CN109269899A - 一种采空区顶板破断模拟试验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明专利属于煤矿采空区上部岩层控制及灾害防治领域，具体涉及一种主要用于模拟分析不同厚度(长度)、不同强度以及不同边界支承条件下采空区顶板破断模拟的试验装置。平台底座两端有通过侧向加载固定器与液压千斤顶相连的侧向加载板；测试岩板中部四周同一水平方向上分布有声发射监测点，声发射监测点与声发射监测系统连接；测试岩板的上端面有顶部压板进行约束固定，有顶部加载板进行加载；测试岩板的下端面有固定在平台底座的弹性基础进行支撑；顶部加载板与液压伺服加载器连接，由液压伺服加载系统进行加载控制。本发明结构简单，原理科学，维护方便，监测数据准确，通过模拟分析采空区顶板的破坏特征及破断机理，为保证采空区顶板移动的安全控制，煤矿的正常开采提供试验数据。

Description

一种采空区顶板破断模拟试验装置
技术领域
本发明专利属于煤矿采空区上部岩层控制及灾害防治领域，具体涉及一种主要用于模拟分析采空区顶板破断情况的试验装置，适用于均布荷载或集中荷载作用下，基于弹性基础支撑的不同支承边界条件下，不同厚度或不同长度或不同强度的薄板、厚板和薄板与厚板组合形式的岩板破坏特征及破断机理的模拟研究，为保证顶板移动的安全控制，煤矿的正常开采提供试验数据。
背景技术
目前随着煤炭开采向深部发展，采煤工作面及采空区上覆岩层所处的地应力环境越来越复杂。层状介质是煤系地层的基本力学特征，所开采的煤层是岩层中夹持的薄层状矿体，煤层及其上覆和下伏岩层的动力学过程类同于各种组合的薄板或者厚板的工作状态。
在煤矿开采过程中，随着原煤不断采出，煤上方的岩层将会悬露出来而形成悬空的顶板。由于顶板对上覆岩层起支承作用，随着工作面推进，顶板宽度将增大，从而使顶板承受能力发生变化。如果顶板上覆载荷超过了顶板的极限承载力，则有可能引起采场巷道顶板断裂、垮落等严重的顶板事故。
采空区顶板的破断与采场矿压密切相关。直接顶、基本顶是采场矿压研究的基本对象，其中基本顶岩层的结构特征是建立矿压理论的基础，基本顶破断后是一种半承载结构，其一部分荷重由自身承担，其余部分则由支架承担，是支架载荷的主要来源。由此可见，研究基本顶岩层的物理力学性质、岩层断裂前后的结构特征以及断裂后作用于支架上的荷重值，对进行顶板控制，预防顶板事故的发生具有重要意义。
采矿过程中所形成的坚硬顶板，因其厚度与工作面推进距离的比值符合薄板或厚板的假设，故可将采场顶板视为矩形板。由于不同的地质条件和采煤方法的差异，顶板将会出现不同的边界条件(四边固支、三固一简、邻固邻简、对固对简、三简一固)，所以在研究顶板时需要建立相应的顶板力学模型。一般将采场的窄煤柱视为简支边界，而将实体煤视为固支边界；若有断层存在时，而将顶板的断层边界视为简支边界。
近年来，以钱鸣高院士为首的科研群体提出的砌体梁理论和关键层理论，为采场矿压显现的科学解释、预测预报和岩层移动与控制提供了理论基础，提出了岩层断裂前后的弹性基础梁力学模型和各种不同边界支撑条件下Winkler弹性基础上的Kichhoff板力学模型，得出了基本顶岩层板的“O-X”破断模式。谢生荣等建立基本顶弹性基础边界薄板力学模型，得出推进步距或弹性基础系数小时基本顶中部先破断，反之长边超前煤壁先破断；基本顶厚度或弹性模量小时长边超前煤壁先破断，反之中部先断裂。何富连等运用有限差分方法计算得出弹性基础边界时基本顶的初次破断规律由弹性基础系数、基本顶刚度、跨度复合决定。
国内外大部分学者通常将采空区顶板简化为薄板，进行理论分析和计算等，这种近似处理方法所得结果的可靠性，往往缺乏试验数据支持，在实际工程中，采空区顶板长厚比一般不满足薄板理论要求，采空区顶板失稳常常表现为层状组合岩板破坏形式，因此，研发一种能在不同边界支承条件下进行薄板、厚板以及薄板与厚板组合形式的矩形岩板破断模拟试验装置，对揭示采空区顶板变形破坏特征及其损伤破断机理，具有重要的理论意义和工程实用价值。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，寻求设计一种采空区顶板破断模拟试验装置，结构简单，通过模拟分析不同支承边界以及不同尺寸、不同强度下薄板、厚板和薄板与厚板组合形式的岩板破坏特征及破断机理，为保证顶板移动的安全控制，煤矿的正常开采提供试验数据。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种采空区顶板破断模拟试验装置，包括液压伺服加载系统、声发射监测系统、液压伺服加载器、平台底座、侧向加载板、侧向加载系统、顶部可变尺寸压板、顶部固定尺寸压板、顶部加载板、高度可调声发射探头固定片、弹性基础约束板、螺杆、钢珠；所述液压伺服加载系统采用位移控制加载方式，试验中岩板的竖向加载力，由加载设备内部的数据采集系统自动实时完成；所述顶部加载板的上端面与液压伺服加载器相连，下端面通过与分布在岩板上加载面上的钢珠接触向岩板传递均布载荷，用以模拟垂直地应力；所述顶部可变尺寸压板和顶部固定尺寸压板统称为顶部压板，顶部压板与四根竖向螺杆相连，与岩板上端面四周边界相接触，通过改变压板的布置方式及形状来实现岩板的不同支承边界条件，通过拧紧螺杆上的螺母实现压板对岩板上端面边界的约束；所述侧向加载系统由液压千斤顶和侧向加载固定器组成，液压千斤顶通过侧向加载固定器与侧向加载板相接触，液压千斤顶工作时，侧向加载板与岩板左右端面接触加载，用以模拟侧向构造应力对地层的加载作用；所述侧向加载板与横向螺杆相连接，用螺母固定，可以左右移动来实现对不同长度岩板的加载；所述弹性基础约束板与侧向加载板共同将弹性基础固定在平台底座上；所述高度可调声发射固定片下部与弹性基础约束板相连，上部可对声发射探头进行固定，声发射探头通过数据线与声发射监测系统相连接；整个岩板下端面边界四周由弹性基础支撑，上端面由压板进行约束，由顶部加载板和钢珠施加垂直应力，左右侧端面由侧向加载板施加侧向水平应力。
进一步地，所述顶部加载板上还包括一个可拆卸的且能与液压伺服加载器相接触配合的曲面块，可以根据试验需要更换不同尺寸的顶部加载板。
进一步地，所述顶部加载板与框形顶部压板密切配合，将钢珠放在封闭的纱网袋内均匀平铺在顶部压板与岩板上端面所形成的加载面内。
进一步地，所述顶部可变尺寸压板为前后固定的两个压块和左右可移动的两个压块组成的框形板，可对不同长度、不同厚度岩板的边界进行约束；所述顶部固定尺寸压板为整体式框形板，可对单一长度、不同厚度岩板的边界进行约束。
进一步地，所述高度可调声发射固定片上包括三个圆柱孔，可随岩板厚度的变化而调整圆柱孔的高度，使声发射探头始终密贴在岩板端面的中部。
进一步地，所述弹性基础上端面与岩板下端面四周边界水平充分接触，岩板前后两侧的支撑宽度为2cm，左右两侧的支撑宽度为2.5cm。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：一是顶部加载板通过钢球与岩板的接触对岩板施加压力，实现了均布加载。二是岩板下部由弹性基础进行支撑，上部由顶部压板进行约束，可实现岩板在不同边界支承条件下的加载，与顶板实际受力情况较为接近。三是设计严谨，动力控制系统采用液压伺服装置，裂隙发育采用声发射系统进行监测，对岩板变形破坏特征与过程及损伤机理的研究具有普遍指导意义。四是其结构简单，原理科学，维护方便，监测数据准确，实现在室内模拟不同厚度(长度)、不同强度、不同边界支承条件下采空区顶板的破断，为采空区顶板的控制和煤矿的安全开采提供试验数据。
附图说明
图1为本发明采空区顶板破断模拟试验装置的主体结构原理示意图；
图2为本发明采空区顶板破断模拟试验装置的主体结构三维主视图；
图3为本发明采空区顶板破断模拟试验装置的主体结构三维轴测图；
图4为本发明采空区顶板破断模拟试验装置的主体结构三维轴测剖视图；
图中：1.液压伺服加载器；2.顶部加载板；3.顶部固定尺寸压板；4.顶部可变尺寸压板；5. 侧向加载板；6.液压千斤顶；7.侧向加载固定器；8.岩板；9.弹性基础；10.高度可调声发射探头固定片；11.平台底座；12.弹性基础约束板；13.螺杆；14.螺母；15.侧向加载板探头固定孔。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
本实施例涉及的一种采空区顶板破断模拟试验装置，包括液压伺服加载系统、侧向加载系统、声发射监测系统、液压伺服加载器1、顶部加载板2、顶部固定尺寸压板3、顶部可变尺寸压板4、侧向加载板5、高度可调声发射探头固定片10、平台底座11、弹性基础约束板 12、螺杆13、钢珠；所述液压伺服加载系统采用位移控制加载方式，试验中岩板8的竖向加载力，由加载设备内部的数据采集系统自动实时完成；所述顶部加载板2的上端面与液压伺服加载器1相连，下端面通过与分布在岩板8上加载面上的钢珠接触向岩板8传递均布载荷，用以模拟垂直地应力；所述顶部可变尺寸压板和顶部固定尺寸压板统称为顶部压板，顶部压板与四根竖向螺杆相连，与岩板8上端面四周边界相接触，通过改变压板的布置方式及形状来实现岩板8的不同支承边界条件，通过拧紧螺杆上的螺母实现压板对岩板8上端面边界的约束；所述侧向加载系统由液压千斤顶6和侧向加载固定器7组成，液压千斤顶6通过侧向加载固定器7与侧向加载板5相接触，液压千斤顶6工作时，侧向加载板5与岩板8左右端面接触加载，用以模拟侧向构造应力对地层的加载作用；所述侧向加载板5与横向螺杆13相连接，用螺母14固定，可以左右移动来实现对不同长度岩板8的加载；所述弹性基础约束板 12与侧向加载板5共同将弹性基础9固定在平台底座11上；所述高度可调声发射固定片10 下部与弹性基础约束板12相连，上部可对声发射探头进行固定，声发射探头通过数据线与声发射监测系统相连接；整个岩板8下端面边界四周由弹性基础9支撑，上端面由压板进行约束，由顶部加载板2和钢珠施加垂直应力，左右侧端面由侧向加载板5施加侧向水平应力。
具体地，所述顶部加载板2上还包括一个可拆卸的且能与液压伺服加载器相接触配合的曲面块，可以根据试验需要更换不同尺寸的顶部加载板2。
具体地，所述顶部加载板2与框形顶部压板密切配合，将钢珠放在封闭的纱网袋内均匀平铺在顶部压板与岩板8上端面所形成的加载面内。
具体地，所述顶部可变尺寸压板4为前后固定的两个压块和左右可移动的两个压块组成的框形板，可对不同长度、不同厚度岩板8的边界进行约束；所述顶部固定尺寸压板3为整体式框形板，可对单一长度、不同厚度岩板8的边界进行约束。
具体地，所述高度可调声发射固定片10上包括三个圆柱孔，可随岩板8厚度的变化而调整圆柱孔的高度，使声发射探头始终密贴在岩板8端面的中部。
具体地，所述弹性基础9上端面与岩板8下端面四周边界水平充分接触，岩板8前后两侧的支撑宽度为2cm，左右两侧的支撑宽度为2.5cm。
使用时，顶部压板经螺杆移至与岩板8上端面接触并通过拧紧螺母对岩板8边界进行约束，侧向加载系统通过侧向加载板5对岩板8左右端面施加侧向力，液压伺服加载器1通过顶部加载板2和钢珠对岩板8上加载面施加竖向力，经安装在侧向加载板探头固定孔15和高度可调声发射探头固定片10上的探头进行声发射信号采集，即可测得不同厚度(长度)、不同强度、不同边界支承条件下的岩板8受压破坏特征与过程及破断机理。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，对于本技术领域的人员，凡是根据本发明方法的实质对上述实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种采空区顶板破断模拟试验装置，其特征在于，包括液压伺服加载系统、声发射监测系统、液压伺服加载器、平台底座、侧向加载板、侧向加载系统、顶部可变尺寸压板、顶部固定尺寸压板、顶部加载板、高度可调声发射探头固定片、弹性基础约束板、螺杆、钢珠；所述液压伺服加载系统采用位移控制加载方式，试验中岩板的竖向加载力，由加载设备内部的数据采集系统自动实时完成；所述顶部加载板的上端面与液压伺服加载器相连，下端面通过与分布在岩板上加载面上的钢珠接触向岩板传递均布载荷，用以模拟垂直地应力；所述顶部可变尺寸压板和顶部固定尺寸压板统称为顶部压板，顶部压板与四根竖向螺杆相连，与岩板上端面四周边界相接触，通过改变压板的布置方式及形状来实现岩板的不同边界支承条件，通过拧紧螺杆上的螺母实现压板对岩板上端面边界的约束；所述侧向加载系统由液压千斤顶和侧向加载固定器组成，液压千斤顶通过侧向加载固定器与侧向加载板相接触，液压千斤顶工作时，侧向加载板与岩板左右端面接触加载，用以模拟侧向构造应力对地层的加载作用；所述侧向加载板与横向四根螺杆相连接，用螺母固定，可以左右移动来实现对不同长度岩板的加载；所述弹性基础约束板与两块侧向加载板共同将弹性基础固定在平台底座上；所述高度可调声发射固定片下部与弹性基础约束板相连，上部可对声发射探头进行固定，声发射探头通过数据线与声发射监测系统相连接；整个岩板下端面边界四周由弹性基础支撑，上端面由压板进行约束，由顶部加载板和钢珠施加垂直应力，左右侧端面由侧向加载板施加侧向水平应力。
2.根据权利要求1所述的一种采空区顶板破断模拟试验装置，其特征在于，所述顶部加载板上还包括一个可拆卸的且能与液压伺服加载器相接触配合的曲面块，可以根据试验需要更换不同尺寸的顶部加载板。
3.根据权利要求1所述的一种采空区顶板破断模拟试验装置，其特征在于，所述顶部加载板与框形顶部压板密切配合，将钢珠放在封闭的纱网袋内均匀平铺在顶部压板与岩板上端面所形成的加载面内。
4.根据权利要求1所述的一种采空区顶板破断模拟试验装置，其特征在于，所述顶部可变尺寸压板为前后固定的两个压块和左右可移动的两个压块组成的框形板，可对不同长度、不同厚度岩板的边界进行约束；所述顶部固定尺寸压板为整体式框形板，可对单一长度、不同厚度岩板的边界进行约束。
5.根据权利要求1所述的一种采空区顶板破断模拟试验装置，其特征在于，所述高度可调声发射固定片上包括三个圆柱孔，可随岩板厚度的变化而调整圆柱孔的高度，使声发射探头始终密贴在岩板端面的中部。
6.根据权利要求1所述的一种采空区顶板破断模拟试验装置，其特征在于，所述弹性基础上端面与岩板下端面四周边界水平充分接触，岩板前后两侧的支撑宽度为2cm，左右两侧的支撑宽度为2.5cm。
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