[發明專利]弱膠結巖體結構重組恒溫恒濕高壓再生裝置及方法

在審

• 申請號: 202310294078.8
• 申請日: 2023-03-24
• 公開（公告）號: CN116296875A
• 公開（公告）日: 2023-06-23
• 發明（設計）人: 孟慶彬;宋子鳴;浦海;胡李華;宋洋;孫利輝;李明
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: G01N3/18
• 分類號: G01N3/18;G01N3/06
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 李悅聲

本發明公開的一種弱膠結巖體結構重組恒溫恒濕高壓再生裝置及方法，屬于巖石力學試驗技術領域。包括高壓同步加載系統，高壓同步加載系統包括吊梁支架與應力加載模塊，吊梁支架包括六條加載主梁，每條加載主梁上均設有應力加載模塊，每個應力加載模塊下方匹配設有對應的高壓同步加載系統，每個高壓同步加載系統內設有模具裝載模塊，每個模具裝載模塊上設有恒濕控制模塊和恒溫控制模塊；恒溫恒濕箱內部的監測探頭可實時反饋濕度、溫度信息給集成控制器，其計算后下達指令給對應調節模塊，確保試驗過程中的濕度和溫度在一定閾值之內。該裝置具有加壓精度高、對巖石重組效果好、變荷載高固結、同步獨立加載、恒溫恒濕等優點。

技術領域

本發明涉及一種弱膠結巖體結構重組恒溫恒濕高壓再生裝置及方法，屬于巖石力學試驗技術領域。

背景技術

隨著國民經濟的飛速發展，生產對煤炭資源的依賴逐步增加，在我國中東部地區煤炭資源基本趨于枯竭的大前提下，礦井開采逐漸由淺部向深部、由東部向西部發展。由于特殊的成巖環境和沉積過程，西部礦區廣泛分布著中生代侏羅系、白堊系弱膠結地層。由于西部地區特殊的成巖沉積環境，造成弱膠結巖石的成巖時間晚、膠結差、強度低、易風化、遇水泥化崩解，這類巖石強度較低、極易被風化是一類特殊的軟巖。由于這類弱膠結巖石性質的特殊性，在西部礦區煤系地層中常呈現出“煤層頂底板巖層強度低于煤層強度”的特殊現象。一般弱膠結巖石中富含蒙脫石、伊利石、高嶺石等粘土礦物，遇到水短時間內會發生泥化、崩解現象，這使得巖石的占有空間會有所增加，體積急速地膨脹也會帶來巷道圍巖自承載能力極低、自穩能力差、自穩時間短等不良后果。目前工況上最大的困難還在于對該類巖體的支護方面，因為弱膠結巖體結構性同樣很差，無法實施有效的錨桿、錨索等主動支護方式；巷道開挖后易出現大變形、強底臌、冒頂等工程災害問題，嚴重影響礦井建設與安全高效生產。

現有的弱膠結巖體領域研究主要針對軟巖力學理論、軟巖本構模型、軟巖巷道圍巖變形破壞機理與控制技術等方面，但由于弱膠結巖體的研究中存在一系列的難題(因弱膠結巖體的膠結性極差、強度較低，造成該類軟巖極為破碎，即使巖樣受到較小擾動也易碎裂，很難或幾乎不可能將巖塊或大直徑圓柱體巖樣通過取芯做成標準巖樣；在試驗時采用大直徑巖樣，由于這類巖樣采用地質鉆取芯獲得，造成巖樣表面粗糙極為不光滑，并且巖樣直徑有變異，這都對試驗結果產生極為不利的影響，造成試驗結果離散性較大，大部分巖樣的試驗結果根本不能使用，試驗成功率極低；以上這些因素造成了弱膠結巖體試驗數據較少，這也是目前對弱膠結巖體相關研究涉及甚少的主要原因。)，亦造成目前對弱膠結巖體的基本物理與力學性質試驗的相關研究涉及甚少，工程界又對弱膠結巖體的基本物理性質的認識還不夠，目前尚未形成成熟且統一的理論系統，也未能開展更多弱膠結巖體相關的基礎試驗研究；再加上弱膠結地層巷道圍巖變形破壞特點與普通軟巖巷道有所不同，對其變形破壞機理認識不清，導致支護設計缺乏可靠理論依據，常造成弱膠結地層巷道支護失敗。

巖石破壞后仍具有一定的承載力，在一定的支護(約束)條件下充分利用這一承載特征，可提高巷道圍巖與支護結構的穩定性。弱膠結巖體中粘土礦物成分含量較高，膠結程度較差，膠結物為泥質膠結，對水敏感，可塑性強。故在一定應力與含水率條件下，采用可行的試驗裝置，可利用破壞后的弱膠結巖體形成具有一定承載力的再生結構，對發揮圍巖的自承載力具有重要意義。可借鑒土工試驗方法，研制弱膠結巖體再生結構形成試驗裝置及方法，探討在一定應力與含水率等條件下弱膠結巖體再生結構的形成過程。由于現有的單軸或三軸試驗機沒有足夠的試驗空間或合適的加載量程，無法有效地進行弱膠結巖體再生結構的形成試驗，故需要自主研制弱膠結巖體再生結構形成試驗裝置與制定相關試驗方法，以滿足試驗要求。因此，為深入研究弱膠結巖體的物理力學特性，為弱膠結地層巷道支護設計提供基礎數據，需為巷道支護工程設計提供較為可靠且能探究弱膠結巖體結構重組性質的試驗裝置。

弱膠結巖體物理性質是在于其膠結程度差、強度低、易風化、遇水泥化崩解，再加上其本身為礦物顆粒的集合體，組成成分和結構特征復雜，非均勻性明顯。但是巖石變形破壞是一個分階段漸進破壞過程，破壞后仍具有一定的承載能力；弱膠結巖體中粘土礦物成分含量較高，膠結程度較差，膠結物為泥質膠結，對水較為敏感，可塑性較強。