一種用于測試沿空留巷穩(wěn)定性的實(shí)驗裝置及測試方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于測試沿空留巷巷幫充填墻體及巷道底板穩(wěn)定性的實(shí)驗裝置及測試方法，其包括用于填充模擬材料的實(shí)驗架，實(shí)驗架上部設(shè)置頂部鋼梁，下部設(shè)置有底部槽鋼，頂部鋼梁下方的實(shí)驗架設(shè)置有固定梁，固定梁的一端鉸接有一加壓梁，加壓梁的另一端設(shè)置有加壓機(jī)構(gòu)，加壓機(jī)構(gòu)根據(jù)斷裂拱內(nèi)的巖梁斷裂后對充填墻體的作用力對加壓梁施加壓力。在實(shí)驗裝置尺寸受限制的條件下，將巷旁充填墻體及所留巷道的模型尺寸放大，可以對巷旁充填墻體及底板巖石的位移及破壞過程進(jìn)行細(xì)致的監(jiān)測，避免了現(xiàn)有的模擬系統(tǒng)由于模擬比例尺太大、巷旁充填墻體模型尺寸太小而造成的變形不易監(jiān)測等問題。
【專利說明】一種用于測試沿空留巷穩(wěn)定性的實(shí)驗裝置及測試方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及相似材料模擬實(shí)驗裝置領(lǐng)域，尤其涉及一種用于測試沿空留巷穩(wěn)定性 的實(shí)驗裝置及測試方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 煤礦采場空間幾何尺寸一般為數(shù)百米或近千米，而傳統(tǒng)實(shí)驗裝置幾何尺寸有限， 試驗所取的幾何相似比一般較大，例如當(dāng)幾何相似比為1:100時，寬度為2. 5m的充填墻體 在實(shí)驗?zāi)Ｐ椭袃H為2. 5cm，與普通的應(yīng)力傳感器尺寸相近，因而存在尺寸效應(yīng)，不能精確的 對巷旁充填墻所承受的應(yīng)力進(jìn)行測量，也不利于對巷旁充填墻體和巷道底板的位移和變形 進(jìn)行監(jiān)測。因此，現(xiàn)有技術(shù)有待于更進(jìn)一步的改進(jìn)和發(fā)展。
[0003] 本專利是在已知煤礦采場結(jié)構(gòu)力學(xué)模型基本參數(shù)的情況下，對沿空留巷巷旁充填 體的穩(wěn)定性、留巷區(qū)域底板巖層的應(yīng)力和位移及其穩(wěn)定性進(jìn)行研究的實(shí)驗方法及裝置。
[0004] 在已知"沿空留巷巷旁充填體所承受的載荷是由采場結(jié)構(gòu)力學(xué)模型參數(shù)所確定的 裂斷拱內(nèi)傳遞巖梁總厚度及其裂斷步距所共同決定的"基礎(chǔ)上，采用相似材料模擬底板巖 層和煤層，采用鋼梁結(jié)構(gòu)模擬最下位的老頂巖梁，并采用大位移的液壓油缸系統(tǒng)在鋼梁上 施加連續(xù)恒定的重力，模擬采場上覆巖層裂斷拱內(nèi)各巖梁施加在巷旁充填體上的載荷。由 于本發(fā)明主要研究的是巷旁充填體及留巷區(qū)域的底板穩(wěn)定性，因此，可以實(shí)現(xiàn)較小比例尺 的模擬，不僅節(jié)省了實(shí)驗材料，更重要的是可以將巷旁充填體及所留巷道的模型尺寸放大， 可以對巷旁充填體及底板巖石的位移及破壞過程進(jìn)行細(xì)致的監(jiān)測，避免了現(xiàn)有的模擬系統(tǒng) 由于模擬比例尺太大、巷旁充填體模型尺寸太小而造成的變形不易監(jiān)測等問題。由于加載 系統(tǒng)僅需要模擬裂斷拱內(nèi)各巖梁施加在巷旁充填體上的載荷，因此，加載系統(tǒng)簡單，容易實(shí) 施。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 鑒于傳統(tǒng)相似材料模擬實(shí)驗裝置對沿空留巷模擬存在較大困難，本發(fā)明提供的一 種用于模擬沿空留巷巷旁充填體受力情況下，充填墻體及底板穩(wěn)定性的實(shí)驗裝置及測試方 法，在實(shí)驗裝置幾何尺寸的限定下，大幅度提高對墻體測試的精確度，減少相似材料模型鋪 設(shè)厚度。
[0006] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明方案包括：
[0007] -種用于測試沿空留巷穩(wěn)定性的實(shí)驗裝置，其包括用于填充模擬材料的實(shí)驗架， 其中，實(shí)驗架上部設(shè)置頂部鋼梁，下部設(shè)置有底部槽鋼，頂部鋼梁下方的實(shí)驗架設(shè)置有固定 梁，固定梁的一端鉸接有一加壓梁，加壓梁的另一端設(shè)置有加壓機(jī)構(gòu)，加壓機(jī)構(gòu)用于根據(jù)斷 裂拱內(nèi)的巖梁斷裂后對充填墻體的作用力對加壓梁施加壓力。
[0008] 所述的實(shí)驗裝置中的加壓機(jī)構(gòu)，其特征在于，上述加壓機(jī)構(gòu)包括支柱，支柱上鉸接 有一加壓杠桿，加壓杠桿一端設(shè)置有加載重物，加壓杠桿另一端鉸接有一連桿，連桿的另一 端設(shè)置有推動活塞，推動活塞設(shè)置在一液壓管內(nèi)，液壓管的水平部通過固定塊固定在頂部 鋼梁上，液壓管的末端內(nèi)設(shè)置有加壓活塞，加壓活塞的下端設(shè)置有壓頭，壓頭與加壓梁相接 觸。
[0009] 所述的實(shí)驗裝置，其中，上述液壓管內(nèi)填充有液壓油，液壓管上設(shè)置有壓力計。
[0010] 所述的實(shí)驗裝置，其中，實(shí)驗架包括左側(cè)板、右側(cè)板、前側(cè)板與后側(cè)板，左側(cè)板與右 側(cè)板上均勻布置有多個定位孔，固定梁能在左側(cè)板或右側(cè)板的任一高度固定，前側(cè)板由鋼 化玻璃制成兼作觀察窗口，前側(cè)板、后側(cè)板固定在左側(cè)板、右側(cè)板的對應(yīng)處。
[0011] 所述的實(shí)驗裝置，其中，按照比例在實(shí)驗架內(nèi)鋪設(shè)底板，固定梁、加壓梁形成的平 面與底板之間填充有煤層，煤層的一側(cè)設(shè)置有充填墻體，充填墻體與煤層之間形成巷道，充 填墻體的另一側(cè)為矸石冒落區(qū)。
[0012] 一種根據(jù)所述實(shí)驗裝置之沿空留巷穩(wěn)定性的測試方法，其包括以下步驟：
[0013] 步驟一，根據(jù)工作面上覆巖層柱狀圖、巖層力學(xué)參數(shù)、工作面寬度確定上覆巖層斷 裂拱高度以及拱內(nèi)巖梁個數(shù)，各巖梁厚度，各巖梁周期來壓步距，其中上覆巖層斷裂拱高度 為工作面寬度的1/2 ;
[0014] 各巖梁周期來壓計算方程式：
[0015]

【權(quán)利要求】
1. 一種用于測試沿空留巷穩(wěn)定性的實(shí)驗裝置，其包括用于填充模擬材料的實(shí)驗架，其 特征在于，實(shí)驗架上部設(shè)置頂部鋼梁，下部設(shè)置有底部槽鋼，頂部鋼梁下方的實(shí)驗架設(shè)置有 固定梁，固定梁的一端較接有一加壓梁，加壓梁的另一端設(shè)置有加壓機(jī)構(gòu)，加壓機(jī)構(gòu)用于根 據(jù)斷裂拱內(nèi)的巖梁斷裂后對充填墻體的作用力對加壓梁施加壓力。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的實(shí)驗裝置，其特征在于，上述加壓機(jī)構(gòu)包括支柱，支柱上較接 有一加壓杠桿，加壓杠桿一端設(shè)置有加載重物，加壓杠桿另一端較接有一連桿，連桿的另一 端設(shè)置有推動活塞，推動活塞設(shè)置在一液壓管內(nèi)，液壓管的水平部通過固定塊固定在頂部 鋼梁上，液壓管的末端內(nèi)設(shè)置有加壓活塞，加壓活塞的下端設(shè)置有壓頭，壓頭與加壓梁相接 觸。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的實(shí)驗裝置，其特征在于，上述液壓管內(nèi)填充有液壓油，液壓管 上設(shè)置有壓力計。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的實(shí)驗裝置，其特征在于，實(shí)驗架包括左側(cè)板、右側(cè)板、前側(cè)板 與后側(cè)板，左側(cè)板與右側(cè)板上均勻布置有多個定位孔，固定梁能在左側(cè)板或右側(cè)板的任一 高度固定，前側(cè)板由鋼化玻璃制成兼作觀察窗口，前側(cè)板、后側(cè)板固定在左側(cè)板、右側(cè)板的 對應(yīng)處。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的實(shí)驗裝置，其特征在于，按照比例在實(shí)驗架內(nèi)鋪設(shè)底板，固定 梁、加壓梁形成的平面與底板之間填充有煤層，煤層的一側(cè)設(shè)置有充填墻體，充填墻體與煤 層之間形成巷道，充填墻體的另一側(cè)為巧石冒落區(qū)。
6. -種根據(jù)如權(quán)利要求1所述實(shí)驗裝置之沿空留巷穩(wěn)定性的測試方法，其包括W下步 驟： 步驟一，根據(jù)工作面上覆巖層柱狀圖、巖層力學(xué)參數(shù)、工作面寬度確定上覆巖層斷裂拱 高度W及拱內(nèi)巖梁個數(shù)，各巖梁厚度，各巖梁周期來壓步距，其中上覆巖層斷裂拱高度為工 作面寬度的1/2 ; 各巖梁周期來壓計算方程式：
其中，C為巖梁周期來壓步距，m。為巖梁平均厚度，[5 J為巖梁抗拉強(qiáng)度，Yc為巖石 容重； 步驟二，根據(jù)采場地質(zhì)與開采參數(shù)，計算煤壁中內(nèi)應(yīng)力場范圍，W確定模型中位于固定 梁與加壓梁之間較接軸外側(cè)的煤層寬度S,; 內(nèi)應(yīng)力場寬度計算方程式為：
其中：Ci為基本頂周期來壓步距，Hg為斷裂拱高度，Si為支承壓力高峰區(qū)距煤壁距離， K max為應(yīng)力集中系數(shù)，H為采深； Ss 二 S。X ks ; 其中；S2為固定梁與加壓梁之間較接軸外側(cè)的煤層寬度，S。為內(nèi)應(yīng)力場寬度，k2為幾何 相似比； 步驟H，根據(jù)上覆巖層中斷裂拱內(nèi)巖梁個數(shù)，各巖梁厚度、容重，各巖梁周期來壓步距， 確定各巖梁在側(cè)向開裂進(jìn)而回轉(zhuǎn)下沉過程中，對充填墻體施加壓強(qiáng)； 直接頂對充填墻體加載壓力：
其中，li為巷道寬度，為直接頂厚度，r,為巖石容重，12為墻體寬度； 第一巖梁回轉(zhuǎn)下沉?xí)r，其重力由巷旁充填墻體全部承擔(dān)； 第一巖梁回轉(zhuǎn)下沉?xí)r對充填墻體加載壓力為：
式中：Cl為第一巖梁周期來壓步距，mi為第一巖梁層厚度，r為巖石容重，12為墻體寬 度； 第二巖梁回轉(zhuǎn)下沉?xí)r，第二巖梁對充填體加載壓力為：
'充填體為煤層、 充填墻體與巧石冒落區(qū)； 式中；C2為第二巖梁周期來壓步距，m2為第二巖梁厚度，r為巖石容重，12為墻體寬度； 第n巖梁回轉(zhuǎn)下沉?xí)r，第n巖梁對充填體加載壓力為：
式中；C。為第n巖梁周期來壓步距，m。為第n巖梁厚度；r為巖石容重，12為墻體寬度； 當(dāng)?shù)趎巖梁回轉(zhuǎn)下沉?xí)r，充填墻體受力為：P, = P1+P2+P3+……P。； 步驟四，根據(jù)采場地質(zhì)條件、巖層參數(shù)及相似模擬比，確定底板巖層、煤層W及巷旁充 填墻體鋪設(shè)時的材料配比，鋪設(shè)厚度、寬度，根據(jù)內(nèi)應(yīng)力場寬度及幾何相似比確定模型中位 于固定梁與加壓梁之間較接軸外側(cè)的煤層寬度S,，并在底板巖層及巷旁充填墻體內(nèi)安裝應(yīng) 力應(yīng)變傳感器； 步驟五，根據(jù)各巖梁在回轉(zhuǎn)下沉中對充填墻體加載壓力Pi及相似模擬實(shí)驗中應(yīng)力相 似比ks，確定在實(shí)驗?zāi)Ｐ椭谐涮顗w所受壓力;實(shí)驗?zāi)Ｐ椭谐涮顗w所受壓強(qiáng)為P3 = PiXks; 步驟六，利用加壓機(jī)構(gòu)依次恒壓加載，模擬各巖梁回轉(zhuǎn)下沉對充填墻體施加的載荷，記 錄并觀察巷旁充填墻體及巷道底板受力及位移狀況；利用加壓機(jī)構(gòu)通過加載重物進(jìn)行壓力 調(diào)節(jié)，加載重物質(zhì)量確定方法為：
' 其中；M表示加壓重物重量，P3--模型中充填墻體所受壓強(qiáng)，k4-加壓杠桿壓力放大系 數(shù)，kg-加壓梁長度L與較接軸距充填墻體長度Li之間的比值。
【文檔編號】G01N3/10GK104390861SQ201410682392
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年11月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月24日
【發(fā)明者】石永奎, 湯建泉, 李干, 張景煜, 郝建 申請人:山東科技大學(xué)