CN207894731U - 约束条件下煤体受载特性影响模拟实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种约束条件下煤体受载特性影响模拟实验装置，属于煤体力学实验领域，本实用新型装置包括设有四个首尾相连的凹槽矩形底座，将挡板插入凹槽形成立方槽，压头与该立方槽配合进行压制立方煤体；压头、挡板、底座形成对立方煤体的约束面，挡板数量可调节，去除挡板可形成立方煤体的自由面，根据需要模拟的煤体约束面及自由面的数量调节挡板数量，然后通过压头对立方煤体进行加载实验，由此完成煤体成型并模拟约束条件下煤体受载特性，简单快速低成本，可重复利用，便于研究约束对煤体的影响规律。

Description

约束条件下煤体受载特性影响模拟实验装置

技术领域

本实用新型涉及一种模拟受载煤体特性实验装置，具体涉及一种约束条件下煤体受载特性影响模拟实验装置，属于煤体力学实验领域。

背景技术

我国地下煤炭开采方法主要采用长壁工作面采煤法，即将采区的煤体沿走向或倾向划分成多个长壁工作面，然后依据事先规划好的次序分别将每个长壁工作面的煤炭采出。工作面的煤炭被采出形成采空区，当对临近工作面的煤炭进行开采时，首先需要沿着采空区开掘巷道，如图1所示，现阶段常通过沿空掘巷留设小煤柱的方法在煤体4中沿着采空区1 留设小尺寸煤柱2，因其布置在支承压力降低区，且小煤柱2隔断了掘进巷道3与采空区1 联系，避免巷道的漏风和采空区积水进入巷道3，具有节约煤炭资源，回采巷道安全稳定等诸多优点，得到了广泛的推广应用。

留设小煤柱沿空掘巷时，不同位置的煤体会承受着不同的应力状态，以研究对象不同，现分为三部分，如图1所示，取规则长方体煤柱21作为研究对象，长方体煤柱21顶部受到上覆岩层压力，底部受到底板支撑，同时由于留设的煤柱2一侧靠近采空区1一侧靠近巷道3，会形成左右两侧的自由面，这两个自由面在无支护条件下，不承受力的作用，前后两侧受内部煤体支撑作用。取规则长方体掘进工作面煤体31作为研究对象。该部分顶部受到上覆岩层压力，底部受到底板支撑，掘进工作面前面上形成自由面，不承受力的作用，左右两侧及后侧受内部煤体支撑作用。取规则长方体实体煤41为研究对象，在靠近巷道侧会形成自由面，在无支护条件下，不承受力的作用，顶部受到上覆岩层压力，底部受到底板支撑，前后两侧及右侧受内部煤体支撑作用。由此可见，对不同部位的煤体，其承载性能由于受侧限原因将有很大的不同，研究相关部分约束条件下的煤体承载特性影响对煤柱、掘进工作面、煤壁稳定控制意义十分重要。

煤岩石(体)力学实验一直是人们认识岩石(体)在不同外力作用下的应力状态、应变状态和破坏特征等力学特性的主要手段，它是解决工程技术问题的基础。现阶段对煤试样强度的研究多用单轴压缩试验、三轴压缩试验来间接反映煤体承载性能。但单轴压缩是非侧限压缩，这与上述分析的煤体的三种实际赋存状态不符，难以真实反映在有约束条件下的煤体受载状态。三个研究对象都存在着在的一个或两个自由面且在巷道表面，远离围岩深部，应力降低明显，不具有原岩应力，仅存在限制煤体松散变形的约束力。因此，三轴压缩所包括的假三轴实验因采用圆柱状试件仅能保证围压一致，难以反映多个自由面状态而与实际状态不符，真三轴实验因多用于形成高地压的原岩应力状态且设备昂贵、操作复杂，难以实现快速低成本低约束的大量实验数据，以上都缺乏相关反映煤体真实赋存状态的约束条件下煤体受载特性研究进展。

此外，由于实验的煤体材料应采用立方体煤试样，原煤在加工该类煤样过程中易产生破损，难以成型，多采用制作型煤来代替原煤试样，该过程需一套煤体成型设备，提高了实验成本和增加了过程的复杂程度，缺乏既能煤体成型又能模拟约束条件下煤体承载特性的可重复利用的实验装置。

综上所述，研究约束条件下的煤体承载特性影响对煤柱、掘进工作面、煤壁稳定十分重要，在研究煤试样受压试验反映煤体承载性能实验上，还存在着煤体约束条件难创造，可控的自由面难形成，难以反映现场煤体实际约束与受载情况，煤体成型与加载装置关联性差，实验成本高等较多问题，目前还没有在约束条件下的煤体受载特性影响的相关实验装置和方法。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种约束条件下煤体受载特性影响模拟实验装置，可以用于煤体成型并模拟约束条件下煤体受载特性，简单快速低成本，可重复利用，便于研究约束对煤体的影响规律。

为实现上述目的，本实用新型采用的一种约束条件下煤体受载特性影响模拟实验装置包括：底座、挡板、钢箍、压头；

底座为矩形底座，该底座上设置有与底座四边分别平行的四个凹槽，该四个凹槽依次首尾相连形成矩形边框，所述凹槽深度不小于10mm、宽度不小于5mm；

所述挡板有四个、其厚度与所述凹槽宽度配合、其长度分别与四个所述凹槽配合、其高度相等；

所述钢箍为矩形钢箍、其下部尺寸与所述凹槽形成的矩形边框外尺寸相配合、其上部向内突出形成凸起部，该凸起部的突出高度不大于所述挡板的厚度；

所述压头底面与所述凹槽形成的矩形边框内尺寸相配合，该压头上端设有销钉孔，压头通过该销钉孔安装在压力机上。

优选地，所述底座为正方形底座，四个所述凹槽长度相等、形成的矩形边框为正方形边框，所述挡板高度大于所述凹槽长度。

优选地，所述挡板外表面设有把手。

利用上述一种约束条件下煤体受载特性影响模拟实验装置的实验方法，包括如下步骤：

(1)计算压制煤体压力：根据待测煤体的埋深，计算压制煤体所需压力：P＝S×γ×H， S为所述凹槽形成的矩形框内面积，γ为待测煤体的容重，H为待测煤体的埋深；

(2)预制立方煤体：将四个所述挡板分别插入所述底座上的凹槽内，四个挡板围成立方槽，将钢箍套装在挡板上方以防止挡板倾倒，在立方槽内部涂抹润滑剂，然后向凹槽内加入碎煤，并平整碎煤上表面；将所述压头安装在压力机上，调整底座位置使立方槽正对压头，压头下表面涂抹润滑剂，设置压力机的向下压力为P，然后运行压力机使压头向下运动，压头进入立方槽内，对煤体施加压力P，待煤体成型后，抬升压头，完成立方煤体压制；

(3)调节装置形成模拟实际煤体赋存状态的自由面与约束面：

①、当模拟的煤体只有一个自由面时：将钢箍取下，去除一个挡板形成煤体自由面，其余挡板及压头底面形成约束面；

②、当模拟的煤体具有两个自由面时：将钢箍取下，去除相对的两个挡板形成煤体自由面，其余挡板及压头底面形成约束面；

(4)压载实验：将钢箍套装在挡板上方，然后调节压力机至压头轻触立方煤体上表面，然后对压力机的载荷及位移清零，设置压力机待监测参数，对约束条件下的煤体进行加载特性实验；记录实验数据，并观察煤体变形特征，表面位移特征等。

优选地，所述润滑剂为凡士林。

本实用新型针对煤体受约束条件下加载特性问题，将煤体成型与加载装置有效的结合起来，通过挡板多种组合方式实现约束面与自由面的变换，最大程度上反映煤体的实际受载与约束状态，该模拟装置对研究约束条件下的受载煤柱、掘进工作面、煤壁特性影响规律具有十分重要意义。同时该装置可拆卸，组装快速，可重复利用，有节约实验成本。

附图说明

图1是实际约束条件下的现场煤体示意图；

图2是本实用新型一种约束条件下煤体受载特性影响模拟实验装置的结构示意图；

图3是图2中的装置实验状态下的剖面示意图；

图4是采用本实用新型进行实验的一个实施例的实验结果；

图中：1.采空区，2.煤柱、21.长方体煤柱，3.巷道、31.长方体掘进工作面煤体，4.煤体、41.长方体实体煤，5.底座、51.凹槽，6.挡板，7.钢箍、71.凸起部，8.压头、81. 销钉孔，9.立方煤体。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详细说明，以图3中的左右为立方煤体的宽度方向，以图3中的垂直纸面方向为立方煤体的长度方向。

如图2至图3所示，约束条件下煤体受载特性影响模拟实验装置包括：底座5、挡板6、钢箍7、压头8；底座5为矩形底座，该底座5上设置有与底座5四边分别平行的四个凹槽51，该四个凹槽51依次首尾相连形成矩形边框，凹槽51深度不小于10mm，以此来保证挡板6插入凹槽51内可以被固定下来，凹槽51宽度不小于5mm，挡板6厚度与凹槽51宽度配合，保证挡板6具有一定强度，防止加载时，挡板6变形或破坏；挡板6有四个、其厚度与凹槽51宽度配合、其长度分别与四个凹槽51配合、其高度相等；钢箍7为矩形钢箍、其下部尺寸与凹槽51形成的矩形边框外尺寸相配合、其上部向内突出形成凸起部71，该凸起部71的突出高度不大于挡板6的厚度；压头8底面与凹槽51形成的矩形边框内尺寸相配合，该压头8上端设有销钉孔81，压头8通过该销钉孔81安装在压力机上。

将四个挡板6分别插入凹槽51内，挡板6与凹槽51形成立方槽，将钢箍7套装在挡板6上方，钢箍7的凸起部71卡在挡板6上端使钢箍7位置固定，钢箍7对挡板6形成内向约束力，防止挡板6在受力过程中向外倾倒；压头8通过销钉孔81连接在压力机上，压头8下降至立方槽内，通过压头8配合，挡板6、底座5、压头8组成约束面，可以用来压制立方煤体9，而同时由于各个挡板6独立，挡板6数量可调，当拿下挡板6，即可形成立方煤体9的自由面。若需要形成一个自由面时，取下一个挡板6即可；若需要形成两个相对的自由面时，取下相对的两个挡板6即可；设置压力机的参数，即可完成立方煤体9的压制或不同约束条件下煤体受载模拟实验。

优选地，底座5为正方形底座，四个凹槽51长度相等、形成的矩形边框为正方形边框，挡板6高度大于凹槽51长度；如此设计，在压制立方煤体9的实验过程中，立方煤体9的宽度与长度相等，通过加入适量的煤，使压制后的立方煤体9高度等于立方煤体9的宽度，这样压制出的立方煤体9为正方体，在后续受载模拟实验中，立方煤体9内部在长度方向及宽度方向上受力更加均衡，实验结果更加精确。

优选地，挡板6外表面设有把手，这边在实验过程中，可以更加方便安装或拆卸挡板6。

利用上述约束条件下煤体受载特性影响模拟实验装置的实验方法，包括如下步骤：

(1)计算压制煤体压力：根据待测煤体的埋深，计算压制煤体所需压力：P＝S×γ×H， S为凹槽51形成的矩形框内面积，γ为待测煤体的容重，H为待测煤体的埋深；

上述公式计算出的煤体所受压力约等于现场所模拟的煤体实际所受压力，因此，压制处的立方煤体9力学性质更加接近现场实际情况。

(2)预制立方煤体9：将四个挡板6分别插入底座5上的凹槽51内，四个挡板6围成立方槽，将钢箍7套装在挡板6上方以防止挡板6倾倒，在立方槽内部涂抹润滑剂，然后向立方槽内加入碎煤，并平整碎煤上表面；将压头8安装在压力机上，调整底座5位置使立方槽正对压头8，压头8下表面涂抹润滑剂，设置压力机的向下压力为P，然后运行压力机使压头8向下运动，压头8进入立方槽内，对煤体施加压力P，待煤体成型后，抬升压头 8，完成立方煤体9压制；

在内部涂抹润滑剂，可有效防止立方煤体9压制过程中，碎煤粘在挡板6、底座5或压头8上，在抬升压头8或拆卸挡板6的过程中，可以减少对立方煤体9的破坏。

(3)调节装置形成模拟实际煤体赋存状态的自由面与约束面：

①、当模拟的煤体只有一个自由面时：将钢箍7取下，去除一个挡板6形成煤体自由面，其余挡板6及压头8底面形成约束面；如以图1中的长方体掘进工作面煤体31或长方体实体煤41作为研究对象，这两部分煤体只有临近巷道的位置为自由面，其余面均为约束面，即可去除一个挡板6即可；

②、当模拟的煤体具有两个自由面时：将钢箍7取下，去除相对的两个挡板6形成煤体自由面，其余挡板6及压头8底面形成约束面；如以图1中长方体煤柱21为研究对象，这部分煤体临近巷道和采空区的位置为自由面，即有两个相对的自由面，其余面为约束面，则去除两个相对的挡板6即可；

(4)压载实验：将钢箍7套装在挡板6上方，然后调节压力机至压头8轻触立方煤体9上表面，然后对压力机的载荷及位移清零，设置压力机待监测参数，对约束条件下的煤体进行加载特性实验；记录实验数据，并观察煤体变形特征，表面位移特征等。

优选地，润滑剂为凡士林，润滑效果好、成本较低。

本实用新型针对煤体受约束条件下加载特性问题，将煤体成型与加载装置有效的结合起来，通过挡板6多种组合方式实现约束面与自由面的变换，最大程度上反映煤体的实际受载与约束状态，该模拟装置与方法对研究约束条件下的受载煤柱、掘进工作面、煤壁特性影响规律具有十分重要意义。同时该装置可拆卸，组装快速，可重复利用，有节约实验成本。

以下为采用本实用新型进行实验的一个实施例：

(1)实验装置尺寸：各凹槽长度均为0.1m，所围成的正方形面积为0.01m²；

(2)计算压制煤体压力：取某矿600m处深的煤炭，根据公式P＝S×γ×H计算其所需压力，其中S为凹槽形成的正方形框内面积0.01m²，γ为待测煤体的容重25kN/m³，H为待测煤体的埋深600m，则P＝150kN；

(3)预制立方煤体及压载实验：安装挡板及钢箍，立方槽内涂抹凡士林，将碎煤倒入立方槽内，采用压力为120kN的压力进行压制20min，使压制后的高度为0.1m，随后去除一个挡板，形成一个自由面，进行压载实验，采集数据；重复上述压制立方煤体的步骤，然后去除两个挡板，形成两个自由面，进行压载实验，采集数据；重复上述压制立方煤体的步骤，然后去除所有挡板，形成四个自由面，作为对比组，进行压载实验，采集数据；进行压载实验时，将压头下移至轻触立方煤体上表面，然后对压力机载荷及位移清零，随后进行压载实验，其实验结果如图4所示。

图4横坐标为压头下移位移，纵坐标为压力机对煤体施加载荷，即煤体所受载荷；从图4中可以看出不同约束条件下煤体受载特性不同，当只有一个自由面时，其承受最大载荷为38N；当只有两个自由面时，其承受最大载荷为26N；当有四个自由面时，其承受最大载荷为21N。立方煤体的抗变形能力在不同约束条件下也不相同，当只有一个自由面时，其高度缩短10mm时，达到最大承受载荷，随后破坏；当只有两个自由面时，其高度缩短 9mm时，达到最大承受载荷，随后破坏；当有四个自由面时，其高度缩短5mm时，达到最大承受载荷，随后破坏。由此可见，自由面越少，其所能承受载荷越大，抗压强度越大。

通过本实施例，验证了本实用新型装置可以有效地研究约束条件下的受载煤柱、掘进工作面、煤壁特性影响规律。

Claims (3)

1.一种约束条件下煤体受载特性影响模拟实验装置，包括：底座(5)、挡板(6)、钢箍(7)、压头(8)；其特征在于：

底座(5)为矩形底座，该底座(5)上设置有与底座(5)四边分别平行的四个凹槽(51)，该四个凹槽(51)依次首尾相连形成矩形边框，所述凹槽(51)深度不小于10mm、宽度不小于5mm；

所述挡板(6)有四个、其厚度与所述凹槽(51)宽度配合、其长度分别与四个所述凹槽(51)配合、其高度相等；

所述钢箍(7)为矩形钢箍、其下部尺寸与所述凹槽(51)形成的矩形边框外尺寸相配合、其上部向内突出形成凸起部(71)，该凸起部(71)的突出高度不大于所述挡板(6)的厚度；

所述压头(8)底面与所述凹槽(51)形成的矩形边框内尺寸相配合，该压头(8)上端设有销钉孔(81)，压头(8)通过该销钉孔(81)安装在压力机上。

2.根据权利要求1所述的约束条件下煤体受载特性影响模拟实验装置，其特征在于：所述底座(5)为正方形底座，四个所述凹槽(51)长度相等、形成的矩形边框为正方形边框，所述挡板(6)高度大于所述凹槽(51)长度。

3.根据权利要求1或2所述的约束条件下煤体受载特性影响模拟实验装置，其特征在于：所述挡板(6)外表面设有把手。