一种采空区垮落岩石粒径演化运移规律模拟方法及装置与流程

本发明涉及一种采空区模拟方法及装置，具体涉及一种采空区垮落岩石粒径演化运移规律模拟方法及装置。

背景技术：

在煤矿开采过程中，一般采取垮落法处理顶板，顶板岩层，尤其是直接顶将破碎成块状的垮落岩石，也就是俗称的垮落带。随着上覆岩层逐渐下降，垮落带岩石逐渐受力，垮落岩石将慢慢被压缩。在压缩的过程中，破碎岩石的粒径将会发生变化，空间位置也会发生运动。因此，准确的掌握采空区破碎岩石粒径演化运移规律对于揭示采空区残余空隙、指导注浆工作，预测地表沉降等方面具有重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服现有技术中存在的问题，提供一种方法简单、可行性高的采空区垮落岩石粒径演化运移规律模拟方法。

为解决上述技术问题，为此本发明所采用的技术方案如下：

一种采空区垮落岩石粒径演化运移规律模拟方法，其包括以下步骤：

(1)通过现场监测获取采空区垮落岩石的粒径级配

通过在工作面上顺槽、下顺槽与工作面相交的两端部端头支架后方布置激光测距装置、录像设备及照明设备，用来观测采空区不同部位的破碎岩体块度，反演计算、统计获取垮落岩石的粒径级配及空间分布规律；

(2)通过缩尺理论获取室内试验破碎岩石的粒径级配

通过步骤(1)得到的现场监测数据，获取现场垮落岩石的统计级配及空间分布规律；

(3)第一次独立压缩试验

通过步骤(2)得到室内试验破碎岩石的粒径级配及空间分布规律，以竖直剖面上粒径分布规律分为上中下三层，依次进行上中下三层垮落岩石的压缩变形试验；

以上层垮落岩石为例，根据不同粒径，上层破碎岩石喷射不同颜色的漆混合均匀；

为模拟采空区垮落岩石的压缩变形过程，根据关键层理论可知采空区上覆岩层成组破断，所以采空区应力变化趋势为分级梯度增加；根据关键层理论计算岩层每次破断增加的重量，即每一梯度应力的变化量；根据应力拱理论可知采空区应力最大值为采空区导水裂隙带发育高度内的岩层的重量，每一梯度作用时间为监测获得的每两次顶板来压的时间间隔；

如果开采煤层高度为r18，则上覆岩层每一岩层的高度从下往上依次为r17-r1，每一岩层的容重从下往上依次为r17-r1，导水裂隙带的高度为r17-r9，其中r12和r6为煤层的高度，通过关键层理论计算，得到r15、r9、r3为关键层；所以，采空区应力最大值σmax为采空区导水裂隙带发育高度内的岩层的重量,即：

σmax＝r17×r17+r16×r16+r15×r15+r14×r14+r13×r13+r12×r12+r11×r11+r10×r10+r9×r9

(4)通过筛分粒径得到垮落岩石的粒径变化规律

第一次独立压缩试验结束后，通过筛分粒径，获取压缩前后破碎岩石粒径变化规律；

筛分粒径时，利用分级筛从大到小依次筛分，筛分出每一粒径范围内的垮落岩石，再通过颜色区分出垮落岩石压缩前的粒径，以此方法依次获得垮落岩石的粒径变化规律；

(5)第二次整体压缩试验

通过步骤(2)，得到室内试验破碎岩石的粒径级配空间分布规律，以竖直剖面上粒径分布规律分为上、中、下三层，依次筛分符合粒径级配空间分布规律上、中、下三层的破碎岩石，每一部分根据不同粒径喷射不同颜色漆混合均匀，并且保证三层破碎岩石的油漆颜色不重复，每一部分混合均匀后按照粒径级配空间分布规律从下往上依次铺设，半圆形构件连接通过螺纹螺母从下往上依次连接固定；

(6)第二次整体压缩试验结束后，从上向下逐层拆分圆筒，剥离破碎岩石，通过筛分粒径，获取每一部分压缩前后垮落岩石粒径变化及垮落岩石运移规律。

优选地，步骤(3)加载方式分为三个梯度，

第一梯度为σ1＝r17×r17；

第二梯度为σ2＝r17×r17+r16×r16+r15×r15；

第三梯度为σ3＝σmax。

优选地，步骤(5)加载方式和步骤(3)加载方式相同。

优选地，步骤(5)内试验破碎岩石的粒径小于步骤(3)的岩石粒径。

本发明还提供一种使用采空区垮落岩石粒径演化运移规律模拟方法的装置，其设有试验主体装置和伺服装置，伺服装置设在试验主体装置一侧，试验主体装置设有基座和支撑柱，支撑柱底部固定设置在基座上，基座为铸铁材质，支撑柱为精钢材质的圆柱，支撑柱上方设有横梁，横梁与支撑柱垂直设置，横梁中部设有加载油缸，加载油缸下方设有加载压头，基座和横梁之间设有试验舱，试验舱设在加载压头下方。

优选地，伺服装置为位移-压力双控伺服装置。

优选地，支撑柱设有四根，分别设置在基座四角，支撑柱与基座垂直设置。

优选地，支撑柱为圆柱形结构，支撑柱为精钢材质。

优选地，试验舱设有底座和半圆形构件，半圆形构件设在底座上方，试验舱内径为400mm。

优选地，底座安装在基座上方。

与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：

本发明提供了采空区垮落岩石粒径演化运移规律模拟方法及装置，通过现场监测获得了垮落岩石的粒径级配及分布规律，通过缩尺理论缩放到室内，按照理论计算、现场监测获得的采空区应力变化趋势指导室内的试验加载方式，试验方案合理、可行性高，可以真实模拟采空区垮落岩石的压缩变形规律，尤其是粒径变化规律及空间运移规律，试验模拟结果可以为采空区注浆治理、地表下沉预计控制提供理论依据。

附图说明

图1是本发明现场粒径级配监测系统布置示意图；

图2是本发明垮落岩石的空间分布规律示意图；

图3是本发明室内压缩试验加载方式计算方法示意图；

图4是本发明室内试验装置的结构示意图；

图5是本发明试验舱的结构示意图。

图中符号标记说明：

101.上顺槽；102.下顺槽；103.上顺槽破碎岩体块度监测点；104.下顺槽破碎岩体块度监测点；105.采空区；201.导水裂隙带；30.试验主体装置；301.基座；302.支撑柱；303.横梁；304.加载油缸；305.加载压头；306.底座；307.试验舱；308.半圆形构件；309.螺纹连接螺母；3091.螺纹连接螺母一；3092.螺纹连接螺母二；31.位移-压力双控伺服装置。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以助于理解本发明的内容。本发明中所使用的术语如无特殊规定，均为行业内常规术语。

如图1-图3所示，本发明提供一种采空区垮落岩石粒径演化运移规律模拟方法，其包括以下步骤：

第一步：如图1所示，通过在工作面上顺槽101、下顺槽102与工作面相交的两端部端头支架后方布置激光测距装置、录像设备及照明设备，用来观测采空区105不同部位的破碎岩体块度。

通过在上顺槽101布置上顺槽破碎岩体块度监测点103，在下顺槽102布置下顺槽破碎岩体块度监测点104，然后通过激光测距反演计算某一垮落岩石的粒径范围，依靠录像截图推算出该垮落岩石所在数值剖面内的垮落岩石粒径范围，依据此法，统计获取不同数值剖面的垮落岩石的粒径级配及空间分布规律。

如图2所示，根据竖直上的高度将垮落岩石分为a、b、c三层，获得每一层的垮落岩石的粒径级配及空间分布规律；

第二步：通过分析现场监测数据，获取现场每一层垮落岩石的统计级配，室内垮落岩石压缩试验舱内径为400mm，可容纳破碎岩石质量最大为150kg，此处取每次试验破碎岩石质量为100kg。根据模型缩尺理论，试验舱内径与每一层破碎岩石最大粒径的比值小于等于5，即室内模拟时破碎岩石最大粒径为80mm。假设现场每一层垮落岩石的统计级配最大粒径为800mm，那么缩尺比为1:10。

第三步：通过第二步，获得了室内试验a层破碎岩石的粒径级配，根据不同粒径，破碎岩石喷射不同颜色的漆混合均匀。

第四步：组装试验舱307，如图5所示，同一层对称的两个半圆形构件308通过螺纹连接螺母3091固定为一体，上下两层半圆形构件308通过螺纹连接螺母3092固定在一起，依次固定组装试验舱307，同时铺设破碎岩石。

第五步：设置加载方式，为模拟采空区垮落岩石的压缩变形过程，根据关键层理论可知采空区上覆岩层成组破断，所以采空区应力变化趋势为分级梯度增加。根据关键层理论计算岩层每次破断增加的重量，即每一梯度应力的变化量。根据应力拱理论可知采空区应力最大值为采空区导水裂隙带发育高度内的岩层的重量。

如图3所示，如果开采煤层高度为r18,上覆岩层每一岩层的高度从下往上依次为r17-r1，每一岩层的容重从下往上依次为r17-r1，导水裂隙带的高度为r17-r9。由于其中r12和r6为煤层的高度，通过关键层计算得到r15、r9、r3为关键层。采空区应力最大值σmax为采空区导水裂隙带201发育高度内的岩层的重量,即

σmax＝r17×r17+r16×r16+r15×r15+r14×r14+r13×r13+r12×r12+r11×r11+r10×r10+r9×r9

加载方式可以分为三个梯度，第一梯度为σ1＝r17×r17，作用时间为监测获得的每两次顶板来压的时间间隔，大约7d。

第二梯度为σ2＝r17×r17+r16×r16+r15×r15，作用时间为监测获得的每两次顶板来压的时间间隔，大约5d。

第三梯度为σ3＝σmax，作用时间为监测获得的每两次顶板来压的时间间隔，大约5d。

第六步：试验结束，拆分试验舱307，筛分粒径时，利用分级筛从大到小依次筛分，筛分出每一粒径范围内的垮落岩石，再通过颜色区分出垮落岩石压缩前的粒径，以此方法依次获得每一层垮落岩石的粒径变化规律。

第七步：重复第三步-第六步，依次进行b、c层破碎岩石的压缩试验。

第八步：通过第二步，获得了室内试验破碎岩石的粒径级配空间分布规律，以竖直剖面上粒径分布规律分为a、b、c三层，依次筛分符合粒径级配空间分布规律a、b、c三层的破碎岩石，每一部分根据不同粒径喷射不同颜色漆混合均匀，并且保证三层破碎岩石的油漆颜色不重复。每一部分混合均匀后按照粒径级配空间分布规律从下往上依次铺设。半圆形构件连接通过螺纹螺母从下往上依次连接固定。

本步骤加载方法采用与第三步相同的加载方式进行试验。

缩放比设置为1：20。

第九步：第八步压缩试验结束后，从上向下逐层拆分圆筒，剥离破碎岩石，通过筛分粒径，获取每一部分压缩前后垮落岩石粒径变化，从而获得采空区垮落岩石粒径运移规律。

本发明模拟加载方法简单，试验方案合理，可行性高，可以真实模拟采空区垮落岩石的压缩变形规律，试验模拟结果可以为采空区注浆治理、地表下沉预计控制提供理论依据。

如图4、图5所示，本发明还提供一种使用采空区垮落岩石粒径演化运移规律模拟方法的装置，模拟试验装置设有试验主体装置30和位移-压力双控伺服装置31，位移-压力双控伺服装置31设在试验主体装置30的一侧。

试验主体装置30设有基座301和支撑柱302，基座301位于下方，支撑柱302设在基座301上方；基座301为铸铁材质，可以增加试验主体装置的稳定性。支撑柱302为精钢材质的圆柱形结构，支撑柱302设有四根，支撑柱302底部分别固定设置在基座301四个角上，支撑柱302与基座301垂直设置。

支撑柱302上方设有横梁303，横梁303与支撑柱302垂直设置。横梁303中部设有加载油缸304，加载油缸304下方设有加载压头305，加载油缸304通过连接装置连接位移-压力双控伺服装置31，并由位移-压力双控伺服装置31进行控制。加载油缸304下方连接加载压头305并控制加载压头305上下垂直运动，对加载试件施加作用力，横梁303和加载油缸304由支撑柱302进行支撑固定。

基座301和横梁303之间设有试验舱307，试验舱307设在加载压头305下方。试验舱307由多层精钢材质的半圆形构件308连接组成，试验舱307内径为400mm。半圆形构件308上设有螺纹连接螺母309，同一层半圆形构件308通过螺纹连接螺母一3091固定在一起，上下两层精钢材质的半圆形构件308由螺纹连接螺母二3092固定在一起。试验舱307下方设有底座306，底座306与基座301固定设置在一起，试验舱307由螺栓和螺母固定设置在底座306上，半圆形构件308设在底座306上方，底座306上设置有排水开关。

当模拟装置进行试验的时候，首先组装试验舱307，铺设破碎岩石及加载模型，进行加载试验模拟；通过位移-压力双控伺服装置31控制加载油缸304运动，进而带动加载压头305对加载试件施加作用力。当试验结束后，拆分试验舱307，筛分粒径，获得垮落岩石的粒径变化规律。

需要说明的是，在本文中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

惟以上所述者，仅为本发明的具体实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，故其等同组件的置换，或依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明权利要求书的涵盖范围。