CN111208010A - 模拟顶板岩层回转破断试验方法 - Google Patents

模拟顶板岩层回转破断试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种模拟顶板岩层回转破断试验方法，涉及采矿模拟技术领域。本模拟顶板岩层回转破断试验方法，应用模拟顶板岩层回转破断加载装置，底座上设置支撑架，支撑架的上端设置固定板；固定板的一侧铰接回转板的一侧；底座上设置加载油缸，加载油缸位于回转板的下方，加载油缸伸缩端上设置有压头，压头接触回转板的下表面；包括如下步骤：步骤一、现场采样及试样加工制备；步骤二、加载位置放置；步骤三、预加静载；步骤四、回转破断加载；步骤五、结果分析。本发明的有益效果：可以对采空区上方顶板岩层回转变形和破断失稳情况进行模拟分析，能够准确推断采空区上方顶板岩层的运动特征，掌握顶板岩层回转变形和破断失稳的结构状态。

Description

模拟顶板岩层回转破断试验方法
技术领域
本发明涉及采矿模拟技术领域，特别是涉及一种模拟顶板岩层回转破断试验方法。
背景技术
煤炭在我国一次能源结构中的主体地位未来30年不会改变。以层状特征赋存的煤系地质结构，煤炭采出后其上部层状岩层近似以两端固支，中部悬空的岩梁结构存在于采空区上方。随着工作面的推进，在上部载荷的作用下顶板岩梁发生弯曲变形，并在四周端部支点处发生回转，挤压下部煤体的同时，岩梁自身在达到临界弯曲挠度后发生破断，所形成的动载往往会造成工作面煤壁或者区段煤柱发生动压显现，造成煤矿井下设备和人员伤亡。因此，分析采空区上方顶板岩层的运动特征，掌握顶板岩层回转变形和破断失稳的结构状态，对于弄清采掘工作面及巷道矿压显现，确定采掘工作面顶板管理及巷道支护参数，指导采掘工作面的安全生产，保证井下作业人员生命安全具有重要的现实意义和社会意义。
公开号为CN108398330A的中国专利文献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，其主要用于模拟采空区矿柱支撑的动载失稳破坏情况，但并不能模拟采空区上方顶板岩层回转变形和破断失稳情况。
发明内容
本发明的目的在于提供一种模拟顶板岩层回转破断试验方法，实现对采空区上方顶板岩层回转变形和破断失稳情况的模拟分析。
本发明提供一种模拟顶板岩层回转破断试验方法，应用模拟顶板岩层回转破断加载装置，模拟顶板岩层回转破断加载装置包括底座、支撑架、固定板、回转板和加载油缸；所述底座上设置支撑架，支撑架的上端设置固定板；固定板的一侧铰接回转板的一侧；所述底座上设置加载油缸，加载油缸位于回转板的下方，加载油缸伸缩端上设置有压头，压头接触回转板的下表面；
模拟顶板岩层回转破断试验方法包括如下步骤：
步骤一、现场采样及试样加工制备
在煤矿现场取获大尺寸煤样和岩样，将煤样再加工成原煤试件，原煤试件是在原煤试样一侧面设置开槽以模拟侧向采空区，在煤样上开设通孔以模拟巷道，开槽与通孔之间的部分以模拟煤柱；在岩样的设定位置开设预制裂缝以制得岩板试件；
步骤二、加载位置放置
将模拟顶板岩层回转破断加载装置放置在液压加载机的底座平台上，依次将岩板试件、原煤试件放置在固定板及回转板的上表面；
回转板用于模拟高位厚硬岩层，岩板试件用于模拟低位厚硬岩层，原煤试件用于模拟煤层，回转板的旋转轴线用于模拟高位厚硬岩层的断裂位置，沿板试件上的预制裂缝位置产生断裂用于模拟低位厚硬岩层的断裂位置；
调整回转板的旋转轴线、岩板试件上的预制裂缝位置及原煤试件的相对位置，以形成不同顶板断裂位置组合；
步骤三、预加静载
在试验设定的顶板断裂位置组合下，液压加载机的加载端对原煤试件施加设定加载压力，以模拟重复采动巷道开挖前的应力加载环境；
步骤四、回转破断加载
在试验设定的顶板断裂位置组合下，加载油缸伸缩端升起，压头推动回转板向上转动，回转板挤压岩板试件及原煤试件，以模拟高位厚硬岩层回转和破断情况；
在步骤三和步骤四的过程中进行监测，
以设定频率记录加载油缸的压力值和回转板的回转角度，记录试验设定的顶板断裂位置组合下回转板的旋转轴线、岩板试件上的预制裂缝位置及原煤试件的相对位置，记录岩板试件断裂位置和断裂时间；
记录原煤试件及岩板试件全过程破坏的全场位移和应变数据。
进一步地，模拟顶板岩层回转破断试验方法还包括
步骤五、结果分析
5.1应变特征分析
随着加载油缸的压力增大和回转板的回转角度增加，在不同顶板断裂位置组合下，分析原煤试件及岩板试件全过程破坏的水平位移场及应变场、竖向位移场及应变场变化，得到原煤试件及岩板试件上应变分布及变化过程；
5.2煤柱受力状态分析
根据5.1中原煤试件及岩板试件上应变分布及变化过程确定煤柱受力状态；
5.3高位岩层回转倾角分析
在相同顶板断裂位置组合下，岩板试件断裂时，对应回转板回转角度的大小，以反映煤层顶板垮落时所对应的高位岩层回转倾角。
进一步地，步骤二中，调整回转板的旋转轴线、岩板试件上的预制裂缝位置及原煤试件的相对位置，形成不同顶板断裂位置组合形式包括：
组合一、高位厚硬岩层的断裂位置和低位厚硬岩层的断裂位置靠近侧向采空区的位置；
组合二、高位厚硬岩层的断裂位置对应煤柱位置，低位厚硬岩层的断裂位置靠近侧向采空区的位置；
组合三、高位厚硬岩层的断裂位置靠近侧向采空区的位置，低位厚硬岩层的断裂位置对应煤柱位置；
组合四、高位厚硬岩层的断裂位置和低位厚硬岩层的断裂位置均对应煤柱位置。
进一步地，借助非接触式全场应变测量系统，采用数字图像相关法进行比对分析，记录原煤试件及岩板试件全过程破坏的全场位移和应变数据。
进一步地，所述底座上可拆卸设置有若干个配重块。
进一步地，所述底座与固定板之间留有装配空间，所述装配空间内设置配重块。
进一步地，底座的上表面开设下装配槽，固定板的下表面开设上装配槽，配重块的下端嵌入下装配槽，配重块的上端嵌入上装配槽。
进一步地，固定板的一侧开设横截面为C形的旋转槽口，回转板的一侧设置有与旋转槽口形状配合的旋转柱，旋转柱装配于旋转槽口内；固定板与回转板平齐时，固定板的一侧与回转板的一侧之间留有间隙。
进一步地，所述加载油缸经液压管路连接有油压泵。
与现有技术相比，本发明的模拟顶板岩层回转破断试验方法具有以下特点和优点：
本发明的模拟顶板岩层回转破断试验方法，应用模拟顶板岩层回转破断加载装置，可以对采空区上方顶板岩层回转变形和破断失稳情况进行模拟分析，能够准确推断采空区上方顶板岩层的运动特征，掌握顶板岩层回转变形和破断失稳的结构状态，对于弄清采掘工作面及巷道矿压显现，确定采掘工作面顶板管理及巷道支护参数选择提供指导，对于指导工作面矿压分析、推进速度确定以及冲击地压、顶板大面积来压等灾害的预测预报，具有重要的指导意义。
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为实施例模拟顶板岩层回转破断加载装置的结构示意图；
图2为实施例利用模拟顶板岩层回转破断加载装置进行试验图一，图2中对“加载油缸”简化绘制；
图3为实施例利用模拟顶板岩层回转破断加载装置进行试验图二，图3中对“加载油缸”简化绘制；
图4为实施例利用模拟顶板岩层回转破断加载装置进行试验图三，图4中对“加载油缸”简化绘制；
图5为实施例利用模拟顶板岩层回转破断加载装置进行试验图四，图5中对“加载油缸”简化绘制。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文的本发明的模拟顶板岩层回转破断加载装置，将以较佳实施例，配合所附相关附图，作详细说明。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1至图5所示，本实施例提供一种模拟顶板岩层回转破断加载装置，底座1上表面的中间位置设置长方体结构的支撑架2，支撑架2的上端设置固定板3。底座1上表面于支撑架2的一侧设置加载油缸5，底座1上表面于支撑架2的另一侧可拆卸设置若干个配重块6。固定板3的一侧铰接回转板4的一侧。加载油缸5位于回转板4的正下方。加载油缸5经液压管路连接有油压泵，油压泵控制加载油缸5伸缩端的升降。加载油缸5伸缩端上设置压头51，压头51接触回转板4的下表面，压头51带动回转板4回转。
通过调整回转板4的旋转轴线41、岩板试件7上的预制裂缝71位置及原煤试件8的相对位置，以形成不同顶板断裂位置组合，控制回转板4的回转角度，实现对顶板不同回转角度和破断位置下煤体应力状态的分析。
为了防止回转板4在回转过程中，因挤压岩板试件7(模拟低位厚硬岩层)而引起整个装置的错动，故在底座1上表面可拆卸设置若干个配重块6，确保试验过程中装置的稳定。
底座1上表面可拆卸设置若干个配重块6的优选方案为：底座1与固定板3之间留有装配空间，装配空间内设置配重块6。在底座1的上表面开设下装配槽，在固定板3的下表面开设上装配槽，配重块6的下端嵌入下装配槽，配重块6的上端嵌入上装配槽。在装配空间内装配配重块6，可以从底座1及固定板3的一侧，将配重块6插入下装配槽和上装配槽中，并将配重块6推入装配空间内；从装配空间拆卸配重块6，只需要从底座1及固定板3的某一侧将配重块6推出即可。
回转板4可以设置为硬厚钢板或合成硬质高强材料板。具体的，通过材料配比试验，当煤体单轴抗压强度与高位厚硬岩层单轴抗压强度相差较大时，高位厚硬岩层可视为刚性，即其在回转变形过程中不会发生挤压变形并积聚弹性变形能，其破断过程中释放的能量仅为高位厚硬岩层自身的弹性能量，此时回转板4可设置为厚硬钢板模拟高位厚硬岩层的回转变形。当煤体单轴抗压强度与高位厚硬岩层单轴抗压强度相差较小时，高位厚硬岩层无法视为刚性材料，因其在回转变形、挤压煤体过程中，也会发生变形而积聚弹性能量，当高位厚硬岩层破断失稳时所释放的能量除自身的弹性能量外，还包括因挤压变形而积聚的弹性能，这部分能量对煤体应力状态分析和稳定性评估影响显著，因此可通过材料配比试验，选择单轴抗压强度与高位厚硬岩层相近的合成硬质高强材料板。
固定板3的一侧铰接回转板4的一侧的优选方案为：固定板3的一侧开设旋转槽口，旋转槽口的横截面为C形。回转板4的一侧设置有旋转柱41，旋转柱41与旋转槽口形状配合，旋转柱41装配于旋转槽口内。固定板3与回转板4平齐时，固定板3的一侧与回转板4的一侧之间留有间隙。在加载油缸5的压头51的推动下，旋转柱41可以相对于旋转槽口转动，以使回转板4相对于固定板3向上转动。
需要说明的是，旋转柱41可以与旋转槽口方便地装配和拆卸。旋转柱41从旋转槽口的一侧插入旋转柱41，实现旋转柱41与旋转槽口的装配；从旋转槽口将旋转柱41推出，以实现旋转柱41与旋转槽口的拆卸。旋转柱41可以与旋转槽口方便地装配和拆卸，这为更换不同材质的回转板4(硬厚钢板或合成硬质高强材料板)提供便利。
加载油缸5采用大容量粗立柱缓增阻式油缸，配合可调控式油压泵作为回转板4回转变形及破断失稳的驱动装置，通过控制加载油缸5伸缩端的升降高度及上部压头51的作用面积，实现对煤层上部顶板岩层载荷作用类型的模拟控制。
如图1至图5所示，本实施例提供一种模拟顶板岩层回转破断试验方法，应用上述的模拟顶板岩层回转破断加载装置，具体步骤如下：
步骤一、现场采样及试样加工制备
在煤矿现场取获大尺寸煤样和岩样，煤岩试样尺寸不小于300mm×250mm×250mm，对煤岩试样包裹密封，将煤岩试样运送至实验室。
采用岩石切割机、立式取芯机和双端面磨石机等设备，将煤样加工成150mm×150mm×150mm左右的立方体。煤样再加工成原煤试件8，原煤试件8是在原煤试样一侧面设置开槽81以模拟侧向采空区，在煤样上开设通孔以模拟巷道，开槽与通孔之间的部分以模拟煤柱。
采用岩石切割机、立式取芯机和双端面磨石机等设备，将岩样加工成150mm×150mm×25mm左右的立方体。在岩样的长边1/4处、1/2处位置开设深度约为5mm的预制裂缝71制得岩板试件7。
步骤二、加载位置放置
将本实施例上述的模拟顶板岩层回转破断加载装置放置在液压加载机(万能试验机)的底座平台上，依次将岩板试件7、原煤试件8放置在固定板3及回转板4的上表面，在原煤试件8的上表面放置加载钢板。
模拟顶板岩层回转破断加载装置中的加载油缸5重量较重，不能按照真实煤层赋存条件将模拟顶板岩层回转破断加载装置放置在放在原煤试件8上部进行加载。因此，将回转板4、岩板试件7及原煤试件8组合顺序进行倒置。回转板4用于模拟高位厚硬岩层，岩板试件7用于模拟低位厚硬岩层，原煤试件8用于模拟煤层。回转板4的旋转轴线41用于模拟高位厚硬岩层的断裂位置，沿板试件7上的预制裂缝71位置产生断裂用于模拟低位厚硬岩层的断裂位置。
调整回转板4的旋转轴线41、岩板试件7上的预制裂缝71位置及原煤试件8的相对位置，以形成不同顶板断裂位置组合，本实施例提供如下组合形式：
组合一、参照图2，高位厚硬岩层的断裂位置和低位厚硬岩层的断裂位置靠近侧向采空区的位置；
组合二、参照图3，高位厚硬岩层的断裂位置对应煤柱位置，低位厚硬岩层的断裂位置靠近侧向采空区的位置；
组合三、参照图4，高位厚硬岩层的断裂位置靠近侧向采空区的位置，低位厚硬岩层的断裂位置对应煤柱位置；
组合四、参照图5，高位厚硬岩层的断裂位置和低位厚硬岩层的断裂位置均对应煤柱位置。
步骤三、预加静载
在试验设定的顶板断裂位置组合下，万能试验机的加载端作用加载钢板，施加设定加载压力，以模拟重复采动巷道开挖前的应力加载环境。
步骤四、回转破断加载
在试验设定的顶板断裂位置组合下，通过液压泵控制加载油缸5伸缩端升起，压头51推动回转板4向上转动，回转板4挤压岩板试件7及原煤试件8，以模拟高位厚硬岩层回转和破断情况。
在步骤三和步骤四的过程中进行监测，
以2秒/次的频率，记录加载油缸5的压力值和回转板4的回转角度，记录试验设定的顶板断裂位置组合下回转板4的旋转轴线41、岩板试件上的预制裂缝71位置及原煤试件8的相对位置，记录岩板试件7断裂位置和断裂时间。
借助非接触式全场应变测量系统(包括相机、照明设备和主机三部分)，采用数字图像相关法进行比对分析，记录原煤试件8及岩板试件7全过程破坏的全场位移和应变数据。
步骤五、结果分析
5.1应变特征分析
随着加载油缸5的压力增大和回转板4的回转角度增加，在不同顶板断裂位置组合下，分析原煤试件8及岩板试件7全过程破坏的水平位移场及应变场、竖向位移场及应变场变化，得到原煤试件8及岩板试件7上应变分布及变化过程。
5.2煤柱受力状态分析
根据5.1中原煤试件8及岩板试件7上应变分布及变化过程确定煤柱受力状态。
5.3高位岩层回转倾角分析
在相同顶板断裂位置组合下，岩板试件7断裂时，对应回转板4回转角度的大小，以反映煤层顶板垮落时所对应的高位岩层回转倾角。
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 (9)

1.一种模拟顶板岩层回转破断试验方法，其特征在于，应用模拟顶板岩层回转破断加载装置，模拟顶板岩层回转破断加载装置包括底座、支撑架、固定板、回转板和加载油缸；所述底座上设置支撑架，支撑架的上端设置固定板；固定板的一侧铰接回转板的一侧；所述底座上设置加载油缸，加载油缸位于回转板的下方，加载油缸伸缩端上设置有压头，压头接触回转板的下表面；
模拟顶板岩层回转破断试验方法包括如下步骤：
步骤一、现场采样及试样加工制备
在煤矿现场取获大尺寸煤样和岩样，将煤样再加工成原煤试件，原煤试件是在原煤试样一侧面设置开槽以模拟侧向采空区，在煤样上开设通孔以模拟巷道，开槽与通孔之间的部分以模拟煤柱；在岩样的设定位置开设预制裂缝以制得岩板试件；
步骤二、加载位置放置
将模拟顶板岩层回转破断加载装置放置在液压加载机的底座平台上，依次将岩板试件、原煤试件放置在固定板及回转板的上表面；
回转板用于模拟高位厚硬岩层，岩板试件用于模拟低位厚硬岩层，原煤试件用于模拟煤层，回转板的旋转轴线用于模拟高位厚硬岩层的断裂位置，沿板试件上的预制裂缝位置产生断裂用于模拟低位厚硬岩层的断裂位置；
调整回转板的旋转轴线、岩板试件上的预制裂缝位置及原煤试件的相对位置，以形成不同顶板断裂位置组合；
步骤三、预加静载
在试验设定的顶板断裂位置组合下，液压加载机的加载端对原煤试件施加设定加载压力，以模拟重复采动巷道开挖前的应力加载环境；
步骤四、回转破断加载
在试验设定的顶板断裂位置组合下，加载油缸伸缩端升起，压头推动回转板向上转动，回转板挤压岩板试件及原煤试件，以模拟高位厚硬岩层回转和破断情况；
在步骤三和步骤四的过程中进行监测，
以设定频率记录加载油缸的压力值和回转板的回转角度，记录试验设定的顶板断裂位置组合下回转板的旋转轴线、岩板试件上的预制裂缝位置及原煤试件的相对位置，记录岩板试件断裂位置和断裂时间；
记录原煤试件及岩板试件全过程破坏的全场位移和应变数据。
2.根据权利要求1所述的模拟顶板岩层回转破断试验方法，其特征在于：模拟顶板岩层回转破断试验方法还包括
步骤五、结果分析
5.1应变特征分析
随着加载油缸的压力增大和回转板的回转角度增加，在不同顶板断裂位置组合下，分析原煤试件及岩板试件全过程破坏的水平位移场及应变场、竖向位移场及应变场变化，得到原煤试件及岩板试件上应变分布及变化过程；
5.2煤柱受力状态分析
根据5.1中原煤试件及岩板试件上应变分布及变化过程确定煤柱受力状态；
5.3高位岩层回转倾角分析
在相同顶板断裂位置组合下，岩板试件断裂时，对应回转板回转角度的大小，以反映煤层顶板垮落时所对应的高位岩层回转倾角。
3.根据权利要求1所述的模拟顶板岩层回转破断试验方法，其特征在于：步骤二中，调整回转板的旋转轴线、岩板试件上的预制裂缝位置及原煤试件的相对位置，形成不同顶板断裂位置组合形式包括：
组合一、高位厚硬岩层的断裂位置和低位厚硬岩层的断裂位置靠近侧向采空区的位置；
组合二、高位厚硬岩层的断裂位置对应煤柱位置，低位厚硬岩层的断裂位置靠近侧向采空区的位置；
组合三、高位厚硬岩层的断裂位置靠近侧向采空区的位置，低位厚硬岩层的断裂位置对应煤柱位置；
组合四、高位厚硬岩层的断裂位置和低位厚硬岩层的断裂位置均对应煤柱位置。
4.根据权利要求1所述的模拟顶板岩层回转破断试验方法，其特征在于：借助非接触式全场应变测量系统，采用数字图像相关法进行比对分析，记录原煤试件及岩板试件全过程破坏的全场位移和应变数据。
5.根据权利要求1所述的模拟顶板岩层回转破断试验方法，其特征在于：所述底座上可拆卸设置有若干个配重块。
6.根据权利要求5所述的模拟顶板岩层回转破断试验方法，其特征在于：所述底座与固定板之间留有装配空间，所述装配空间内设置配重块。
7.根据权利要求6所述的模拟顶板岩层回转破断试验方法，其特征在于：底座的上表面开设下装配槽，固定板的下表面开设上装配槽，配重块的下端嵌入下装配槽，配重块的上端嵌入上装配槽。
8.根据权利要求1所述的模拟顶板岩层回转破断试验方法，其特征在于：固定板的一侧开设横截面为C形的旋转槽口，回转板的一侧设置有与旋转槽口形状配合的旋转柱，旋转柱装配于旋转槽口内；固定板与回转板平齐时，固定板的一侧与回转板的一侧之间留有间隙。
9.根据权利要求1所述的模拟顶板岩层回转破断试验方法，其特征在于：所述加载油缸经液压管路连接有油压泵。
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