一种用于测试沿空留巷稳定性的实验装置及测试方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于测试沿空留巷巷帮充填墙体及巷道底板稳定性的实验装置及测试方法，其包括用于填充模拟材料的实验架，实验架上部设置顶部钢梁，下部设置有底部槽钢，顶部钢梁下方的实验架设置有固定梁，固定梁的一端铰接有一加压梁，加压梁的另一端设置有加压机构，加压机构根据断裂拱内的岩梁断裂后对充填墙体的作用力对加压梁施加压力。在实验装置尺寸受限制的条件下，将巷旁充填墙体及所留巷道的模型尺寸放大，可以对巷旁充填墙体及底板岩石的位移及破坏过程进行细致的监测，避免了现有的模拟系统由于模拟比例尺太大、巷旁充填墙体模型尺寸太小而造成的变形不易监测等问题。
【专利说明】一种用于测试沿空留巷稳定性的实验装置及测试方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及相似材料模拟实验装置领域，尤其涉及一种用于测试沿空留巷稳定性 的实验装置及测试方法。
【背景技术】
[0002] 煤矿采场空间几何尺寸一般为数百米或近千米，而传统实验装置几何尺寸有限， 试验所取的几何相似比一般较大，例如当几何相似比为1:100时，宽度为2. 5m的充填墙体 在实验模型中仅为2. 5cm，与普通的应力传感器尺寸相近，因而存在尺寸效应，不能精确的 对巷旁充填墙所承受的应力进行测量，也不利于对巷旁充填墙体和巷道底板的位移和变形 进行监测。因此，现有技术有待于更进一步的改进和发展。
[0003] 本专利是在已知煤矿采场结构力学模型基本参数的情况下，对沿空留巷巷旁充填 体的稳定性、留巷区域底板岩层的应力和位移及其稳定性进行研究的实验方法及装置。
[0004] 在已知"沿空留巷巷旁充填体所承受的载荷是由采场结构力学模型参数所确定的 裂断拱内传递岩梁总厚度及其裂断步距所共同决定的"基础上，采用相似材料模拟底板岩 层和煤层，采用钢梁结构模拟最下位的老顶岩梁，并采用大位移的液压油缸系统在钢梁上 施加连续恒定的重力，模拟采场上覆岩层裂断拱内各岩梁施加在巷旁充填体上的载荷。由 于本发明主要研究的是巷旁充填体及留巷区域的底板稳定性，因此，可以实现较小比例尺 的模拟，不仅节省了实验材料，更重要的是可以将巷旁充填体及所留巷道的模型尺寸放大， 可以对巷旁充填体及底板岩石的位移及破坏过程进行细致的监测，避免了现有的模拟系统 由于模拟比例尺太大、巷旁充填体模型尺寸太小而造成的变形不易监测等问题。由于加载 系统仅需要模拟裂断拱内各岩梁施加在巷旁充填体上的载荷，因此，加载系统简单，容易实 施。
【发明内容】
[0005] 鉴于传统相似材料模拟实验装置对沿空留巷模拟存在较大困难，本发明提供的一 种用于模拟沿空留巷巷旁充填体受力情况下，充填墙体及底板稳定性的实验装置及测试方 法，在实验装置几何尺寸的限定下，大幅度提高对墙体测试的精确度，减少相似材料模型铺 设厚度。
[0006] 为了解决上述技术问题，本发明方案包括：
[0007] -种用于测试沿空留巷稳定性的实验装置，其包括用于填充模拟材料的实验架， 其中，实验架上部设置顶部钢梁，下部设置有底部槽钢，顶部钢梁下方的实验架设置有固定 梁，固定梁的一端铰接有一加压梁，加压梁的另一端设置有加压机构，加压机构用于根据断 裂拱内的岩梁断裂后对充填墙体的作用力对加压梁施加压力。
[0008] 所述的实验装置中的加压机构，其特征在于，上述加压机构包括支柱，支柱上铰接 有一加压杠杆，加压杠杆一端设置有加载重物，加压杠杆另一端铰接有一连杆，连杆的另一 端设置有推动活塞，推动活塞设置在一液压管内，液压管的水平部通过固定块固定在顶部 钢梁上，液压管的末端内设置有加压活塞，加压活塞的下端设置有压头，压头与加压梁相接 触。
[0009] 所述的实验装置，其中，上述液压管内填充有液压油，液压管上设置有压力计。
[0010] 所述的实验装置，其中，实验架包括左侧板、右侧板、前侧板与后侧板，左侧板与右 侧板上均匀布置有多个定位孔，固定梁能在左侧板或右侧板的任一高度固定，前侧板由钢 化玻璃制成兼作观察窗口，前侧板、后侧板固定在左侧板、右侧板的对应处。
[0011] 所述的实验装置，其中，按照比例在实验架内铺设底板，固定梁、加压梁形成的平 面与底板之间填充有煤层，煤层的一侧设置有充填墙体，充填墙体与煤层之间形成巷道，充 填墙体的另一侧为矸石冒落区。
[0012] 一种根据所述实验装置之沿空留巷稳定性的测试方法，其包括以下步骤：
[0013] 步骤一，根据工作面上覆岩层柱状图、岩层力学参数、工作面宽度确定上覆岩层断 裂拱高度以及拱内岩梁个数，各岩梁厚度，各岩梁周期来压步距，其中上覆岩层断裂拱高度 为工作面宽度的1/2 ;
[0014] 各岩梁周期来压计算方程式：
[0015]
【权利要求】
1. 一种用于测试沿空留巷稳定性的实验装置，其包括用于填充模拟材料的实验架，其 特征在于，实验架上部设置顶部钢梁，下部设置有底部槽钢，顶部钢梁下方的实验架设置有 固定梁，固定梁的一端较接有一加压梁，加压梁的另一端设置有加压机构，加压机构用于根 据断裂拱内的岩梁断裂后对充填墙体的作用力对加压梁施加压力。
2. 根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，上述加压机构包括支柱，支柱上较接 有一加压杠杆，加压杠杆一端设置有加载重物，加压杠杆另一端较接有一连杆，连杆的另一 端设置有推动活塞，推动活塞设置在一液压管内，液压管的水平部通过固定块固定在顶部 钢梁上，液压管的末端内设置有加压活塞，加压活塞的下端设置有压头，压头与加压梁相接 触。
3. 根据权利要求2所述的实验装置，其特征在于，上述液压管内填充有液压油，液压管 上设置有压力计。
4. 根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，实验架包括左侧板、右侧板、前侧板 与后侧板，左侧板与右侧板上均匀布置有多个定位孔，固定梁能在左侧板或右侧板的任一 高度固定，前侧板由钢化玻璃制成兼作观察窗口，前侧板、后侧板固定在左侧板、右侧板的 对应处。
5. 根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，按照比例在实验架内铺设底板，固定 梁、加压梁形成的平面与底板之间填充有煤层，煤层的一侧设置有充填墙体，充填墙体与煤 层之间形成巷道，充填墙体的另一侧为巧石冒落区。
6. -种根据如权利要求1所述实验装置之沿空留巷稳定性的测试方法，其包括W下步 骤： 步骤一，根据工作面上覆岩层柱状图、岩层力学参数、工作面宽度确定上覆岩层断裂拱 高度W及拱内岩梁个数，各岩梁厚度，各岩梁周期来压步距，其中上覆岩层断裂拱高度为工 作面宽度的1/2 ; 各岩梁周期来压计算方程式：
其中，C为岩梁周期来压步距，m。为岩梁平均厚度，[5 J为岩梁抗拉强度，Yc为岩石 容重； 步骤二，根据采场地质与开采参数，计算煤壁中内应力场范围，W确定模型中位于固定 梁与加压梁之间较接轴外侧的煤层宽度S,; 内应力场宽度计算方程式为：
其中：Ci为基本顶周期来压步距，Hg为断裂拱高度，Si为支承压力高峰区距煤壁距离， K max为应力集中系数，H为采深； Ss 二 S。X ks ; 其中；S2为固定梁与加压梁之间较接轴外侧的煤层宽度，S。为内应力场宽度，k2为几何 相似比； 步骤H，根据上覆岩层中断裂拱内岩梁个数，各岩梁厚度、容重，各岩梁周期来压步距， 确定各岩梁在侧向开裂进而回转下沉过程中，对充填墙体施加压强； 直接顶对充填墙体加载压力：
其中，li为巷道宽度，为直接顶厚度，r,为岩石容重，12为墙体宽度； 第一岩梁回转下沉时，其重力由巷旁充填墙体全部承担； 第一岩梁回转下沉时对充填墙体加载压力为：
式中：Cl为第一岩梁周期来压步距，mi为第一岩梁层厚度，r为岩石容重，12为墙体宽 度； 第二岩梁回转下沉时，第二岩梁对充填体加载压力为：
'充填体为煤层、 充填墙体与巧石冒落区； 式中；C2为第二岩梁周期来压步距，m2为第二岩梁厚度，r为岩石容重，12为墙体宽度； 第n岩梁回转下沉时，第n岩梁对充填体加载压力为：
式中；C。为第n岩梁周期来压步距，m。为第n岩梁厚度；r为岩石容重，12为墙体宽度； 当第n岩梁回转下沉时，充填墙体受力为：P, = P1+P2+P3+……P。； 步骤四，根据采场地质条件、岩层参数及相似模拟比，确定底板岩层、煤层W及巷旁充 填墙体铺设时的材料配比，铺设厚度、宽度，根据内应力场宽度及几何相似比确定模型中位 于固定梁与加压梁之间较接轴外侧的煤层宽度S,，并在底板岩层及巷旁充填墙体内安装应 力应变传感器； 步骤五，根据各岩梁在回转下沉中对充填墙体加载压力Pi及相似模拟实验中应力相 似比ks，确定在实验模型中充填墙体所受压力;实验模型中充填墙体所受压强为P3 = PiXks; 步骤六，利用加压机构依次恒压加载，模拟各岩梁回转下沉对充填墙体施加的载荷，记 录并观察巷旁充填墙体及巷道底板受力及位移状况；利用加压机构通过加载重物进行压力 调节，加载重物质量确定方法为：
' 其中；M表示加压重物重量，P3--模型中充填墙体所受压强，k4-加压杠杆压力放大系 数，kg-加压梁长度L与较接轴距充填墙体长度Li之间的比值。
【文档编号】G01N3/10GK104390861SQ201410682392
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年11月24日 优先权日:2014年11月24日
【发明者】石永奎, 汤建泉, 李干, 张景煜, 郝建 申请人:山东科技大学