扰动影响下采空区多排群柱单轴承载力的测试装置与方法

摘要

本发明公开了一种扰动影响下水平采空区多排群柱单轴承载能力的测试装置与方法。该装置试验机底座上设有四个保护环，每个保护环内部安装有一根机架，机架的底端与底座连接，顶端与横架连接，在工作台底部设有若干组平行排列的力控制装置，所述力控制装置包括液压推动轴、主加载油缸、压力传感器；在横架的底部设有若干组平行排列的力扰动装置，所述力扰动装置包括扰动力传感器、扰动油缸和扰动杆；试样上方为上压板、上压盘，上压盘与力扰动装置连接，试样底部为下压盘，下压盘固定在工作台上并与力控制装置连接。本发明可以获取扰动加载条件下水平采空区多排群柱系统的单轴承载能力，得到水平采空区群柱个体之间的相互影响关系。

说明书

技术领域

本发明涉及一种扰动影响下水平采空区多排群柱单轴承载能力的测试装置与方法，主要适应于多个煤、岩、充填体、混凝土、煤-充、岩-充试样同步加载的装置与方法，属于采矿岩石力学试验技术领域。

背景技术

由于旧采时期开采方法的落后，我国许多矿井中形成了大量的遗留煤柱，主要包括：刀柱式遗留煤柱、房柱式遗留煤柱、条带式遗留煤柱、短壁式遗留煤柱、巷采式遗留煤柱、仓房式遗留煤柱、跳采式遗留煤柱等，其在空间上密集分布、形态各异、相互影响、错综复杂且尺寸不一，以群落的形式组合形成煤柱群。同样地，在金属矿开采时采空区中也会形成矿柱群柱，来承载覆岩载荷并保障采场的长期稳定性。

充填开采可以有效控制覆岩运动与地表沉陷。近年来，为了解决充填材料来源不足和成本较高等技术难题，部分充填、巷旁充填、条带充填、墩柱充填、局部充填、短壁充填、带状充填、间隔充填、柱旁充填、结构充填、功能充填和骨架式充填等技术方法，并在许多矿井应用推广。上述充填开采技术方法难免在采空区中留设有不同尺寸/形态的充填柱（混凝土柱），且以群柱的形式分布，组合形成了充填体群柱或混凝土群柱。

本文将上述煤柱群、矿柱群、充填柱群和混凝土群统称为“群柱”。采场群柱留设的初衷是为了承担上覆岩层荷载，并且保障采空区的长期稳定性。采场群柱的长期稳定性是一个值得关注的科学问题。然而，在覆岩载荷、扰动载荷、矿井水浸蚀、硫酸盐腐蚀、氯盐腐蚀和自然风化等耦合作用下，采场群柱的承载能力会逐渐减弱，可能引发群柱体系的失稳，导致覆岩垮塌，地表沉陷等灾害，给煤炭资源安全高效开采带来重大安全隐患。

采空区遗留群柱除了受到上覆荷载的静载之外，还会受到强烈的外界扰动作用，这些扰动作用严重威胁着工程人员的人身安全以及工程质量，传统的试验机无法研究扰动下遗留群柱的单轴承载能力。但传统的试验机只能对单个煤柱进行加载，无法对多群柱进行双轴加载，无法研究进行柱旁充填后群柱体系对上覆载荷的承担能力。

采场群柱独立个体之间存在着相互影响，覆岩载荷和扰动荷载等并非由采场单一柱体来承担，主要通过群柱体系共同进行承担。如果一个柱体局部发生失稳破坏，覆岩载荷与扰动荷载就会发生转移，进而导致相邻群柱的失稳破坏，并引发采场群柱的“多米诺骨牌”链式失稳。因此，非常有必要测试采场群柱体系的整体承载能力。目前，现场监测采场群柱的整体承载能力难以实现，只能依靠试验室小尺寸群柱试样来测试。传统的试验机只能对单个柱体试样进行加载，无法对群柱试样进行加载。

综上，亟需开发一种采场群柱整体承载能力的测试装置方法，从而获取采场群柱系统的整体承载能力，得到群柱个体之间的相互影响关系，为揭示采场群柱的链式失稳响应特征与机理奠定基础，对研发采场群柱链式失稳防控技术提供指导。聚焦水平采空区多排群柱，本发明拟提出一种扰动影响下水平采空区多排群柱单轴承载能力的测试装置与方法。

发明内容

本发明旨在提供一种扰动影响下水平采空区多排群柱单轴承载能力的测试装置与方法，具体是一种用于多个煤、岩、充填体、混凝土、煤-充、岩-充试件同步加载的装置，可以得到群柱个体之间的相互影响关系，为揭示采场群柱的链式失稳响应特征与机理奠定基础，对研发采场群柱链式失稳防控技术提供指导。

本发明提供了一种扰动影响下采空区多排群柱单轴承载力的测试装置，包括：底座、机架、下压盘、上压盘、上压板、工作台、横架、液压推动轴、主加载油缸、压力传感器、扰动油缸、扰动杆、保护环、扰动力传感器、螺钉。

试验机底座上设有四个保护环，每个保护环内部安装有一根机架，机架的底端与底座连接，顶端与横架连接，在工作台底部设有若干组平行排列的力控制装置，所述力控制装置包括液压推动轴、主加载油缸、压力传感器；在横架的底部设有若干组平行排列的力扰动装置，所述力扰动装置包括扰动力传感器、扰动油缸和扰动杆；试样（若干个试样代表多排若干个群柱）上方为上压板、上压盘，上压盘与力控制装置连接，试样底部为下压盘，下压盘固定在工作台上并与力扰动装置连接。

优选地，所述的群柱包括：遗留煤柱群、矿柱群、充填柱群、煤柱-充填柱组合群柱、矿柱-充填柱组合群柱等，不仅适用于截面为圆形的群柱，也适用于截面为矩形的群柱，更适用于截面为三角形或梯形的群柱。

优选地，所述装置与方法适用于倾角小于5°的近水平煤层开采后形成的采空区。

优选地，所述的工作台的长度、宽度和高度分别为2000mm、400mm和400mm，工作台上面安装有五排位于同一中心线的下压盘，下压盘通过螺钉固定在工作台上，可同步监测1～25个试件的单轴承载能力；下压盘的上端直径为150mm，下端直径为300mm。

优选地，所述装置包括了二十五组力控制装置，每组力控制装置包括了一个压力传感器和主加载油缸以及一个液压推动轴，所述液压系统内部都设有一个压力传感器，所述压力传感器通过控制电路与微机连接，可以分别精确的控制每个试件的受力状态，液压推动轴由主加载油缸进行控制调节，可实现对不同试件进行速度相同和不同的加载，用于模拟试件受力均匀和受力不均的情况。

优选地，所述装置包括了二十五组力扰动装置，每组力扰动装置包括了一个扰动力传感器和扰动油缸以及一个扰动杆，扰动荷载通过试验机顶部的扰动油缸施加，在通过扰动杆作用在试样上，可对试件施加波形为余弦波、三角波、方波形式的轴向扰动荷载。

优选地，所述上压板分为两种，一种用于研究多个试样共同承担上覆载荷的承载能力，一种可用于同时研究单个试样的承载能力。

优选地，所述装置可以用于群柱单轴压缩，也可以用于单个柱的单轴压缩，能够研究单个煤、岩、充填体、混凝土、煤-充、岩-充的力学性能，也可以模拟多个煤、岩、充填体、混凝土、煤-充、岩-充试样的渐进破坏。

上述装置中，所述上压板有三种，可根据实验需求选择上压板的类型，第一类为长度和宽度分别为5000mm、5000mm的整体型上压板，第二类为长度和宽度分别为1000mm、150mm的单排型上压板，第三类为长度和宽度分别为150mm、150mm的单体型上压板，第一类上压板用于研究多排试样共同承担上覆载荷的承载能力，第二类上压板用于研究单排试样共同承担上覆载荷的承载能力，第三类上压板用于同时测试多个试样的单轴承载能力。

本发明提供了一种扰动影响下采空区多排群柱单轴承载力的测试方法，包括以下步骤：

步骤一：利用矿井原有地质技术资料，借助补充勘查技术手段，全面调研待测范围内水平采空区中遗留群柱的分布位置、形态和尺寸；

步骤二：基于步骤一获取的水平采空区遗留群柱的信息，确定进行试验的试样形状、尺寸以及数量；

步骤三：利用煤岩专用取芯机，借助多级变速手动给进的方式，钻取尺寸适当的试样，利用煤岩切割机将其切割打磨至试验所需的形状与尺寸；

步骤四：依次将试样安装在工作台上的下压盘上；

步骤五：根据实验要求确定选择上压板的类型，测试多排试样共同承担上覆载荷的承载能力时选取第一类上压板，测试单排试样共同承担上覆载荷的承载能力时选取第二类上压板，同时测试多个试样的单轴承载能力时选取第三类上压板；

步骤六：将选取好的上压板放置在待测试样上方，使上压板中心线与待测试样中心线位于同一平面上，以确保待测试样受力均匀；

步骤七：将每个传感器上力数值清零，进行预加载；

步骤八：预加载完成后分别设定每个液压推动轴的加载速度，进行加载；

步骤九：轴向加载至目标值时，根据试验需求利用扰动杆施加轴向的扰动荷载；

步骤十：继续施加轴向荷载，测试多排试样共同承担上覆载荷的承载能力时加载至多排试样整体发生失稳；测试单排试样共同承担上覆载荷的承载能力时加载至每排试样整体发生失稳；同时测试多个试样的单轴承载能力时加载至每个试样全部发生失稳，或满足试验要求后停止加载；

步骤十一：加载完成后，通过液压油缸控制液压推动轴进行卸载，完成试验。本发明的有益效果：

本发明可以实现多个煤、岩、充填体、混凝土、煤-充、岩-充试样的同时加载，进而实现多个体柱受载破坏的模拟，并且通过多个液压推动轴可以实现多群柱的均匀和非均匀载荷的加载，通过扰动杆施加轴向的扰动荷载，研究在扰动作用下群柱体系的单轴承载能力。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明用第一类上压板工作场景示意图；

图3是本发明用第一类上压板加载结构示意图；

图4是本发明用第二类上压板工作场景示意图；

图5是本发明用第二类上压板加载结构示意图；

图6是本发明用第三类上压板工作场景示意图；

图7是本发明用第三类上压板加载结构示意图；

图8是本发明加载装置的剖视图。

图中：1—试验机底座；2—机架；3—下压盘；4—上压盘；5—上压板；6—工作台；7—横架；8—液压推动轴；9—主加载油缸；10—压力传感器；11—扰动油缸；12—扰动杆；13—保护环；14—扰动力传感器；15—螺钉； 16—试样。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

实施例1：

如图1～8所示，一种扰动影响下水平采空区多排群柱单轴承载能力的测试装置与方法，其特征在于包括：试验机底座1、机架2、下压盘3、上压盘4、上压板5、工作台6、横架7、液压推动轴8、主加载油缸9、压力传感器10、扰动油缸11、扰动杆12、保护环13、扰动力传感器14、螺钉15。

所述底座1上设有四个保护环13，每个保护环13内部安装有一根机架2，机架2一端与底座1连接，另一端与横架7连接。

优选地，所述工作台5上面设有二十五个下压盘3，可对1～25个煤、岩、充填体同时进行加载，如图2所示。

优选地，包括了二十五组力控制装置，每组力控制装置包括了一个压力传感器10和主加载油缸9以及一个液压推动轴8.

优选地，所述每个液压推动轴8内部都设有一个压力传感器10，可以分别精确的控制每个试件的受力状态，可实现对不同试件进行速度相同和不同的加载，用于模拟试件受力均匀和受力不均的情况，如图2所示。

优选地，包括了二十五组力扰动装置，每组力扰动装置包括了一个扰动力传感器和扰动油缸以及一个扰动杆，可对试件施加余弦波、三角波、方波形式的轴向扰动荷载。

优选地，所述下压盘中心点位于同一直线上，如图1所示。

优选地，所述装置可以用于多群柱单轴压缩，上压板传递下来的荷载由群柱共同承担，可研究群柱体系对上覆荷载的承担能力。

实施例2：

如图1、3和5所示，一种扰动影响下水平采空区多排群柱单轴承载能力的测试装置与方法，其特征在于包括：试验机底座1、机架2、下压盘3、上压盘4、上压板5、工作台6、横架7、液压推动轴8、主加载油缸9、压力传感器10、扰动油缸11、扰动杆12、保护环13、扰动力传感器14、螺钉15。

所述底座1上设有四个保护环12，每个保护环12内部安装有一根机架2，机架2一端与底座1连接，另一端与横架7连接。

优选地，包括了1~25组力控制装置，每组力控制装置包括了一个压力传感器10和主加载油缸9以及一个液压推动轴8.

优选地，所述每个液压推动轴8内部都设有一个压力传感器10，可以分别精确的控制每个试件的受力状态，可实现对不同试件进行速度相同和不同的加载，用于模拟试件受力均匀和受力不均的情况，如图2所示。

优选地，包括了1~25组力扰动装置，每组力扰动装置包括了一个扰动力传感器和扰动油缸以及一个扰动杆，可对试件施加余弦波、三角波、方波形式的轴向扰动荷载。

优选地，所述下压盘中心点位于同一直线上，如图1所示。

优选地，所述工作台5上面设有二十五个下压盘3，可对1～25个煤、岩、充填体同时进行加载，极大的提高了实验效率。

优选地，所述装置操作步骤包括：

步骤一：根据实验要求确定同时进行试验的试样数量；

步骤二：依次将试样安装在工作台（6）上的下压盘（3）上；

步骤三：根据实验要求确定选择上压板（5）的类型并安装；

步骤四：将每个传感器（10）上力数值清零，进行预加载；

步骤五：预加载完成后分别设定每个液压推动轴（8）的加载速度，进行加载；

步骤六：利用扰动杆（12）施加轴向的扰动荷载；

步骤七：加载完成后，通过主加载油缸（9）控制液压推动轴（8）进行卸载。

上述为本发明的实施方式，应当指出，本发明并不限于上述实施方式，可以依据本发明的实质对其进行简单修改，这些均属于本发明的技术方案范围。