一種礦井工作面底板採動破壞模擬試驗方法
2023-09-19 15:47:10
一種礦井工作面底板採動破壞模擬試驗方法
【專利摘要】本發明屬於煤礦工作面底板破壞模擬試驗【技術領域】，涉及一種礦井工作面底板採動破壞模擬試驗方法，先製備測試巖體，再對礦井工作面底板採動破壞模擬試驗測試，試驗進行過程中進行數據監測和採集，並測試巖體裂隙發育進行監測，監測巖樣裂隙發育深度及賦存特徵；最後以測試巖體的力學性質為基礎，進行採動破壞數值模擬分析，計算採動底板應力分布特徵，分析採動底板彈塑性分區，並與模擬試驗採集的應力數據進行對比，分析採動底板破壞機理；其使用的裝置結構簡單，監測數據準確，試驗方法簡單，操作方便，解決了現有的礦井工作面採動破壞底板突水問題。
【專利說明】 一種礦井工作面底板採動破壞模擬試驗方法
【技術領域】
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[0001]本發明屬於煤礦工作面底板破壞模擬試驗【技術領域】，涉及一種礦井工作面底板採動破壞模擬試驗方法。
【背景技術】
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[0002]目前，隨著煤層開採不斷加深，地質構造及水文地質日趨複雜，礦山壓力和採動應力對底板的破壞深度不斷加大，開採下組煤時遇到的薄隔水層、高承壓含水層採動突水問題越來越成為礦井水害主要威脅，我國在底板突水規律研究方面起始於60年代，當時注意到匈牙利底板相對隔水層理論在實踐中的應用，在焦作礦區水文地質大會戰中，以煤科總院西安勘探分院為代表，提出了採用突水係數作為預測預報底板突水與否的標準；在80年代初，由山東科技大學荊自剛在實踐中提出「下三帶」的理論觀點，並由以李白英為代表的一批科研人員在實踐中進行應用和發展；煤科總院北京開採所王作宇、劉鴻泉等人於上世紀90年代初提出原位張裂與零位破壞理論，煤科總院北京開採所劉天泉院士，張金才等於上世紀90年代提出了底板巖體「兩帶」的模型，中科院地質所提出於上世紀90年代提出「強滲通道」說；煤科院西安分院於上世紀90年代提出巖水應力關係」說。中國礦業大學錢鳴高院士、黎梁傑根據底板巖層的層狀結構特徵，於上世紀90年代中期建立了採場底板巖體的關鍵層理論。本世紀初由山東科技大學施龍青、宋振騏院士提出為開採煤層底板「下四帶」理論的模型。上述底板突水及底板破壞研究主要以力學理論計算和數值軟體模擬為主，而底板破壞深度探測以物探探測、鑽孔注水及超聲波探測為主。採場圍巖運動中的頂板裂隙發育、運動可以利用室內相似模擬進行試驗，但沒有對採場底板破壞進行模擬試驗；同時，目前煤層開採均為大型綜採設備往返刀割落煤，冒落帶巖石重新壓實採空區底板，對這些開採技術條件也沒用相似的模擬方法。因此，結合目前煤礦開採技術現狀，開發一種礦井工作面底板採動破壞模擬試驗裝置及方法，能夠對底板受到的採動破壞行為進行試驗模擬，結合巖石力學試驗、損傷-斷裂力學理論、數值模擬計算等手段，揭示底板採動破壞機理，解決目前受採動破壞底板突水難題。
【發明內容】
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[0003]本發明的目的在於克服現有技術存在的缺點，尋求設計提供一種礦井工作面底板採動破壞模擬試驗方法，開發礦井工作面底板採動破壞模擬試驗平臺。
[0004]為了實現上述目的，本發明採用礦井工作面底板採動破壞模擬試驗裝置對礦井工作面底板採動破壞進行模擬試驗，包括測試巖體的製備、礦井工作面底板採動底板破壞模擬試驗測試和礦井工作面採動底板破壞機理分析三個步驟，具體工藝過程為:
[0005](I)、測試巖體的製備:測試巖體有兩種，一種為在礦井工作面巷道掘進時採集到的礦井工作面底板巖石，製備時礦井工作面底板巖石的平面要滿足現有技術中巖石力學試驗所規定的標準；另一種為與礦井工作面底板巖石相似模擬材料製備的工作面底板，其製備材料配比以礦井工作面底板巖石力學試驗參數為指導，巖石力學參數包括抗拉強度(MPa)、抗壓強度(MPa)、抗剪強度(MPa)、內聚力(MPa)、內摩擦角(° )、體積模量(GPa)、剪切模量(GPa)、泊松比、尺寸(m)、密度(kg/m_3);製備的測試巖體的長為55cm，寬為55cm，高為20cm，測試巖體採用工作面底板巖石巖樣時，其平面要採用現有技術進行平整性測量；
[0006](2)、礦井工作面底板採動破壞模擬試驗測試:先通過側向固定板和側向加載固定器將測試巖體固定在平臺底座上，同時加載側向應力；再將主液壓伺服加載器和頂部加載體下降並與測試巖體接觸，加載垂直應力，加載時間為I?2天，測試巖體周圍應力穩定後，調整液壓伺服卸載加載器，開啟液壓伺服卸載加載器卸壓模式，加載與卸載壓力相同的垂直應力應力後開啟重新加載模式，用以模擬煤層開採底板卸壓和冒落帶巖石壓實的開採技術條件；試驗進行過程中，開啟應力監測系統，進行數據監測和採集；然後利用外部的現有聲發射監測系統，對試驗過程中的測試巖體裂隙發育進行監測；試驗完成後，利用外部的現有超聲波探測裝置對破壞後的測試巖體進行探測，監測巖樣裂隙發育深度及賦存特徵；
[0007](3)採動底板破壞機理分析:以測試巖體的力學性質為基礎,進行採動破壞數值模擬分析，計算採動底板應力分布特徵，分析採動底板彈塑性分區，並與模擬試驗採集的應力數據進行對比；分析採動底板破壞機理，同時對採動底板破壞深度進行研究，以解決底板薄隔水層、高承壓含水層採動突水難題。
[0008]本發明涉及的礦井工作面底板採動破壞模擬試驗裝置的主體結構包括主液壓伺服加載器、頂部加載體、液壓伺服卸載加載器、卸載加載板、側向固定板、側向加載固定器、平臺底座、液壓管路、頂部液壓管路、應力監測點、應力採集系統、液壓伺服控制系統、可拆卸側邊和測試巖體；平臺底座兩端對稱式固定制有側向加載固定器，用以模擬側向構造應力對地層的加載作用；側向加載固定器與側向固定板固定連接，側向加載固定器工作時，側向固定板與測試巖體接觸加載；側向加載固定器通過側向固定板將測試巖體固定在平臺底座上；測試巖體同一深度水平方向以每米兩個的分布密度均勻分布制有應力監測點，應力監測點採用應力應變片式傳感器，採集底板應力分布特徵；應力監測點與應力採集系統連接，應力採集系統自動採集測試巖體的應力應變數據；測試巖體的上端固定安裝制有卸載加載板，卸載加載板兩側分布安裝制有可拆卸側邊，可拆卸側邊在模擬試驗中傳遞的應力是破壞底板的主要原因；頂部加載體和卸載加載板之間設有液壓伺服卸載加載器，液壓伺服卸載加載器由一組卸載加載器組成，卸載加載器的數量與卸載加載板的數量一致，並牢固連接，液壓伺服卸載加載器模擬工作面煤層採出後對工作面底板的卸壓作用，也模擬工作面頂板老空區內直接頂冒落後重新對底板進行恢復加載作用；頂部加載體上部安裝制有主液壓伺服加載器，主液壓伺服加載器通過加載壓力模擬垂直地應力，對試驗初始階段的總盈利加載，在工作面採動液壓伺服卸載加載器卸壓時，主液壓伺服加載器仍保持原來狀態，使總體壓力一直存在；主液壓伺服加載器與頂部液壓管路連通；作為整個裝置動力源和動力控制系統的液壓控制伺服系統分別與主液壓伺服加載器、液壓伺服卸載加載器和側向加載固定器連接。
[0009]本發明所述數值模擬分析採用現有的FLAC-3D(Three Dimens1nal FastLagrangian Analysis of Continua)軟體，FLAC-3D是美國 Itasca Consulting Group Inc開發的三維快速拉格朗日分析程序，能較好地模擬地質材料在達到強度極限或屈服極限時發生的破壞或塑性流動的力學行為，特別適用於分析漸進破壞和失穩以及模擬大變形。
[0010]本發明所述底板破壞機理是利用巖層底板採用應力分布特徵、破壞特徵，分析底板在採動影響下的破壞規律，即通過構建底板巖層本構模型，建立破壞強度準則，分析底板巖層應力?應變關係，得到底板破壞後的彈塑性分布區域，底板破壞的發育深度、底板破壞與開採工藝、工作面尺寸、工作面標高、推採速度、頂底板巖性等開採參數的相關性，並推導底板破壞深度的數值計算公式、簡化公式。
[0011]本發明利用損傷-斷裂力學理論，按照「模擬試驗-數值模擬-理論分析」指導路線，分析礦井工作面底板採動裂隙發育規律，揭示目前礦井遇到的煤層底板薄隔水層高承壓含水層突水機理，研究採動底板破壞機理關鍵技術。
[0012]本發明與現有技術相比，具有以下優點:一是按照「模擬試驗-數值模擬-理論分析」指導路線，分析礦井工作面底板採動裂隙發育規律，揭示目前礦井遇到的煤層底板薄隔水層高承壓含水層突水機理，研究採動底板破壞機理關鍵技術；二是設計嚴謹，動力控制系統採用液壓伺服裝置，裂隙發育採用聲發射裝置，裂隙探測採用超聲波探測裝置，通過綜合手段，提高了對採動底板破壞裂隙發育的研究精度，煤礦底板水害防治具有普遍指導意義；其使用的裝置結構簡單，監測數據準確，試驗方法簡單，操作方便，解決了現有的礦井工作面採動破壞底板突水問題。
【專利附圖】
【附圖說明】
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[0013]圖1為本發明涉及的礦井工作面底板採動破壞模擬試驗裝置主體結構原理示意圖。
[0014]圖2為本發明涉及的礦井工作面底板採動破壞模擬試驗裝置主體結構三維側視圖。
【具體實施方式】
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[0015]下面通過實施例並結合附圖對本發明做進一步說明。
[0016]實施例:
[0017]本實施例採用礦井工作面底板採動破壞模擬試驗裝置對礦井工作面底板採動破壞進行模擬試驗，包括測試巖體114的製備、礦井工作面底板採動底板破壞模擬試驗測試和礦井工作面採動底板破壞機理分析三個步驟，具體工藝過程為:
[0018](I)、測試巖體114的製備:測試巖體114有兩種，一種為在礦井工作面巷道掘進時採集到的礦井工作面底板巖石，製備時礦井工作面底板巖石的平面要滿足現有技術中巖石力學試驗所規定的標準；另一種為與礦井工作面底板巖石相似模擬材料製備的工作面底板，其製備材料配比以礦井工作面底板巖石力學試驗參數為指導，巖石力學參數包括抗拉強度(MPa)、抗壓強度(MPa)、抗剪強度(MPa)、內聚力(MPa)、內摩擦角(° )、體積模量(GPa)、剪切模量(GPa)、泊松比、尺寸(m)、密度(kg/m_3);製備的測試巖體114的長為55cm，寬為55cm,高為20cm,測試巖體114米用工作面底板巖石巖樣時,其平面要米用現有技術進行進行平整性測量；
[0019](2)、礦井工作面底板採動破壞模擬試驗測試:先通過側向固定板105和側向加載固定器106將測試巖體114固定在平臺底座107上，同時加載側向應力；再將主液壓伺服加載器101和頂部加載體102下降並與測試巖體114接觸,加載垂向應力,加載時間為I?2天，測試巖體周圍應力穩定後，調整液壓伺服卸載加載器103，開啟液壓伺服卸載加載器103卸壓模式，加載與卸載應力相同的垂直應力後開啟重新加載模式，用以模擬煤層開採底板卸壓和冒落帶巖石壓實的開採技術條件；試驗進行過程中，開啟應力監測系統111，進行數據監測和採集；然後利用外部的現有聲發射監測系統，對試驗過程中的測試巖體114裂隙發育進行監測；試驗完成後，利用外部的現有超聲波探測裝置對破壞後的測試巖體114進行探測，監測巖樣裂隙發育深度及賦存特徵；
[0020](3)採動底板破壞機理分析:以測試巖體114的力學性質為基礎，進行採動破壞數值模擬試驗，計算採動底板應力分布特徵，分析採動底板彈塑性分區，並與模擬試驗採集的應力數據進行對比；分析採動底板破壞機理，同時對採動底板破壞深度進行研究，以解決底板薄隔水層、高承壓含水層採動突水難題。
[0021]本實施例涉及的礦井工作面底板採動破壞模擬試驗裝置包括主液壓伺服加載器101、頂部加載體102、液壓伺服卸載加載器103、卸載加載板104、側向固定板105、側向加載固定器106、平臺底座107、液壓管路108、頂部液壓管路109、應力監測點110、應力採集系統111、液壓伺服控制系統112、可拆卸側邊113和測試巖體114 ;平臺底座107兩端對稱式固定制有側向加載固定器106,用以模擬側向構造應力對地層的加載作用；側向加載固定器106與側向固定板105固定連接,側向加載固定器106工作時,側向固定板105與測試巖體114接觸加載；側向加載固定器106通過側向固定板105將測試巖體114固定在平臺底座107上；測試巖體114同一深度水平方向以每米兩個的分布密度均勻分布制有應力監測點110，應力監測點110為應力應變片式傳感器，採集底板應力分布特徵；應力監測點110與應力採集系統111連接，應力採集系統111自動採集測試巖體114的應力應變數據；測試巖體114的上端固定安裝制有卸載加載板104,卸載加載板104兩側分布安裝制有可拆卸側邊113，可拆卸側邊113在模擬試驗中傳遞的應力是破壞底板的主要原因；頂部加載體102和卸載加載板104之間設有液壓伺服卸載加載器103，液壓伺服卸載加載器103由一組卸載加載器組成，卸載加載器的數量與卸載加載板104的數量一致，並牢固連接，液壓伺服卸載加載器103模擬工作面煤層採出後對工作面底板的卸壓作用，也模擬工作面頂板老空區內直接頂冒落後重新對底板進行恢復加載作用；頂部加載體102上部安裝制有主液壓伺服加載器101，主液壓伺服加載器101通過加載壓力模擬垂直地應力，對試驗初始階段的總盈利加載，在工作面採動液壓伺服卸載加載器103卸壓時，主液壓伺服加載器101仍保持原來狀態，使總體壓力一直存在；主液壓伺服加載器101與頂部液壓管路109連通；作為整個裝置動力源和動力控制系統的液壓控制伺服系統112分別與主液壓伺服加載器101、液壓伺服卸載加載器103和側向加載固定器106連接。
[0022]本實施例所述數值模擬分析採用現有的FLAC_3D(Three Dimens1nal FastLagrangian Analysis of Continua)軟體，FLAC-3D是美國 Itasca Consulting Group Inc開發的三維快速拉格朗日分析程序，能較好地模擬地質材料在達到強度極限或屈服極限時發生的破壞或塑性流動的力學行為，特別適用於分析漸進破壞和失穩以及模擬大變形；根據井田內鑽孔資料(鑽孔揭露地層厚度、巖性、標高、抽水試驗資料等)，並結合巖石力學試驗資料，採用其巖石力學參數；數值模擬模型的建立需要確定開採煤層、周圍覆巖的標高、抗拉強度(MPa)、抗剪強度(MPa)、內聚力(MPa)、內摩擦角(° )、體積模量(GPa)、剪切模量(GPa)、泊松比、尺寸(m)、密度(kg/m_3)，具體建模過程為:水平取400m，垂直取150m，由於是模擬下組煤層，加自重260m，工作面推進速度為Sm/天，根據模擬結果進行分析，隨著工作面的推進，底板有以下變化規律:
[0023](I)當工作面推進20m時，底板開始受到擾動，出現拉應力破壞，主要為拉剪力破壞，底板破壞深度為6m。由於支撐壓力作用煤壁兩端開始出現應力集中，最容易發生破壞，最大主應力值為_8MPa，形態為拱形，應力值由切眼處向外增大，說明越靠近工作面，巖層受壓狀態越明顯；
[0024](2)工作面開採至60m時，底板巖層最大主應力影響範圍擴大，但其形態沒有改變，主應力值最大為-8.8MPa，底板破壞主要為剪切破壞，底板破壞深度為20m。
[0025](3)工作面開採至10m時,底板最大主應力繼續向巖層深部發展,最大主應力內部平緩，主應力最大值為-8.1MPa，應力影響範圍隨工作面推進向前擴展；主要出現剪切破壞，底板破壞深度30m，其原因是隨工作面推進，煤層底板前方處於支承壓力的作用受到壓縮。工作面推過後，應力釋放，底板處於膨脹狀態；在工作面不斷推進的過程中，底板始終處於壓縮一膨脹一再壓縮的狀態，因此在壓縮與膨脹變形的過渡區，底板最易出現剪切塑變而發生破壞。
[0026](4)煤層採動後，切眼附近應力集中，容易發生變形產生裂隙，因此在切眼處與煤壁前方底板的採動裂隙比較發育，容易形成突水點。
【權利要求】
1.一種礦井工作面底板採動破壞模擬試驗方法，其特徵在於採用礦井工作面底板採動破壞模擬試驗裝置對礦井工作面底板採動破壞進行模擬試驗，包括測試巖體的製備、礦井工作面底板採動底板破壞模擬試驗測試和礦井工作面採動底板破壞機理分析三個步驟，具體工藝過程為: (1)、測試巖體的製備:測試巖體有兩種，一種為在礦井工作面巷道掘進時採集到的礦井工作面底板巖石，製備時礦井工作面底板巖石的平面要滿足現有技術中巖石力學試驗所規定的標準；另一種為與礦井工作面底板巖石相似模擬材料製備的工作面底板，其製備材料配比以礦井工作面底板巖石力學試驗參數為指導，巖石力學參數包括抗拉強度、抗壓強度、抗剪強度、內聚力、內摩擦角、體積模量、剪切模量、泊松比、尺寸、密度；製備的測試巖體的長為55cm,寬為55cm,高為20cm,測試巖體米用工作面底板巖石巖樣時,其平面要米用現有技術進行平整性測量； (2)、礦井工作面底板採動破壞模擬試驗測試:先通過側向固定板和側向加載固定器將測試巖體固定在平臺底座上，同時加載側向應力；再將主液壓伺服加載器和頂部加載體下降並與測試巖體接觸，加載垂直應力，加載時間為I?2天，測試巖體周圍應力穩定後，調整液壓伺服卸載加載器，開啟液壓伺服卸載加載器卸壓模式，加載與卸載壓力相同的垂直應力應力後開啟重新加載模式，用以模擬煤層開採底板卸壓和冒落帶巖石壓實的開採技術條件；試驗進行過程中，開啟應力監測系統，進行數據監測和採集；然後利用外部的現有聲發射監測系統，對試驗過程中的測試巖體裂隙發育進行監測；試驗完成後，利用外部的現有超聲波探測裝置對破壞後的測試巖體進行探測，監測巖樣裂隙發育深度及賦存特徵； (3)採動底板破壞機理分析:以測試巖體的力學性質為基礎，採用現有的FLAC-3D軟體進行採動破壞數值模擬分析，計算採動底板應力分布特徵，分析採動底板彈塑性分區，並與模擬試驗採集的應力數據進行對比；分析採動底板破壞機理，同時對採動底板破壞深度進行研究，以解決底板薄隔水層、高承壓含水層採動突水難題。
2.根據權利要求1所述礦井工作面底板採動破壞模擬試驗方法，其特徵在於所述礦井工作面底板採動破壞模擬試驗裝置的主體結構包括主液壓伺服加載器、頂部加載體、液壓伺服卸載加載器、卸載加載板、側向固定板、側向加載固定器、平臺底座、液壓管路、頂部液壓管路、應力監測點、應力採集系統、液壓伺服控制系統、可拆卸側邊和測試巖體；平臺底座兩端對稱式固定制有側向加載固定器，用以模擬側向構造應力對地層的加載作用；側向加載固定器與側向固定板固定連接，側向加載固定器工作時，側向固定板與測試巖體接觸加載；側向加載固定器通過側向固定板將測試巖體固定在平臺底座上；測試巖體同一深度水平方向以每米兩個的分布密度均勻分布制有應力監測點，應力監測點採用應力應變片式傳感器，採集底板應力分布特徵；應力監測點與應力採集系統連接，應力採集系統自動採集測試巖體的應力應變數據；測試巖體的上端固定安裝制有卸載加載板，卸載加載板兩側分布安裝制有可拆卸側邊，可拆卸側邊在模擬試驗中傳遞的應力是破壞底板的主要原因；頂部加載體和卸載加載板之間設有液壓伺服卸載加載器，液壓伺服卸載加載器由一組卸載加載器組成，卸載加載器的數量與卸載加載板的數量一致，並牢固連接，液壓伺服卸載加載器模擬工作面煤層採出後對工作面底板的卸壓作用，也模擬工作面頂板老空區內直接頂冒落後重新對底板進行恢復加載作用；頂部加載體上部安裝制有主液壓伺服加載器，主液壓伺服加載器通過加載壓力模擬垂直地應力，對試驗初始階段的總盈利加載，在工作面採動液壓伺服卸載加載器卸壓時，主液壓伺服加載器仍保持原來狀態，使總體壓力一直存在；主液壓伺服加載器與頂部液壓管路連通；作為整個裝置動力源和動力控制系統的液壓控制伺服系統分別與主液壓伺服加載器、液壓伺服卸載加載器和側向加載固定器連接。
【文檔編號】G01N3/12GK104237024SQ201410529019
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年10月10日 優先權日:2014年10月10日
【發明者】魏久傳, 肖樂樂, 牛超, 尹會永, 郭建斌, 謝道雷, 張偉傑 申請人:山東科技大學