一种矿用原位三轴实验装置及方法与流程

本发明涉及一种原位三轴实验装置及方法，特别是一种矿用原位三轴实验装置及方法。

背景技术：

我国的煤炭资源非常的丰富，而且分布广泛，但是煤层的赋存条件差异很大，同时煤矿中的地应力随着深度的增加而不断增加，各个方向上的地应力的大小也不尽相同。因此，了解煤矿采面附近的地应力对于煤矿稳定性的评测及安全开采具有非常重要的意义。煤炭开采过程中，由于围岩和煤体应力的重新分布，采空区围岩及其前方的煤体的应力应变状态都将随之发生变化，势必会对巷道支护的安全性产生影响，因此，了解煤矿采面附近的地应力状态对于煤矿稳定性的评测及安全开采具有非常重要的意义。

技术实现要素：

技术问题：本发明的目的在于针对煤矿开采中存在的一些问题，提出了一种原理简单、容易操作、成本低的矿用原位三轴实验装置及方法。

技术方案：一种矿用原位三轴实验装置及方法，该装置包括压力传感器、导线、应力采集仪、煤体试样、液压加载头、液压管、液压泵、压力感应装置、三通；所述的液压加载头通过液压管和压力感应装置相连接，液压加载头放置于便携式刚性铁箱内，压力感应装置放置于所挖的孔内。

所述的压力传感器与液压加载头相对于煤体试样位置对称并与应力采集仪通过导线相连接，压力传感器的尺寸为110mm×110mm×40mm。

所述的应力采集仪为3通道，采用usb接口，可以同时采集3个压力传感器的数据。

所述的刚性支撑铁板数量为6，分别与煤体试样的6个面接触，接触面的尺寸与煤体试样的尺寸相同，为150mm×150mm；刚性支撑铁板位于液压加载头和压力传感器之间，以使煤体试样表面受力均匀。

所述的液压泵通过三通和液压管将液压油充填至液压管、压力感应装置以及液压加载头中；所述的压力感应装置承受煤层的压力并通过液压油将压力传递至液压加载头；所述的液压加载头和压力感应装置受到的煤层的压力保持平衡，并通过原位取出的煤体试样将压力传至压力传感器；所述的压力传感器将所受煤体试样的压力通过导线传至应力采集仪。

所述的三通3个接口分别用液压管连接液压加载头，液压泵，压力感应装置。

一种矿用原位三轴实验装置及方法，包括如下步骤：

a.选择挖槽位置，煤层工作面附近处开挖一大小合适的凹槽用来放置便携式三轴测定装置；

b.将从凹槽处挖出的煤块加工成一150mm×150mm×150mm的立方体煤样13；

c.选择打孔地点，孔的位置距离凹槽不超过一米，孔的深度应在10米到20米之间，孔的数量为3；孔与孔之间的距离不应超过1米；

d.将液压管6的一端分别连接在压力感应装置7、8、9的进液口上，将另一端连接至三通10；将三通10的另外两个接口一个封闭一个接液压泵11，利用液压泵11向压力感应装置7、8、9中注入液压油，测试液压管6及压力感应装置7、8、9的密封性；另外两个压力感应装置操作同上；

e.若密封性良好，则进行以下步骤，如果密封性不好，液压油有明显漏出，则处理后重复步骤d，直至密封性良好为止；

f.将3个压力感应装置7、8、9分别送入3个孔内，将压力感应装置与注浆封孔器胶结，然后将附有压力感应装置的注浆封孔器安装于直径略小于钻孔直径的pvc管，以便于将压力感应装置推进孔内，分别调整压力感应装置7、8、9的位置，使压力感应装置7、8、9分别沿x,y,z的受力方向进行分布，利用快速接头将每根pvc管依次连接，直至到达钻孔底部，待附有压力传感器的注浆封孔器到达底部后，开始用煤矿注浆设备通过pvc注浆管注入水泥浆，注浆程度保证压力感应装置与媒体之间无间隙，充填紧密；

g.将煤体试样13、刚性支撑铁板2、压力传感器1、液压加载头3按照如图所示放置于便携式刚性铁箱12中，并使各平面之间接触良好；将液压管6和导线4通过铁箱12表面的小孔伸出；将导线4与应力采集仪5的接口连接，将与3个液压加载头连接的3条液压管分别与3个三通相连接；

h.用液压泵9通过液压管6向压力感应装置7、8、9以及液压加载头3中注入液压油并读取应力采集仪5的读数，当读数达到预定压力值，停止注液压油；

i.通过应力采集仪5记录煤矿开采时试样13所受的应力变化情况。

一种矿用原位三轴实验装置及方法，其优点在于：

(1)体积适中，便于携带

(2)应力采集仪采用三通道，减少了采集仪的个数，降低了装置的制造成本；

(3)应力采集仪能够通过usb接口实时存储采集到的数据并通过信号输出接口和煤矿安全监测系统相连接，因此可以随时得到应力数据，当设备出现故障使得数据的传输受阻时，可以调用usb存储的数据，不至于出现数据断层。

(4)能够测得开采过程中测点的采动应力、开采扰动和掘进扰动。

(5)本装置制造成本低廉，结构简单，操作简便，可靠性高。

附图说明

图1是本发明一种矿用原位三轴实验装置及方法的总结构示意图(俯视图)。

图2是主体试验装置的截面图。

图中，1、压力传感器；2、刚性支撑铁板；3、液压加载头；4、导线；5、应力采集仪；6、液压管；7、压力感应装置；8、压力感应装置；9、压力感应装置；10、三通；11、液压泵；12、便携式刚性铁箱；13、煤体试样。

具体实施方式

下面结合附图，进一步详细说明本发明的具体实施方式

如图1和图2所示，一种矿用原位三轴实验装置及方法，该实验装置，包括压力传感器1，刚性支撑铁板2，导线4，应力采集仪5，煤体试样13，液压加载头3，液压管6，压力感应装置7、8、9，液压泵11，三通10。所述的液压加载头3通过液压管6和压力感应装置7、8、9相连接，液压加载头3放置于便携式刚性铁箱12内，压力感应装置7、8、9放置于所挖的孔内。

所述的压力传感器1与液压加载头3相对于煤体试样13位置对称并与应力采集仪5通过导线4相连接，压力传感器的尺寸为110mm×110mm×40mm。

所述的应力采集仪5为三通道，可以同时采集三个压力传感器1的数据。

所述的刚性支撑铁板2数量为6，分别与煤体试样13的6个面接触，接触面的尺寸与煤体试样13的尺寸相同，为150mm×150mm；刚性支撑铁板2位于液压加载头3和压力传感器1之间，以使煤体试样13表面受力均匀。

所述的液压泵11通过三通10和液压管6将液压油充填至液压管6、压力感应装置7、8、9以及液压加载头3中；所述的压力感应装置7、8、9承受煤层的压力并通过液压油将压力传递至液压加载头3；所述的液压加载头3和压力感应装置7、8、9受到的煤层的压力保持平衡，并通过原位取出的煤体试样13将压力传至压力传感器1；所述的压力传感器1将所受煤体试样13的压力通过导线4传至应力采集仪5。

所述的三通10的3个接口分别用液压管6连接液压加载头3，液压泵11，压力感应装置7、8、9。

一种矿用原位三轴实验装置及方法,包括如下步骤：

a.选择挖槽位置，煤层工作面附近处开挖一大小合适的凹槽用来放置便携式三轴测定装置；

b.将从凹槽处挖出的煤块加工成一150mm×150mm×150mm的立方体煤样13；

c.选择打孔地点，孔的位置距离凹槽不超过一米，孔的深度应在10米到20米之间，孔的数量为3；孔与孔之间的距离不应超过1米；

d.将液压管6的一端连接在压力感应装置7、8、9的进液口上，将另一端连接至三通10；将三通10的另外两个接口一个封闭一个接液压泵11，利用液压泵11向压力感应装置7、8、9中注入液压油，测试液压管6及压力感应装置7、8、9的密封性；另外两个压力感应装置操作同上；

e.若密封性良好，则进行以下步骤，如果密封性不好，液压油有明显漏出，则处理后重复步骤d，直至密封性良好为止；

f.将3个压力感应装置7、8、9分别送入3个孔内，将压力感应装置与注浆封孔器胶结，然后将附有压力感应装置的注浆封孔器安装于直径略小于钻孔直径的pvc管，以便于将压力感应装置推进孔内，分别调整压力感应装置7、8、9的位置，使压力感应装置7、8、9分别沿x,y,z的受力方向进行分布，利用快速接头将每根pvc管依次连接，直至到达钻孔底部，待附有压力传感器的注浆封孔器到达底部后，开始用煤矿注浆设备通过pvc注浆管注入水泥浆，注浆程度保证压力感应装置与媒体之间无间隙，充填紧密；

g.将煤体试样13、刚性支撑铁板2、压力传感器1、液压加载头3按照如图所示放置于便携式三轴测定装置12中，并使各平面之间接触良好；将液压管6和导线4通过铁箱12表面的小孔伸出；将导线4与应力采集仪5的接口连接，将与3个液压加载头连接的3条液压管分别与3个三通相连接；

h.用液压泵9通过液压管6向压力感应装置7、8、9以及液压加载头3中注入液压油并读取应力采集仪5的读数，当读数达到预定压力值，停止注液压油；

i.通过应力采集仪5记录煤矿开采时试样13所受的应力变化情况。

本发明的矿用原位三轴实验装置及方法，主要包括压力采集系统，压力加载系统。压力采集系统包括压力传感器1、导线4、应力采集仪5，压力加载系统包括液压加载头3、液压管6、压力感应装置7、8、9、液压泵11。压力传感器1通过导线4和应力采集仪5连接，液压加载头3通过液压管6和压力感应装置7、8、9连接。压力感应装置7、8、9为大小两个柱体，大的直径为100mm，高度为50mm，小的直径为60mm，高度为20mm，能够承受的最大压强为100mpa，在内部充入液压油作为感应介质。煤体试样的尺寸为150mm×150mm×150mm，基本完整，没有明显缝隙和缺陷。液压加载头3与煤体试样13中间隔着刚性支撑铁板2，刚性支撑铁板2与煤体试样13接触面的尺寸为150mm×150mm；液压加载头3为大小两个柱体，大的直径为100mm，高度为50mm，小的直径为60mm，高度为20mm，在侧面有进液口，可与液压管6连接。压力传感器1与液压加载头3相对于煤体试样13呈对称关系，与应力采集仪5通过导线4相连接，压力传感器1与煤体试样13中间隔着刚性支撑铁板2，压力传感器1和煤体试样13分别与刚性支撑铁板紧密接触。

本发明矿用原位三轴实验装置及方法，首先，距煤层采面约90m处开挖一大小合适的立方体凹槽用来放置便携式三轴测定装置，然后将从凹槽处挖出的煤块加工成立方体煤样13；同时，在距离凹槽不超过一米的位置处钻孔，孔的数量为3，孔的深度在10米到20米之间，将液压管6的一端连接在压力感应装置7、8、9的进液口上，将另一端连接至三通10；将三通10的另外两个接口一个封闭一个接液压泵11，利用液压泵11向压力感应装置7、8、9中注入液压油，测试液压管6及压力感应装置7、8、9的密封性；另外两个孔操作同上；若密封性良好，则进行以下步骤，如果密封性不好，液压油有明显漏出，则处理后重复以上步骤，直至密封性良好为止；将3个压力感应装置7、8、9分别送入3个孔内，将压力感应装置与注浆封孔器胶结，然后将附有压力感应装置的注浆封孔器安装于直径略小于钻孔直径的pvc管，以便于将压力感应装置推进孔内，分别调整压力感应装置7、8、9的位置，使压力感应装置7、8、9分别沿x,y,z的受力方向进行分布，利用快速接头将每根pvc管依次连接，直至到达钻孔底部，待附有压力传感器的注浆封孔器到达底部后，开始用煤矿注浆设备通过pvc注浆管注入水泥浆，注浆程度保证压力感应装置与媒体之间无间隙，充填紧密；将煤体试样13、刚性支撑铁板2、压力传感器1、液压加载头3按照如图所示放置于便携式刚性铁箱12中，并使各平面之间接触良好；将液压管6和导线4通过铁箱12表面的小孔伸出；将导线4与应力采集仪5的接口连接，将与3个液压加载头连接的3条液压管分别与3个三通相连接；用液压泵11通过液压管6向压力感应装置7、8、9以及液压加载头3中注入液压油并读取应力采集仪5的读数，当读数达到预先所知的煤体深处应力水平时，停止注液压油；通过应力采集仪5记录煤矿开采时煤体试样13所受的应力变化情况。