不同水循环速度下破碎煤岩侧向膨胀性能测试装置及方法

摘要

本发明公开了一种不同水循环速度下破碎煤岩侧向膨胀性能测试装置及方法，该装置包括电子万能压力试验机、试验装置、应力测量模块、水循环冲刷装置四大部分。其中，试验装置包括试件桶、钢制垫块、不锈钢带；应力测量模块包括应力片组、数据采集器、电脑端；水循环冲刷装置由进水冲刷装置、水泵、水槽、进水阀、出水阀组成。本发明通过水循环装置制备过水及冲水煤岩体，有效再现了富水矿井水体流动影响下采空区破碎煤岩体的地质环境状态，有效测量了不同水循环速度下采空区破碎煤岩体的侧向膨胀性能，对于积水采空区边界煤柱合理留设宽度的设计及优化具有重要意义，且该测试装置结构简单，设计巧妙，易于加工，配套实验方法便于操作。

说明书

技术领域

本发明涉及一种不同水循环速度下破碎煤岩侧向膨胀性能测试装置及方法，属于煤矿开采技术领域。

背景技术

地下煤炭资源采出后，顶板岩层不断向上垮塌发育形成覆岩冒落带、裂隙带和弯曲下沉带。冒落带中广泛赋存的采动破碎的煤岩体，对上覆岩层起到良好的支撑作用，相邻工作面开采后，整个采动覆岩形成了“区段煤柱+采空区破碎煤岩体”的联合承载地基，区段煤柱处于相邻采空区之间，受上覆载荷及采空区破碎煤岩石的侧向夹持作用，对采动覆岩应力场和位移场具有显著的调节作用，亦对地表沉陷控制以及工作面区段煤柱宽度留设等均具有重要意义。在富水矿井煤层开采过程中，水体的流动侵蚀以及冲刷作用对破碎煤岩体整体强度及其膨胀性能具有显著的削减作用，探究积水采空区水体循环速度对采空区破碎煤岩膨胀性能的影响，掌握水流冲刷影响下破碎煤岩石侧向膨胀性能，揭示其对区段煤柱侧向夹持作用力的变化规律，对于区段煤柱合理留设宽度，确保采场围岩长期稳定性具有重要意义。

由于破碎煤岩石的结构特征给其侧向膨胀性能的测量带来了一定难度，主要存在的问题是破碎煤岩石具有显著各向异性，应力分布不均性，在实际工程中地质环境复杂，地下水流浸泡作用下使采空区破碎煤岩石处于富水状态，实验室较难测量具有各向异性的破碎煤岩石的侧向膨胀性能，尤其还需包含不同水速冲刷作用的影响。

目前，尚没有一种切实可行的装置能准确的测出不同水循环速度作用下破碎煤岩石的侧向膨胀性能。因此，急需一种装置及其配套使用方法，能有效解决测量不同水循环速度影响下各向异性的破碎煤岩石的各个方向的膨胀性能。

中国专利申请CN110501234A公开了一种可测量侧压应力的破碎岩石承压变形实验装置及方法，但是该装置及方法仅适用于测量单一方向的侧压应力，适用于一维状态，没有考虑到实际工程中破碎煤岩石事实上处于三维应力状态，且破碎煤岩石是典型的各向异性材料，其在各个方向上的膨胀性能及其变形特征不尽相同；且没有考虑实际工程问题，尤其是富水矿井中水体流动速度对破碎煤岩石膨胀性能的影响规律，并无相应的膨胀性能的测试装置及测试方法。

中国专利申请CN105181463A公开了一种含水矸石压缩装置及其实验方法，可用于测量不同高度位置矸石的含水量对压缩过程的影响，其中压力传感器和位移传感器用拉线的方式置于含水矸石中。但该装置及方法并未考虑到采矿工程中采空区中破碎煤岩石是典型的各项异性材料，也只能测量一个方向的侧向应力；且该装置和方法通过静水（不流动的水）浸泡的形式来研究不同含水率的矸石的单向膨胀性能，未能实现不同动水冲刷速度对各向异性煤岩石材料膨胀性能的影响研究。

发明内容

本发明旨在提供一种不同水循环速度作用下破碎煤岩石侧向膨胀性能的测试装置及其使用方法，该装置及方法能够测量不同水循环速度作用下的不同粒径破碎煤岩石在一定轴压下对应的侧向膨胀性能，用于优化采空区煤柱宽度留设，改进以往实验中的不足。

本发明提供了一种不同水循环速度作用下破碎煤岩石侧向膨胀性能的测试装置，包括电子万能压力试验机、试验装置、应力测量模块、水循环冲刷装置四大部分。

试验装置包括试件桶、钢制垫块、不锈钢带；试件桶为钢制圆筒，桶底开有出水口，试件桶放置在电子万能压力试验机的试验台上，钢制垫块与压力试验机的上压盘的下端面接触，试件桶内设有圆筒状不锈钢带；

应力测试模块包括应力片组、数据采集器、电脑端；在试验准备阶段应力片组均匀布置在试件桶的桶内壁，应力片组沿着试验桶高度方向布置上、中、下三个高度层位，每个高度布置12个应力片，等角度间隔30度布置，应力片均做防水处理，应力片组通过导线依次连接数据采集器和电脑端；

水循环冲刷装置包括进水冲刷装置、水泵、水槽、进水阀、出水阀；其中，进水冲刷装置位于试件桶顶部，它是圆柱型铸造件，进水冲刷装置内置进水口及三条导水管，进水阀接于进水冲刷装置的进水口，出水阀接于试件桶的出水口，进水口通过水管连接水泵和水槽，煤岩石冲刷完成后通过出水口将余水排尽到水槽中；

上述装置中，试件桶的直径为500mm，高径比为2∶1，试件桶的刚度硬度为所测破碎煤岩石的5-10倍；

上述装置中，不锈钢带的刚度硬度是破碎煤岩石的5-8倍；

上述装置中，钢制垫块直径略小于煤岩石试件的直径，垫块的刚度为上压盘刚度的5-10倍；

上述装置中，进水冲刷装置为铸铁材质，导水管主体直径略小于矸石试件的直径，硬度是上压盘的5-10倍；

上述装置中，水循环冲刷装置对采集的破碎煤岩石进行冲刷，水泵通过变频控制调整水泵电机转速，实现不同水流冲刷速度，水流冲刷速度依据矿上采空区钻孔测得的水流速度进行；

上述装置中，试验过程中破碎煤岩石的侧向膨胀性能用侧向膨胀系数λ表征，

本发明提供了一种不同水循环速度下破碎煤岩石侧向膨胀性能的测试装置的使用方法，包括以下步骤：

第一步：采用上述装置进行不同水循环速度下破碎煤岩石侧向膨胀性能的实验，主要包括以下实验步骤：

第1.1步：依据矿方实地采空区的煤岩石不同岩性及粒径配比，在矿方采空区采集相同岩性及粒径配比的煤岩石松散体作为试验对象；

第1.2步：连接试验装置。根据压力试验机机上压盘的要求，选择合适的钢制垫块，根据煤岩石试件的强度布置合适的不锈钢带，试件桶内的应力片防水处理后均匀布置，试件桶置于压力试验机的试验台上，应力测试模块和数据采集器与电脑端进行连接，将采集的煤岩石试件放置到试件桶内；

第1.3步：对第1.1步采集的煤岩石松散体在连接好的试件桶中用水循环冲刷装置进行冲刷，水流冲刷速度依据矿上采空区钻孔测得的水流速度进行；

水流冲刷速度为1m/s，2m/s，3m/s，4m/s，5m/s，6m/s，7m/s，8m/s，9m/s，10m/s；

第1.4步：进行加载试验。缓慢加载，在加压过程中，加载速率依每秒0.5-0.8MPa的加速度对试样加荷，观察压力表的读数，在10min中使压力表从1Mpa逐渐增加到100Mpa；

第二步：试验数据的记录和处理。根据上述试验测得的实际采空区煤岩石粒径松散体在试验轴压下对应的侧压应力，应力片模块测量的侧压应力取平均值，电脑端通过数据采集器进行实时数据采集，绘制出轴向应力-侧向应力对应关系

第三步：采空区侧向应力的比对查找：根据矿方通过压力枕测量的采空区压力

第四步：采空区留煤柱宽度的计算：根据矿方采空区赋存特征，结合煤柱极限承载能力计算公式，即Obert-Dwvall/Wang公式：

本发明的有益效果：

（1）通过水循环冲刷装置制备不同水循环速度下的煤岩石，有效再现工程实际采空区富水矿井煤岩石的状态；

（2）通过不锈钢带隔层有效测量了不同水循环速度下的煤岩石的侧向膨胀性能，考虑到了煤岩石的各向异性；

（3）优化了采空区煤柱宽度留设方法，实验装置结构简单，便于操作。

附图说明

图1为不同水循环速度下破碎煤岩侧向膨胀性能测试装置示意图。

图2为试验装置桶主视图。

图3为试验装置桶俯视图。

图4为应力测试模块示意图。

图5为水循环冲刷装置示意图。

图6为进水冲刷装置主视图。

图7为试验测量破碎煤岩侧向性能σ

图中：1-电子万能压力试验机、2-试件桶、3-钢制垫块、4-不锈钢带、5-出水口、6-应力片组、7-数据采集器、8-电脑端、9-进水冲刷装置、10-水泵、11-水槽、12-进水阀、13-出水阀、14-进水口、15-导水管。

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1~7所示，一种不同水循环速度作用下破碎煤岩石侧向膨胀性能的测试装置，包括电子万能压力试验机1、试验装置、应力测量模块、水循环冲刷装置四大部分。

其中，试验装置包括试件桶2、钢制垫块3、不锈钢带4；试件桶2为钢制圆筒，桶底开有出水口5，试件桶2放置在电子万能压力试验机1的试验台上，钢制垫块3与压力试验机1的上压盘的下端面接触，试件桶1内设有圆筒状不锈钢带4；

应力测试模块包括应力片组6、数据采集器7、电脑端8；在试验准备阶段应力片组6均匀布置在试件桶2的桶内壁，应力片组6沿着试验桶2高度方向布置上、中、下三个高度层位，每个高度布置12个应力片，等角度间隔30度布置，应力片均做防水处理，应力片组6通过导线依次连接数据采集器7和电脑端8；

水循环冲刷装置包括进水冲刷装置9、水泵10、水槽11、进水阀12、出水阀13；其中，进水冲刷装置9位于试件桶2顶部，它是圆柱型铸造件，进水冲刷装置内置进水口14及三条导水管15，进水阀12接于进水冲刷装置9的进水口14，出水阀13接于试件桶2的出水口5，进水口14通过水管连接水泵10和水槽11，煤岩石冲刷完成后通过出水口5将余水排尽到水槽11中；

上述装置中，试件桶2的直径为500mm，高径比为2∶1，试件桶2的刚度硬度为所测破碎煤岩石的5-10倍；

上述装置中，不锈钢带4的刚度硬度是破碎煤岩石的5-8倍；

上述装置中，钢制垫块3直径略小于煤岩石试件的直径，垫块3的刚度为上压盘刚度的5-10倍；

上述装置中，进水冲刷装置9为铸铁材质，导水管15主体直径略小于矸石试件的直径，硬度是上压盘的5-10倍；

上述装置中，水循环冲刷装置对采集的破碎煤岩石进行冲刷，水泵10通过变频控制调整水泵电机转速，实现不同水流冲刷速度，水流冲刷速度依据矿上采空区钻孔测得的水流速度进行；

上述装置中，试验过程中破碎煤岩石的侧向膨胀性能用侧向膨胀系数λ表征，

本发明提供了一种不同水循环速度下破碎煤岩石侧向膨胀性能的测试装置的使用方法，包括以下步骤：

第一步：采用上述装置进行不同水循环速度下破碎煤岩石侧向膨胀性能的实验，主要包括以下实验步骤：

第1.1步：依据矿方实地采空区的煤岩石不同岩性及粒径配比，在矿方采空区采集相同岩性及粒径配比的煤岩石松散体作为试验对象；

第1.2步：连接试验装置。根据压力试验机机上压盘的要求，选择合适的钢制垫块，根据煤岩石试件的强度布置合适的不锈钢带，试件桶内的应力片防水处理后均匀布置，试件桶置于压力试验机的试验台上，应力测试模块和数据采集器与电脑端进行连接，将采集的煤岩石试件放置到试件桶内；

第1.3步：对第1.1步采集的煤岩石松散体在连接好的试件桶中用水循环冲刷装置进行冲刷，水流冲刷速度依据矿上采空区钻孔测得的水流速度进行；

水流冲刷速度为1m/s，2m/s，3m/s，4m/s，5m/s，6m/s，7m/s，8m/s，9m/s，10m/s；

第1.4步：进行加载试验。缓慢加载，在加压过程中，加载速率依每秒0.5-0.8MPa的加速度对试样加荷，观察压力表的读数，在10min中使压力表从1Mpa逐渐增加到100Mpa；

第二步：试验数据的记录和处理。根据上述试验测得的实际采空区煤岩石粒径松散体在试验轴压下对应的侧压应力，应力片模块测量的侧压应力取平均值，电脑端通过数据采集器进行实时数据采集，绘制出轴向应力-侧向应力对应关系

第三步：采空区侧向应力的比对查找：根据矿方通过压力枕测量的采空区压力

第四步：采空区留煤柱宽度的计算：根据矿方采空区赋存特征，结合煤柱极限承载能力计算公式，即Obert-Dwvall/Wang公式：