CN113008683B - 一种模拟采动非均布加载的实验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种模拟采动非均布加载的实验装置及方法，涉及岩石力学实验技术领域，解决了模拟地下开挖引起的顶板回转使岩体承受非均布载荷破坏的技术问题，实验装置包括加载系统、控制系统、监测系统和伺服液压系统，加载系统通过一级均布载荷加载装置施加初始均布竖向载荷，二级非均布加载装置通过两个独立加载油缸实现差量加载，使二级承压板回转，给试件施加非均布载荷；结合控制系统、伺服液压系统和监测系统，实现实验过程定量、可控、监测并记录；以及利用本实验装置进行实验的方法，实现了不同初始垂向均布载荷作用下岩石表面非均布加载，符合工程实际，并且具有结构简单，使用方便的特点。

Description

一种模拟采动非均布加载的实验装置及方法
技术领域
本发明涉及岩石力学实验技术领域，尤其是一种模拟采动非均布加载的实验装置，及利用该实验装置进行实验的方法。
背景技术
煤矿开采等地下工程建设和运营过程中，岩体受力方式复杂多样，而现有室内模拟实验装置多通过简单的单一条件，如抗压、抗剪和抗拉实验确定岩石的破坏机理及岩石力学性质。此类实验多施加均布载荷，但实际工程条件下，部分岩体破坏并非是均布载荷作用的结果，如沿空留巷巷旁构筑物、沿空掘巷小煤柱、沿空巷道实体煤帮等受侧向顶板回转作用力而发生破坏，工作面煤壁在顶板来压过程中受顶板回转作用而发生片帮，工作面末采阶段保护煤柱在顶板回转作用下破坏等，这些破坏均是由顶板回转而施加非均布载荷导致的，仅通过单一的均布载荷压缩实验无法真实反映其具体破坏形式和破坏机理。
研究非均布载荷作用下岩体的破坏特征、破坏机理及加固控制技术，不仅需要通过理论分析，更要通过室内实验进一步探索其本质规律。目前，已经有少量关于岩体非均布加载的实验设备及其实验方法，但其加载方法实际是对长条试件进行分区域的梯度加载，其子加载机构施加的区域载荷仍为均布载荷，虽一定程度上实现大尺度试件分区域非均布载荷，但是其加载方式、破坏形式及破坏机理仍与工程实际有较大的差别。
为更好研究煤矿开采等地下工程开挖导致的，岩石承受上覆岩层回转运动作用产生的非均布载荷破坏特征、破坏机理及控制技术，研究一种与工程实际相符的非均布加载实验装置及实验方法是非常有必要的，对进一步深入了解地下工程围岩及构筑物破坏机理，进行相应的围岩控制具有科学指导作用。
发明内容
为了模拟地下开挖引起的顶板回转使岩体承受非均布载荷而破坏，研究顶板回转作用下巷旁支护体的破坏机理，本发明提供了一种模拟采动非均布加载的实验装置及方法，具体技术方案如下。
一种模拟采动非均布加载的实验装置，包括加载系统、控制系统、监测系统和伺服液压系统；加载系统包括加载框架、一级均布载荷加载装置、二级非均布载荷加载装置，所述加载框架设置有上压板、下压板和立柱，所述一级均布载荷加载装置包括双端固定加载油缸和一级承压板，所述二级非均布载荷加载装置包括一端铰接加载油缸、双端铰接加载油缸和二级承压板；上压板和下压板之间设置有立柱，一级承压板沿立柱的轴向移动，所述双端固定加载油缸的两端分别连接上压板和一级承压板；所述一端铰接加载油缸的两端具体是一端固定在一级承压板，另一端铰接在二级承压板上；所述双端铰接加载油缸的两端分别与一级承压板和二级承压板铰接；控制系统与监测系统和伺服液压系统相连，所述伺服液压系统分别控制双端固定加载油缸、一端铰接加载油缸和双端铰接加载油缸加载。
优选的，监测系统包括应力传感器、位移传感器、倾角传感器、声发射探头和工业相机。
还优选的是，一级承压板四周设置与立柱相适配的通孔，并在一级承压板和立柱之间涂抹润滑油。
还优选的是，一端铰接加载油缸与二级承压板铰接位置设置有万向节连接轴，双端铰接加载油缸与二级承压板铰接位置设置有万向节连接轴。
还优选的是，下压板和二级承压板之间放置岩石试件，岩石试件为相似材料模拟试件或煤岩体试件。
一种模拟采动非均布加载的实验方法，利用上述的一种模拟采动非均布加载的实验装置，步骤包括：
步骤一：加工岩石试件，将岩石试件放置在下压板与二级承压板之间；
步骤二：通过控系统和伺服液压系统控制一级均布载荷加载装置竖向加载，施加初始均布竖向压力；
步骤三：通过控系统和伺服液压系统控制二级非均布载荷加载装置加载，给岩石试件施加非均布载荷；
步骤四：通过监测系统获取步骤二和步骤三加载过程中岩石试件的实验数据，并分析实验数据。
进一步优选的是，一级均布载荷加载装置竖向加载时下压板和二级承压板平行，均布竖向压力模拟岩体初始地应力；二级非均布载荷加载装置加载时，双端铰接加载油缸的伸缩量大于一端铰接加载油缸的伸缩量，通过控制一端铰接加载油缸和双端铰接加载油缸的伸缩量差值控制二级承压板的加载倾角。
一种模拟巷旁充填体非均布加载的实验方法，利用上述的一种模拟采动非均布加载的实验装置，步骤包括：
步骤A：加工岩石试件，将岩石试件放置在下压板与二级承压板之间；
步骤B：通过控系统和伺服液压系统控制二级非均布载荷加载装置加载，给岩石试件施加非均布载荷；
步骤C：通过监测系统获取步骤二加载过程中岩石试件的实验数据，并分析实验数据。
进一步优选的是，岩石试件为相似材料模拟试件，分别选用不同的模拟充填材料制作的岩石试件；选取承载能力大，产生裂隙少的岩石试件对应的充填材料做为巷旁充填材料。
本发明的有益效果包括：
(1)提供了一种模拟采动非均布加载的实验装置，该装置通过二级非均布载荷加载装置的双端铰接加载油缸与一端铰接加载油缸，实现差量加载使二级承压板实现定量可控回转，配合一级均布载荷加载装置施加竖向初始应力，从而可以模拟地下开挖引起的顶板回转使岩体承受非均布载荷的情况。
(2)该实验装置通过设置监测系统，监测实验过程中岩石试件的应力、应变及裂隙发育情况，并分析实验结果从而可以研究地下开挖导致的顶板回转伴生非均布载荷作用下岩体破坏机理、破坏特性，如沿空留巷巷旁构筑墙体、沿空掘巷小煤柱及工作面煤壁等岩体破坏形式及破坏机理，从而进行合理围岩控制，如合理选择墙体材料、墙体尺寸、煤柱尺寸优化、工作面合理片帮支护等，指导地下工程合理支护。
(3)利用本实验装置模拟采动非均布加载的实验方法，可以通过简单的重复操作实验得到岩石试件各个位置的应力变化曲线，结合设定的岩石试件的应变量计算弹性模量。
另外该实验装置还可以用于研究沿空留巷巷旁充填体破坏机理、沿空掘巷窄煤柱破坏机理和不同沿空留巷巷旁墙体加固效果等，因此该实验装置根据其结构可以灵活的运用于岩石力学室内实验，上述实验的方法还具有操作简单，适用范围广等优点，并且对非均布载荷下的岩体破坏机理研究具有重要意义。
附图说明
图1是模拟采动非均布加载的实验装置结构示意图；
图2是加载系统结构示意图；
图3是加载前模拟采动非均布加载的实验装置的侧视图；
图4是加载后模拟采动非均布加载的实验装置的侧视图；
图5是岩石试件的实验原理简图；
图6是应力监测结果曲线示意图；
图中：1-加载系统、11-加载框架；111-底座；112-上压板；113-下压板；114-立柱；12-一级均布载荷加载装置；121-双端固定加载油缸；122-一级承压板；13-二级非均布载荷加载装置；131-一端铰接加载油缸；132-双端铰接加载油缸；133-二级承压板；2-控制系统；3-监测系统；4-伺服液压系统；5-岩石试件。
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采动非均布加载的实验装置及方法具体实施方式如下。
在地下工程实际中，部分岩体破坏并非是均布载荷作用的结果，如沿空留巷巷旁构筑物、沿空掘巷小煤柱、沿空巷道实体煤帮等，其受侧向顶板回转作用力而发生破坏，工作面煤壁在顶板来压过程中受顶板走向回转作用而发生片帮，工作面末采阶段保护煤柱在顶板走向回转作用下破坏，这些破坏均是由顶板回转而施加非均布载荷导致的，通过单一的均布载荷压缩实验无法研究其具体破坏形式和破坏机理，缺乏相应的针对性实验装置及实验方法，为此本发明提供了一种可以模拟采动过程中顶板回转非均布加载的实验装置及方法。
一种模拟采动非均布加载的实验装置，如图1所示，其结构具体包括加载系统1、控制系统2、监测系统3和伺服液压系统4，控制系统2控制加载系统、1监测系统3和伺服液压系统4，该实验装置通过设置监测系统，监测实验过程中岩石试件的应力、应变及裂隙发育情况，并分析实验结果从而可以研究地下开挖导致的顶板回转伴生非均布载荷作用下岩体破坏机理、破坏特性，如沿空留巷巷旁构筑墙体、沿空掘巷小煤柱及工作面煤壁等岩体破坏形式及破坏机理，从而进行合理围岩控制，如合理选择墙体材料、墙体尺寸、煤柱尺寸优化、工作面合理片帮支护等，指导地下工程合理支护。
其中加载系统1包括加载框架11、一级均布载荷加载装置12、二级非均布载荷加载装置13，加载框架11设置有上压板112、下压板113和立柱114，加载框架11固定放置，并保证装置整体的稳定性；下压板113下方还设置有底座111，下压板113上方设置有试件放置空间，加载框架11的尺寸根据实际需要确定。一级均布载荷加载装置12包括双端固定加载油缸121和一级承压板122，二级非均布载荷加载装置13包括一端铰接加载油缸131、双端铰接加载油缸132和二级承压板133。该装置通过二级非均布载荷加载装置13的双端铰接加载油缸与一端铰接加载油缸131，实现差量加载使二级承压板133实现定量可控回转，配合一级均布载荷加载装置施加竖向初始应力，从而可以模拟地下开挖引起的顶板回转使岩体承受非均布载荷的情况。具体是上压板112和下压板113之间设置有立柱114，上压板112和下压板113水平放置，立柱114竖直放置，一级承压板122沿立柱的轴向移动。双端固定加载油缸121的两端分别连接上压板112和一级承压板122，上压板和一级承压板平行布置，在双端固定加载油缸121的作用下，一级承压板122施加竖向均布载荷。一端铰接加载油缸131的两端具体是一端固定在一级承压板122，另一端铰接在二级承压板133上，双端铰接加载油缸的两端分别与一级承压板122和二级承压板133铰接。二级非均布载荷加载装置13加载时，通过设置一端铰接加载油缸和双端铰接加载油缸的伸缩量及伸缩速度，从而控制岩石试件的应变，根据监测的岩石试件应力，得到应力应变曲线，模拟顶板回转使岩体承受非均布载荷的情况。
控制系统2与监测系统3和伺服液压系统4相连，控制系统2控制伺服液压系统4加载，并收集记录监测系统的监测数据。伺服液压系统4分别控制双端固定加载油缸121、一端铰接加载油缸131和双端铰接加载油缸132加载，包括控制加载位移、加载速度和加载应力大小。监测系统3包括应力传感器、位移传感器、倾角传感器、声发射探头和工业相机；具体的是可以根据伺服液压系统的反馈确定应力和位置的参数，也可以在岩石试件与实验装置接触的位置设置应力传感器和位移传感器，在二级承压板上设置倾角传感器，在岩石试件的表面设置声发射探头来监测岩石试件的破坏情况，以及设置工业相机记录岩石实验的破坏过程。
一级承压板122四周设置与立柱相适配的通孔，并在一级承压板122和立柱114之间涂抹润滑油，从而避免一级承压板在水平力的作用下而偏心。一端铰接加载油缸131与二级承压板133铰接位置设置有万向节连接轴，双端铰接加载油缸132与二级承压板133铰接位置设置有万向节连接轴，进一步的保证二级承压板更好的实现偏转。其中铰接的方式为常规的铰接方式，保证二级承压板以一端铰接加载油缸的铰接点为轴，沿单一方向偏转。另外，由于在本实验装置中二级承压板133是一体式结构，所以该非均布加载为线性的非均布加载，通过控制二级承压板整体的位移情况控制对岩石试件载荷的施加，其加载方式、破坏形式及破坏机理更加符合工程实际。
下压板112和二级承压板133之间放置岩石试件5，岩石试件为煤岩体试件或相似材料模拟试件，分别选用不同的模拟充填材料制作的岩石试件，充填材料包括现有的各类充填材料组分和配比材料。试件根据研究内容不同，制取方法不同，即可原位取岩体加工而成，也可以通过模具浇筑而成，对此无限制。根据实验内容，对试件尺寸进行优化，以确定最优实验效果。
利用该实验装置可以实现独立、定量、可控、监测、并记录的加载，进一步的提供一种模拟采动非均布加载的实验方法，利用上述的一种模拟采动非均布加载的实验装置，具体的步骤包括：
步骤一：加工岩石试件，将岩石试件放置在下压板与二级承压板之间。
步骤二：通过控系统和伺服液压系统控制一级均布载荷加载装置竖向加载，施加初始均布竖向压力。
步骤三：通过控系统和伺服液压系统控制二级非均布载荷加载装置加载，给岩石试件施加非均布载荷。
步骤四：通过监测系统获取步骤二和步骤三加载过程中岩石试件的实验数据，并分析实验数据。
其中一级均布载荷加载装置竖向加载时下压板和二级承压板平行，均布竖向压力模拟岩体初始地应力；二级非均布载荷加载装置加载时，双端铰接加载油缸的伸缩量大于一端铰接加载油缸的伸缩量，通过控制一端铰接加载油缸和双端铰接加载油缸的伸缩量差值控制二级承压板的加载倾角。
一、沿空留巷巷旁充填体破坏机理的研究
在沿空留巷过程中，通常通过充填技术，在巷旁构筑巷旁充填墙体，以此进行采空区隔离及顶板支护，由于侧向顶板运动，巷旁充填体受顶板回转非均布载荷作用，为进行不同巷旁充填材料适用性研究，进行非均布加载实验。
以某矿为例，其中巷道的充填墙体宽度2m，高度2m，顶板断裂线距充填墙体一侧为8m，总回转角度5°。由于巷旁充填墙体构筑过程中，充填体可与顶板接触，但是在重力作用下，无法对顶板进行主动支撑，所以初始垂向载荷为零。
一种模拟巷旁充填体非均布加载的实验方法，利用上述的一种模拟采动非均布加载的实验装置，步骤包括：
步骤A：加工岩石试件，将岩石试件放置在下压板与二级承压板之间。具体是，通过模具制取试件，加工不同原料充填墙体试件，根据几何相似比，确定试件尺寸为200mm×400mm×200mm，试件宽度为沿巷道轴向方向，较大的试件宽度为了消除侧向边界条件的影响。
步骤B：控制一级均布载荷加载装置，使二级承压板与试件充分接触，一级均布载荷加载装置的初始加载压力为零，通过控系统和伺服液压系统控制二级非均布载荷加载装置加载，给岩石试件施加非均布载荷。通过理论计算，试件一端铰接加载油缸端下沉69.6mm，双端铰接加载油缸端下沉87mm。
步骤C：通过监测系统获取步骤二加载过程中岩石试件的实验数据，并分析实验数据。
通过应力传感器，监测A、B、C、D、E不同位置处垂直应力变化，并监测F、G点水平位移，通过数字散斑监测系统记录加载过程中岩石试件的裂隙发育过程及发育程度，其中测点布置如图5所示，应力变化如曲线图6所示。
根据曲线图6分析可知：A点载荷增加最快，在很快达到其载荷极限，发生塑性破坏；随加载继续，残余强度不断降低，承载能力不断降低，接近于零。B、C、D、E点载荷增加依次滞后于A点，且其极限承载能力随至试件边界略有不同，中部测点C极限承载能力最大，其次为B、D点，A、E点由于位于试件边缘，极限承载能力最低。B、C、D点依次达到其承载极限，随着继续加载，承载能力降低，但其残余承载能力不同，由小到大依次为B、C、D点，E点由于加载位移最小，其尚未发生屈服变形。通过水平位移传感器，监测加载过程中F、G点水平位移，监测试件在加载过程中水平变形。
巷旁充填沿空留巷，要求巷旁充填体一方面具有较强的承载能力，对顶板起支撑作用；同时，具有较好的抗变形能力，充填体水平变形量小，降低巷道变形；再者，巷旁充填体应具有良好的密封能力，隔离采空区，所以要求服务过程中，裂隙不能贯穿充填体。相同加载条件下，对比分析不同材料试件应力变化、裂隙发育及水平变形量，综合进行评价，选取承载能力大、抗变形能力强且裂隙发育少的材料配比，确定最优充填材料。岩石试件为相似材料模拟试件，分别模拟充填材料制作的岩石试件；选取承载能力大，产生裂隙少的岩石试件对应的充填材料做为巷旁充填材料。
二、超前沿空掘巷窄煤柱破坏机理研究
超前沿空掘巷是指在本工作面回采的同时，下工作面准备巷道留小煤柱相向沿空掘巷，为下个工作面回采做准备，缓解采掘接替紧张问题。由于沿空掘巷与工作面回采相向同时进行，掘进工作面与回采工作面相会前后，工作面采动影响区与掘进采动影响区叠加，导致部分沿空巷道围岩变形严重，此类受强采动影响的沿空小煤柱稳定性是超前沿空掘巷巷道支护的重点研究问题。
以某矿为例，该矿埋深500m，煤柱宽度4m，高度2m，基本顶断裂线距煤柱一侧5m，另一侧9m，总回转角度3°。小煤柱为原位保留部分煤体形成，形成过程中承受一定均布静载，然后受顶板侧向回转伴生的非均布载荷。
实验步骤如下：
步骤a.从煤矿现场取煤体，实验室内切割，加工试件5，试件尺寸200*200*100mm。
步骤b.将试件固定于下压板上，控制一级均布载荷加载装置加载，使二级承压板与试件充分接触，然后继续加载，一级均布载荷加载装置的初始压力12MPa。
步骤c.控制二级非均布载荷加载装置进行加载。通过理论计算，试件一端铰接加载油缸的位移量设置为13mm，双端铰接加载油缸的位移量设置为23mm。
步骤d.记录监测数据，并分析。
通过分析煤柱承载能力变化、残余承载能力、煤柱体积应变及裂隙发育，确定小煤柱受采动影响后能否保证煤柱完整性、隔离采空区，从而进行相应煤柱尺寸优化、支护优化或进行切顶卸压等补救措施。
三、不同沿空留巷巷旁墙体加固效果研究
工程实际中，往往通过不同支护形式对沿空留巷巷旁充填体进行加固，不同支护形式的加固效果，可通过试件室内实验进行研究。
实验步骤如下：
步骤①.通过石英砂、石膏、水泥等相似材料配比，配置试件材料，然后利用模具制备试件，并对试件进行不同形式加固，如对拉锚杆支护、端头锚固锚杆支护、全长锚固锚杆支护。
步骤②.将准备好的试件固定到下压板上，控制一级均布载荷加载装置加压，使二级承压板与试件充分接触，然后继续加载，一级均布载荷加载装置初始压力10MPa。
步骤③.控制二级非均布载荷加载装置进行加载，试件一端铰接加载油缸端下沉10mm，二级承压板回转4°。
步骤④.记录实验数据并对比分析不同配比相似材料试件的实验结果。
实验数据的处理方式如图6所示，通过分析不同配比的相似材料下巷旁充填体强度变化，确定最优支护方案。
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 (5)

1.一种模拟采动非均布加载的实验装置，其特征在于，包括加载系统、控制系统、监测系统和伺服液压系统；
所述加载系统包括加载框架、一级均布载荷加载装置、二级非均布载荷加载装置，所述加载框架设置有上压板、下压板和立柱，所述一级均布载荷加载装置包括双端固定加载油缸和一级承压板，所述二级非均布载荷加载装置包括一端铰接加载油缸、双端铰接加载油缸和二级承压板；
所述上压板和下压板之间设置有立柱，一级承压板沿立柱的轴向移动，所述双端固定加载油缸的两端分别连接上压板和一级承压板；所述一端铰接加载油缸的两端具体是一端固定在一级承压板，另一端铰接在二级承压板上；所述双端铰接加载油缸的两端分别与一级承压板和二级承压板铰接；
所述控制系统与监测系统和伺服液压系统相连，所述伺服液压系统分别控制双端固定加载油缸、一端铰接加载油缸和双端铰接加载油缸加载；
所述监测系统包括应力传感器、位移传感器、倾角传感器、声发射探头和工业相机；
所述一级承压板四周设置与立柱相适配的通孔，并在一级承压板和立柱之间涂抹润滑油；
所述一端铰接加载油缸与二级承压板铰接位置设置有万向节连接轴，所述双端铰接加载油缸与二级承压板铰接位置设置有万向节连接轴；
所述下压板和二级承压板之间放置岩石试件，所述岩石试件为相似材料模拟试件或煤岩体试件。
2.一种模拟采动非均布加载的实验方法，利用权利要求1所述的一种模拟采动非均布加载的实验装置，其特征在于，步骤包括：
步骤一：加工岩石试件，将岩石试件放置在下压板与二级承压板之间；
步骤二：通过控制系统和伺服液压系统控制一级均布载荷加载装置竖向加载，施加初始均布竖向压力；
步骤三：通过控制系统和伺服液压系统控制二级非均布载荷加载装置加载，给岩石试件施加非均布载荷；
步骤四：通过监测系统获取步骤二和步骤三加载过程中岩石试件的实验数据，并分析实验数据。
3.根据权利要求2所述的一种模拟采动非均布加载的实验方法，其特征在于，
所述一级均布载荷加载装置竖向加载时下压板和二级承压板平行，均布竖向压力模拟岩体初始地应力；
所述二级非均布载荷加载装置加载时，双端铰接加载油缸的伸缩量大于一端铰接加载油缸的伸缩量，通过控制一端铰接加载油缸和双端铰接加载油缸的伸缩量差值控制二级承压板的加载倾角。
4.一种模拟巷旁充填体非均布加载的实验方法，利用权利要求1所述的一种模拟采动非均布加载的实验装置，其特征在于，步骤包括：
步骤A：加工岩石试件，将岩石试件放置在下压板与二级承压板之间；
步骤B：通过控制系统和伺服液压系统控制二级非均布载荷加载装置加载，给岩石试件施加非均布载荷；
步骤C：通过监测系统获取步骤二加载过程中岩石试件的实验数据，并分析实验数据。
5.根据权利要求4所述的一种模拟巷旁充填体非均布加载的实验方法，其特征在于，所述岩石试件为相似材料模拟试件，分别模拟充填材料制作的岩石试件。
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