[發明專利]一種礦井工作面底板采動破壞模擬試驗方法

有效

• 申請號: 201410529019.5
• 申請日: 2014-10-10
• 公開（公告）號: CN104237024A
• 公開（公告）日: 2014-12-24
• 發明（設計）人: 魏久傳;肖樂樂;牛超;尹會永;郭建斌;謝道雷;張偉杰
• 申請（專利權）人: 山東科技大學
• 主分類號: G01N3/12
• 分類號: G01N3/12
• 代理公司: 青島高曉專利事務所 37104
• 代理人: 黃曉敏

技術領域：

本發明屬于煤礦工作面底板破壞模擬試驗技術領域，涉及一種礦井工作面底板采動破壞模擬試驗方法。

背景技術：

目前，隨著煤層開采不斷加深，地質構造及水文地質日趨復雜，礦山壓力和采動應力對底板的破壞深度不斷加大，開采下組煤時遇到的薄隔水層、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，我國在底板突水規律研究方面起始于60年代，當時注意到匈牙利底板相對隔水層理論在實踐中的應用，在焦作礦區水文地質大會戰中，以煤科總院西安勘探分院為代表，提出了采用突水系數作為預測預報底板突水與否的標準；在80年代初，由山東科技大學荊自剛在實踐中提出“下三帶”的理論觀點，并由以李白英為代表的一批科研人員在實踐中進行應用和發展；煤科總院北京開采所王作宇、劉鴻泉等人于上世紀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90年代提出了底板巖體“兩帶”的模型，中科院地質所提出于上世紀90年代提出“強滲通道”說；煤科院西安分院于上世紀90年代提出巖水應力關系”說。中國礦業大學錢鳴高院士、黎梁杰根據底板巖層的層狀結構特征，于上世紀90年代中期建立了采場底板巖體的關鍵層理論。本世紀初由山東科技大學施龍青、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理論計算和數值軟件模擬為主，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。采場圍巖運動中的頂板裂隙發育、運動可以利用室內相似模擬進行試驗，但沒有對采場底板破壞進行模擬試驗；同時，目前煤層開采均為大型綜采設備往返刀割落煤，冒落帶巖石重新壓實采空區底板，對這些開采技術條件也沒用相似的模擬方法。因此，結合目前煤礦開采技術現狀，開發一種礦井工作面底板采動破壞模擬試驗裝置及方法，能夠對底板受到的采動破壞行為進行試驗模擬，結合巖石力學試驗、損傷-斷裂力學理論、數值模擬計算等手段，揭示底板采動破壞機理，解決目前受采動破壞底板突水難題。

發明內容：

本發明的目的在于克服現有技術存在的缺點，尋求設計提供一種礦井工作面底板采動破壞模擬試驗方法，開發礦井工作面底板采動破壞模擬試驗平臺。

為了實現上述目的，本發明采用礦井工作面底板采動破壞模擬試驗裝置對礦井工作面底板采動破壞進行模擬試驗，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測試和礦井工作面采動底板破壞機理分析三個步驟，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時采集到的礦井工作面底板巖石，制備時礦井工作面底板巖石的平面要滿足現有技術中巖石力學試驗所規定的標準；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試驗參數為指導，巖石力學參數包括抗拉強度(MPa)、抗壓強度(MPa)、抗剪強度(MPa)、內聚力(MPa)、內摩擦角(°)、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，其平面要采用現有技術進行平整性測量；

(2)、礦井工作面底板采動破壞模擬試驗測試：先通過側向固定板和側向加載固定器將測試巖體固定在平臺底座上，同時加載側向應力；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，加載垂直應力，加載時間為1～2天，測試巖體周圍應力穩定后，調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力應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的開采技術條件；試驗進行過程中，開啟應力監測系統，進行數據監測和采集；然后利用外部的現有聲發射監測系統，對試驗過程中的測試巖體裂隙發育進行監測；試驗完成后，利用外部的現有超聲波探測裝置對破壞后的測試巖體進行探測，監測巖樣裂隙發育深度及賦存特征；

(3)采動底板破壞機理分析：以測試巖體的力學性質為基礎，進行采動破壞數值模擬分析，計算采動底板應力分布特征，分析采動底板彈塑性分區，并與模擬試驗采集的應力數據進行對比；分析采動底板破壞機理，同時對采動底板破壞深度進行研究，以解決底板薄隔水層、高承壓含水層采動突水難題。