CN109765110A - 一种模拟顶板岩梁破断的试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种模拟顶板岩梁破断的试验装置及试验方法，涉及岩石力学技术领域，试验装置包括试验箱、挡板、压板、滑轨、压头、监测机构和液压机构；挡板包括左挡板和右挡板，压头包括上压头、左压头和右压头，监测机构包括压力传感器、位移传感器和三维数字散斑监测仪；试验箱的上部和左右两侧分别设置有压头，其中左压头和右压头沿滑轨上下移动，左压头和右压头穿过挡板压设在压板上；试验箱底部设置有试验台底座，左挡板和右挡板分别固定在试验台底座的两侧，实验体放置在试验台底座上；以及利用该装置进行顶板岩梁破断模拟试验的方法，解决了顶板岩梁破断模拟试验与实际偏差较大的技术问题，还具有操作简便，模拟范围广等优点。

Description

一种模拟顶板岩梁破断的试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及岩石力学技术领域，尤其是一种用于模拟顶板岩梁破断的试验装置以及利用该装置进行顶板岩梁破断模拟试验的方法。

背景技术

在煤矿开采过程中，随着开采深度和开采强度的不断增大，尤其是在地质复杂条件下的开采，开采过程中遇到的问题不断增多，其中顶板控制问题一直是煤矿开采的重点问题，为研究开采过程的顶板问题，相似材料模拟试验是该领域研究顶板问题的重要手段。

目前，顶板岩梁破断的研究多采用相似材料模拟试验，但是相似材料模拟试验相似比的确定难度较大，并且模型的模拟结果和实际地质条件下的数据差异较大，另外相似材料在制作过程中需要堆积和风干，试验周期较长。还有运用真实的顶板岩梁进行相似材料模拟，而底板和煤层仍采用相似材料，以此研究煤层开采对顶板的影响，这种实际顶板和相似材料结合的方法试验的准确性仍然有待提高。在相似材料模拟中大多采用应力采集探头进行应力分布的监测，位移采用全站仪监测，这种应力和位移的监测方法精度不高，并且容易受到人为干扰，从而造成试验误差。此外顶板岩梁破断模拟试验中忽略了侧压的影响，使用压头加压也难以保证加载的载荷是否均布。为了研究不同采高、不同跨度和不同采深条件下顶板岩梁的变形、应力及破断特征，为矿井开采施工提供理论依据，需要对现有的岩石力学试验设备作进一步的改进，并优化顶板岩梁破断试验的方法。

发明内容

为解决顶板岩梁破断模拟试验与实际偏差较大的技术问题，本发明提供了一种模拟顶板岩梁破断的试验装置及试验方法，具体技术方案如下。

一种模拟顶板岩梁破断的试验装置，包括试验箱、挡板、压板、滑轨、压头、监测机构和液压机构；所述挡板包括左挡板、右挡板、前挡板和后挡板，压头包括上压头、左压头和右压头，压板包括上压板、左压板和右压板，监测机构包括压力传感器、位移传感器和三维数字散斑监测仪；所述试验箱的上部和左右两侧分别设置有压头，其中左压头和右压头沿滑轨上下移动，左压头和右压头穿过挡板压设在压板上；所述试验箱底部设置有试验台底座，左挡板和右挡板分别固定在试验台底座的两侧，实验体放置在试验台底座上。

优选的是，实验体包括顶板层、底板层、均压水囊、煤层和煤层水囊，实验体的上方设置有上压板；所述上压板下方布置有均压水囊，均压水囊下方布置有顶板层，顶板层下方布置有煤层和煤层水囊，煤层下方布置有底板层；煤层和煤层水囊并列间隔布置。

还优选的是，试验台底座的前方设置有前挡板，试验台底座的后方设置有后挡板；后挡板上设置有导水孔，前挡板和后挡板上均设置有固定槽钢。

还优选的是，左压板和右压板随压头左右移动，上压头沿试验箱上部设置的滑轨移动；左挡板和右挡板的侧面设置有安装孔，前挡板和后挡板的左右两边上设置有安装孔。

左挡板、右挡板和压板使用钢材制作而成，前挡板和后挡板使用透明亚克力板制作而成，均压水囊上设置有压力表。

一种模拟顶板岩梁破断的试验方法，利用上述模拟顶板岩梁破断的试验装置，步骤包括：

A.组装固定试验箱和试验台底座，放置压板并调节压头位置；

B.根据矿井煤层条件和试验箱尺寸确定顶板层、底板层和煤层的试件尺寸；

C.制备顶板层、底板层和煤层的模拟试件，包括测量模拟试件和表面磨平；

D.在试验台底座上先铺设底板层；再铺设煤层和煤层水囊，煤层水囊注水至高度和煤层齐平；在煤层和顶板层之间设置应变片，然后在煤层上方铺设顶板层；最后在顶板层上方铺设均压水囊并充水；

E.在均压水囊上方设置上压板，在实验体表面喷涂数字散斑测点；

F.安装前挡板和后挡板，将煤层水囊和均压水囊的导水管穿过后挡板上的导水孔，然后安装固定槽钢加固前挡板和后挡板；

G.根据埋深和测压系数计算确定上压头、左压头和右压头需要施加的压力，通过液压机构加压；

H.通过煤层水囊的导水管给煤层水囊放水，期间记录顶板的应力和应变监测数据。

优选的是，煤层利用煤块试件制作而成；煤层水囊和煤层的高度根据实际煤层的高度确定，煤层水囊的宽度根据煤层工作面的宽度确定。

优选的是，步骤G中上压头、左压头和右压头需要施加的压力根据矿井实际地质条件计算，所述上压头需要提供压力的计算包括，计算上覆岩层压强P＝ρgh，其中ρ为上覆岩层的平均密度，g为重力加速度，h为埋深；上压头提供的力F_上＝P×S_上，其中S_上为顶板上表面的面积；所述左压头和右压头需要提供压力的计算包括，计算测压系数λ的取值范围其中左压头压力F_左和右压头压力F_右，其中F_左＝F_右＝P×S_侧×λ，其中S_侧为实验体左右两侧的侧面积。

本发明的有益效果包括：

(1)本发明提供的模拟顶板岩梁破断的试验装置，通过设置挡板和压板保证了结构整体的稳定和牢固，利用左压头和右压头为实验体提供侧压从而保证模拟的准确性，利用实际的顶板、底板和煤层岩石取样试件进行试验，不需要考虑相似比，并且试验简便，缩短的实验周期，保证了试验结果和实际情况相吻合。

(2)本发明利用煤层水囊替代开挖的煤体，煤层水囊通过放水完成开挖，简化了煤层开挖步骤，避免了手动挖动煤层对顶板造成的影响，从而减小试验误差，另外在顶板上部使用均压水囊，从而能够保证对顶板施加均布载荷。

(3)提供了一种模拟顶板岩梁破断的试验方法，使用不同尺寸的水囊可以模拟不同采高和采宽的情况下顶板岩梁破断规律，试验压头可以沿轨道移动，从而方便对不同尺寸的实验体进行加载；利用压力传感器、位移传感器和三维数字散斑监测仪监测顶板的应力和位移变化，监测结构更加准确。

另外，本发明还具有操作简便，模拟范围广，试验参数调节灵活等优点。

附图说明

图1是模拟顶板岩梁破断的试验装置结构示意图；

图2是实验体铺设结构示意图；

图3是试验箱结构示意图；

图4是前挡板和后挡板结构示意图；

图5是固定槽钢安装结构示意图；

图6是左挡板和右挡板结构示意图；

图中：1-试验箱；11-试验台底座；2-挡板；21-左挡板；22-右挡板；23-前挡板；24-后挡板；25-安装孔；26-固定槽钢；27-导水孔；3-压板；31-上压板；32-左压板；33-右压板；4-滑轨；5-压头；51-上压头；52-左压头；53-右压头；6-监测机构；7-液压机构；8-实验体；81-顶板层；82-底板层；83-均压水囊；84-煤层；85-煤层水囊。

具体实施方式

结合图1至图6所示，本发明提供的一种模拟顶板岩梁破断的试验装置及试验方法，具体实施方式如下。

实施例1

为解决顶板岩梁破断模拟试验与实际偏差较大的技术问题，本发明提供了一种模拟顶板岩梁破断的试验装置及试验方法，具体技术方案如下。

一种模拟顶板岩梁破断的试验装置，包括试验箱1、挡板2、压板3、滑轨4、压头5、监测机构6和液压机构7，试验箱1是试验装置的外部框架，挡板2和压板3分别设置在实验体8的表面，滑轨和压头相互配合，带动压头移动，从而适应不同尺寸的实验体，监测机构6用于监测顶板应力应变，液压机构7用于控制压头调整应力加载。挡板2包括左挡板21、右挡板22、前挡板23和后挡板24，利用挡板2包裹实验体8，从而保证实验体8和装置整体结构的稳定和牢固；压头5包括上压头51、左压头52和右压头53，从而能够施加侧压，使试验结果更接近工程实际；压板3包括上压板31、左压板32和右压板33，压头5通过压板3施加压力保证了压力的均匀施加；监测机构6包括压力传感器、位移传感器和三维数字散斑监测仪，利用应变片和三维数字散斑监测仪提高了应力和应变的监测精度，并且在时间上保证了长期自动有效监测。

试验箱1的上部和左右两侧分别设置有压头5，其中左压头和右压头沿滑轨4上下移动，左压头52和右压头53穿过挡板压设在压板3上，压头5和液压机构7相连。左压板32和右压板33随压头左右移动，上压头51沿试验箱1上部设置的滑轨移动，左挡板21和右挡板22的侧面设置有安装孔25，前挡板23和后挡板24的左右两边上设置有安装孔25，从而方便前挡板和后挡板与左右两侧的挡板配合安装。

试验箱1底部设置有试验台底座11，左挡板21和右挡板22分别固定在试验台底座11的两侧，实验体8放置在试验台底座11上。试验台底座11的前方设置有前挡板23，试验台底座11的后方设置有后挡板24，后挡板24上设置有导水孔27，前挡板23和后挡板24上均设置有固定槽钢26。左挡板21、右挡板22和压板3使用钢材制作而成，前挡板23和后挡板24使用透明亚克力板制作而成。

实验体8包括顶板层81、底板层82、均压水囊83、煤层84和煤层水囊85，实验体8的上方设置有上压板31。实验体8使用实际的顶板、底板和煤层岩石取样试件进行试验，不需要考虑相似比，并且试验简便，缩短的实验周期，保证了试验结果和实际情况相吻合。上压板31下方布置有均压水囊83，利用均压水囊83保证顶板岩层的均布载荷，均压水囊83下方布置有顶板层81，顶板层81下方布置有煤层84和煤层水囊85，煤层下方布置有底板层82，煤层84和煤层水囊85并列间隔布置，水囊模拟待开挖的区域，水囊上设置有导水管，水囊放水模拟煤层的开挖。

一种模拟顶板岩梁破断的试验方法，利用上述的模拟顶板岩梁破断的试验装置，其特征在于，步骤包括：

A.组装固定试验箱1和试验台底座11，放置压板3并调节压头5位置。

B.根据矿井煤层条件和试验箱1尺寸确定顶板层81、底板层82和煤层84的试件尺寸。

C.制备顶板层81、底板层82和煤层84的模拟试件，包括测量模拟试件和表面磨平。

D.在试验台底座11上先铺设底板层81；再铺设煤层84和煤层水囊85，煤层水囊85注水至高度和煤层齐平；在煤层84和顶板层81之间设置应变片，然后在煤层84上方铺设顶板层81；最后在顶板层81上方铺设均压水囊83并充水。其中煤层84利用煤块试件制作而成，煤层水囊85和煤层的高度根据实际煤层的高度确定，煤层水囊85的宽度根据煤层工作面的宽度确定。

E.在均压水囊83上方设置上压板31，在实验体8表面喷涂数字散斑测点。

F.安装前挡板23和后挡板24，将煤层水囊85和均压水囊83的导水管穿过后挡板上的导水孔27，然后安装固定槽钢26加固前挡板23和后挡板24。

G.根据埋深和测压系数计算确定上压头51、左压头52和右压头53需要施加的压力，通过液压机构7加压。其中上压头、左压头和右压头需要施加的压力根据矿井实际地质条件计算，上压头需要提供压力的计算包括，计算上覆岩层压强P＝ρgh，其中ρ为上覆岩层的平均密度，g为重力加速度，h为埋深；上压头提供的力F_上＝P×S_上，其中S_上为顶板上表面的面积。左压头和右压头需要提供压力的计算包括，计算测压系数λ的取值范围其中左压头压力F_左和右压头压力F_右，其中F_左＝F_右＝P×S_侧×λ，其中S_侧为实验体左右两侧的侧面积，侧面积包括底板、煤层、顶板和均压水囊整体的侧面面积。

H.通过煤层水囊85的导水管给煤层水囊85放水，期间记录顶板的应力和应变监测数据。

实施例2

一种模拟顶板岩梁破断的试验装置其结构具体包括试验箱1、挡板2、压板3、滑轨4、压头5、监测机构6和液压机构7，试验箱1可以设计长宽高具体为52cm×12cm×40cm，液压机构7和压头5相连，压头5设置在滑轨4上。挡板2包括左挡板21、右挡板22、前挡板23和后挡板24，压头5包括上压头51、左压头52和右压头53，压板3包括上压板31、左压板32和右压板33。试验台底座11的厚度可以为5cm，压板3的厚度可以设置为2cm，左右两侧挡板厚度设置为2cm，前后两侧挡板的厚度可以为1cm。监测机构6包括压力传感器、位移传感器和三维数字散斑监测仪，试验箱1的上部和左右两侧分别设置有压头5，其中左压头和右压头沿滑轨4上下移动，左压头和右压头穿过挡板压设在压板3上。试验箱1底部设置有试验台底座11，左挡板21和右挡板22分别固定在试验台底座11的两侧，实验体8放置在试验台底座11上。实验体8包括顶板层81、底板层82、均压水囊83、煤层84和煤层水囊85，实验体8的上方设置有上压板31。实验体8使用实际的顶板、底板和煤层岩石取样试件进行试验，不需要考虑相似比，并且试验简便，缩短的实验周期，保证了试验结果和实际情况相吻合。上压板31下方布置有均压水囊83，利用均压水囊83保证顶板岩层的均布载荷，均压水囊83下方布置有顶板层81，顶板层81下方布置有煤层84和煤层水囊85，煤层下方布置有底板层82，煤层84和煤层水囊85并列间隔布置，水囊模拟待开挖的区域，水囊上设置有导水管，水囊放水模拟煤层的开挖。

结合某矿的工程实际，矿井待开采煤层标高-400m，煤层厚度为4m。底板为砂质泥岩，厚度为2m。顶板为粉砂岩，厚度为1.5m。一次采全高开采，为模拟煤层开采对顶板岩梁破断的影响，利用模拟顶板岩梁破断的试验装置进行了模拟试验研究。利用该装置进行模拟顶板岩梁破断的试验，具体步骤包括：

步骤A.组装固定试验箱1和试验台底座11，放置压板3并调节压头5位置。将试验台底座11放在试验箱1内并通过螺母或焊接固定，为实验体各层的铺设和数据的监测做好准备工作。三个压头5都可以随立柱或横梁上的滑轨4进行移动，以适应不同的试验情况。

步骤B.根据矿井工程实际进行相似材料模拟，结合矿井煤层条件和试验箱尺寸确定顶板层81、底板层82和煤层84的试件尺寸。由于矿选用条带式开采，煤层的实际采宽为5m，留设条采煤柱为4m，故试验中选择采用10cm长的煤层水囊与8cm长的煤块交替布置煤层。顶板和底板岩层的设计尺寸如下：底板层厚4cm，煤层厚8cm；顶板层厚3cm，均压水囊厚10cm，并且顶板层和底板层设计的长度、宽度分别为44cm和10cm。煤层中煤块长8cm、宽10cm，煤层水囊长10cm、宽10cm。

步骤C.制备顶板层81、底板层82和煤层84的模拟试件，包括测量模拟试件和表面磨平。根据实验箱体的尺寸和工程实例的具体条件，按比例制备不同尺寸的试件。将制备完成的试件表面进行磨平，使试件表面接触良好，这样就可以大致消除试件接触面对力传递的影响。普通对岩石试件接触面的处理方式是用胶水、混凝土进行粘结，但是这种方法终究会对实验结果造成影响，并且胶水属于弹性体，会对实验过程中试件的压缩造成较大的影响。

步骤D.首先在试验台底座11上先铺设底板层82，底板层82由砂岩制作而成；再铺设煤层84和煤层水囊85，其中煤层84由煤块制作而成，煤层水囊85注水至高度和煤层齐平；在煤层84和顶板层81之间设置应变片，然后在煤层84上方铺设顶板层81，顶板层81由粉砂岩制作而成；最后在顶板层81上方铺设均压水囊83并充水。其中煤层利用煤块试件制作而成，煤层水囊85和煤层的高度根据实际煤层的高度确定，煤层水囊85的宽度根据煤层工作面的宽度确定。

步骤E.在均压水囊83上方设置上压板，在实验体8表面喷涂数字散斑测点，然后将三维数字散斑监测仪的高速摄像机和数据处理系统放置在合适的位置。数字散斑系统能实时采集物体各个变形阶段的散斑图像，计算出全场应变和变形，用于分析、计算、记录变形数据。采用图形化显示测量结果，便于更好地理解和分析实验体，尤其是顶板岩层的受力变形情况，记录顶板岩梁的变形和应力演化。

步骤F.安装前挡板23和后挡板24，将煤层水囊85和均压水囊83的导水管穿过后挡板24上的导水孔27，然后安装固定槽钢26加固前挡板23和后挡板24，注意固定槽钢26不要挡住三维数字散斑监测仪的监测面。

步骤G.根据埋深和测压系数计算确定上压头51、左压头52和右压头53需要施加的压力，通过液压机构加压。在加压过程中，先调整试验箱1的位置，使其处在加载试验台合适的位置。之后将三个压头通过压头轨道进行位置上的调整，使压头与加压板相互接触，然后再通过加压系统将三个压头压力调整到所需的数值。

根据矿井工程实际条件，进行地应力的计算，该煤层具有400m的上覆岩层，根据埋深规律上覆岩层提供的压力由公式P＝ρgh得出，其中ρ的取值根据本矿工程实际得出，其取值为2000kg/m³，并且公式中的g取值9.8，h取值400，计算得到上覆岩层提供的压力P＝7.84MPa。对于不同的区域，侧压系数λ值进行取值，但侧压系数的变化范围基本上介于的范围，其中H为实测应力深度，以m为单位。根据该矿井的工程实际条件，最终确定试验模拟中所采用的侧压系数为0.7，试验中左右两侧提供的侧压力为P_左＝P_右＝P×0.7＝7.84×0.7＝5.488MPa，上覆岩层压力与侧压力均由液压机构进行控制。均压水囊和上压板提供的压力远小于上覆岩层所提供的压力，为了简化试验，可以不予考虑。其中三个压头所提供的压力为F，F＝P×S。上压头提供的力F_上＝P×S_上＝7.84MPa×(44cm×10cm)＝345kN。左右两侧压头提供的力F_左＝F_右＝P_左×S_左＝P_右×S_右＝5.488MPa×(10cm×45cm)＝247kN。根据计算液压机构控制加压，其中上压头加压345KN，左压头和右压头加压为247KN，加压后也可以在均压水囊83上设置压力表，通过压力表监测均压水囊的实际压力。

步骤H.通过煤层水囊85的导水管给煤层水囊85放水，来模拟煤层开采，期间记录顶板的应力和应变监测数据。随着放水结束，模拟的开采过程也就相应的结束，在结束后的一段时间里，监测机构6和液压机构7一直处于工作状态，来监测煤层开采后顶板层的变形和应力的演化，此过程无需人为控制和操作，系统自动记录试验数据。

将试验得到的数据进行分析，得出煤层开采对顶板岩层的影响，为煤矿实际工程当中提供理论依据。除了本工程实例之外，还可以模拟不同的地质情况，用煤层水囊模拟不同采高和采宽的情况，用压头提供不同的压力来模拟不同采深的情况。可用不同尺寸的水囊和煤块来模拟不同采高和跨度的情况。可以通过压头施加不同的压力来模拟不同采深条件下的地应力。利用压力传感器、位移传感器和三维数字散斑监测仪监测顶板的应力和位移变化，监测结构更加准确。另外，本发明还具有操作简便，模拟范围广，试验参数调节灵活等优点。

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 (8)

1.一种模拟顶板岩梁破断的试验装置，其特征在于，包括试验箱、挡板、压板、滑轨、压头、监测机构和液压机构；所述挡板包括左挡板、右挡板、前挡板和后挡板，压头包括上压头、左压头和右压头，压板包括上压板、左压板和右压板，监测机构包括压力传感器、位移传感器和三维数字散斑监测仪；所述试验箱的上部和左右两侧分别设置有压头，其中左压头和右压头沿滑轨上下移动，左压头和右压头穿过挡板压设在压板上；所述试验箱底部设置有试验台底座，左挡板和右挡板分别固定在试验台底座的两侧，实验体放置在试验台底座上。

2.根据权利要求1所述的一种模拟顶板岩梁破断的试验装置，其特征在于，所述实验体包括顶板层、底板层、均压水囊、煤层和煤层水囊，实验体的上方设置有上压板；所述上压板下方布置有均压水囊，均压水囊下方布置有顶板层，顶板层下方布置有煤层和煤层水囊，煤层下方布置有底板层；所述煤层和煤层水囊并列间隔布置。

3.根据权利要求1所述的一种模拟顶板岩梁破断的试验装置，其特征在于，所述试验台底座的前方设置有前挡板，试验台底座的后方设置有后挡板；所述后挡板上设置有导水孔，前挡板和后挡板上均设置有固定槽钢。

4.根据权利要求1所述的一种模拟顶板岩梁破断的试验装置，其特征在于，所述左压板和右压板随压头左右移动，所述上压头沿试验箱上部设置的滑轨移动；所述左挡板和右挡板的侧面设置有安装孔，所述前挡板和后挡板的左右两边上设置有安装孔。

5.根据权利要求4所述的一种模拟顶板岩梁破断的试验装置，其特征在于，所述左挡板、右挡板和压板使用钢材制作而成，所述前挡板和后挡板使用透明亚克力板制作而成，所述均压水囊上设置有压力表。

6.一种模拟顶板岩梁破断的试验方法，利用权利要求1至5任一项所述的模拟顶板岩梁破断的试验装置，其特征在于，步骤包括：

A.组装固定试验箱和试验台底座，放置压板并调节压头位置；

B.根据矿井煤层条件和试验箱尺寸确定顶板层、底板层和煤层的试件尺寸；

C.制备顶板层、底板层和煤层的模拟试件，包括测量模拟试件和表面磨平；

D.在试验台底座上先铺设底板层；再铺设煤层和煤层水囊，煤层水囊注水至高度和煤层齐平；在煤层和顶板层之间设置应变片，然后在煤层上方铺设顶板层；最后在顶板层上方铺设均压水囊并充水；

E.在均压水囊上方设置上压板，在实验体表面喷涂数字散斑测点；

F.安装前挡板和后挡板，将煤层水囊和均压水囊的导水管穿过后挡板上的导水孔，然后安装固定槽钢加固前挡板和后挡板；

G.根据埋深和侧压系数计算确定上压头、左压头和右压头需要施加的压力，通过液压机构加压；

H.通过煤层水囊的导水管给煤层水囊放水，期间记录顶板的应力和应变监测数据。

7.根据权利要求6所述的一种模拟顶板岩梁破断的试验方法，其特征在于，所述煤层利用煤块试件制作而成；所述煤层水囊和煤层的高度根据实际煤层的高度确定，煤层水囊的宽度根据煤层工作面的宽度确定。

8.根据权利要求6所述的一种模拟顶板岩梁破断的试验方法，其特征在于，所述步骤G中上压头、左压头和右压头需要施加的压力根据矿井实际地质条件计算，所述上压头需要提供压力的计算包括，计算上覆岩层压强P＝ρgh，其中ρ为上覆岩层的平均密度，g为重力加速度，h为埋深；上压头提供的力F_上＝P×S_上，其中S_上为顶板上表面的面积；所述左压头和右压头需要提供压力的计算包括，计算测压系数λ的取值范围其中左压头压力F_左和右压头压力F_右，其中F_左＝F_右＝P×S_侧×λ，其中S_侧为实验体左右两侧的侧面积。