[發(fā)明專利]擾動影響下采空區(qū)多排群柱單軸承載力的測試裝置與方法

在審

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• 申請日: 2021-02-04
• 公開（公告）號: CN112903461A
• 公開（公告）日: 2021-06-04
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 史旭東;白錦文;楊欣宇;馮國瑞;崔博強;王凱;侯水云
• 申請（專利權(quán)）人: 太原理工大學(xué)
• 主分類號: G01N3/12
• 分類號: G01N3/12;G01N3/02
• 代理公司: 太原市科瑞達專利代理有限公司 14101
• 代理人: 申艷玲

本發(fā)明公開了一種擾動影響下水平采空區(qū)多排群柱單軸承載能力的測試裝置與方法。該裝置試驗機底座上設(shè)有四個保護環(huán)，每個保護環(huán)內(nèi)部安裝有一根機架，機架的底端與底座連接，頂端與橫架連接，在工作臺底部設(shè)有若干組平行排列的力控制裝置，所述力控制裝置包括液壓推動軸、主加載油缸、壓力傳感器；在橫架的底部設(shè)有若干組平行排列的力擾動裝置，所述力擾動裝置包括擾動力傳感器、擾動油缸和擾動桿；試樣上方為上壓板、上壓盤，上壓盤與力擾動裝置連接，試樣底部為下壓盤，下壓盤固定在工作臺上并與力控制裝置連接。本發(fā)明可以獲取擾動加載條件下水平采空區(qū)多排群柱系統(tǒng)的單軸承載能力，得到水平采空區(qū)群柱個體之間的相互影響關(guān)系。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種擾動影響下水平采空區(qū)多排群柱單軸承載能力的測試裝置與方法，主要適應(yīng)于多個煤、巖、充填體、混凝土、煤-充、巖-充試樣同步加載的裝置與方法，屬于采礦巖石力學(xué)試驗技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

由于舊采時期開采方法的落后，我國許多礦井中形成了大量的遺留煤柱，主要包括：刀柱式遺留煤柱、房柱式遺留煤柱、條帶式遺留煤柱、短壁式遺留煤柱、巷采式遺留煤柱、倉房式遺留煤柱、跳采式遺留煤柱等，其在空間上密集分布、形態(tài)各異、相互影響、錯綜復(fù)雜且尺寸不一，以群落的形式組合形成煤柱群。同樣地，在金屬礦開采時采空區(qū)中也會形成礦柱群柱，來承載覆巖載荷并保障采場的長期穩(wěn)定性。

充填開采可以有效控制覆巖運動與地表沉陷。近年來，為了解決充填材料來源不足和成本較高等技術(shù)難題，部分充填、巷旁充填、條帶充填、墩柱充填、局部充填、短壁充填、帶狀充填、間隔充填、柱旁充填、結(jié)構(gòu)充填、功能充填和骨架式充填等技術(shù)方法，并在許多礦井應(yīng)用推廣。上述充填開采技術(shù)方法難免在采空區(qū)中留設(shè)有不同尺寸/形態(tài)的充填柱（混凝土柱），且以群柱的形式分布，組合形成了充填體群柱或混凝土群柱。

本文將上述煤柱群、礦柱群、充填柱群和混凝土群統(tǒng)稱為“群柱”。采場群柱留設(shè)的初衷是為了承擔(dān)上覆巖層荷載，并且保障采空區(qū)的長期穩(wěn)定性。采場群柱的長期穩(wěn)定性是一個值得關(guān)注的科學(xué)問題。然而，在覆巖載荷、擾動載荷、礦井水浸蝕、硫酸鹽腐蝕、氯鹽腐蝕和自然風(fēng)化等耦合作用下，采場群柱的承載能力會逐漸減弱，可能引發(fā)群柱體系的失穩(wěn)，導(dǎo)致覆巖垮塌，地表沉陷等災(zāi)害，給煤炭資源安全高效開采帶來重大安全隱患。

采空區(qū)遺留群柱除了受到上覆荷載的靜載之外，還會受到強烈的外界擾動作用，這些擾動作用嚴(yán)重威脅著工程人員的人身安全以及工程質(zhì)量，傳統(tǒng)的試驗機無法研究擾動下遺留群柱的單軸承載能力。但傳統(tǒng)的試驗機只能對單個煤柱進行加載，無法對多群柱進行雙軸加載，無法研究進行柱旁充填后群柱體系對上覆載荷的承擔(dān)能力。

采場群柱獨立個體之間存在著相互影響，覆巖載荷和擾動荷載等并非由采場單一柱體來承擔(dān)，主要通過群柱體系共同進行承擔(dān)。如果一個柱體局部發(fā)生失穩(wěn)破壞，覆巖載荷與擾動荷載就會發(fā)生轉(zhuǎn)移，進而導(dǎo)致相鄰群柱的失穩(wěn)破壞，并引發(fā)采場群柱的“多米諾骨牌”鏈?zhǔn)绞Х€(wěn)。因此，非常有必要測試采場群柱體系的整體承載能力。目前，現(xiàn)場監(jiān)測采場群柱的整體承載能力難以實現(xiàn)，只能依靠試驗室小尺寸群柱試樣來測試。傳統(tǒng)的試驗機只能對單個柱體試樣進行加載，無法對群柱試樣進行加載。

綜上，亟需開發(fā)一種采場群柱整體承載能力的測試裝置方法，從而獲取采場群柱系統(tǒng)的整體承載能力，得到群柱個體之間的相互影響關(guān)系，為揭示采場群柱的鏈?zhǔn)绞Х€(wěn)響應(yīng)特征與機理奠定基礎(chǔ)，對研發(fā)采場群柱鏈?zhǔn)绞Х€(wěn)防控技術(shù)提供指導(dǎo)。聚焦水平采空區(qū)多排群柱，本發(fā)明擬提出一種擾動影響下水平采空區(qū)多排群柱單軸承載能力的測試裝置與方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明旨在提供一種擾動影響下水平采空區(qū)多排群柱單軸承載能力的測試裝置與方法，具體是一種用于多個煤、巖、充填體、混凝土、煤-充、巖-充試件同步加載的裝置，可以得到群柱個體之間的相互影響關(guān)系，為揭示采場群柱的鏈?zhǔn)绞Х€(wěn)響應(yīng)特征與機理奠定基礎(chǔ)，對研發(fā)采場群柱鏈?zhǔn)绞Х€(wěn)防控技術(shù)提供指導(dǎo)。