CN112903462A - 双轴加载下水平采空区单排群柱承载力的测试装置与方法 - Google Patents

双轴加载下水平采空区单排群柱承载力的测试装置与方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双轴加载下水平采空区单排群柱承载力的测试装置与方法。该装置试验机底座上设有四个固定环，每个固定环内部安装有一根机架，机架的底端与底座连接，顶端与横架连接，在底座两侧设有滑轨，侧架通过伸缩立柱与底座滑动连接；在横架下部和侧架的内侧分别设有竖向力加载装置和水平力加载装置，竖向力加载装置包括竖向液压推动轴、竖向液压泵、压力传感器；水平力加载装置包括横向液压推动轴，横向压板、横向液压泵、压力传感器。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，可以获取双轴压缩条件下水平采空区单排群柱系统的整体承载能力，得到水平采空区群柱个体之间的相互影响关系。

Description

双轴加载下水平采空区单排群柱承载力的测试装置与方法
技术领域
本发明涉及一种双轴加载下水平采空区单排群柱承载力的测试装置与方法，具体地说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，有时为了维护采空区遗留煤柱的稳定性，常采用柱旁充填的方式，这相当于给煤柱施加了一个横向载荷，使之成为双向受压状态。
本发明将上述煤柱群、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。
综上，亟需开发一种采场群柱整体承载能力的测试装置与方法，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。聚焦水平采空区单排群柱，本发明拟提出一种双轴加载下水平采空区单排群柱承载力的测试装置与方法。
发明内容
本发明旨在提供一种双轴加载下水平采空区单排群柱承载力的测试装置与方法，具体是一种用于多个煤、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。
本发明提供了一种双轴加载下水平采空区单排群柱承载力的测试装置，包括试验机底座、机架、下压盘、上压盘、上压板、工作台、横架、竖向力加载装置、保护环、竖向推动轴外壳、固定环、螺钉、水平力加载装置、侧架、伸缩立柱、滑轮、滑轨；
试验机底座上设有四个固定环，每个固定环内部安装有一根机架，机架的底端与底座连接，顶端与横架连接，在底座两侧设有滑轨，侧架通过伸缩立柱与底座滑动连接；在横架下部和侧架的内侧分别设有竖向力加载装置和水平力加载装置，竖向力加载装置包括竖向液压推动轴、竖向液压泵、压力传感器；水平力加载装置包括横向液压推动轴，横向压板、横向液压泵、压力传感器；
工作台上面安装有下压盘，试样位于下压盘和上压板之间，试样侧面与横向压板接触，水平力加载装置通过横向压板作用于试样，竖向力加载装置通过上压盘、上压板作用于试样。
上述装置中，所述的采空区为倾角小于5°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。
上述装置中，底座上设有四个保护环，每个保护环内部安装有一根机架，侧架通过伸缩立柱与滑轮安装在滑轨上，滑轨固定在底座上。
上述装置中，所述的工作台的长度、宽度和高度分别为2000mm、400mm和400mm，工作台上面安装有五个位于同一中心线的下压盘，下压盘通过螺钉固定在工作台上，可同步监测1～5个试件的单轴承载能力；下压盘的上端直径为150mm，下端直径为300mm。
上述装置中，竖向在横架下方有五组竖向力加载装置，横向在两个侧架内侧分别设有五组水平力加载装置，每组力加载装置内部均设有一个压力传感器，所述压力传感器通过控制电路与微机连接，可以分别精确控制每个试件的受力状态。
上述装置中，每个上压盘连接一个竖向液压推动轴，用于对不同试件进行速度相同和不同的加载，用于模拟试件竖向受压力均匀和受压力不均的情况；每个横向压板连接一个横向液压推动轴，用于对不同试件进行速度相同和不同的加载，用于模拟试件横向受压力均匀和受压力不均的情况。
所述上压板分为两种，一种是矩形板，用于研究多个试样共同承担上覆载荷的承载能力，另一种是正方形板，用于同时研究单个试样的承载能力。
本发明提供了一种双轴加载下水平采空区单排群柱承载力的测试方法，包括以下步骤：
步骤一：利用矿井原有地质技术资料，借助补充勘查等技术手段，全面调研待测范围内水平采空区中遗留群柱的分布位置、形态和尺寸等。
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压盘上；
步骤五：根据实验要求确定选择上压板的类型，测试多个试样共同承担上覆载荷的承载能力时选取第一类上压板，同时测试多个试样的单轴承载能力时选取第二类上压板并安装；
步骤六：将每个压力传感器上力数值清零，进行竖向预加载；
步骤七：设定横向施加荷载的大小并通过横向液压泵控制横向液压推动轴加载至目标值；
步骤八：横向加载完成后分别设定每个竖向液压推动轴的加载速度，进行加载；
步骤九：加载完成后，通过竖向液压泵控制竖向液压推动轴、横向液压泵控制横向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-充试样的同时加载，进而实现多个体柱受载破坏的模拟，并且通过多个液压推动轴可以实现多群柱的均匀和非均匀载荷的加载，研究群柱体系在扰动作用下的双轴承载能力。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
图2是本发明横向加载结构示意图；
图3是本发明用第一类上压板工作场景示意图；
图4是本发明用第一类上压板加载结构示意图；
图5是本发明用第二类上压板工作场景示意图；
图6是本发明用第二类上压板加载结构示意图；
图7为竖向力加载装置示意图；
图8为横向力加载装置示意图；
图中：1—底座；2—机架；3—下压盘；4—上压盘；5—上压板；6—工作台；7—横架；8—竖向液压推动轴；9—竖向液压泵；10—压力传感器；11—力加载装置;12—保护环；13—竖向推动轴外壳；14—固定环；15—螺钉；16—横向液压推动轴；17—横向压板；18—横向液压泵；19—侧架；20—伸缩立柱；21—滑轮；22—滑轨；23—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1～8所示，一种双轴加载下水平采空区单排群柱承载力的测试装置，包括：试验机底座1、机架2、下压盘3、上压盘4、上压板5、工作台6、横架7、竖向液压推动轴8、竖向液压泵9、压力传感器10、力加载装置11、保护环12、竖向推动轴外壳13、固定环14、螺钉15、横向液压推动轴16、横向压板17、横向液压泵18、侧架19、伸缩立柱20、滑轮21、滑轨22。
所述底座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，横架7下方与五个横向液压推动轴8连接，每个横向液压推动轴8连接一个上压盘4，如图1所示。
优选地，所述工作台5上面设有五个下压盘3，可对1～5个煤、岩、充填体同时进行加载，如图3所示。
优选地，所述装置在竖向和横向分别设置了五组和十组力加载装置，每组力加载装置包括了一个压力传感器10和液压泵9以及一个液压推动轴8，如图1所示。
优选地，所述装置每个液压系统内部都设有一个压力传感器10，所述压力传感器通过控制电路与微机连接，可以分别精确的控制每个试件的受力状态。
优选地，每个上压盘4连接一个竖向液压推动轴8，可实现对不同试件进行速度相同和不同的加载，用于模拟试件竖向受压力均匀和受压力不均的情况；每个横向压板18连接一个横向液压推动轴16，可实现对不同试件进行速度相同和不同的加载，用于模拟试件横向受压力均匀和受压力不均的情况，如图1所示。
优选地，所述下压盘3中心点位于同一直线上；横向压板18中心点位于同一直线上，如图1所示。
优选地，所述侧架19通过伸缩立柱20与滑轮21安装在滑轨22上，滑轨21固定在底座1上。
优选地，所述侧架19可根据实际需求通过伸缩立柱20调节高度，通过滑轨22调节位置。
优选地，所述装置可以用于群柱双轴压缩，上压板传递下来的荷载由群柱共同承担，可研究双轴受力状态下群柱体系对上覆荷载的承担能力。
实施例2：
如图1、2、4、5所示，一种双轴加载下水平采空区单排群柱承载力的测试装置与方法在于包括：试验机底座1、机架2、下压盘3、上压盘4、上压板5、工作台6、横架7、竖向液压推动轴8、竖向液压泵9、压力传感器10、力加载装置11、保护环12、竖向推动轴外壳13、固定环14、螺钉15、横向液压推动轴16、横向压板17、横向液压泵18、侧架19、伸缩立柱20、滑轮21、滑轨22。
所述底座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，横架7下方与五个横向液压推动轴8连接，每个横向液压推动轴8连接一个上压盘4，如图1所示。
优选地，所述工作台5上面设有五个下压盘3，可对1～5个煤、岩、充填体同时进行加载，如图4所示。
优选地，所述装置在竖向和横向分别设置了五组和十组力加载装置，每组力加载装置包括了一个压力传感器10和液压泵9以及一个液压推动轴8，如图1所示。
优选地，所述装置每个液压系统内部都设有一个压力传感器10，所述压力传感器通过控制电路与微机连接，可以分别精确的控制每个试件的受力状态。
优选地，每个上压盘4连接一个竖向液压推动轴8，可实现对不同试件进行速度相同和不同的加载，用于模拟试件竖向受压力均匀和受压力不均的情况；每个横向压板17连接一个横向液压推动轴16，可实现对不同试件进行速度相同和不同的加载，用于模拟试件横向受压力均匀和受压力不均的情况，如图1所示。
优选地，所述下压盘3中心点位于同一直线上；横向压板18中心点位于同一直线上，如图1所示。
优选地，所述侧架20通过伸缩立柱21与滑轮22安装在滑轨22上，滑轨21固定在底座1上。
优选地，所述工作台5上面设有五个下压盘3，可对1～5个煤、岩、充填体同时进行双轴加载，极大的提高了实验效率。
优选地，所述装置操作步骤包括：根据实验要求确定同时进行试验的试样数量;并依次将试样安装在工作台6上的下压盘3上；根据实验要求确定选择上压板5的类型并安装；将每个传感器10上力数值清零，进行竖向预加载；设定横向施加荷载的大小并通过横向液压泵18控制液压推动轴16加载至目标值；横向加载完成后分别设定每个竖向液压推动轴8的加载速度，进行加载；加载完成后，通过轴向液压泵9控制液压推动轴8、横向液压泵18控制横向液压推动轴16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 (8)

1.一种双轴加载下水平采空区单排群柱承载力的测试装置，其特征在于：包括试验机底座（1）、机架（2）、下压盘（3）、上压盘（4）、上压板（5）、工作台（6）、横架（7）、竖向力加载装置、保护环（12）、竖向推动轴外壳（13）、螺钉（15）、水平力加载装置、侧架（19）、伸缩立柱（20）、滑轮（21）、滑轨（22）；
试验机底座上设有四个固定环，每个固定环内部安装有一根机架，机架的底端与底座连接，顶端与横架连接，在底座两侧设有滑轨，侧架通过伸缩立柱与底座滑动连接；在横架下部和侧架的内侧分别设有竖向力加载装置和水平力加载装置，竖向力加载装置包括竖向液压推动轴（8）、竖向液压泵（9）、压力传感器（10）；水平力加载装置包括横向液压推动轴（16）、横向液压泵（18）、压力传感器（10）；
工作台上面安装有下压盘，试样位于下压盘和上压板之间，试样侧面与横向压板接触，水平力加载装置通过横向压板作用于试样，竖向力加载装置通过上压盘、上压板作用于试样。
2.根据权利要求1所述的一种双轴加载下水平采空区单排群柱承载力的测试装置，其特征在于：所述的采空区为倾角小于5°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所述的一种双轴加载下水平采空区单排群柱承载力的测试装置，其特征在于：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），侧架（19）通过伸缩立柱（21）与滑轮（21）安装在滑轨（22）上，滑轨（21）固定在底座（1）上。
4.根据权利要求1和3所述的一种双轴加载下水平采空区单排群柱承载力的测试装置，其特征在于：所述的工作台（6）的长度、宽度和高度分别为2000mm、400mm和400mm，工作台（6）上面安装有五个位于同一中心线的下压盘（3），下压盘通过螺钉（15）固定在工作台（6）上，可同步监测1～5个试件的单轴承载能力；下压盘的上端直径为150mm，下端直径为300mm。
5.根据权利要求1所述的一种双轴加载下水平采空区单排群柱承载力的测试装置，其特征在于：在横架下部设有五组力加载装置，在侧架的内侧横向设有十组力加载装置，每组力加载装置内部均设有一个压力传感器（10），所述压力传感器通过控制电路与微机连接，可以分别精确控制每个试件的受力状态。
6.根据权利要求1所述的一种双轴加载下水平采空区单排群柱承载力的测试装置，其特征在于：每个上压盘（4）连接一个竖向液压推动轴（8），用于对不同试件进行速度相同和不同的加载，用于模拟试件竖向受压力均匀和受压力不均的情况；每个横向压板（17）连接一个横向液压推动轴（16），用于对不同试件进行速度相同和不同的加载，用于模拟试件横向受压力均匀和受压力不均的情况。
7.根据权利要求1所述的一种双轴加载下水平采空区单排群柱承载力的测试装置，其特征在于：所述上压板分为两种，一种是矩形板，用于研究多个试样共同承担上覆载荷的承载能力，另一种是正方形板，用于同时研究单个试样的承载能力。
8.一种双轴加载下水平采空区单排群柱承载力的测试方法，采用权利要求1~7任一项所述的双轴加载下水平采空区单排群柱承载力的测试装置，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，借助补充勘查等技术手段，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压盘上；
步骤五：根据实验要求确定选择上压板的类型，测试多个试样共同承担上覆载荷的承载能力时选取第一类矩形板，同时测试多个试样的单轴承载能力时选取第二类正方形板并安装；
步骤六：将每个压力传感器上力数值清零，进行竖向预加载；
步骤七：设定横向施加荷载的大小并通过横向液压泵控制横向液压推动轴加载至目标值；
步骤八：横向加载完成后分别设定每个竖向液压推动轴的加载速度，进行加载；
步骤九：加载完成后，通过竖向液压泵（9）控制竖向液压推动轴（8）、横向液压泵（18）控制横向液压推动轴（16）进行卸载，完成试验。
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