[發明專利]一種用于測試沿空留巷穩定性的實驗裝置及測試方法

有效

• 申請號: 201410682392.4
• 申請日: 2014-11-24
• 公開（公告）號: CN104390861B
• 公開（公告）日: 2016-11-23
• 發明（設計）人: 石永奎;湯建泉;李干;張景煜;郝建
• 申請（專利權）人: 山東科技大學
• 主分類號: G01N3/10
• 分類號: G01N3/10
• 代理公司: 濟南舜源專利事務所有限公司 37205
• 代理人: 王連君

1.一種用于測試沿空留巷穩定性的實驗裝置，其包括用于填充模擬材料的實驗架，其特征在于，實驗架上部設置頂部鋼梁，下部設置有底部槽鋼，頂部鋼梁下方的實驗架設置有固定梁，固定梁的一端鉸接有一加壓梁，加壓梁的另一端設置有加壓機構，加壓機構用于根據斷裂拱內的巖梁斷裂后對充填墻體的作用力對加壓梁施加壓力。

2.根據權利要求1所述的實驗裝置，其特征在于，上述加壓機構包括支柱，支柱上鉸接有一加壓杠桿，加壓杠桿一端設置有加載重物，加壓杠桿另一端鉸接有一連桿，連桿的另一端設置有推動活塞，推動活塞設置在一液壓管內，液壓管的水平部通過固定塊固定在頂部鋼梁上，液壓管的末端內設置有加壓活塞，加壓活塞的下端設置有壓頭，壓頭與加壓梁相接觸。

3.根據權利要求2所述的實驗裝置，其特征在于，上述液壓管內填充有液壓油，液壓管上設置有壓力計。

4.根據權利要求1所述的實驗裝置，其特征在于，實驗架包括左側板、右側板、前側板與后側板，左側板與右側板上均勻布置有多個定位孔，固定梁能在左側板或右側板的任一高度固定，前側板由鋼化玻璃制成兼作觀察窗口，前側板、后側板固定在左側板、右側板的對應處。

5.根據權利要求1所述的實驗裝置，其特征在于，按照比例在實驗架內鋪設底板，固定梁、加壓梁形成的平面與底板之間填充有煤層，煤層的一側設置有充填墻體，充填墻體與煤層之間形成巷道，充填墻體的另一側為矸石冒落區。

6.一種根據如權利要求1所述實驗裝置之沿空留巷穩定性的測試方法，其包括以下步驟：

步驟一，根據工作面上覆巖層柱狀圖、巖層力學參數、工作面寬度確定上覆巖層斷裂拱高度以及拱內巖梁個數，各巖梁厚度，各巖梁周期來壓步距，其中上覆巖層斷裂拱高度為工作面寬度的1/2；

各巖梁周期來壓計算方程式：

C=mϵ[δt]3γE;]]>

其中，C為巖梁周期來壓步距，m_e為巖梁平均厚度，[δ_t]為巖梁抗拉強度，γ_E為巖石容重；

步驟二，根據采場地質與開采參數，計算煤壁中內應力場范圍，以確定模型中位于固定梁與加壓梁之間鉸接軸外側的煤層寬度S₂；

內應力場寬度計算方程式為：

S0=2CiHgS1KmaxH;]]>

其中：c_i為基本頂周期來壓步距，H_g為斷裂拱高度，S₁為支承壓力高峰區距煤壁距離，K?max為應力集中系數，H為采深；

S₂＝S₀×k₂；

其中：S₂為固定梁與加壓梁之間鉸接軸外側的煤層寬度，S₀為內應力場寬度，k₂為幾何相似比；

步驟三，根據上覆巖層中斷裂拱內巖梁個數，各巖梁厚度、容重，各巖梁周期來壓步距，確定各巖梁在側向開裂進而回轉下沉過程中，對充填墻體施加壓強；

直接頂對充填墻體加載壓力：

p0=mzrz(l1+l2)l2;]]>

其中，l₁為巷道寬度，m_z為直接頂厚度，r_z為巖石容重，l₂為墻體寬度；

第一巖梁回轉下沉時，其重力由巷旁充填墻體全部承擔；

第一巖梁回轉下沉時對充填墻體加載壓力為：

p1=C1×m1×rl2;]]>

式中：C₁為第一巖梁周期來壓步距，m₁為第一巖梁層厚度，r為巖石容重，l₂為墻體寬度；

第二巖梁回轉下沉時，第二巖梁對充填體加載壓力為：充填體為煤層、充填墻體與矸石冒落區；

式中：C₂為第二巖梁周期來壓步距，m₂為第二巖梁厚度，r為巖石容重，l₂為墻體寬度；

第n巖梁回轉下沉時，第n巖梁對充填體加載壓力為：

式中：C_n為第n巖梁周期來壓步距，m_n為第n巖梁厚度；r為巖石容重，l₂為墻體寬度；

當第n巖梁回轉下沉時，充填墻體受力為:P_w＝P₁+P₂+P₃+……P_n；

步驟四，根據采場地質條件、巖層參數及相似模擬比，確定底板巖層、煤層以及巷旁充填墻體鋪設時的材料配比，鋪設厚度、寬度，根據內應力場寬度及幾何相似比確定模型中位于固定梁與加壓梁之間鉸接軸外側的煤層寬度S₂，并在底板巖層及巷旁充填墻體內安裝應力應變傳感器；

步驟五，根據各巖梁在回轉下沉中對充填墻體加載壓力P_i及相似模擬實驗中應力相似比k₃，確定在實驗模型中充填墻體所受壓力P₃；實驗模型中充填墻體所受壓強為P₃＝P_i×k₃；

步驟六，利用加壓機構依次恒壓加載，模擬各巖梁回轉下沉對充填墻體施加的載荷，記錄并觀察巷旁充填墻體及巷道底板受力及位移狀況；利用加壓機構通過加載重物進行壓力調節，加載重物質量確定方法為：

其中：M表示加壓重物重量，p₃--模型中充填墻體所受壓強，k₄--加壓杠桿壓力放大系數，k₅--加壓梁長度L與鉸接軸距充填墻體長度L₁之間的比值。