[發(fā)明專利]一種采空區(qū)頂板破斷模擬試驗裝置

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811028525.0
• 申請日: 2018-09-05
• 公開（公告）號: CN109269899A
• 公開（公告）日: 2019-01-25
• 發(fā)明（設計）人: 左建平;胡順銀
• 申請（專利權）人: 中國礦業(yè)大學（北京）
• 主分類號: G01N3/12
• 分類號: G01N3/12;G01N3/06
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明專利屬于煤礦采空區(qū)上部巖層控制及災害防治領域，具體涉及一種主要用于模擬分析不同厚度(長度)、不同強度以及不同邊界支承條件下采空區(qū)頂板破斷模擬的試驗裝置。平臺底座兩端有通過側(cè)向加載固定器與液壓千斤頂相連的側(cè)向加載板；測試巖板中部四周同一水平方向上分布有聲發(fā)射監(jiān)測點，聲發(fā)射監(jiān)測點與聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)連接；測試巖板的上端面有頂部壓板進行約束固定，有頂部加載板進行加載；測試巖板的下端面有固定在平臺底座的彈性基礎進行支撐；頂部加載板與液壓伺服加載器連接，由液壓伺服加載系統(tǒng)進行加載控制。本發(fā)明結構簡單，原理科學，維護方便，監(jiān)測數(shù)據(jù)準確，通過模擬分析采空區(qū)頂板的破壞特征及破斷機理，為保證采空區(qū)頂板移動的安全控制，煤礦的正常開采提供試驗數(shù)據(jù)。

技術領域

本發(fā)明專利屬于煤礦采空區(qū)上部巖層控制及災害防治領域，具體涉及一種主要用于模擬分析采空區(qū)頂板破斷情況的試驗裝置，適用于均布荷載或集中荷載作用下，基于彈性基礎支撐的不同支承邊界條件下，不同厚度或不同長度或不同強度的薄板、厚板和薄板與厚板組合形式的巖板破壞特征及破斷機理的模擬研究，為保證頂板移動的安全控制，煤礦的正常開采提供試驗數(shù)據(jù)。

背景技術

目前隨著煤炭開采向深部發(fā)展，采煤工作面及采空區(qū)上覆巖層所處的地應力環(huán)境越來越復雜。層狀介質(zhì)是煤系地層的基本力學特征，所開采的煤層是巖層中夾持的薄層狀礦體，煤層及其上覆和下伏巖層的動力學過程類同于各種組合的薄板或者厚板的工作狀態(tài)。

在煤礦開采過程中，隨著原煤不斷采出，煤上方的巖層將會懸露出來而形成懸空的頂板。由于頂板對上覆巖層起支承作用，隨著工作面推進，頂板寬度將增大，從而使頂板承受能力發(fā)生變化。如果頂板上覆載荷超過了頂板的極限承載力，則有可能引起采場巷道頂板斷裂、垮落等嚴重的頂板事故。

采空區(qū)頂板的破斷與采場礦壓密切相關。直接頂、基本頂是采場礦壓研究的基本對象，其中基本頂巖層的結構特征是建立礦壓理論的基礎，基本頂破斷后是一種半承載結構，其一部分荷重由自身承擔，其余部分則由支架承擔，是支架載荷的主要來源。由此可見，研究基本頂巖層的物理力學性質(zhì)、巖層斷裂前后的結構特征以及斷裂后作用于支架上的荷重值，對進行頂板控制，預防頂板事故的發(fā)生具有重要意義。

采礦過程中所形成的堅硬頂板，因其厚度與工作面推進距離的比值符合薄板或厚板的假設，故可將采場頂板視為矩形板。由于不同的地質(zhì)條件和采煤方法的差異，頂板將會出現(xiàn)不同的邊界條件(四邊固支、三固一簡、鄰固鄰簡、對固對簡、三簡一固)，所以在研究頂板時需要建立相應的頂板力學模型。一般將采場的窄煤柱視為簡支邊界，而將實體煤視為固支邊界；若有斷層存在時，而將頂板的斷層邊界視為簡支邊界。

近年來，以錢鳴高院士為首的科研群體提出的砌體梁理論和關鍵層理論，為采場礦壓顯現(xiàn)的科學解釋、預測預報和巖層移動與控制提供了理論基礎，提出了巖層斷裂前后的彈性基礎梁力學模型和各種不同邊界支撐條件下Winkler彈性基礎上的Kichhoff板力學模型，得出了基本頂巖層板的“O-X”破斷模式。謝生榮等建立基本頂彈性基礎邊界薄板力學模型，得出推進步距或彈性基礎系數(shù)小時基本頂中部先破斷，反之長邊超前煤壁先破斷；基本頂厚度或彈性模量小時長邊超前煤壁先破斷，反之中部先斷裂。何富連等運用有限差分方法計算得出彈性基礎邊界時基本頂?shù)某醮纹茢嘁?guī)律由彈性基礎系數(shù)、基本頂剛度、跨度復合決定。

國內(nèi)外大部分學者通常將采空區(qū)頂板簡化為薄板，進行理論分析和計算等，這種近似處理方法所得結果的可靠性，往往缺乏試驗數(shù)據(jù)支持，在實際工程中，采空區(qū)頂板長厚比一般不滿足薄板理論要求，采空區(qū)頂板失穩(wěn)常常表現(xiàn)為層狀組合巖板破壞形式，因此，研發(fā)一種能在不同邊界支承條件下進行薄板、厚板以及薄板與厚板組合形式的矩形巖板破斷模擬試驗裝置，對揭示采空區(qū)頂板變形破壞特征及其損傷破斷機理，具有重要的理論意義和工程實用價值。

發(fā)明內(nèi)容