深部開採採動應力場演變過程試驗方法
2023-10-11 01:27:54
深部開採採動應力場演變過程試驗方法
【專利摘要】本發明公開了一種深部開採採動應力場演變過程試驗方法，屬於採場應力演變試驗方法領域。該試驗方法可以依據煤體力學條件進行大塊度煤體非均布動態加載，真實仿真煤體在彈性、塑性狀態下的力學條件。其首先在工作面採集完整煤塊製作大尺度煤體，然後準備並安裝實驗硬體，實驗硬體包括試驗加載組件、伺服組件、控制組件和聲波監測組件，將製作好的大尺度煤體放入試驗加載組件中的加載主框架內，啟動液壓伺服組件來控制側壓加載單元和軸壓加載單元中的加載油缸；大尺度煤體受各加載點加載作用後，所受到的力和變形分別通過壓力傳感器、位移傳感器進行監測，並通過數據線傳遞給控制組件，控制組件按試驗人員要求繪製實時試驗曲線。
【專利說明】深部開採採動應力場演變過程試驗方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬於採場應力演變試驗方法領域，具體涉及一種深部開採採動應力場演變 過程試驗方法。
【背景技術】
[0002] 近年來，我國煤炭開採以每年10m左右的速度向深部延伸，未來10年內，我國將有 相當數量的礦井將進入深部開採。深部開採不同於淺部開採，煤巖的力學性質在高溫和高 地應力的作用下發生變化，使得煤炭開採的力學環境、煤巖體的組織結構、基本力學行為和 工程響應與淺部明顯不同，同時大空間開採模式導致採動應力場的時空關係和動力學特徵 更加複雜，更易誘發衝擊地壓、煤與瓦斯突出等動力災害，造成嚴重破壞和大量人員傷亡， 究其原因在於不了解或沒有完全掌握不同採動條件下採動應力場分布時空演變規律，在錯 誤的時間和空間開掘、維護巷道和推進工作面造成的。
[0003] 對於採動影響下的煤體損傷破裂發展過程及損傷破裂過程中作用在煤體上的採 動應力場，國內外相關學者主要利用彈塑性力學等經典力學對靜態應力作用條件下的理想 煤體進行研究分析，研究表明採場煤體處於上覆巖層逐次彎曲、裂斷形成的動力載荷作用 之下，導致其力學性能不斷劣化，引起採動應力向煤體內部不斷轉移。因此，科學定量研究 採動應力場隨煤體力學性能劣化的時空演化機制和規律是非常必要的，這為進行開掘、維 護巷道和推進工作面確定合理的時間和空間位置，實現煤炭資源科學開採有著極為重要的 工程實際意義。
【發明內容】
[0004] 本發明提出了一種深部開採採動應力場演變過程試驗方法，該方法可以實現二維 加載，實時採集應力、位移等基礎數據，可以同時對多組煤體或充填體進行試驗。
[0005] 本發明技術方案包括：
[0006] 一種深部開採採動應力場演變過程試驗方法，包括以下步驟：
[0007] a製作大尺度煤體，在工作面採集完整煤塊，沿煤塊層理方向切割成 150mmX 150mmX 500mm後，瞭幹、作為大尺度煤體；
[0008] b準備實驗硬體，所述實驗硬體包括試驗加載組件、伺服組件、控制組件和聲波監 測組件；所述試驗加載組件包括加載主框架、側壓加載單元和軸壓加載單元，所述加載主框 架包括底座、橫梁和支撐框架，所述底座和支撐框架之間通過所述橫梁連接，所述支撐框架 為上橫梁、下橫梁、左立柱和右立柱組成的封閉框架，所述軸壓加載單元位於所述左立柱和 右立柱之間，所述軸壓加載單元設置有五個獨立的加載點；所述側壓加載單元有兩個，分別 設置在左、右立柱的兩側，每側的側壓加載單元分別設置有三個獨立的加載點；
[0009] c安裝，將步驟a所述的大尺度煤體放置在步驟b所述的加載主框架內，將上述液 壓伺服組件、控制組件和聲波監測組件分別與所述試驗加載組件連接；
[0010] d加載，啟動液壓伺服組件，通過所述液壓伺服組件控制側壓加載單元和軸壓加載 單元中的加載油缸，開始加載每個油缸，單獨控制加載力值和位移量；
[0011] e接步驟d，大尺度煤體受各加載點加載作用後，所受到的力和變形分別通過側壓 加載單元和軸壓加載單元球角上的壓力傳感器、位移傳感器進行監測，並通過數據線傳遞 給所述控制組件，控制組件按試驗人員要求繪製實時試驗曲線。
[0012] 進一步的，所述步驟b中，上橫梁和下橫梁之間連接有左反力牆和右反力牆，所述 每側的側壓加載單元均包括側向壓頭，側向負荷傳感器和側向加載油缸，所述側向負荷傳 感器位於所述側向壓頭和所述側向加載油缸中間，所述側向壓頭用於對煤樣進行加載，所 述側向加載油缸連接在所述左、右反力牆上；所述軸壓加載單元包括堅向壓頭、堅向球角、 堅向負荷傳感器、堅向連接杆和堅向加載油缸，所述堅向壓頭用於對煤樣進行加載，所述堅 向球角位於所述堅向壓頭和所述堅向負荷傳感器之間，所述堅向負荷傳感器通過所述堅向 連接杆連接所述堅向加載油缸，所述堅向加載油缸連接在所述支撐框架上。
[0013] 進一步的，所述步驟b中，軸壓加載單元的最大加載載荷為4500kN，位於兩側側壓 加載單元上的加載點呈對稱設置，每側側壓加載單元的最大加載載荷為1200kN。
[0014] 進一步的，所述的伺服組件用於多級可控的恆定油液流量控制，所述伺服組件包 括採動應力伺服單元、伺服電機和EDC測控器；所述的採動應力伺服單元由永磁力矩馬達、 噴嘴、檔板、閥芯、閥套和控制腔組成，所述EDC測控器具有多個測量通道，每個測量通道用 於進行荷載、位移、變形單獨控制或幾個測量通道的聯合控制，多種控制方式間實現無衝擊 轉換。
[0015] 進一步的，所述控制組件包括計算機，所述計算機連接所述試驗加載組件和所述 聲波監測組件，用於控制所述試驗加載組件的動作，並接收、記錄檢測所述聲波監測組件檢 測得到的試樣數據。
[0016] 本發明所帶來的有益技術效果：
[0017] 本發明提出了一種深部開採採動應力場演變過程試驗方法，與現有技術相比，該 方法通過在試驗加載組件的軸壓加載單元和側壓加載單元上設置獨立的加載點，即軸壓加 載單元上布置有五個加載點，側壓加載單元分別布置有三個加載點，每個加載點都是獨立 設計，可以通過調節頂板上方的加載點和左右兩側的加載點來實現不同的加載載荷，以實 現大尺度煤體的非均布加載；依據煤體力學條件進行非均布動態加載，同時可以實施不同 大小的圍壓，如圍壓範圍在〇?20MPa，真實仿真煤體在彈性、塑性狀態下的力學條件；其最 大加載強度為60MPa，圍壓為20MPa，可以實現不同硬度巖層的剪切試驗，在實驗室定量確 定抗拉強度等力學特性；可以實現二維加載，實時採集應力、位移等基礎數據，可以同時對 多組煤體或充填體進行試驗；在試樣加載過程中通過調節側壓、軸壓加載單元來實現煤體 的非均布加載，煤樣受各加載點加載作用後，所受到的力和變形分別通過球角上的壓力傳 感器、位移傳感器進行監測，並通過數據線傳遞給計算機，計算機按試驗人員要求繪製實時 試驗曲線。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018] 下面結合附圖對本發明做進一步清楚、完整的說明：
[0019] 圖1為本發明試驗加載組件的結構示意圖；
[0020] 圖2為本發明軸壓加載單元、側壓加載單元的主視圖；
[0021] 圖3為本發明軸壓加載單元的正視圖；
[0022] 圖中，1、底座，2、橫梁，3、加載主框架，4、煤樣，5、側壓加載單元、6、軸壓加載單元， 7、側向壓頭，8、側向負荷傳感器，9、側向加載油缸，10、堅向壓頭，11、堅向球角，12、堅向負 荷傳感器，13、堅向連接杆，14、堅向加載油缸。
【具體實施方式】
[0023] 為了使本發明深部開採採動應力場演變過程試驗方法更加清楚、明確，下面先對 用於該試驗方法的試驗系統做如下說明。
[0024] 結合圖1、圖2、圖3所示，深部開採採動應力場演變過程試驗系統，包括試驗加載 組件、伺服組件、控制組件和聲波監測組件，伺服組件、控制組件和聲波監測組件配合試驗 加載組件同步使用，聲波監測組件是為了獲得更加清晰的裂隙擴展演化過程，其中，伺服組 件、控制組件和聲波監測組件與現有技術相同，在此僅作簡要說明；
[0025] 伺服組件，用於多級可控的恆定油液流量控制，其包括採動應力伺服單元、伺服電 機和EDC測控器；採動應力伺服單元由永磁力矩馬達、噴嘴、檔板、閥芯、閥套和控制腔組 成，EDC測控器具有多個測量通道，每個測量通道可以分別進行荷載、位移、變形單獨控制或 幾個測量通道的聯合控制，多種控制方式間實現無衝擊轉換，並在EDC控制系統軟體中設 置一個壓差控制通道，來測量進油口壓力和出油口壓力的差值；
[0026] 控制組件，包括計算機，計算機連接上述試驗加載組件和聲波監測組件，選用計算 機來控制試驗加載組件的動作，並接收、記錄檢測聲波監測組件檢測得到的試樣或煤樣數 據；
[0027] 聲波監測組件，其包括多個探頭、聲波檢測分析儀和聲波換能器，探頭設置在支撐 框架的內部，每個探頭分別通過聲波換能器連接聲波檢測分析儀；
[0028] 上述試驗加載組件包括煤樣4、加載主框架3、側壓加載單元5和軸壓加載單元6， 其中，加載主框架3包括底座1、橫梁2和支撐框架，底座和支撐框架之間通過橫梁2連接， 支撐框架為上橫梁、下橫梁、左立柱和右立柱組成的封閉框架，其中，上橫梁、下橫梁、左立 柱和右立柱均是由高剛度鋼板製成看，煤樣4放置於支撐框架內，
[0029] 軸壓加載單兀6位於左立柱和右立柱之間，軸壓加載單兀的一端用於對煤樣4進 行加載，另一端採用前法蘭式連接方式固定在加載主框架3上，結合圖2、圖3所示，軸壓加 載單元6包括堅向壓頭10、堅向球角11、堅向負荷傳感器12、堅向連接杆13和堅向加載油 缸14,堅向壓頭10用於對煤樣4進行加載，堅向球角11位于堅向壓頭10和堅向負荷傳感 器12之間，堅向負荷傳感器12通過堅向連接杆13連接堅向加載油缸14,堅向加載油缸14 採用前法蘭式連接方式連接在支撐框架上；
[0030] 軸壓加載單元設置有五個獨立的加載點，其每個加載點都可以獨立的對煤樣施加 載荷，五個加載點同時施加載荷時，載荷可以相同或者不同；
[0031] 側壓加載單元5有兩個，分別設置在左、右立柱的兩側，每側的側壓加載單元5分 別設置有三個獨立的加載點，在上橫梁和下橫梁之間連接有左反力牆和右反力牆，每側的 側壓加載單元均包括側向壓頭7,側向負荷傳感器8和側向加載油缸9,側向負荷傳感器8 位於側向壓頭7和側向加載油缸9中間，側向壓頭用於對煤樣進行加載，側向加載油缸連接 在左、右反力牆上，通過軸壓加載單元頂部受壓變形量的差異，實現巖塊裂隙左右兩部分的 剪切位移。
[0032] 上述軸壓加載單元的最大垂直荷載為4500kN，法向加載油缸作動器最大行程 100mm，精度±1% F. S ;左右反力牆處的的側壓加載單元包含6個加載點，分別是左側壓 加載單元3個加載點，右側壓加載單元3個加載點，並且左、右兩側的加載點呈正交對稱布 置，每側的側壓加載單元最大水平荷載1200kN，側向加載油缸作動器最大行程200_，精度 ±1% F. S。
[0033] 本發明，深部開採採動應力場演變過程試驗系統的使用方法，具體包括以下步 驟：
[0034] a製作大尺度煤體，首先在工作面煤壁採集完整大煤塊，例如尺寸為 300mm X 300_X 600_，搬至室內，在搬運過程要輕拿輕放，儘可能保持煤樣的原始狀態；在 室內，沿煤塊層理方向切割成150mmXI50mmX500mm，作為大尺度煤體，煤體6個側面採用 雙面磨石機研磨，3個相鄰側面相互垂直，端面不平整程度小於0. 1mm ;
[0035] b按照上述說明，安裝深部開採採動應力場演變過程試驗系統，將大尺度煤體放入 試驗加載組件的加載主框架內，將上述液壓伺服組件、控制組件和聲波監測組件分別與試 驗加載組件連接；
[0036] c加載，啟動液壓伺服組件，通過所述液壓伺服組件控制側壓加載單元和軸壓加載 單元中的加載油缸，開始加載每個油缸，單獨控制加載力值和位移量；
[0037] d接步驟c，大尺度煤體受各加載點加載作用後，所受到的力和變形分別通過側壓 加載單元和軸壓加載單元球角上的壓力傳感器、位移傳感器進行監測，並通過數據線傳遞 給所述控制組件，控制組件按試驗人員要求繪製實時試驗曲線。
[0038] 需要說明的是，在本說明書的教導下本領域技術人員所做出的任何等同方式，或 明顯變型方式均應在本發明的保護範圍內。
【權利要求】
1. 一種深部開採採動應力場演變過程試驗方法，其特徵在於，包括以下步驟： a製作大尺度煤體，在工作面採集完整煤塊，沿煤塊層理方向切割成 150mmX 150mmX 500mm後，瞭幹、作為大尺度煤體； b準備實驗硬體，所述實驗硬體包括試驗加載組件、伺服組件、控制組件和聲波監測組 件；所述試驗加載組件包括加載主框架、側壓加載單元和軸壓加載單元，所述加載主框架包 括底座、橫梁和支撐框架，所述底座和支撐框架之間通過所述橫梁連接，所述支撐框架為上 橫梁、下橫梁、左立柱和右立柱組成的封閉框架，所述軸壓加載單元位於所述左立柱和右立 柱之間，所述軸壓加載單元設置有五個獨立的加載點；所述側壓加載單元有兩個，分別設置 在左、右立柱的兩側，每側的側壓加載單元分別設置有三個獨立的加載點； c安裝，將步驟a所述的大尺度煤體放置在步驟b所述的加載主框架內，將上述液壓伺 服組件、控制組件和聲波監測組件分別與所述試驗加載組件連接； d加載，啟動液壓伺服組件，通過所述液壓伺服組件控制側壓加載單元和軸壓加載單元 中的加載油缸，開始加載每個油缸，單獨控制加載力值和位移量； e接步驟d，大尺度煤體受各加載點加載作用後，所受到的力和變形分別通過側壓加載 單元和軸壓加載單元球角上的壓力傳感器、位移傳感器進行監測，並通過數據線傳遞給所 述控制組件，控制組件按試驗人員要求繪製實時試驗曲線。
2. 根據權利要求1所述的深部開採採動應力場演變過程試驗方法，其特徵在於：所述 步驟b中，上橫梁和下橫梁之間連接有左反力牆和右反力牆，所述每側的側壓加載單元均 包括側向壓頭，側向負荷傳感器和側向加載油缸，所述側向負荷傳感器位於所述側向壓頭 和所述側向加載油缸中間，所述側向壓頭用於對煤樣進行加載，所述側向加載油缸連接在 所述左、右反力牆上；所述軸壓加載單元包括堅向壓頭、堅向球角、堅向負荷傳感器、堅向連 接杆和堅向加載油缸，所述堅向壓頭用於對煤樣進行加載，所述堅向球角位於所述堅向壓 頭和所述堅向負荷傳感器之間，所述堅向負荷傳感器通過所述堅向連接杆連接所述堅向加 載油缸，所述堅向加載油缸連接在所述支撐框架上。
3. 根據權利要求1所述的深部開採採動應力場演變過程試驗方法，其特徵在於：所述 步驟b中，軸壓加載單元的最大加載載荷為4500kN，位於兩側側壓加載單元上的加載點呈 對稱設置，每側側壓加載單元的最大加載載荷為1200kN。
4. 根據權利要求1所述的深部開採採動應力場演變過程試驗方法，其特徵在於：所述 的伺服組件用於多級可控的恆定油液流量控制，所述伺服組件包括採動應力伺服單元、伺 服電機和EDC測控器；所述的採動應力伺服單元由永磁力矩馬達、噴嘴、檔板、閥芯、閥套和 控制腔組成，所述EDC測控器具有多個測量通道，每個測量通道用於進行荷載、位移、變形 單獨控制或幾個測量通道的聯合控制，多種控制方式間實現無衝擊轉換。
5. 根據權利要求1所述的深部開採採動應力場演變過程試驗方法，其特徵在於：所述 控制組件包括計算機，所述計算機連接所述試驗加載組件和所述聲波監測組件，用於控制 所述試驗加載組件的動作，並接收、記錄檢測所述聲波監測組件檢測得到的試樣數據。
【文檔編號】G01N3/10GK104089822SQ201410206492
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年5月16日 優先權日:2014年5月16日
【發明者】文志傑, 蔣宇靜, 石永奎, 賈傳洋, 曲廣龍, 文金浩, 王曉, 高浩政, 孟祥旭 申請人:山東科技大學