一種礦井工作面底板采動破壞模擬試驗(yàn)裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于煤礦工作面底板破壞模擬試驗(yàn)設(shè)備【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種礦井工作面底板采動破壞模擬試驗(yàn)裝置，平臺底座兩端制有與側(cè)向固定板固定連接的側(cè)向加載固定器；測試巖體同一深度水平方向均勻分布制有應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)；應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)與應(yīng)力采集系統(tǒng)連接，測試巖體的上端固定安裝制有卸載加載板，卸載加載板兩側(cè)分布安裝制有可拆卸側(cè)邊，頂部加載體和卸載加載板之間設(shè)有液壓伺服卸載加載器；頂部加載體上部安裝制有主液壓伺服加載器，主液壓伺服加載器與頂部液壓管路連通；液壓控制伺服系統(tǒng)分別與主液壓伺服加載器、液壓伺服卸載加載器和側(cè)向加載固定器連接；其結(jié)構(gòu)簡單，原理科學(xué)，維護(hù)方便，監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，操作方便。
【專利說明】一種礦井工作面底板采動破壞模擬試驗(yàn)裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
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[0001]本發(fā)明屬于煤礦工作面底板破壞模擬試驗(yàn)設(shè)備【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種礦井工作面底板采動破壞模擬試驗(yàn)裝置。
【背景技術(shù)】
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[0002]目前，隨著煤層開采不斷加深，地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)日趨復(fù)雜，礦山壓力和采動應(yīng)力對底板的破壞深度不斷加大，開采下組煤時(shí)遇到的薄隔水層、高承壓含水層采動突水問題越來越成為礦井水害主要威脅，我國在底板突水規(guī)律研究方面起始于60年代，當(dāng)時(shí)注意到匈牙利底板相對隔水層理論在實(shí)踐中的應(yīng)用，在焦作礦區(qū)水文地質(zhì)大會戰(zhàn)中，以煤科總院西安勘探分院為代表，提出了采用突水系數(shù)作為預(yù)測預(yù)報(bào)底板突水與否的標(biāo)準(zhǔn)；在80年代初，由山東科技大學(xué)荊自剛在實(shí)踐中提出“下三帶”的理論觀點(diǎn)，并由以李白英為代表的一批科研人員在實(shí)踐中進(jìn)行應(yīng)用和發(fā)展；煤科總院北京開采所王作宇、劉鴻泉等人于上世紀(jì)90年代初提出原位張裂與零位破壞理論，煤科總院北京開采所劉天泉院士，張金才等于上世紀(jì)90年代提出了底板巖體“兩帶”的模型，中科院地質(zhì)所提出于上世紀(jì)90年代提出“強(qiáng)滲通道”說；煤科院西安分院于上世紀(jì)90年代提出巖水應(yīng)力關(guān)系”說。中國礦業(yè)大學(xué)錢鳴高院士、黎梁杰根據(jù)底板巖層的層狀結(jié)構(gòu)特征，于上世紀(jì)90年代中期建立了采場底板巖體的關(guān)鍵層理論。本世紀(jì)初由山東科技大學(xué)施龍青、宋振騏院士提出為開采煤層底板“下四帶”理論的模型。上述底板突水及底板破壞研究主要以力學(xué)理論計(jì)算和數(shù)值軟件模擬為主，而底板破壞深度探測以物探探測、鉆孔注水及超聲波探測為主。采場圍巖運(yùn)動中的頂板裂隙發(fā)育、運(yùn)動可以利用室內(nèi)相似模擬進(jìn)行試驗(yàn)，但沒有對采場底板破壞進(jìn)行模擬試驗(yàn)；同時(shí)，目前煤層開采均為大型綜采設(shè)備往返刀割落煤，冒落帶巖石重新壓實(shí)采空區(qū)底板，對這些開采技術(shù)條件也沒用相似的模擬方法。因此，結(jié)合目前煤礦開采技術(shù)現(xiàn)狀，開發(fā)一種礦井工作面底板采動破壞模擬試驗(yàn)裝置，能夠?qū)Φ装迨艿降牟蓜悠茐男袨檫M(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M，結(jié)合巖石力學(xué)試驗(yàn)、損傷-斷裂力學(xué)理論、數(shù)值模擬計(jì)算等手段，揭示底板采動破壞機(jī)理，解決目前受采動破壞底板突水難題。
【發(fā)明內(nèi)容】
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[0003]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)，尋求設(shè)計(jì)提供一種礦井工作面底板采動破壞模擬試驗(yàn)裝置，開發(fā)礦井工作面底板采動破壞模擬試驗(yàn)平臺。
[0004]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明涉及的礦井工作面底板采動破壞模擬試驗(yàn)裝置主體結(jié)構(gòu)包括主液壓伺服加載器、頂部加載體、液壓伺服卸載加載器、卸載加載板、側(cè)向固定板、側(cè)向加載固定器、平臺底座、液壓管路、頂部液壓管路、應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)、應(yīng)力采集系統(tǒng)、液壓伺服控制系統(tǒng)、可拆卸側(cè)邊和測試巖體；平臺底座兩端對稱式固定制有側(cè)向加載固定器，用以模擬側(cè)向構(gòu)造應(yīng)力對地層的加載作用；側(cè)向加載固定器與側(cè)向固定板固定連接，側(cè)向加載固定器工作時(shí)，側(cè)向固定板與測試巖體接觸加載；側(cè)向加載固定器通過側(cè)向固定板將測試巖體固定在平臺底座上；測試巖體同一深度水平方向以每米兩個(gè)的分布密度均勻分布制有應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)，應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)采用應(yīng)力應(yīng)變片式傳感器，采集底板應(yīng)力分布特征；應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)與應(yīng)力采集系統(tǒng)連接，應(yīng)力采集系統(tǒng)自動采集測試巖體的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)；測試巖體的上端固定安裝制有卸載加載板，卸載加載板兩側(cè)分布安裝制有可拆卸側(cè)邊，可拆卸側(cè)邊在模擬試驗(yàn)中傳遞的應(yīng)力是破壞底板的主要原因；頂部加載體和卸載加載板之間設(shè)有液壓伺服卸載加載器，液壓伺服卸載加載器由一組卸載加載器組成，卸載加載器的數(shù)量與卸載加載板的數(shù)量一致，并牢固連接，液壓伺服卸載加載器模擬工作面煤層采出后對工作面底板的卸壓作用，也模擬工作面頂板老空區(qū)內(nèi)直接頂冒落后重新對底板進(jìn)行恢復(fù)加載作用；頂部加載體上部安裝制有主液壓伺服加載器，主液壓伺服加載器通過加載壓力模擬垂直地應(yīng)力，對試驗(yàn)初始階段的總盈利加載，在工作面采動液壓伺服卸載加載器卸壓時(shí)，主液壓伺服加載器仍保持原來狀態(tài)，使總體壓力一直存在；主液壓伺服加載器與頂部液壓管路連通；作為整個(gè)裝置動力源和動力控制系統(tǒng)的液壓控制伺服系統(tǒng)分別與主液壓伺服加載器、液壓伺服卸載加載器和側(cè)向加載固定器連接。
[0005]本發(fā)明對礦井工作面底板采動破壞進(jìn)行模擬試驗(yàn)包括測試巖體的制備、礦井工作面底板采動底板破壞模擬試驗(yàn)測試和礦井工作面采動底板破壞機(jī)理分析三個(gè)步驟，具體工藝過程為:
[0006](I)、測試巖體的制備:測試巖體有兩種，一種為在礦井工作面巷道掘進(jìn)時(shí)采集到的礦井工作面底板巖石，制備時(shí)礦井工作面底板巖石的平面要滿足現(xiàn)有技術(shù)中巖石力學(xué)試驗(yàn)所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)；另一種為與礦井工作面底板巖石相似模擬材料制備的工作面底板，其制備材料配比以礦井工作面底板巖石力學(xué)試驗(yàn)參數(shù)為指導(dǎo)，巖石力學(xué)參數(shù)包括抗拉強(qiáng)度(MPa)、抗壓強(qiáng)度(MPa)、抗剪強(qiáng)度(MPa)、內(nèi)聚力(MPa)、內(nèi)摩擦角(° )、體積模量(GPa)、剪切模量(GPa)、泊松比、尺寸(m)、密度(kg/m_3);制備的測試巖體的長為55cm，寬為55cm，高為20cm，測試巖體采用工作面底板巖石巖樣時(shí)，其平面要采用現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行平整性測量；
[0007](2)、礦井工作面底板采動破壞模擬試驗(yàn)測試:先通過側(cè)向固定板和側(cè)向加載固定器將測試巖體固定在平臺底座上，同時(shí)加載側(cè)向應(yīng)力；再將主液壓伺服加載器和頂部加載體下降并與測試巖體接觸，加載垂直應(yīng)力，加載時(shí)間為I?2天，測試巖體周圍應(yīng)力穩(wěn)定后，調(diào)整液壓伺服卸載加載器，開啟液壓伺服卸載加載器卸壓模式，加載與卸載壓力相同的垂直應(yīng)力應(yīng)力后開啟重新加載模式，用以模擬煤層開采底板卸壓和冒落帶巖石壓實(shí)的開采技術(shù)條件；試驗(yàn)進(jìn)行過程中，開啟應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測和采集；然后利用外部的現(xiàn)有聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)，對試驗(yàn)過程中的測試巖體裂隙發(fā)育進(jìn)行監(jiān)測；試驗(yàn)完成后，利用外部的現(xiàn)有超聲波探測裝置對破壞后的測試巖體進(jìn)行探測，監(jiān)測巖樣裂隙發(fā)育深度及賦存特征；
[0008](3)采動底板破壞機(jī)理分析:以測試巖體的力學(xué)性質(zhì)為基礎(chǔ),進(jìn)行采動破壞數(shù)值模擬分析，計(jì)算采動底板應(yīng)力分布特征，分析采動底板彈塑性分區(qū)，并與模擬試驗(yàn)采集的應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行對比；分析采動底板破壞機(jī)理，同時(shí)對采動底板破壞深度進(jìn)行研究，以解決底板薄隔水層、高承壓含水層采動突水難題。
[0009]本發(fā)明所述數(shù)值模擬分析采用現(xiàn)有的FLAC-3D(Three Dimens1nal FastLagrangian Analysis of Continua)軟件，F(xiàn)LAC-3D是美國 Itasca Consulting Group Inc開發(fā)的三維快速拉格朗日分析程序，能較好地模擬地質(zhì)材料在達(dá)到強(qiáng)度極限或屈服極限時(shí)發(fā)生的破壞或塑性流動的力學(xué)行為，特別適用于分析漸進(jìn)破壞和失穩(wěn)以及模擬大變形。
[0010]本發(fā)明所述底板破壞機(jī)理是利用巖層底板采用應(yīng)力分布特征、破壞特征，分析底板在采動影響下的破壞規(guī)律，即通過構(gòu)建底板巖層本構(gòu)模型，建立破壞強(qiáng)度準(zhǔn)則，分析底板巖層應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系，得到底板破壞后的彈塑性分布區(qū)域，底板破壞的發(fā)育深度、底板破壞與開采工藝、工作面尺寸、工作面標(biāo)高、推采速度、頂?shù)装鍘r性等開采參數(shù)的相關(guān)性，并推導(dǎo)底板破壞深度的數(shù)值計(jì)算公式、簡化公式。
[0011]本發(fā)明利用損傷-斷裂力學(xué)理論，按照“模擬試驗(yàn)-數(shù)值模擬-理論分析”指導(dǎo)路線，分析礦井工作面底板采動裂隙發(fā)育規(guī)律，揭示目前礦井遇到的煤層底板薄隔水層高承壓含水層突水機(jī)理，研究采動底板破壞機(jī)理關(guān)鍵技術(shù)。
[0012]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn):一是按照“模擬試驗(yàn)-數(shù)值模擬-理論分析”指導(dǎo)路線，分析礦井工作面底板采動裂隙發(fā)育規(guī)律，揭示目前礦井遇到的煤層底板薄隔水層高承壓含水層突水機(jī)理，研究采動底板破壞機(jī)理關(guān)鍵技術(shù)；二是設(shè)計(jì)嚴(yán)謹(jǐn)，動力控制系統(tǒng)采用液壓伺服裝置，裂隙發(fā)育采用聲發(fā)射裝置，裂隙探測采用超聲波探測裝置，通過綜合手段，提高了對采動底板破壞裂隙發(fā)育的研究精度，煤礦底板水害防治具有普遍指導(dǎo)意義；其結(jié)構(gòu)簡單，原理科學(xué)，維護(hù)方便，監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，操作方便，對礦井工作面底板采動破壞模擬，解決現(xiàn)有的礦井工作面采動破壞底板突水問題。
【專利附圖】
【附圖說明】
:
[0013]圖1為本發(fā)明的主體結(jié)構(gòu)原理示意圖。
[0014]圖2為本發(fā)明的主體結(jié)構(gòu)三維側(cè)視圖。
【具體實(shí)施方式】
:
[0015]下面通過實(shí)施例并結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0016]實(shí)施例:
[0017]本實(shí)施例涉及的礦井工作面底板采動破壞模擬試驗(yàn)裝置包括主液壓伺服加載器101、頂部加載體102、液壓伺服卸載加載器103、卸載加載板104、側(cè)向固定板105、側(cè)向加載固定器106、平臺底座107、液壓管路108、頂部液壓管路109、應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)110、應(yīng)力采集系統(tǒng)111、液壓伺服控制系統(tǒng)112、可拆卸側(cè)邊113和測試巖體114 ;平臺底座107兩端對稱式固定制有側(cè)向加載固定器106,用以模擬側(cè)向構(gòu)造應(yīng)力對地層的加載作用；側(cè)向加載固定器106與側(cè)向固定板105固定連接,側(cè)向加載固定器106工作時(shí),側(cè)向固定板105與測試巖體114接觸加載；側(cè)向加載固定器106通過側(cè)向固定板105將測試巖體114固定在平臺底座107上；測試巖體114同一深度水平方向以每米兩個(gè)的分布密度均勻分布制有應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)110，應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)110為應(yīng)力應(yīng)變片式傳感器，采集底板應(yīng)力分布特征；應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)110與應(yīng)力采集系統(tǒng)111連接，應(yīng)力采集系統(tǒng)111自動采集測試巖體114的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)；測試巖體114的上端固定安裝制有卸載加載板104,卸載加載板104兩側(cè)分布安裝制有可拆卸側(cè)邊113，可拆卸側(cè)邊113在模擬試驗(yàn)中傳遞的應(yīng)力是破壞底板的主要原因；頂部加載體102和卸載加載板104之間設(shè)有液壓伺服卸載加載器103，液壓伺服卸載加載器103由一組卸載加載器組成，卸載加載器的數(shù)量與卸載加載板104的數(shù)量一致，并牢固連接，液壓伺服卸載加載器103模擬工作面煤層采出后對工作面底板的卸壓作用，也模擬工作面頂板老空區(qū)內(nèi)直接頂冒落后重新對底板進(jìn)行恢復(fù)加載作用；頂部加載體102上部安裝制有主液壓伺服加載器101，主液壓伺服加載器101通過加載壓力模擬垂直地應(yīng)力，對試驗(yàn)初始階段的總盈利加載，在工作面采動液壓伺服卸載加載器103卸壓時(shí)，主液壓伺服加載器101仍保持原來狀態(tài)，使總體壓力一直存在；主液壓伺服加載器101與頂部液壓管路109連通；作為整個(gè)裝置動力源和動力控制系統(tǒng)的液壓控制伺服系統(tǒng)112分別與主液壓伺服加載器101、液壓伺服卸載加載器103和側(cè)向加載固定器106連接。
[0018]本發(fā)明采用礦井工作面底板采動破壞模擬試驗(yàn)裝置對礦井工作面底板采動破壞進(jìn)行模擬試驗(yàn)，包括測試巖體114的制備、礦井工作面底板采動底板破壞模擬試驗(yàn)測試和礦井工作面采動底板破壞機(jī)理分析三個(gè)步驟，具體工藝過程為:
[0019](I)、測試巖體114的制備:測試巖體114有兩種，一種為在礦井工作面巷道掘進(jìn)時(shí)采集到的礦井工作面底板巖石，制備時(shí)礦井工作面底板巖石的平面要滿足現(xiàn)有技術(shù)中巖石力學(xué)試驗(yàn)所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)；另一種為與礦井工作面底板巖石相似模擬材料制備的工作面底板，其制備材料配比以礦井工作面底板巖石力學(xué)試驗(yàn)參數(shù)為指導(dǎo)，巖石力學(xué)參數(shù)包括抗拉強(qiáng)度(MPa)、抗壓強(qiáng)度(MPa)、抗剪強(qiáng)度(MPa)、內(nèi)聚力(MPa)、內(nèi)摩擦角(° )、體積模量(GPa)、剪切模量(GPa)、泊松比、尺寸(m)、密度(kg/m_3);制備的測試巖體114的長為55cm，寬為55cm,高為20cm,測試巖體114米用工作面底板巖石巖樣時(shí),其平面要米用現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行進(jìn)行平整性測量；
[0020](2)、礦井工作面底板采動破壞模擬試驗(yàn)測試:先通過側(cè)向固定板105和側(cè)向加載固定器106將測試巖體114固定在平臺底座107上，同時(shí)加載側(cè)向應(yīng)力；再將主液壓伺服加載器101和頂部加載體102下降并與測試巖體114接觸,加載垂向應(yīng)力,加載時(shí)間為I?2天，測試巖體周圍應(yīng)力穩(wěn)定后，調(diào)整液壓伺服卸載加載器103，開啟液壓伺服卸載加載器103卸壓模式，加載與卸載應(yīng)力相同的垂直應(yīng)力后開啟重新加載模式，用以模擬煤層開采底板卸壓和冒落帶巖石壓實(shí)的開采技術(shù)條件；試驗(yàn)進(jìn)行過程中，開啟應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)111，進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測和采集；然后利用外部的現(xiàn)有聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)，對試驗(yàn)過程中的測試巖體114裂隙發(fā)育進(jìn)行監(jiān)測；試驗(yàn)完成后，利用外部的現(xiàn)有超聲波探測裝置對破壞后的測試巖體114進(jìn)行探測，監(jiān)測巖樣裂隙發(fā)育深度及賦存特征；
[0021 ] (3)采動底板破壞機(jī)理分析:以測試巖體114的力學(xué)性質(zhì)為基礎(chǔ)，進(jìn)行采動破壞數(shù)值模擬試驗(yàn)，計(jì)算采動底板應(yīng)力分布特征，分析采動底板彈塑性分區(qū)，并與模擬試驗(yàn)采集的應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行對比；分析采動底板破壞機(jī)理，同時(shí)對采動底板破壞深度進(jìn)行研究，以解決底板薄隔水層、高承壓含水層采動突水難題。
[0022]本實(shí)施例所述數(shù)值模擬分析采用現(xiàn)有的FLAC_3D(Three Dimens1nal FastLagrangian Analysis of Continua)軟件，F(xiàn)LAC-3D是美國 Itasca Consulting Group Inc開發(fā)的三維快速拉格朗日分析程序，能較好地模擬地質(zhì)材料在達(dá)到強(qiáng)度極限或屈服極限時(shí)發(fā)生的破壞或塑性流動的力學(xué)行為，特別適用于分析漸進(jìn)破壞和失穩(wěn)以及模擬大變形；根據(jù)井田內(nèi)鉆孔資料(鉆孔揭露地層厚度、巖性、標(biāo)高、抽水試驗(yàn)資料等)，并結(jié)合巖石力學(xué)試驗(yàn)資料，采用其巖石力學(xué)參數(shù)；數(shù)值模擬模型的建立需要確定開采煤層、周圍覆巖的標(biāo)高、抗拉強(qiáng)度(MPa)、抗剪強(qiáng)度(MPa)、內(nèi)聚力(MPa)、內(nèi)摩擦角(° )、體積模量(GPa)、剪切模量(GPa)、泊松比、尺寸(m)、密度(kg/m_3)，具體建模過程為:水平取400m，垂直取150m，由于是模擬下組煤層，加自重260m，工作面推進(jìn)速度為Sm/天，根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行分析，隨著工作面的推進(jìn)，底板有以下變化規(guī)律:
[0023](I)當(dāng)工作面推進(jìn)20m時(shí)，底板開始受到擾動，出現(xiàn)拉應(yīng)力破壞，主要為拉剪力破壞，底板破壞深度為6m。由于支撐壓力作用煤壁兩端開始出現(xiàn)應(yīng)力集中，最容易發(fā)生破壞，最大主應(yīng)力值為_8MPa，形態(tài)為拱形，應(yīng)力值由切眼處向外增大，說明越靠近工作面，巖層受壓狀態(tài)越明顯；
[0024](2)工作面開采至60m時(shí)，底板巖層最大主應(yīng)力影響范圍擴(kuò)大，但其形態(tài)沒有改變，主應(yīng)力值最大為-8.8MPa，底板破壞主要為剪切破壞，底板破壞深度為20m。
[0025](3)工作面開采至10m時(shí),底板最大主應(yīng)力繼續(xù)向巖層深部發(fā)展,最大主應(yīng)力內(nèi)部平緩，主應(yīng)力最大值為-8.1MPa，應(yīng)力影響范圍隨工作面推進(jìn)向前擴(kuò)展；主要出現(xiàn)剪切破壞，底板破壞深度30m，其原因是隨工作面推進(jìn)，煤層底板前方處于支承壓力的作用受到壓縮。工作面推過后，應(yīng)力釋放，底板處于膨脹狀態(tài)；在工作面不斷推進(jìn)的過程中，底板始終處于壓縮一膨脹一再壓縮的狀態(tài)，因此在壓縮與膨脹變形的過渡區(qū)，底板最易出現(xiàn)剪切塑變而發(fā)生破壞。
[0026](4)煤層采動后，切眼附近應(yīng)力集中，容易發(fā)生變形產(chǎn)生裂隙，因此在切眼處與煤壁前方底板的采動裂隙比較發(fā)育，容易形成突水點(diǎn)。
【權(quán)利要求】
1.一種礦井工作面底板采動破壞模擬試驗(yàn)裝置，其特征在于主體結(jié)構(gòu)包括主液壓伺服加載器、頂部加載體、液壓伺服卸載加載器、卸載加載板、側(cè)向固定板、側(cè)向加載固定器、平臺底座、液壓管路、頂部液壓管路、應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)、應(yīng)力采集系統(tǒng)、液壓伺服控制系統(tǒng)、可拆卸側(cè)邊和測試巖體；平臺底座兩端對稱式固定制有側(cè)向加載固定器，用以模擬側(cè)向構(gòu)造應(yīng)力對地層的加載作用；側(cè)向加載固定器與側(cè)向固定板固定連接，側(cè)向加載固定器工作時(shí)，側(cè)向固定板與測試巖體接觸加載；側(cè)向加載固定器通過側(cè)向固定板將測試巖體固定在平臺底座上；測試巖體同一深度水平方向以每米兩個(gè)的分布密度均勻分布制有均勻分布有應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)，應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)采用應(yīng)力應(yīng)變片式傳感器，采集底板應(yīng)力分布特征，；應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)與應(yīng)力采集系統(tǒng)連接，應(yīng)力采集系統(tǒng)自動采集測試巖體的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)；測試巖體的上端固定安裝制有卸載加載板，卸載加載板兩側(cè)分布安裝制有可拆卸側(cè)邊，可拆卸側(cè)邊在模擬試驗(yàn)中傳遞的應(yīng)力是破壞底板的主要原因；頂部加載體和卸載加載板之間設(shè)有液壓伺服卸載加載器，液壓伺服卸載加載器由一組卸載加載器組成，卸載加載器的數(shù)量與卸載加載板的數(shù)量一致，并牢固連接，液壓伺服卸載加載器模擬工作面煤層采出后對工作面底板的卸壓作用，也模擬工作面頂板老空區(qū)內(nèi)直接頂冒落后重新對底板進(jìn)行恢復(fù)加載作用；頂部加載體上部安裝制有主液壓伺服加載器，主液壓伺服加載器通過加載壓力模擬垂直地應(yīng)力，對試驗(yàn)初始階段的總盈利加載，在工作面采動液壓伺服卸載加載器卸壓時(shí)，主液壓伺服加載器仍保持原來狀態(tài)，使總體壓力一直存在；主液壓伺服加載器與頂部液壓管路連通；作為整個(gè)裝置動力源和動力控制系統(tǒng)的液壓控制伺服系統(tǒng)分別與主液壓伺服加載器、液壓伺服卸載加載器和側(cè)向加載固定器連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述礦井工作面底板采動破壞模擬試驗(yàn)裝置，其特征在于對礦井工作面底板采動破壞進(jìn)行模擬試驗(yàn)的過程包括測試巖體的制備、礦井工作面底板采動底板破壞模擬試驗(yàn)測試和礦井工作面采動底板破壞機(jī)理分析三個(gè)步驟，具體工藝過程為: (1)、測試巖體的制備:測試巖體有兩種，一種為在礦井工作面巷道掘進(jìn)時(shí)采集到的礦井工作面底板巖石，制備時(shí)礦井工作面底板巖石的平面要滿足現(xiàn)有技術(shù)中巖石力學(xué)試驗(yàn)所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)；另一種為與礦井工作面底板巖石相似模擬材料制備的工作面底板，其制備材料配比以礦井工作面底板巖石力學(xué)試驗(yàn)參數(shù)為指導(dǎo)，巖石力學(xué)參數(shù)包括抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、體積模量、剪切模量、泊松比、尺寸和密度；制備的測試巖體的長為55cm,寬為55cm,高為20cm,測試巖體米用工作面底板巖石巖樣時(shí),其平面要米用現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行平整性測量； (2)、礦井工作面底板采動破壞模擬試驗(yàn)測試:先通過側(cè)向固定板和側(cè)向加載固定器將測試巖體固定在平臺底座上，同時(shí)加載側(cè)向應(yīng)力；再將主液壓伺服加載器和頂部加載體下降并與測試巖體接觸，加載垂直應(yīng)力，加載時(shí)間為I?2天，測試巖體周圍應(yīng)力穩(wěn)定后，調(diào)整液壓伺服卸載加載器，開啟液壓伺服卸載加載器卸壓模式，加載與卸載壓力相同的垂直應(yīng)力應(yīng)力后開啟重新加載模式，用以模擬煤層開采底板卸壓和冒落帶巖石壓實(shí)的開采技術(shù)條件；試驗(yàn)進(jìn)行過程中，開啟應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測和采集；然后利用外部的現(xiàn)有聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)，對試驗(yàn)過程中的測試巖體裂隙發(fā)育進(jìn)行監(jiān)測；試驗(yàn)完成后，利用外部的現(xiàn)有超聲波探測裝置對破壞后的測試巖體進(jìn)行探測，監(jiān)測巖樣裂隙發(fā)育深度及賦存特征； (3)采動底板破壞機(jī)理分析:以測試巖體的力學(xué)性質(zhì)為基礎(chǔ)，采用現(xiàn)有的FLAC-3D軟件進(jìn)行采動破壞數(shù)值模擬分析，計(jì)算采動底板應(yīng)力分布特征，分析采動底板彈塑性分區(qū)，并與模擬試驗(yàn)采集的應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行對比；分析采動底板破壞機(jī)理，同時(shí)對采動底板破壞深度進(jìn)行研究，以解決底板薄隔水層、高承壓含水層采動突水難題。
【文檔編號】G01N3/12GK104266913SQ201410529007
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年10月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月10日
【發(fā)明者】肖樂樂, 魏久傳, 牛超, 尹會永, 郭建斌, 謝道雷, 張偉杰 申請人:山東科技大學(xué)
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