CN109506556A - 一种煤矿双轴应力应变原位实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤矿双轴应力应变原位实验装置及方法，在迎头取样，加工成尺寸长宽高为50mm×50mm×100mm的长方体岩石试样，在巷道边帮开挖长宽高分别为300mm×300mm×300mm的掏槽。上下边界平整区域从下到上依次长方体承压板3、模具螺旋千斤顶4、本安型锚索应力计应力探头6、长方体承压板3、长方体煤样9、长方体承压板3。左右边界平整区域从左到右依次长方体承压板3、模具螺旋千斤顶4、长方体承压板3、长方体煤样9、长方体承压板3、本安型锚索应力计应力探头6、模具螺旋千斤顶4、长方体承压板3。固定安放机械手臂5和千分表7，用于测量煤样轴向、水平应变。从而实现原位路径下的双轴压缩试验，解决了实验室研究不能反映煤矿真实环境的弊端。
Description
技术领域
本发明涉及一种原位实验装置及方法，特别是涉及一种用于煤矿岩石双轴应力应变的原位实验装置及方法。
背景技术
随科学技术的逐步发展和采煤工艺的稳步提升，用于煤矿现场实验的实验设备逐渐增多，实验条件也得到了改善，因此在煤矿上进行现场实验也更加的方便及安全。煤矿原位单轴实验可以直观真实的反映煤矿井下煤岩体的物理属性及赋存环境。但是单轴实验只是在轴向施加压力，可以反应真实的轴向应力随开采和时间变化的状态，不能反应出水平向的应力变化过程，因此进行煤岩双轴应力应变实验，可以更好更加真实的反应煤矿井下煤岩体的物理属性以及轴向、水平向的应力变化状态。目前研究煤矿安全的双轴实验大多是从煤矿中取煤样或者岩样，然后加工成标准试件在室内进行双轴应力应变实验，而这一过程存在很大的人为因素和偶然误差，以及运输加工过程中煤体属性发生变化，实验装置实验过程中也存在一定的误差，不能很好的对煤矿真实长期稳定及采动下煤岩体的应力变化状态。因此有必要设计一种用于煤矿岩石原位双轴应力应变的实验装置及方法，为煤矿井下安全高效开采提供数据及理论支持。
发明内容
为了解决室内实验以及现场原位单轴实验不能真实反映煤层长期稳定以及采动过程中煤岩体应力应变特征的问题，本发明设计了一种煤矿原位双轴应力应变实验装置及方法。装置主要包括试样、长方体钢板、锚索应力计、模具螺旋千斤顶、千分表、机械手臂，通过该实验方法可以更加真实可靠直观的反映现场情况。
所述标准试样在现场进行取样加工，在迎头选取总长宽高均大于100mm，整体结构好，质地均匀致密的煤块加工成尺寸长宽高为50mm×50mm×100mm的长方体岩石试样，用隔水保护薄膜将煤样包裹起来。
所述边帮煤岩掏槽是在巷道边帮开凿长宽高分别为300mm×300mm×300mm的掏槽，在掏槽的上下左右边界打磨出长宽在150mm的平整区域，在掏槽下边界设置宽度为5mm的排水渠。
进一步地，准备好3块长宽均为150mm的长方体承压板，1块长宽为80mm×55mm的长方体承压板， 1块长宽为65mm×65mm的长方体承压板，1块长宽为90mm×45mm的长方体承压板，1块长宽为90mm×60mm 的长方体承压板，2个本安型锚索应力计，3个模具螺旋千斤顶，3个千分表和3个机械手臂。
进一步地，在掏槽下端和左端平整区域分别安置长宽均为150mm的长方体承压板。在掏槽内平整区域从下到上分别为长宽均为150mm的长方体承压板、模具螺旋千斤顶、本安型锚索应力计应力探头、长宽为65mm×65mm的长方体承压板、长方体煤样及长宽为80mm×55mm的长方体承压板，六者中心位于同一轴线并垂直于掏槽上下边界，总高度为300mm左右；在掏槽内平整区域从左到右分别长宽均为150mm的长方体承压板、模具螺旋千斤顶、长宽为90mm×45mm的长方体承压板、长方体煤样、长宽为90mm×60mm的长方体承压板、本安型锚索应力计应力探头、模具螺旋千斤顶及长宽均为150mm的长方体承压板，八者中心位于同一轴线并垂直于掏槽左右边界，总长度为300mm左右。
进一步地，所述的锚索应力计应力探头与记录盒连接。
进一步地，固定安放好机械手臂和千分表，用于测量煤样轴向应变的机械手臂安置在掏槽底部长方体承压钢板上，将千分表顶在煤样上部长方体承压钢板上，测头与长方体承压钢板接触；用于测量水平向平行掏槽方向煤样应变的机械手臂安置在掏槽左侧长方体承压钢板上，将千分表顶在煤样右侧长方体承压钢板上，测头与长方体承压钢板接触；用于测量水平向垂直掏槽方向煤样应变的机械手臂安置在掏槽底部长方体承压钢板上，将千分表顶在煤样无压面变形监测点，测头与无压面变形监测点接触，接用千分表自动检测系统进行自动计数。
进一步地，所述的煤样用模具螺旋千斤顶施加初始压力，轴向用掏槽下端模具螺旋千斤顶施加初始压力，水平向用掏槽左侧模具螺旋千斤顶施加初始压力。
所述的一种煤矿双轴应力应变原位实验装置及方法，其所述的千分表自动检测系统测量试样的ε1、ε2、ε3。应力探头和记录盒实时监测采动压力变化。
本发明的优点与效果是：
本发明所述的长方体岩石试样为实地取样和加工，减少了运输过程和运输环境所带来的各种影响，减少了运输和加工过程中的对煤样的二次破坏。
本发明方法为原位实验装置及方法，装置可以在提前预安装，在井下工作现场完成最后煤样安装和机械手笔和千分表的安装，节省了人力、物力和财力；避免了大型实验设备所带来的各种人为和机械误差。
本发明方法结构简单，易操作，可以多组实验同时进行，且能够真实反映现场工作面前方支撑压力和水平压力变化，可准确采集采动应力变化和煤岩变形情况，能够为煤矿安全生产提供较为真实可靠的实验数据。其结构紧凑，成本较低，数据真实可靠，使用范围广，具有广泛的适用性。
本发明方法使得煤样处于井下原岩应力环境中，更加真实可靠的反映煤层开采过程中的应力路径，真实的反映出煤层开采过程中岩石破坏的过程。
附图说明
图1为本发明方法的主视结构示意图；
图中：1、边帮围岩，2、掏槽，3、长方体承压钢板，4、模具螺旋千斤顶，5、机械手臂，6、本安型锚索应力计应力探头，7、千分表，8、无压面变形监测点，9、长方体煤样，10、排水渠，11、本安型锚索应力计应力盒。
具体实施方式
下面结合附图所示实施例对本发明作详细说明。
如图1所示，本发明为用于煤矿双轴应力应变原位实验装置及方法，主要有长方体煤样9、模具螺旋千斤顶4、本安型锚索应力计6、机械手臂5和千分表7。首先在煤矿进风巷采煤帮上开凿一个300mm ×300mm×300mm的掏槽，在掏槽的下边界、左侧和右侧边界区域各安放一块长宽均为为150mm的长方体承压钢板，用以安放实验装置。在掏槽下边左侧开挖宽度为5mm的排水渠10，掏槽内的水均可经排水渠10 流出掏槽。在迎头选取总长宽高均大于100mm的煤块，整体结构好，质地均匀致密的煤块，加工成尺寸长宽高为50mm×50mm×100mm的长方体煤样9。准备四块长方体承压钢板，尺寸分别为长宽为80mm×55mm、 55mm×55mm、90mm×45mm、90mm×60mm，本安型锚索应力计二个(应力探头6和应力盒11)，三个千分表 7，三个机械手臂5和三个模具螺旋千斤顶4。
首先将一个模具螺旋千斤顶4用AB胶固定粘合在掏槽2底部的长方体承压钢板3的中心区域；将本安型锚索应力计应力探头6粘合在模具螺旋千斤顶4上端；将一块长宽为65mm×65mm的长方体承压板3粘合在本安型锚索应力计应力探头6的上端；将长方体煤样9放置在长方体承压钢板3的中心区域；将一块长宽为80mm×55mm的长方体承压板3放置在煤样上端。六者中心位于同一轴线并垂直于掏槽上下边界，总高度在300mm左右，调整模具螺旋千斤顶4，使得煤样上端的长宽为80mm×55mm的长方体承压板 3与掏槽顶板接触并施加0.1MPa的压力，使得装置固定。
然后将一个模具螺旋千斤顶4用AB胶固定粘合在掏槽2左侧的长方体承压钢板3的中心区域；将本安型锚索应力计应力探头6粘合在模具螺旋千斤顶4右端；将一块长宽为90mm×40mm的长方体承压板3放置在本安型锚索应力计应力探头6的右端；调整模具螺旋千斤顶4使长方体承压钢板与长方体煤样 9左侧接触；将一个模具螺旋千斤顶4用AB胶固定粘合在掏槽2右侧的长方体承压钢板3的中心区域；将本安型锚索应力计应力探头6粘合在模具螺旋千斤顶4左端；将一块长宽为90mm×40mm的长方体承压板3 放置在本安型锚索应力计应力探头6的左端；调整模具螺旋千斤顶4使长方体承压钢板与长方体煤样9右侧接触。八者中心位于同一轴线并垂直于掏槽上下边界，总高度在300mm左右，调整左右两侧的模具螺旋千斤顶4，使得长方体煤样9和两侧长方体承压钢板紧密接触，使实验装置固定。
然后将两个机械手臂5安置在掏槽2底部长方体承压钢板3上，每个机械手臂5上边分别加持一个千分表7。一个千分表7的测头垂直接触长方体煤样9上端的长方体承压钢板3露头的中心，测量轴向应变ε1；一个千分表7的测头垂直接触长方体煤样9无压面上的无压面变形监测点8，测量垂直无压面的应变ε3。将一个机械手臂5安置在掏槽2左侧长方体承压钢板3上，上加持一个千分表7。千分表7的测头垂直接触长方体煤样9右端的长方体承压钢板3露头的中心，测量平行无压面的水平应变ε2。
然后每天采集应力盒11实时监测的煤矿工作面前方所传来的采动压力和千分表7自动数据记录系统记录的长方体煤样9的各个面的变形情况。平均每天记录一次。
本发明方法可以根据不同的现场条件做出调整，而且可以根据现场研究需要监测不同时刻的煤矿工作面前方所传来的采动压力和煤体受实采动应力影响下的应变变化。
Claims (4)
1.一种煤矿双轴应力应变原位实验装置及方法，其特征在于：包括边帮围岩1，掏槽2，长方体承压钢板3，模具螺旋千斤顶4，机械手臂5，本安型锚索应力计应力探头6，千分表7，无压面变形监测点8，长方体煤样9，排水渠10，本安型锚索应力计应力盒11。掏槽2在煤矿巷道边帮1开挖而成，在掏槽1左下边界设有排水渠10，掏槽1上下左右边界均有打磨平整区域，上下边界平整区域从下到上依次长方体承压板3、模具螺旋千斤顶4、本安型锚索应力计应力探头6、长方体承压板3、长方体煤样9、长方体承压板3。左右边界平整区域从左到右依次长方体承压板3、模具螺旋千斤顶4、长方体承压板3、长方体煤样9、长方体承压板3、本安型锚索应力计应力探头6、模具螺旋千斤顶4、长方体承压板3。固定安放机械手臂5和千分表7，用于测量煤样轴向应变、水平向平行掏槽方向煤样应变、水平向垂直掏槽方向煤样应变。
2.根据权利要求1所述的一种煤矿双轴应力应变原位实验装置及方法，其特征在于长方体煤样9在地下1000m工作现场迎头取煤块，加工磨平成标准试样直接现场实验。
3.根据权利要求1所述的一种煤矿双轴应力应变原位实验装置及方法，其特征在于模具螺旋千斤顶4对长方体煤样9施加轴向、水平向平行掏槽方向预制应力。通过机械手臂5和千分表7测量长方体煤样9的三向应变。
4.根据权利要求1所述的一种煤矿双轴应力应变原位实验装置及方法，其特征在于装实验装置轴向所有仪器、部件位于同一轴线并垂直于掏槽上下边界；水平向所有仪器、部件位于同一轴线并垂直于掏槽左右边界。
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