一种煤岩组合体开采卸荷试验装置及方法与流程

本发明涉及煤层在开采产生的卸荷作用下的破坏情况试验技术领域，尤其涉及煤岩组合体开采卸荷试验装置及方法。

背景技术：

随着煤炭开采向深部延伸，工作面煤壁片帮、顶板垮落、冲击地压、巷道围岩大变形等问题日益突出，严重影响了我国煤炭资源的安全、高效开采。我国煤炭赋存条件普遍比较复杂，随着采深、采高及工作面长度的增加，工作面超前支撑压力影响范围不断扩大，上覆岩层作用在煤壁和顶板岩层上的压力也随之增加，加之复杂地质构造(断层、褶曲、向斜等)及开采方式等影响，回采工作面煤岩体中形成应力分布严重不均匀现象，进而造成工作面煤岩体处于严重偏压、压剪状态，在高压与偏压作用下造成煤壁片帮、顶板冒落、煤壁与顶板组合失稳等现象的发生。现阶段，针对此问题可借助理论研究、数值模拟及模型试验等方法进行，一般而言，实验室试验具有经济、简便、直观、可重复的特点，可清晰的再现煤岩体在高压与偏压状态下的破坏过程，可较好的反映煤岩体的破坏特点，是一项应用较为广泛的研究手段。

目前，由于受试验条件和试验对象等因素的影响，现有的试验装置基本用来实现小尺度煤岩体介质压剪状态的试验，普遍存在尺寸效应，无法更确切的还原煤岩体破坏过程。另外，现有的试验装置无法为试验提供偏压荷载，且无法实现不同卸荷高度条件下的煤岩体破坏特点。因此，很有必要就研制能反应高偏压情况下煤岩体开采卸荷条件下破坏特点的模型试验装置，为分析高偏压、开采卸荷作用下煤岩组合体中裂隙开裂、扩展与破坏的过程特征，以及揭示煤岩组合体裂隙分布规律及破坏规律提供试验基础。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于提供一种能够对煤岩组合体试样进行卸荷试验的装置及试验方法。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：

一种煤岩组合体开采卸荷试验装置，包括用于约束试样位置的约束系统和用于对试样施加应力的荷载系统；所述荷载系统能够向固定于约束系统内的试样提供来自不同方向的应力；所述约束系统能够平衡荷载系统对试样提供的应力并能够选择卸除试样某一高度的平衡作用。

优选地，所述约束系统包括水平设置的承载台，和竖直设置于承载台上并相对放置的约束侧板；所述试样为长方体结构，试样两侧分别与约束侧板抵接配合，试样上侧与约束侧板上表面基本平齐，约束侧板沿长度方向的两侧分别与承载台和试样的两端面基本齐平。

优选地，所述约束侧板沿长度方向的前侧端面可拆卸的固定有与试样前侧面相抵接的挡板，所述挡板沿竖直方向固定有多个。

优选地，所述荷载系统包括卡合在承载台上的反力架，所述反力架前侧敞口，反力架的上侧、左侧、右侧和后侧分别固定有与试样上侧、两个约束侧板和试样后侧固定配合的应力输出单元；试样上方的应力输出单元通过一弹性垫层与试样的上表面配合，应力输出单元产生的应力经弹性垫层的作用在试样的上表面各位置产生不同强度的偏压应力。

优选地，所述弹性垫层包括与试样上表面配合的顶板、与应力输出单元配合的加载压板和可拆卸的均匀排布于顶板与加载压板之间的弹簧，所述弹簧的高度相同、弹性系数不同。

优选地，所述应力输出单元为能够自锁的液压千斤顶。

优选地，所述约束侧板的前侧端面沿竖直方向均匀设置有多个螺孔，挡板两端分别通过螺栓与两侧约束侧板水平固定。

本发明还提供了所述煤岩组合体开采卸荷试验装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤1：通过约束系统将试样固定在承载台上；

步骤2：根据测试要求调整弹性垫层的弹簧位置，将应力输出单元与试样和约束系统配合；

步骤3：给两侧和顶部的应力输出单元分别施加恒定的压力；

步骤4：根据需要拆除指定高度的挡板；

步骤5：调整后侧应力输出单元提供的压力，使试样处于压剪卸荷状态。

本发明提供的煤岩组合体开采卸荷试验装置及方法的优点在于：结构简单，制作方便，容易操作，节约成本，能够用于大尺寸试样的试验，可以模拟卸荷和高偏压作用下的裂隙开裂、扩展演化过程及模型试样破坏的情况，具有良好的推广前景。

附图说明

图1是本发明的实施例所提供的煤岩组合体开采卸荷试验装置。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，一种煤岩组合体开采卸荷试验装置，包括用于约束煤岩组合体试样9位置的约束系统(图未示)和用于对试样9施加应力的荷载系统(图未示)，所述荷载系统能够向固定于约束系统内的试样9提供来自不同方向的应力；所述约束系统能够平衡荷载系统对试样提供的应力并能够选择卸除试样某一高度的平衡作用。

在使用时，先通过约束系统和荷载系统使试样9处于平衡状态，然后根据需要卸除约束系统在指定高度处对荷载系统的平衡作用，从而模拟试样不同高度处的卸荷试验，获得试样性能参数。

所述约束系统包括水平设置的承载台1，所述试样9放置于承载台1上，试样9优选为长方体结构，试样9两侧分别竖直固定有一与试样9紧邻的约束侧板8，所述约束侧板8的形状与试样9的侧面形状相同；约束侧板8沿长度方向的两侧分别与承载台1和试样9的两端面基本齐平。所述约束侧板8沿长度方向的前侧端面可拆卸的固定有与试样9前侧面相抵接的挡板7，所述挡板7沿竖直方向排列遮挡住试样9前侧。

优选实施例中，所述约束侧板8的前侧端面沿竖直方向均匀设置有多个螺孔11，挡板7两端通过螺栓10与两侧约束侧板8水平固定，从而便于挡板7的固定于拆卸。

所述荷载系统包括卡合在承载台1上的反力架2，所述反力架2的前侧敞开，反力架2的上侧、左侧、右侧和后侧分别固定有与试样9上侧、两个约束侧板8和试样9后侧固定配合的应力输出单元3，上方的应力输出单元3通过一弹性垫层(图未示)与试样9上表面配合，所述弹性垫层在应力输出单元3的作用下能够对试样9的上表面各位置产生不同强度的应力，从而给试样9提供偏压效果。

所述弹性垫层包括与试样9上表面配合的顶板6，与应力输出单元3配合的加载压板4和均匀排布于顶板6与加载压板4之间的弹簧5，所述弹簧5的高度相同，弹性系数不同，弹簧5在顶板6和加载压板4之间的位置能够调整，从而给试样9模拟出不同的偏压效果。

优选实施例中，所述应力输出单元3采用规则排布的千斤顶，优选为带有自锁功能的千斤顶，从而能够在千斤顶达到相应位置后为试样9提供恒定的应力。

本实施例提供的试样9包括模拟煤层和顶板岩体，试样9采用相似材料浇筑而成，上层为岩层，下层为煤层；本实施例提供了煤层厚度和岩层厚度比例分别为1:1、2:3、3:2、7:3的试样9，具体选用的试样9的尺寸为500mm×500mm×500mm，煤层厚度分别为200mm、250mm、300mm、350mm，相应的岩层厚度分别为300mm、250mm、200mm、150mm。

本实施例还提供了使用所述煤岩组合体开采卸荷试验装置的方法，包括以下步骤：

步骤1：通过约束系统将试样9固定在承载台1上；

在试验时，可以先浇筑试样9，然后转移至承载台1上，但这样不便于约束系统与试样9完全匹配。

优选实施例中，将约束系统进行完全组装使其与承载台1配合作为试样9的浇筑模具，通过正交试验选取合适的相似材料配合比，将相似材料与水混合并搅拌至均匀然后浇筑在承载台1上即可。

步骤2：根据测试要求调整弹性垫层的弹簧5位置，将应力输出单元3与试样9和约束系统配合；

步骤3：给两侧和顶部的应力输出单元3分别施加恒定的压力；使试样9受到竖直方向的偏压应力，从而获得试样9在偏压状态下的裂隙开裂、扩展演化过程及压剪破坏特性；

步骤5：根据试验需要拆除指定高度的挡板，模拟试样在不同高度处出现卸荷情况时的应变；

步骤6：调整后侧应力输出单元提供的压力，使试样处于压剪卸荷状态；从而模拟卸荷作用下的试样9中的裂隙开裂、扩展演化过程及模型试样破坏的情况。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，在不脱离本发明的精神和原则的前提下，本领域普通技术人员对本发明所做的任何修改、等同替换、改进等，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围之内。