CN113432976B - 一种单侧限矸石压缩响应特征试验装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单侧限矸石压缩响应特征试验装置和方法。该装置由承压部分和施压部分组成，承压部分包括刚性单侧限压缩盒、承压板、承压板限位插销以及承压板转轴；施压部分包括上压板转轴、限位板、环形垫板、螺母、上压板、上压板限位插销；使用时，将施压部分放在承压板上的矸石试样上方进行试验；所述刚性单侧限压缩盒由底板和三个竖板刚性连接组成。本发明的精确度高；使用方式灵活且便于操作；可通过装置研究倾斜煤层开采条件下的采空区矸石压缩，施压部分与承压部分角度分别可调，可以模拟多种倾斜煤层工况条件。

Description

一种单侧限矸石压缩响应特征试验装置和方法

技术领域

本发明属于岩石力学试验技术领域，具体涉及一种单侧限矸石压缩响应特征试验装置和方法。

背景技术

近年来煤炭高产高效开采技术迅猛发展，煤矿开采强度逐年加大，近水平及缓倾斜煤炭资源几近枯竭，为保证矿井服务年限，保障我国经济平稳发展，倾斜煤层逐渐成为开采重点。在开采过程中，采空区矸石对顶板覆岩起承载作用，矸石的压缩响应特征对覆岩的进一步失稳垮落有着不可忽视的影响作用。而目前对矸石压缩响应特征的试验研究通常针对近水平煤层，鲜有针对倾斜煤层采空区矸石压缩响应特征的试验研究。

究其原因，主要是倾斜煤层采空区矸石堆积状态不同于近水平煤层。近水平煤层采空区矸石呈现四周受限、左右对称、近似等腰梯形的堆积状态；而在倾斜煤层中，采空区矸石沿工作面向下堆积，呈现出一侧受煤壁约束、一侧自由的单侧限、非对称的堆积状态。

现有的矸石压缩试验通常为侧限矸石压缩力学试验，这与倾斜煤层及其他某些情况下的采空区矸石堆积状态存在差异，因此现有矸石压缩实验装置不适用单侧限矸石压缩以及模拟倾斜煤层底板情况的矸石压缩试验，主要体现在，现有的矸石压缩试验装置通常为限侧矸石压缩力学试验，这与倾斜煤层及其他某些情况下的采空区矸石堆积状态存在差异；同时装置承压部分通常为一角度固定刚性板，无法正确反映倾斜煤层及其他情况下采空区矸石的压缩响应特征。

发明内容

为进一步研究倾斜煤层采空区矸石对顶板覆岩的承载特征及矸石压缩响应特征，本发明提供了一种单侧限矸石压缩响应特征试验装置和方法。

本发明为一种单侧限矸石压缩响应特征试验装置，通过调整刚性单侧限压缩盒与承压板之间角度来模拟不同倾角的倾斜煤层底板环境，通过调整上压板角度来模拟顶板垮落矸石带施压环境，且承压部分一侧不设限，解决了现有装置无法模拟单侧限矸石压缩实验的问题。

本发明提供了一种单侧限矸石压缩响应特征试验装置，由承压部分和施压部分组成，承压部分包括刚性单侧限压缩盒、承压板、承压板限位插销以及承压板转轴；施压部分包括上压板转轴、限位板、环形垫板、螺母、上压板、上压板限位插销；使用时，将施压部分放在承压板上的矸石试样上方进行试验。

所述刚性单侧限压缩盒由底板和三个竖板刚性连接组成，其上侧与右侧开口，其前后两竖板的右边缘为弧线，且在前后竖板靠右端均匀设有四个通孔作为承压板角度限位孔，在前、后竖板的内侧左下部设置两个位置相对的凹槽，用于固定承压板转轴；

所述上压板转轴沿轴方向两侧有螺纹，用来固定环形垫板；上压板转轴中部有一正方形凸出平台，平台上表面有凹槽作为压力机压头固定槽，平台四个侧面有螺丝穿孔，通过螺柱将压力机压头夹紧而悬挂于单轴压力机上；所述限位板有两个，在限位板侧面有限位板转轴孔，使两块限位板分别穿过上压板转轴左右两侧并绕转轴转动；在限位板转轴孔周围有四个上压板角度限位孔；限位板和环形垫板按先后顺序穿过上压板转轴左右两侧，并通过螺母进行固定；通过螺丝将限位板与上压板连接，限位板能带动上压板绕上压板转轴转动，随后通过上压板限位插销穿过限位板上的上压板角度限位孔与环形垫板上的上压板角度固定孔使上压板与环形垫板固定。

当承压板右侧抬升至承压板角度限位孔位置时分别与水平面夹角为0°、15°、30°、45°；所述单侧限压缩盒和承压板通过承压板转轴连接，承压板能绕承压板转轴转动，再通过承压板限位插销穿过单侧限压缩盒上的承压板角度限位孔和承压板上的承压板位置固定孔将承压板固定于0°、15°、30°、45°中任一角度组成承压部分。

所述承压板为一正方形板，左端部做半圆形平滑处理，使其能绕承压板转轴转动而不会卡在单侧限压缩盒内；其左右两端分别有一穿透承压板水平方向的通孔，左通孔为承压板转轴孔，右通孔为承压板位置固定孔，通过该孔将承压板与刚性单侧限压缩盒固定。

所述承压板转轴为两侧可伸缩杆，由一空心套管和两个销轴套接组成，空心套管长度与刚性单侧限压缩盒前后两竖板之间距离相同，且内部有弹簧，可将销轴弹出，使销轴卡入刚性单侧限压缩盒前后两竖板的凹槽内。

所述上压板转轴沿轴方向两侧有螺纹，用来固定环形垫板。转轴中部有一正方形凸出平台，平台上表面有凹槽作为压力机压头固定槽，平台四个侧面有螺丝穿孔，可通过螺柱将压力机压头夹紧而悬挂于单轴压力机上。所述环形垫板有两个，其形状特征为：中间有螺纹套孔，可由外侧旋至上压板转轴两侧螺纹尽头并在两侧加上螺母实现环形垫板与上压板转轴相对位置固定。在螺纹套孔右侧有一轴向通孔作为上压板角度固定孔。

所述限位板有两个，限位板分别设置在上压板两侧上方且与上压板垂直连接，上压板为正方形刚性板，每个限位板为三角形结构且其顶部角为圆滑过渡，限位板的底部设置一条连接板，用于连接上压板，在连接板和上压板对应位置处设置螺栓孔，通过螺栓将两块限位板垂直于上压板刚性连接。在限位板侧面有限位板转轴孔，可使两块限位板分别穿过上压板转轴左右两侧并绕转轴转动。在限位板转轴孔周围有四个上压板角度限位孔，当未插入上压板限位插销时，限位板与上压板连接组成的刚性体可绕上压板转轴、环形垫板组成的刚性体转动，当限位板上的上压板角度固定孔与环形垫板上的某一上压板角度限位孔相对时，上压板与水平面夹角分别为0°、15°、30°、45°；调整到所需角度后，插入上压板限位插销固定。

限位插销有两个，一个为固定承压板角度的承压板限位插销，一为固定上压板角度的上压板限位插销。二者除粗细不同外无其他不同，由两部分组成，一部分为一刚性长螺柱，其形状特征为一侧在距离端头位置一定距离处带限位挡环，另一侧有一段螺纹；另一部分为与螺纹相配套的螺母。固定时先将长螺柱带螺纹段穿过角度限位孔和固定孔，随后在螺纹侧旋入螺母并拧紧。

所述的两块限位板和环形垫板按先后顺序穿过上压板转轴左右两侧，并通过螺母进行固定。之后用螺丝将限位板与上压板连接，通过上述结构可实现限位板带动上压板绕上压板转轴转动，随后通过上压板限位插销穿过限位板上的上压板角度限位孔与环形垫板上的上压板角度固定孔，实现将上压板固定于0°、15°、30°、45°中任一角度组成施压部分。

本发明提供了一种单侧限矸石压缩响应特征试验方法，包括以下步骤：

（1）当开始实验时，先将施压部分放在单轴压力机承压台上，下降单轴压力机使其压头下降至上压板转轴压力机压头固定槽中，用螺丝将压头压紧，随后升起压头至初始位置；

（2）调整上压板使上压板角度限位孔与环形垫板上的某一上压板角度固定孔相对，用上压板限位插销进行固定；

（3）将承压部分放在单轴压力机承压台上，调整承压板至某一角度（与步骤（2）的上压板角度可以一致也可以不一致，根据实验要求定）的承压板角度限位孔处，用承压板限位插销穿过承压板角度限位孔与承压板位置固定孔与单侧限压缩盒固定。

（4）根据所要监测应力数据类型选择是否在所需位置加装应力盒，准备完毕后即可开始岩石实验；将实验所需矸石试样放置在承压板上，操作单轴压力机带动施压部分下降使其与承压部分嵌套，随后开始加载实验；若有多组矸石试样，当上一组加载完毕后，先卸载油压，然后把单轴压力机的压头升起到一定高度，将矸石从刚性单侧限压缩盒不受限制一侧拿出，随后将下一组实验破碎矸石放于承压板上，重复实验过程直至把多组矸石试样全部压完。

本发明的有益效果：

（1）精确度高：受压部分与施压部分在实验时各部分之间均为刚性连接，提高了实验装置的精确度；

（2）使用方式灵活且便于操作：承压部分与施压部分之间无连接，因此二者可单独使用或配合使用于实验中，如果不用于单侧限矸石压缩的话也可以单独使用于其他实验，例如上压头可单独使用于变侧限矸石压缩实验中；施压部分可通过固定孔悬挂固定在任意普通单轴压力机压头上即可模拟施压环境，承压部分放置于承压台上即可。

（3）可通过装置研究倾斜煤层开采条件下的采空区矸石压缩，填补相关领域空白。

（4）施压部分与承压部分角度分别可调，可以模拟多种倾斜煤层工况条件。

附图说明

图1是承压部分的结构图；

图2是承压部分的剖面图；

图3是承压部分俯视图。

图4是施压部分的结构图；

图5是施压部分各部件的分解结构图；

图6是承压板转轴的结构图；

图7是限位插销的结构图；

图8是装置使用状态下局部剖开示意图。

图中，1、单侧限压缩盒；2、承压板；3、限位插销；4、承压板转轴；5、上压板转轴；6、限位板；7、环形垫板；8、上压板；9、凹槽；10、承压板角度限位孔；11、承压板转轴孔；12、承压板位置固定孔；13、压力机压头固定槽；14、方形平台上螺丝穿孔；15、上压板上螺丝孔；16、限位板转轴孔；17、上压板角度限位孔；18、上压板螺丝孔；19、上压板角度固定孔。

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，一种单侧限矸石压缩响应特征试验装置，由承压部分和施压部分组成，承压部分包括刚性单侧限压缩盒1、承压板2、承压板限位插销3以及承压板转轴4；施压部分包括上压板转轴5、限位板6、环形垫板7、螺母、上压板8、上压板限位插销3；使用时，将施压部分放在承压板上的矸石试样上方进行试验。

所述刚性单侧限压缩盒1由底板和三个竖板刚性连接组成，其上侧与右侧开口，其前后两竖板的右边缘为弧线，且在前后竖板靠右端均匀设有四个通孔作为承压板角度限位孔，在前、后竖板的内侧左下部设置两个位置相对的凹槽，用于固定承压板转轴4；

所述上压板转轴5沿轴方向两侧有螺纹，用来固定环形垫板7；上压板转轴5中部有一正方形凸出平台，平台上表面有凹槽作为压力机压头固定槽13，平台四个侧面有螺丝穿孔14，通过螺柱将压力机压头夹紧而悬挂于单轴压力机上；所述限位板6有两个，在限位板侧面有限位板转轴孔16，使两块限位板6分别穿过上压板转轴5左右两侧并绕转轴转动；在限位板转轴孔16周围有四个上压板角度限位孔17；限位板6和环形垫板7按先后顺序穿过上压板转轴5左右两侧，并通过螺母进行固定；通过螺丝将限位板6与上压板8连接，限位板能带动上压板绕上压板转轴5转动，随后通过上压板限位插销3穿过限位板上的上压板角度限位孔17与环形垫板上的上压板角度固定孔19使上压板与环形垫板固定。

当承压板2右侧抬升至承压板角度限位孔10位置时分别与水平面夹角为0°、15°、30°、45°；所述单侧限压缩盒1和承压板2通过承压板转轴4连接，承压板能绕承压板转轴4转动，再通过承压板限位插销3穿过单侧限压缩盒1上的承压板角度限位孔10和承压板上的承压板位置固定孔12将承压板固定于0°、15°、30°、45°中任一角度组成承压部分。

所述承压板2为一正方形板，左端部做半圆形平滑处理，使其能绕承压板转轴4转动而不会卡在单侧限压缩盒内；其左右两端分别有一穿透承压板水平方向的通孔，左通孔为承压板转轴孔9，右通孔为承压板位置固定孔12，通过该孔将承压板2与刚性单侧限压缩盒1固定。

所述承压板转轴4为两侧可伸缩杆，由一空心套管和两个销轴套接组成，空心套管长度与刚性单侧限压缩盒1的前后两竖板之间距离相同，且内部有弹簧，可将销轴弹出，使销轴卡入刚性单侧限压缩盒前后两竖板的凹槽9内。

所述环形垫板7有两个，其形状特征为：中间有螺纹套孔，可由外侧旋至上压板转轴两侧螺纹尽头并在两侧加上螺母实现环形垫板7与上压板转轴5相对位置固定。在螺纹套孔右侧有一轴向通孔作为上压板角度固定孔19。

所述限位板6有两个，限位板分别设置在上压板两侧上方且与上压板垂直连接，上压板为正方形刚性板，每个限位板为三角形结构且其顶部角为圆滑过渡，限位板的底部设置一条连接板，用于连接上压板，在连接板和上压板对应位置处设置螺栓孔，通过螺栓将两块限位板垂直于上压板刚性连接。在限位板侧面有限位板转轴孔，可使两块限位板分别穿过上压板转轴左右两侧并绕转轴转动。在限位板转轴孔周围有四个上压板角度限位孔，当未插入上压板限位插销时，限位板与上压板连接组成的刚性体可绕上压板转轴、环形垫板组成的刚性体转动，当限位板上的上压板角度固定孔与环形垫板上的某一上压板角度限位孔相对时，上压板与水平面夹角分别为0°、15°、30°、45°；调整到所需角度后，插入上压板限位插销固定。

限位插销3有两个，一个为固定承压板角度的承压板限位插销，一为固定上压板角度的上压板限位插销。二者除粗细不同外无其他不同，由两部分组成，一部分为一刚性长螺柱，其形状特征为一侧在距离端头位置一定距离处带限位挡环，另一侧有一段螺纹；另一部分为与螺纹相配套的螺母。固定时先将长螺柱带螺纹段穿过角度限位孔和固定孔，随后在螺纹侧旋入螺母并拧紧。

所述的两块限位板6和环形垫板7按先后顺序穿过上压板转轴5左右两侧，并通过螺母进行固定。之后用螺丝将限位板与上压板连接，通过上述结构可实现限位板带动上压板绕上压板转轴转动，随后通过上压板限位插销穿过限位板上的上压板角度限位孔与环形垫板上的上压板角度固定孔，实现将上压板固定于0°、15°、30°、45°中任一角度组成施压部分。

本发明提供了一种单侧限矸石压缩响应特征试验方法，包括以下步骤：

（1）当开始实验时，先将施压部分放在单轴压力机承压台上，下降单轴压力机使其压头下降至上压板转轴压力机压头固定槽13中，用螺丝将压头压紧，随后升起压头至初始位置；

（2）调整上压板8使上压板角度限位孔17与0°（见图8所示）的上压板角度固定孔19相对，用上压板限位插销进行固定；

（3）将承压部分放在单轴压力机承压台上，调整承压板2至15°处的承压板角度限位孔10处（承压板角度虽然能不一致，但是也只能在0,15,30,45四个角度里选一个用限位插销插进去锁住，此处承压板角度15°，见图8所示），用承压板限位插销3穿过承压板角度限位孔10与承压板位置固定孔12与单侧限压缩盒1固定；

（4）在承压板2中间位置及单侧限压缩盒1前、后侧面及左侧面中间位置黏贴应力盒，对四个面的受力情况进行监测；

（5）准备完毕后即可开始岩石实验；将第一组实验破碎矸石放于单侧限压缩盒的承压板上，操作单轴压力机加载直至3000KN，通过单轴压力机配套软件得到破碎矸石的应力应变曲线，完成一组矸石试样的压缩实验；

（6）加载完毕后，先卸载油压，然后把单轴压力机的压头升起到一定高度，将矸石从不受限制一侧拿出，随后将第二组实验破碎矸石放于承压板上，重复上述过程直至把多组矸石试样全部压完。

Claims (6)

1.一种单侧限矸石压缩响应特征试验装置，其特征在于：由承压部分和施压部分组成，承压部分包括刚性单侧限压缩盒、承压板、承压板限位插销以及承压板转轴；施压部分包括上压板转轴、限位板、环形垫板、螺母、上压板、上压板限位插销；使用时，将施压部分放在承压板上的矸石试样上方进行试验；

所述刚性单侧限压缩盒由底板和三个竖板刚性连接组成，其上侧与右侧开口，其前后两竖板的右边缘为弧线，且在前后竖板靠右端均匀设有四个通孔作为承压板角度限位孔，在前、后竖板的内侧左下部设置两个位置相对的凹槽，用于固定承压板转轴；

所述上压板转轴沿轴方向两侧有螺纹，用来固定环形垫板；上压板转轴中部有一正方形凸出平台，平台上表面有凹槽作为压力机压头固定槽，平台四个侧面有螺丝穿孔，通过螺柱将压力机压头夹紧而悬挂于单轴压力机上；所述限位板有两个，在限位板侧面有限位板转轴孔，使两块限位板分别穿过上压板转轴左右两侧并绕转轴转动；在限位板转轴孔周围有四个上压板角度限位孔；限位板和环形垫板按先后顺序穿过上压板转轴左右两侧，并通过螺母进行固定；通过螺丝将限位板与上压板连接，限位板能带动上压板绕上压板转轴转动，随后通过上压板限位插销穿过限位板上的上压板角度限位孔与环形垫板上的上压板角度固定孔使上压板与环形垫板固定；

当承压板右侧抬升至承压板角度限位孔位置时分别与水平面夹角为0°、15°、30°、45°；所述单侧限压缩盒和承压板通过承压板转轴连接，承压板能绕承压板转轴转动，再通过承压板限位插销穿过单侧限压缩盒上的承压板角度限位孔和承压板上的承压板位置固定孔将承压板固定于0°、15°、30°、45°中任一角度组成承压部分；所述承压板转轴为两侧可伸缩杆，由一空心套管和两个销轴套接组成，空心套管长度与刚性单侧限压缩盒前后两竖板之间距离相同，且内部有弹簧，可将销轴弹出，使销轴卡入刚性单侧限压缩盒前后两竖板的凹槽内。

2.根据权利要求1所述的单侧限矸石压缩响应特征试验装置，其特征在于：所述承压板为一正方形板，左端部做半圆形平滑处理，使其能绕承压板转轴转动而不会卡在单侧限压缩盒内；其左右两端分别有一穿透承压板水平方向的通孔，左通孔为承压板转轴孔，右通孔为承压板位置固定孔，通过该孔将承压板与刚性单侧限压缩盒固定。

3.根据权利要求1所述的单侧限矸石压缩响应特征试验装置，其特征在于：限位板与上压板连接组成的刚性体可绕上压板转轴、环形垫板组成的刚性体转动，当限位板上的上压板角度固定孔与环形垫板上的某一上压板角度限位孔相对时，上压板与水平面夹角分别为0°、15°、30°、45°；调整到所需角度后，插入上压板限位插销固定。

4.根据权利要求1所述的单侧限矸石压缩响应特征试验装置，其特征在于：限位板分别设置在上压板两侧上方且与上压板垂直连接，上压板为正方形刚性板，每个限位板为三角形结构且其顶部角为圆滑过渡，限位板的底部设置一条连接板，用于连接上压板，在连接板和上压板对应位置处设置螺栓孔，通过螺栓将两块限位板垂直于上压板刚性连接。

5.根据权利要求1所述的单侧限矸石压缩响应特征试验装置，其特征在于：所述环形垫板有两个，其中间有螺纹套孔，由外侧旋至上压板转轴两侧螺纹尽头并在两侧加上螺母实现环形垫板与上压板转轴相对位置固定；在螺纹套孔右侧有一轴向通孔作为上压板角度固定孔。

6.一种单侧限矸石压缩响应特征试验方法，采用权利要求1~5任一项所述的单侧限矸石压缩响应特征试验装置，其特征在于包括以下步骤：

（1）当开始实验时，先将施压部分放在单轴压力机承压台上，下降单轴压力机使其压头下降至上压板转轴压力机压头固定槽中，用螺丝将压头压紧，随后升起压头至初始位置；

（2）调整上压板使上压板角度限位孔与环形垫板上的某一上压板角度固定孔相对，用上压板限位插销进行固定；

（3）将承压部分放在单轴压力机承压台上，调整承压板至某一角度的承压板角度限位孔处，用承压板限位插销穿过承压板角度限位孔与承压板位置固定孔与单侧限压缩盒固定；

（4）根据所要监测应力数据类型选择是否在所需位置加装应力盒，准备完毕后即可开始岩石实验；将实验所需矸石试样放置在承压板上，操作单轴压力机带动施压部分下降使其与承压部分嵌套，随后开始加载实验；若有多组矸石试样，当上一组加载完毕后，先卸载油压，然后把单轴压力机的压头升起到一定高度，将矸石从刚性单侧限压缩盒不受限制一侧拿出，随后将下一组实验破碎矸石放于承压板上，重复实验过程直至把多组矸石试样全部压完。

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