木质块体18均位于壳体内，其中，木质块体位于强力弹簧的下方，壳体的两侧均设置有开口，铁棒20穿透＝木质块体，且＝铁棒的两端穿出所述开口并伸出一段长度，在铁棒的两端对应两个千斤顶，过千斤顶来压缩强力弹簧17，千斤顶的顶端与穿透木质块体18的铁棒20端部接触，铁棒20的两端对应两个千斤顶，千斤顶推动木质块体18向上移动，到达设置的刻度19，将铁棒20固定于动载发生器壳体的开口处，撤除千斤顶，将铁棒20从动载发生器壳体的开口处瞬间释放，强力弹簧17带动木质块体18冲击薄钢板5。

在壳体上还设置有刻度，开口的底端为0刻度，0刻度处对应木质块体的自然状态，在铁棒位置对应的刻度为强力弹簧的变形量Δx，弹簧的弹性能为kΔx。

本发明优选矿柱及实体材料均由与石膏矿参数相同的混凝土配制而成，其参数包括：抗压强度、弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角等。

本发明优选上板、下板均为坚硬厚钢板，矿柱位于下板和薄钢板之间，在薄钢板和矿柱之间放置石头垫板，石头垫板是为了减小薄钢板传递冲击载荷时对矿柱和薄钢板接触面的破坏，下板与矿柱直接接触，实体材料与矿柱材料相同。

进一步的，应变片贴在矿柱上，每个矿柱分为三个面，每个面的中截面处分别布置1个纵向应变片和1个横向应变片，则每个矿柱布置3个纵向应变片和3个横向应变片。

下面结合本发明矿柱支撑系统动载稳定性试验方法对本发明做详细说明。

具体步骤为：

第一步、首先通过压头对矿柱支撑系统逐渐加压，直至矿柱发生失稳，记录下矿柱失稳时刻的读数即为该矿柱支撑系统的极限承受载荷，定为F_k；然后进行动载对矿柱支撑系统失稳的试验，分别取压头压力为0.6F_k、0.7F_k、0.8F_k、0.9F_k时进行动载发生试验；

第二步、动载发生通过强力弹簧实现，将强力弹簧压缩到相应的刻度Δx₁、Δx₂、Δx₃、Δx₄、Δx₅等，则强力弹簧的压缩量即为对应的刻度，弹簧的弹性模量为K，则弹簧的弹性能为kΔx，动载冲击载荷即为kΔx；

第三步、分别针对压头压力为0.6F_k、0.7F_k、0.8F_k、0.9F_k的条件，由强力弹簧压缩量为Δx₁开始试验，依次为Δx₁、Δx₂、Δx₃、Δx₄、Δx₅等，直至矿柱支撑系统发生失稳，记录下该失稳条件的动载冲击载荷的大小kΔx；

第四步、通过应变片读出矿柱的应变大小，记录下来；

第五步、对观测数据进行分析，总结出矿柱支撑系统的应变与压头压力及动载冲击载荷的关系。

下面结合具体实施例1对上述试验方法做进一步说明。

实施例1：

结合图3所示，具体试验方法为：

(1)求出矿柱支撑系统的极限承受载荷，定为F_k；

(2)首先取压头压力为0.6F_k，将强力弹簧压缩到Δx₁刻度，瞬间释放强力弹簧，用以冲击薄钢板，此时，弹簧的弹性模量为K，弹簧动载冲击载荷为KΔx₁；

(3)判断矿柱支撑系统是否失稳，如果失稳，则记录下压头压力为0.6F_k时，矿柱支撑系统失稳需要的冲击载荷为KΔx₁，如果不失稳，则通过应变片读出矿柱的应变大小，记录下来，然后增加弹簧的压缩量为Δx₂，重复上述步骤，直至矿柱支撑系统发生失稳；

(4)得出压头压力为0.6F_k时，矿柱支撑系统失稳需要的弹性冲击载荷；增加压头的压力为0.7F_k，重复进行压头压力为0.7F_k时的试验，得出压头压力为0.7F_k时，矿柱支撑系统失稳需要的弹性冲击载荷；重复上述步骤，依次求出压头压力为0.6F_k、0.7F_k、0.8F_k、0.9F_k时对应的矿柱支撑系统发生失稳需要的冲击载荷；

(5)对观测数据进行分析，总结出矿柱支撑系统的应变与压头压力及动载冲击载荷的关系，以及压头压力及动载冲击载荷与矿柱支撑系统失稳的规律。

本发明能够实现：通过矿柱支撑系统动载稳定性试验装置和矿柱支撑系统动载稳定性试验方法，总结出矿柱支撑系统的应变与压头压力及动载冲击载荷的关系，得出压头压力及动载冲击载荷与矿柱支撑系统失稳的规律；研究在动载作用下矿柱支撑系统的稳定性规律，总结出采空区矿柱支撑系统的稳定性临界条件，为矿柱支撑系统动载安全系数的确定获得理论依据，从而指导现存大量采空区的稳定管理工作。

本发明未述及的部分借鉴现有技术即可实现。

需要说明的是：尽管本文中较多的使用了诸如动载发生装置、木质块体，铁棒等术语，但并不排除使用其它术语的可能性，本领域技术人员在本发明的启示下对这些术语所做的简单替换，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种矿柱支撑系统动载稳定性试验方法，其特征在于：其所采用的试验系统包括试验架和试验箱体，所述试验架是由上板、下板、左侧板及右侧板构成的方形框体结构，所述试验架还包括有钢板，所述钢板位于所述方形框体内部，所述钢板的两端连接在所述左侧板及右侧板上，所述钢板将所述方形框体结构分为上下两部分，分别为位于下方的第一框体和位于上方的第二框体，所述试验箱体位于所述第一框体内部；

所述试验箱体包括实体材料、若干组矿柱及石头垫板，所述实体材料位于所述第一框体的两侧，所述矿柱位于所述第一框体的中间，所述矿柱并排设置有若干组，其中每组矿柱的顶部均布置有所述石头垫板，所述石头垫板的顶面与所述钢板面接触；

在所述第二框体及其上方区域设置有用于对所述钢板施加压力的加载机构；

所述加载机构包括若干个压头，所述压头并排设置在所述第二框体内，且每个压头的上端与所述上板接触并固定连接，每个压头的下端能够伸缩，以对所述钢板施加压力；

在靠近第二框体中间的相邻的两个压头之间设置有动载发生装置，所述动载发生装置包括壳体、强力弹簧、木质块体和铁棒，所述强力弹簧和木质块体均位于所述壳体内，其中，木质块体位于所述强力弹簧的下方，所述壳体的两侧均设置有开口，所述铁棒穿透所述木质块体，且所述铁棒的两端穿出所述开口并伸出一段长度，在所述铁棒的两端连接有千斤顶，通过所述千斤顶推动所述木质块体向上移动，在所述壳体上还设置有刻度，所述开口的底端为0刻度，所述0刻度处对应所述木质块体的自然状态，在铁棒位置对应的刻度为所述强力弹簧的变形量；

所述每组矿柱上均设置有应变片，用于分析动载作用下矿柱失稳过程中其应力应变关系；

所述试验方法依次包括以下步骤：

第一步、开启加载机构，通过压头对所述矿柱支撑系统逐渐加压，直至矿柱发生失稳，记录下矿柱失稳时刻的读数即为该矿柱支撑系统的极限承受载荷，定为F_k；

第二步、首先取压头压力为0.6F_k，将强力弹簧压缩到Δx₁刻度，瞬间释放强力弹簧，用以冲击钢板，此时，弹簧的弹性模量为K，弹簧动载冲击载荷为KΔx₁；

第三步、判断矿柱支撑系统是否失稳，如果失稳，则记录下压头压力为0.6F_k时，矿柱支撑系统失稳需要的冲击载荷为KΔx₁；反之，则通过应变片读出矿柱的应变大小，记录下来，然后增加弹簧的压缩量为Δx₂；

第四步、重复第二步和第三步，直至矿柱支撑系统发生失稳；

第五步、得出压头压力为0.6F_k时，矿柱支撑系统失稳需要的弹性冲击载荷；增加压头的压力为0.7F_k，重复进行压头压力为0.7F_k时的试验，得出压头压力为0.7F_k时，矿柱支撑系统失稳需要的弹性冲击载荷；

第六步、依次重复第二步、第三步和第四步，依次求出压头压力为0.6F_k、0.7F_k、0.8F_k、0.9F_k时对应的矿柱支撑系统发生失稳需要的冲击载荷；

第七步、对观测数据进行分析，结合相关理论知识总结出矿柱支撑系统的应变与压头压力及动载冲击载荷的关系，以及压头压力及动载冲击载荷与矿柱支撑系统失稳的规律。

2.根据权利要求1所述的一种矿柱支撑系统动载稳定性试验方法，其特征在于：所述强力弹簧的顶端固定连接在所述壳体上，底端固定连接在所述木质块体上。

3.根据权利要求1所述的一种矿柱支撑系统动载稳定性试验方法，其特征在于：矿柱设置有六组，所述压头设置有四个。

4.根据权利要求1所述的一种矿柱支撑系统动载稳定性试验方法，其特征在于：所述矿柱与实体材料均由与石膏矿参数相同的混凝土配制而成，其中，所述的参数主要包括抗压强度、弹性模量、泊松比、粘聚力及内摩擦角。

5.根据权利要求1所述的一种矿柱支撑系统动载稳定性试验方法，其特征在于：所述加载机构还包括液压油箱、液压马达、液压表、液压阀门和液压管路。

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