CN112903453B - 倾斜采空区多排群柱扰动载荷下抗拉能力测试装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种倾斜采空区多排群柱扰动载荷下抗拉能力测试装置与方法。该装置底座上设有四个保护环，每个保护环内部安装有一根机架，下滑动卡座上面设有位于同一中心线上的五排下加载鄂，可实现对1‑25个试件的变角度同步拉伸。本发明可以实现多个煤、岩、充填体、混凝土、煤‑充、岩‑充试件的同步加载，可以获取扰动加载条件下倾斜采空区多排群柱系统的拉伸能力，得到倾斜采空区群柱个体之间的相互影响关系，为揭示扰动影响下倾斜采空区多排群柱的链式失稳响应特征与机理奠定基础，对研发倾斜采空区多排群柱链式失稳防控技术提供指导。

Description

倾斜采空区多排群柱扰动载荷下抗拉能力测试装置与方法

技术领域

本发明涉及一种倾斜采空区多排群柱扰动载荷下抗拉能力测试装置与方法，主要适应于多个煤、岩、充填体、混凝土、煤-充、岩-充试样同步加载的装置与方法，属于采矿岩石力学试验技术领域。

背景技术

由于旧采时期开采方法的落后，我国许多矿井中形成了大量的遗留煤柱，主要包括：刀柱式遗留煤柱、房柱式遗留煤柱、条带式遗留煤柱、短壁式遗留煤柱、巷采式遗留煤柱、仓房式遗留煤柱、跳采式遗留煤柱等，其在空间上密集分布、形态各异、相互影响、错综复杂且尺寸不一，以群落的形式组合形成煤柱群。同样地，在金属矿开采时采空区中也会形成矿柱群柱，来承载覆岩载荷并保障采场的长期稳定性。

充填开采可以有效控制覆岩运动与地表沉陷。近年来，为了解决充填材料来源不足和成本较高等技术难题，部分充填、巷旁充填、条带充填、墩柱充填、局部充填、短壁充填、带状充填、间隔充填、柱旁充填、结构充填、功能充填和骨架式充填等技术方法，并在许多矿井应用推广。上述充填开采技术方法难免在采空区中留设有不同尺寸/形态的充填柱（混凝土柱），且以群柱的形式分布，组合形成了充填体群柱或混凝土群柱。

本文将上述煤柱群、矿柱群、充填柱群和混凝土群统称为“群柱”。采场群柱留设的初衷是为了承担上覆岩层荷载，并且保障采空区的长期稳定性。采场群柱的长期稳定性是一个值得关注的科学问题。然而，在覆岩载荷、扰动载荷、矿井水浸蚀、硫酸盐腐蚀、氯盐腐蚀和自然风化等耦合作用下，采场群柱的承载能力会逐渐减弱，可能引发群柱体系的失稳，导致覆岩垮塌，地表沉陷等灾害，给煤炭资源安全高效开采带来重大安全隐患。

采空区遗留群柱除了受到上覆荷载的静载之外，还会受到强烈的外界扰动作用，这些扰动作用严重威胁着工程人员的人身安全以及工程质量，传统的试验机无法研究扰动下遗留群柱的单轴承载能力。但传统的试验机只能对单个煤柱进行加载，无法对多群柱进行双轴加载，无法研究进行柱旁充填后群柱体系对上覆载荷的承担能力。

采场群柱独立个体之间存在着相互影响，覆岩载荷和扰动荷载等并非由采场单一柱体来承担，主要通过群柱体系共同进行承担。如果一个柱体局部发生失稳破坏，覆岩载荷与扰动荷载就会发生转移，进而导致相邻群柱的失稳破坏，并引发采场群柱的“多米诺骨牌”链式失稳。因此，非常有必要测试采场群柱体系的整体承载能力。目前，现场监测采场群柱的整体承载能力难以实现，只能依靠试验室小尺寸群柱试样来测试。传统的试验机只能对单个柱体试样进行加载，无法对群柱试样进行加载。实际工程中，煤层通常带有一定倾角，并不是水平分布，因此研究变角度下群柱体系承载能力是十分必要的，但传统试验机无法研究变角度下群柱体系的单轴承载能力。

综上，亟需开发一种采场群柱整体承载能力的测试装置方法，从而获取采场群柱系统的整体承载能力，得到群柱个体之间的相互影响关系，为揭示采场群柱的链式失稳响应特征与机理奠定基础，对研发采场群柱链式失稳防控技术提供指导。聚焦水平采空区多排群柱，本发明拟一种倾斜采空区可扰动多排群柱抗拉能力测试装置与方法。

发明内容

本发明旨在提供一种倾斜采空区多排群柱扰动载荷下抗拉能力测试装置与方法，具体是一种用于实现多个煤、岩、充填体、混凝土、煤-充、岩-充试件同步加载的装置，可以得到群柱个体之间的相互影响关系，为揭示采场群柱的链式失稳响应特征与机理奠定基础，对研发采场群柱链式失稳防控技术提供指导。

本发明提供了一种倾斜采空区多排群柱扰动载荷下抗拉能力测试装置，包括：试验机底座、机架、下压盘、上压盘、上滑动卡座、下滑动卡座、横架、刻度线、保护环、半球座、固定环、固定螺栓、弧形卡块、固定滚轴、弧形槽、上加载鄂、下加载鄂、上压板、固定块、加载装置；所述加载装置由力控制装置、力扰动装置组成；

试验机底座上设有四个保护环，每个保护环内部安装有一根机架，机架底部与试验机底座连接，顶部与横架连接；上滑动卡座和下滑动卡座分别为半圆柱块，下滑动卡座上面设有下加载鄂，下加载鄂与上加载鄂对应设置，用于固定煤柱试样；上滑动卡座上部与上压盘连接，下滑动卡座与下压盘连接；上、下滑动卡座的外缘上设有刻度线，能精确地调控角度，上、下滑动卡座的外侧设有固定环，用于连接上、下滑动卡座；固定环外侧设有弧形卡块，通过弧形卡块与上、下压盘的固定块连接固定；

在工作台底部设有力控制装置，所述力控制装置包括主加载杆、主加载油缸、压力传感器；所述压力传感器通过控制电路与微机连接，分别精确地控制每个煤柱试样的受力状态；主加载杆由主加载油缸进行控制调节，实现对不同煤柱试样进行速度相同或不同的加载，用于模拟煤柱试样受力均匀和受力不均的情况；在横架的底部设有力扰动装置，所述力扰动装置包括扰动力传感器、扰动油缸和扰动杆；扰动荷载通过试验机顶部的扰动油缸施加，再通过扰动杆作用在试样上，可对煤柱试样施加波形为余弦波、三角波、方波形式的轴向扰动荷载；所述加载装置通过上、下压盘作用于煤柱试样上。

优选地，所述遗留群柱包括：遗留煤柱群、矿柱群、充填柱群、煤柱-充填柱组合群柱、矿柱-充填柱组合群柱等，不仅适用于截面为圆形的群柱，也适用于截面为矩形的群柱，更适用于截面为三角形或梯形的群柱。

优选地，所述装置与方法适用于倾角为-50°~50°的煤层开采以后形成的采空区。

优选地，所述下滑动卡座上面设有五排下加载鄂，下加载鄂焊接在下滑动卡座上，可对1～25个试件同时进行抗拉能力测试。

优选地，所述固定环分别设置在上压盘与上滑动卡座之间、下压盘与下滑动卡座之间，固定环的中部设有固定螺栓，将上、下滑动卡座分别与固定环连接；

上压盘、下压盘与固定环之间通过弧形卡块连接固定，弧形卡块在上压盘与固定环之间、下压盘与固定环之间均为相同结构，弧形卡块的前、后端各设有一个固定滚轴，在上压盘的底部、下压盘的顶部分别设置固定块，固定块内设有一个内部空心的弧形槽，其空心部位用来放置弧形卡块，弧形槽的上底面和下底面分别为凹槽型面，其中每个小凹槽对应的圆心角为2°，固定滚轴位于弧形槽的上底面和下底面之间，通过旋转固定滚轴与弧形槽配合，调控装置旋转角度，模拟倾斜采空区的倾斜角度。

优选地，所述下加载鄂中心点位于同一直线上。

优选地，所述上加载鄂和下加载鄂之间通过定向轴承连接，上加载鄂和下加载鄂之间通过弹簧连接，上加载鄂和下加载鄂扣合后内部形成椭圆形的空腔，用于放置试件，防止试件受偏心荷载。

优选地，所述装置既可以测试水平角度多群柱体系抗拉能力，也可以测试变角度下多群柱体系单轴承载能力；能够研究单个煤、岩、充填体、混凝土、煤-充、岩-充试样的抗拉能力，也可以研究多个单个煤、岩、充填体、混凝土、煤-充、岩-充试样群柱体系的抗拉能力。

本发明提供了一种倾斜采空区多排群柱扰动载荷下抗拉能力测试方法，操作步骤包括：

步骤一：利用矿井原有地质技术资料，借助补充勘查技术手段，全面调研待测范围内倾斜采空区中遗留群柱的分布位置、形态和尺寸；

步骤二：基于步骤一获取的倾斜采空区遗留群柱的信息，确定进行试验的试样形状、尺寸以及数量；

步骤三：利用煤岩专用取芯机，借助多级变速手动给进的方式，钻取尺寸适当的试样，利用煤岩切割机将其切割打磨至试验所需的形状与尺寸；

步骤四：依次将试样安装在工作台上的下加载鄂上；

步骤五：在试件两端沿轴线方向画两条平行加载基线，将两根垫条沿着加载基线放置，通过上、下加载鄂固定；

步骤六：通过调节固定滚轴在弧形槽上位置，弧形卡块带动固定环以及上下滑动卡座进行旋转，进而可以将加载试样旋转至目标角度；

步骤七：装置旋转至目标角度固定后，将每个传感器上力数值清零，进行预加载；

步骤八：预加载完成后设定主加载杆的加载速度，进行加载；

步骤九：轴向加载至目标值时，根据试验需求利用扰动杆施加轴向的扰动荷载；

步骤十：施加扰动荷载之后继续施加轴向荷载，直至多排试样发生失稳或满足试验要求后停止加载；

步骤十一：加载完成后，通过液压油缸控制液压推动轴进行卸载，完成试验。

本发明的有益效果：

本发明可以实现多个煤、岩、充填体、混凝土、煤-充、岩-充的变角度下的同时加载，进而实现多个体遗留矿柱受载破坏的模拟，并且可以连续改变试件受载的角度，研究不同角度下多群柱体系在扰动作用下的抗拉能力。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明在水平角度下工作场景示意图；

图3是本发明在倾斜角度下工作场景示意图；

图4是本发明用加载结构组合示意图；

图5是本发明固定环结构示意图；

图6是本发明上压盘内部结构示意图；

图7是本发明上固定块与弧形槽的固定滚轴连接关系图；

图8是本发明上固定块与弧形槽咬合固定滚轴示意图；

图9为本发明上滑动卡座上刻度示意图；

图10是本发明加载装置的剖视图。

图中：1—试验机底座；2—机架；3—下压盘；4—上压盘；5—上滑动卡座；6—下滑动卡座；7—横架；8—主加载杆；9—主加载油缸；10—压力传感器；11—刻度线；12—保护环；13—半球座；14—固定环；15—固定螺栓；16—弧形卡块；17—固定滚轴；18—弧形槽；19—上加载鄂；20—下加载鄂；21—上压板；22—固定块；23—扰动力传感器；24—扰动杆；25—扰动油缸；26—试样。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

实施例1：

如图1～10所示，一种倾斜采空区多排群柱扰动载荷下抗拉能力测试装置与方法其特征在于包括：试验机底座1、机架2、下压盘3、上压盘4、上滑动卡座5、下滑动卡座6、横架7、主加载杆8、主加载油缸9、压力传感器10、刻度线11、保护环12、半球座13、固定环14、固定螺栓15、弧形卡块16、固定滚轴17、弧形槽18、上加载鄂19、下加载鄂20、上压板21、扰动力传感器23、扰动杆24、扰动油缸25。

所述试验机底座1上设有四个保护环12，每个保护环12内部安装有一根机架2，机架2一端与底座1连接，另一端与横架7连接。

试验机底座1上设有四个保护环12，每个保护环12内部安装有一根机架2，机架2底部与试验机底座1连接，顶部与横架7连接；上滑动卡座5和下滑动卡座6分别为半圆柱块，下滑动卡座5上面设有下加载鄂20，下加载鄂20与上加载鄂19对应设置，用于固定煤柱试样26；上滑动卡座5上部与上压盘4连接，下滑动卡座6与下压盘3连接；上、下滑动卡座的外缘上设有刻度线11，能精确地调控角度，上、下滑动卡座的外侧设有固定环14，用于连接上、下滑动卡座；固定环外侧设有弧形卡块16，通过弧形卡块16与上、下压盘的固定块22连接固定；

在工作台底部设有力控制装置，所述力控制装置包括主加载杆8、主加载油缸9、压力传感器10；所述压力传感器10通过控制电路与微机连接，分别精确地控制每个煤柱试样的受力状态；主加载杆8由主加载油缸9进行控制调节，实现对不同煤柱试样进行速度相同或不同的加载，用于模拟煤柱试样受力均匀和受力不均的情况；在横架的底部设有力扰动装置，所述力扰动装置包括扰动力传感器23、扰动油缸25和扰动杆24；扰动荷载通过试验机顶部的扰动油缸25施加，再通过扰动杆24作用在试样上，可对煤柱试样施加波形为余弦波、三角波、方波形式的轴向扰动荷载；所述加载装置通过上、下压盘作用于煤柱试样上。

优选地，所述下滑动卡座3上面设有五排下加载鄂20，下加载鄂焊接在下滑动卡座3上，可对1～25个试件同时进行抗拉能力测试。

优选地，所述上滑动卡座5和下滑动卡座6上都设有刻度线11，可以精确的调控倾斜角度，如图1所示。

如图4~8所示，所述固定环分别设置在上压盘与上滑动卡座之间、下压盘与下滑动卡座之间，固定环的中部设有固定螺栓，将上、下滑动卡座分别与固定环连接；

上压盘、下压盘与固定环之间通过弧形卡块连接固定，弧形卡块在上压盘与固定环之间、下压盘与固定环之间均为相同结构，弧形卡块的前、后端各设有一个固定滚轴，在上压盘的底部、下压盘的顶部分别设置固定块，固定块内设有一个内部空心的弧形槽，其空心部位用来放置弧形卡块，弧形槽的上底面和下底面分别为凹槽型面，其中每个小凹槽对应的圆心角为2°，固定滚轴位于弧形槽的上底面和下底面之间，通过旋转固定滚轴与弧形槽配合，调控装置旋转角度，模拟倾斜采空区的倾斜角度。

优选地，所述下加载鄂19中心点位于同一直线上。

优选地，所述上加载鄂18和下加载鄂19之间通过定向轴承连接，上加载鄂和下加载鄂扣合后内部形成椭圆形的空腔，用于放置试件，防止试件受偏心荷载

优选地，所述装置既可以测试水平角度多群柱体系抗拉能力，也可以测试变角度下多群柱体系单轴承载能力；能够研究单个煤、岩、充填体试样的抗拉能力，也可以研究多个煤、岩、充填体多群柱体系的抗拉能力。

优选地，所述装置操作步骤包括：

步骤一：利用矿井原有地质技术资料，借助补充勘查技术手段，全面调研待测范围内水平采空区中遗留群柱的分布位置、形态和尺寸；

步骤二：基于步骤一获取的水平采空区遗留群柱的信息，确定进行试验的试样形状、尺寸以及数量；

步骤三：利用煤岩专用取芯机，借助多级变速手动给进的方式，钻取尺寸适当的试样，利用煤岩切割机将其切割打磨至试验所需的形状与尺寸；

步骤四：依次将试样安装在工作台上的下加载鄂上；

步骤五：在试件两端沿轴线方向画两条平行加载基线，将两根垫条沿着加载基线放置，通过上、下加载鄂固定；

步骤六：通过调节固定滚轴在弧形槽上位置，弧形卡块带动固定环以及上下滑动卡座进行旋转，进而可以将加载试样旋转至目标角度；

步骤七：装置旋转至目标角度固定后，将每个传感器上力数值清零，进行预加载；

步骤八：预加载完成后设定主加载杆的加载速度，进行加载；

步骤九：轴向加载至目标值时，根据试验需求利用扰动杆施加轴向的扰动荷载；

步骤十：施加扰动荷载之后继续施加轴向荷载，直至多排试样发生失稳或满足试验要求后停止加载；

步骤十一：加载完成后，通过液压油缸控制液压推动轴进行卸载，完成试验。

上述为本发明的实施方式，应当指出，本发明并不限于上述实施方式，可以依据本发明的实质对其进行简单修改，这些均属于本发明的技术方案范围。

Claims (4)

1.一种倾斜采空区多排群柱扰动载荷下抗拉能力测试装置，其特征在于包括：试验机底座（1）、机架（2）、下压盘（3）、上压盘（4）、上滑动卡座（5）、下滑动卡座（6）、横架（7）、刻度线（11）、保护环（12）、半球座（13）、固定环（14）、固定螺栓（15）、弧形卡块（16）、固定滚轴（17）、弧形槽（18）、上加载鄂（19）、下加载鄂（20）、上压板（21）、固定块（22）、加载装置；所述加载装置由力控制装置、力扰动装置组成；

试验机底座上设有四个保护环，每个保护环内部安装有一根机架，机架（2）底部与试验机底座（1）连接，顶部与横架（7）连接；上滑动卡座和下滑动卡座分别为半圆柱块，下滑动卡座（6）上面设有下加载鄂，下加载鄂与上加载鄂对应设置，用于固定煤柱试样；上滑动卡座上部与上压盘连接，下滑动卡座与下压盘连接；上、下滑动卡座的外缘上设有刻度线（11），能精确地调控角度，上、下滑动卡座的外侧设有固定环，用于连接上、下滑动卡座；固定环外侧设有弧形卡块，通过弧形卡块与上、下压盘的固定块连接固定；

在工作台底部设有力控制装置，所述力控制装置包括主加载杆（8）、主加载油缸（9）、压力传感器（10）；所述压力传感器通过控制电路与微机连接，分别精确地控制每个煤柱试样的受力状态；主加载杆由主加载油缸进行控制调节，实现对不同煤柱试样进行速度相同或不同的加载，用于模拟煤柱试样受力均匀和受力不均的情况；在横架的底部设有力扰动装置，所述力扰动装置包括扰动力传感器、扰动油缸和扰动杆；扰动荷载通过试验机顶部的扰动油缸施加，再通过扰动杆作用在试样上，可对煤柱试样施加波形为余弦波、三角波、方波形式的轴向扰动荷载；所述加载装置通过上、下压盘作用于煤柱试样上；

所述下滑动卡座（6）上面设有位于同一中心线上的1~5排下加载鄂（20），下加载鄂中心点位于同一直线上；上加载鄂和下加载鄂之间通过定向轴承连接，上加载鄂和下加载鄂扣合后内部形成椭圆形的空腔，用于放置试件，防止试件受偏心荷载；下加载鄂焊接在下滑动卡座上，能对1～25个试件同时进行抗拉能力测试；

所述固定环分别设置在上压盘与上滑动卡座之间、下压盘与下滑动卡座之间，固定环的中部设有固定螺栓，将上、下滑动卡座分别与固定环连接；

上压盘、下压盘与固定环之间通过弧形卡块连接固定，弧形卡块在上压盘与固定环之间、下压盘与固定环之间均为相同结构，弧形卡块的前、后端各设有一个固定滚轴，在上压盘的底部、下压盘的顶部分别设置固定块，固定块内设有一个内部空心的弧形槽，其空心部位用来放置弧形卡块，弧形槽的上底面和下底面分别为凹槽型面，其中每个小凹槽对应的圆心角为2°，固定滚轴位于弧形槽的上底面和下底面之间，通过旋转固定滚轴与弧形槽配合，调控装置旋转角度，模拟倾斜采空区的倾斜角度。

2.根据权利要求1所述的一种倾斜采空区多排群柱扰动载荷下抗拉能力测试装置，其特征在于：所述的采空区倾角为-50°~50°的近水平煤层开采后形成的采空区；所述的群柱包括煤柱群、矿柱群、充填柱群、混凝土柱群、煤柱-充填柱组合群柱、矿柱-充填柱组合群柱、煤柱-混凝土柱组合群柱中的一种；所述的群柱是截面为圆形或矩形或三角形或梯形的群柱。

3.根据权利要求1所述的一种倾斜采空区多排群柱扰动载荷下抗拉能力测试装置，其特征在于：下加载鄂的长度和宽度分别为150mm、150mm。

4.一种倾斜采空区多排群柱扰动载荷下抗拉能力测试方法，采用权利要求1~3任一项所述的一种倾斜采空区多排群柱扰动载荷下抗拉能力测试装置，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：利用矿井原有地质技术资料，借助补充勘查技术手段，全面调研待测范围内倾斜采空区中遗留群柱的分布位置、形态和尺寸；

步骤二：基于步骤一获取的倾斜采空区遗留群柱的信息，确定进行试验的煤柱试样形状、尺寸以及数量；

步骤三：利用煤岩专用取芯机，借助多级变速手动给进的方式，钻取尺寸适当的试样，利用煤岩切割机将其切割打磨至试验所需的形状与尺寸；

步骤四：依次将试样安装在工作台上的下加载鄂上；

步骤五：在试件两端沿轴线方向画两条平行加载基线，将两根垫条沿着加载基线放置，通过上、下加载鄂固定；

步骤六：通过调节固定滚轴在弧形槽上位置，弧形卡块带动固定环以及上下滑动卡座进行旋转，进而将加载试样旋转至目标角度；

步骤七：装置旋转至目标角度固定后，将每个传感器上力数值清零，进行预加载；

步骤八：预加载完成后设定主加载杆的加载速度，进行加载；

步骤九：轴向加载至目标值时，根据试验需求利用扰动杆施加轴向的扰动荷载；

步骤十：施加扰动荷载之后继续施加轴向荷载，直至多排试样发生失稳或满足试验要求后停止加载；

步骤十一：加载完成后，通过液压油缸控制液压推动轴进行卸载，完成试验。