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一種礦井工作面底板采動(dòng)破壞模擬試驗(yàn)裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于煤礦工作面底板破壞模擬試驗(yàn)設(shè)備【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種礦井工作面底板采動(dòng)破壞模擬試驗(yàn)裝置，平臺(tái)底座兩端制有與側(cè)向固定板固定連接的側(cè)向加載固定器；測(cè)試巖體同一深度水平方向均勻分布制有應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)；應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)與應(yīng)力采集系統(tǒng)連接，測(cè)試巖體的上端固定安裝制有卸載加載板，卸載加載板兩側(cè)分布安裝制有可拆卸側(cè)邊，頂部加載體和卸載加載板之間設(shè)有液壓伺服卸載加載器；頂部加載體上部安裝制有主液壓伺服加載器，主液壓伺服加載器與頂部液壓管路連通；液壓控制伺服系統(tǒng)分別與主液壓伺服加載器、液壓伺服卸載加載器和側(cè)向加載固定器連接；其結(jié)構(gòu)簡單，原理科學(xué)，維護(hù)方便，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，操作方便。
【專利說明】一種礦井工作面底板采動(dòng)破壞模擬試驗(yàn)裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
:
[0001]本發(fā)明屬于煤礦工作面底板破壞模擬試驗(yàn)設(shè)備【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種礦井工作面底板采動(dòng)破壞模擬試驗(yàn)裝置。

【背景技術(shù)】
:
[0002]目前，隨著煤層開采不斷加深，地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)日趨復(fù)雜，礦山壓力和采動(dòng)應(yīng)力對(duì)底板的破壞深度不斷加大，開采下組煤時(shí)遇到的薄隔水層、高承壓含水層采動(dòng)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(guī)律研究方面起始于60年代，當(dāng)時(shí)注意到匈牙利底板相對(duì)隔水層理論在實(shí)踐中的應(yīng)用，在焦作礦區(qū)水文地質(zhì)大會(huì)戰(zhàn)中，以煤科總院西安勘探分院為代表，提出了采用突水系數(shù)作為預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)底板突水與否的標(biāo)準(zhǔn)；在80年代初，由山東科技大學(xué)荊自剛在實(shí)踐中提出“下三帶”的理論觀點(diǎn)，并由以李白英為代表的一批科研人員在實(shí)踐中進(jìn)行應(yīng)用和發(fā)展；煤科總院北京開采所王作宇、劉鴻泉等人于上世紀(jì)90年代初提出原位張裂與零位破壞理論，煤科總院北京開采所劉天泉院士，張金才等于上世紀(jì)90年代提出了底板巖體“兩帶”的模型，中科院地質(zhì)所提出于上世紀(jì)90年代提出“強(qiáng)滲通道”說；煤科院西安分院于上世紀(jì)90年代提出巖水應(yīng)力關(guān)系”說。中國礦業(yè)大學(xué)錢鳴高院士、黎梁杰根據(jù)底板巖層的層狀結(jié)構(gòu)特征，于上世紀(jì)90年代中期建立了采場底板巖體的關(guān)鍵層理論。本世紀(jì)初由山東科技大學(xué)施龍青、宋振騏院士提出為開采煤層底板“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(xué)理論計(jì)算和數(shù)值軟件模擬為主，而底板破壞深度探測(cè)以物探探測(cè)、鉆孔注水及超聲波探測(cè)為主。采場圍巖運(yùn)動(dòng)中的頂板裂隙發(fā)育、運(yùn)動(dòng)可以利用室內(nèi)相似模擬進(jìn)行試驗(yàn)，但沒有對(duì)采場底板破壞進(jìn)行模擬試驗(yàn)；同時(shí)，目前煤層開采均為大型綜采設(shè)備往返刀割落煤，冒落帶巖石重新壓實(shí)采空區(qū)底板，對(duì)這些開采技術(shù)條件也沒用相似的模擬方法。因此，結(jié)合目前煤礦開采技術(shù)現(xiàn)狀，開發(fā)一種礦井工作面底板采動(dòng)破壞模擬試驗(yàn)裝置，能夠?qū)Φ装迨艿降牟蓜?dòng)破壞行為進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M，結(jié)合巖石力學(xué)試驗(yàn)、損傷-斷裂力學(xué)理論、數(shù)值模擬計(jì)算等手段，揭示底板采動(dòng)破壞機(jī)理，解決目前受采動(dòng)破壞底板突水難題。


【發(fā)明內(nèi)容】

:
[0003]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)，尋求設(shè)計(jì)提供一種礦井工作面底板采動(dòng)破壞模擬試驗(yàn)裝置，開發(fā)礦井工作面底板采動(dòng)破壞模擬試驗(yàn)平臺(tái)。
[0004]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明涉及的礦井工作面底板采動(dòng)破壞模擬試驗(yàn)裝置主體結(jié)構(gòu)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(cè)向固定板、側(cè)向加載固定器、平臺(tái)底座、液壓管路、頂部液壓管路、應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)、應(yīng)力采集系統(tǒng)、液壓伺服控制系統(tǒng)、可拆卸側(cè)邊和測(cè)試巖體；平臺(tái)底座兩端對(duì)稱式固定制有側(cè)向加載固定器，用以模擬側(cè)向構(gòu)造應(yīng)力對(duì)地層的加載作用；側(cè)向加載固定器與側(cè)向固定板固定連接，側(cè)向加載固定器工作時(shí)，側(cè)向固定板與測(cè)試巖體接觸加載；側(cè)向加載固定器通過側(cè)向固定板將測(cè)試巖體固定在平臺(tái)底座上；測(cè)試巖體同一深度水平方向以每米兩個(gè)的分布密度均勻分布制有應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用應(yīng)力應(yīng)變片式傳感器，采集底板應(yīng)力分布特征；應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)與應(yīng)力采集系統(tǒng)連接，應(yīng)力采集系統(tǒng)自動(dòng)采集測(cè)試巖體的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)；測(cè)試巖體的上端固定安裝制有卸載加載板，卸載加載板兩側(cè)分布安裝制有可拆卸側(cè)邊，可拆卸側(cè)邊在模擬試驗(yàn)中傳遞的應(yīng)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(shè)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(shù)量與卸載加載板的數(shù)量一致，并牢固連接，液壓伺服卸載加載器模擬工作面煤層采出后對(duì)工作面底板的卸壓作用，也模擬工作面頂板老空區(qū)內(nèi)直接頂冒落后重新對(duì)底板進(jìn)行恢復(fù)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(yīng)力，對(duì)試驗(yàn)初始階段的總盈利加載，在工作面采動(dòng)液壓伺服卸載加載器卸壓時(shí)，主液壓伺服加載器仍保持原來狀態(tài)，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(gè)裝置動(dòng)力源和動(dòng)力控制系統(tǒng)的液壓控制伺服系統(tǒng)分別與主液壓伺服加載器、液壓伺服卸載加載器和側(cè)向加載固定器連接。
[0005]本發(fā)明對(duì)礦井工作面底板采動(dòng)破壞進(jìn)行模擬試驗(yàn)包括測(cè)試巖體的制備、礦井工作面底板采動(dòng)底板破壞模擬試驗(yàn)測(cè)試和礦井工作面采動(dòng)底板破壞機(jī)理分析三個(gè)步驟，具體工藝過程為:
[0006](I)、測(cè)試巖體的制備:測(cè)試巖體有兩種，一種為在礦井工作面巷道掘進(jìn)時(shí)采集到的礦井工作面底板巖石，制備時(shí)礦井工作面底板巖石的平面要滿足現(xiàn)有技術(shù)中巖石力學(xué)試驗(yàn)所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)；另一種為與礦井工作面底板巖石相似模擬材料制備的工作面底板，其制備材料配比以礦井工作面底板巖石力學(xué)試驗(yàn)參數(shù)為指導(dǎo)，巖石力學(xué)參數(shù)包括抗拉強(qiáng)度(MPa)、抗壓強(qiáng)度(MPa)、抗剪強(qiáng)度(MPa)、內(nèi)聚力(MPa)、內(nèi)摩擦角(° )、體積模量(GPa)、剪切模量(GPa)、泊松比、尺寸(m)、密度(kg/m_3);制備的測(cè)試巖體的長為55cm，寬為55cm，高為20cm，測(cè)試巖體采用工作面底板巖石巖樣時(shí)，其平面要采用現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行平整性測(cè)量；
[0007](2)、礦井工作面底板采動(dòng)破壞模擬試驗(yàn)測(cè)試:先通過側(cè)向固定板和側(cè)向加載固定器將測(cè)試巖體固定在平臺(tái)底座上，同時(shí)加載側(cè)向應(yīng)力；再將主液壓伺服加載器和頂部加載體下降并與測(cè)試巖體接觸，加載垂直應(yīng)力，加載時(shí)間為I?2天，測(cè)試巖體周圍應(yīng)力穩(wěn)定后，調(diào)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(yīng)力應(yīng)力后開啟重新加載模式，用以模擬煤層開采底板卸壓和冒落帶巖石壓實(shí)的開采技術(shù)條件；試驗(yàn)進(jìn)行過程中，開啟應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和采集；然后利用外部的現(xiàn)有聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)試驗(yàn)過程中的測(cè)試巖體裂隙發(fā)育進(jìn)行監(jiān)測(cè)；試驗(yàn)完成后，利用外部的現(xiàn)有超聲波探測(cè)裝置對(duì)破壞后的測(cè)試巖體進(jìn)行探測(cè)，監(jiān)測(cè)巖樣裂隙發(fā)育深度及賦存特征；
[0008](3)采動(dòng)底板破壞機(jī)理分析:以測(cè)試巖體的力學(xué)性質(zhì)為基礎(chǔ),進(jìn)行采動(dòng)破壞數(shù)值模擬分析，計(jì)算采動(dòng)底板應(yīng)力分布特征，分析采動(dòng)底板彈塑性分區(qū)，并與模擬試驗(yàn)采集的應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比；分析采動(dòng)底板破壞機(jī)理，同時(shí)對(duì)采動(dòng)底板破壞深度進(jìn)行研究，以解決底板薄隔水層、高承壓含水層采動(dòng)突水難題。
[0009]本發(fā)明所述數(shù)值模擬分析采用現(xiàn)有的FLAC-3D(Three Dimens1nal FastLagrangian Analysis of Continua)軟件，F(xiàn)LAC-3D是美國 Itasca Consulting Group Inc開發(fā)的三維快速拉格朗日分析程序，能較好地模擬地質(zhì)材料在達(dá)到強(qiáng)度極限或屈服極限時(shí)發(fā)生的破壞或塑性流動(dòng)的力學(xué)行為，特別適用于分析漸進(jìn)破壞和失穩(wěn)以及模擬大變形。
[0010]本發(fā)明所述底板破壞機(jī)理是利用巖層底板采用應(yīng)力分布特征、破壞特征，分析底板在采動(dòng)影響下的破壞規(guī)律，即通過構(gòu)建底板巖層本構(gòu)模型，建立破壞強(qiáng)度準(zhǔn)則，分析底板巖層應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系，得到底板破壞后的彈塑性分布區(qū)域，底板破壞的發(fā)育深度、底板破壞與開采工藝、工作面尺寸、工作面標(biāo)高、推采速度、頂?shù)装鍘r性等開采參數(shù)的相關(guān)性，并推導(dǎo)底板破壞深度的數(shù)值計(jì)算公式、簡化公式。
[0011]本發(fā)明利用損傷-斷裂力學(xué)理論，按照“模擬試驗(yàn)-數(shù)值模擬-理論分析”指導(dǎo)路線，分析礦井工作面底板采動(dòng)裂隙發(fā)育規(guī)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(jī)理，研究采動(dòng)底板破壞機(jī)理關(guān)鍵技術(shù)。
[0012]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn):一是按照“模擬試驗(yàn)-數(shù)值模擬-理論分析”指導(dǎo)路線，分析礦井工作面底板采動(dòng)裂隙發(fā)育規(guī)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(jī)理，研究采動(dòng)底板破壞機(jī)理關(guān)鍵技術(shù)；二是設(shè)計(jì)嚴(yán)謹(jǐn)，動(dòng)力控制系統(tǒng)采用液壓伺服裝置，裂隙發(fā)育采用聲發(fā)射裝置，裂隙探測(cè)采用超聲波探測(cè)裝置，通過綜合手段，提高了對(duì)采動(dòng)底板破壞裂隙發(fā)育的研究精度，煤礦底板水害防治具有普遍指導(dǎo)意義；其結(jié)構(gòu)簡單，原理科學(xué)，維護(hù)方便，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，操作方便，對(duì)礦井工作面底板采動(dòng)破壞模擬，解決現(xiàn)有的礦井工作面采動(dòng)破壞底板突水問題。

【專利附圖】

【附圖說明】
:
[0013]圖1為本發(fā)明的主體結(jié)構(gòu)原理示意圖。
[0014]圖2為本發(fā)明的主體結(jié)構(gòu)三維側(cè)視圖。

【具體實(shí)施方式】
:
[0015]下面通過實(shí)施例并結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0016]實(shí)施例:
[0017]本實(shí)施例涉及的礦井工作面底板采動(dòng)破壞模擬試驗(yàn)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(cè)向固定板105、側(cè)向加載固定器106、平臺(tái)底座107、液壓管路108、頂部液壓管路109、應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)110、應(yīng)力采集系統(tǒng)111、液壓伺服控制系統(tǒng)112、可拆卸側(cè)邊113和測(cè)試巖體114 ;平臺(tái)底座107兩端對(duì)稱式固定制有側(cè)向加載固定器106,用以模擬側(cè)向構(gòu)造應(yīng)力對(duì)地層的加載作用；側(cè)向加載固定器106與側(cè)向固定板105固定連接,側(cè)向加載固定器106工作時(shí),側(cè)向固定板105與測(cè)試巖體114接觸加載；側(cè)向加載固定器106通過側(cè)向固定板105將測(cè)試巖體114固定在平臺(tái)底座107上；測(cè)試巖體114同一深度水平方向以每米兩個(gè)的分布密度均勻分布制有應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)110，應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)110為應(yīng)力應(yīng)變片式傳感器，采集底板應(yīng)力分布特征；應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)110與應(yīng)力采集系統(tǒng)111連接，應(yīng)力采集系統(tǒng)111自動(dòng)采集測(cè)試巖體114的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)；測(cè)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(cè)分布安裝制有可拆卸側(cè)邊113，可拆卸側(cè)邊113在模擬試驗(yàn)中傳遞的應(yīng)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(shè)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(shù)量與卸載加載板104的數(shù)量一致，并牢固連接，液壓伺服卸載加載器103模擬工作面煤層采出后對(duì)工作面底板的卸壓作用，也模擬工作面頂板老空區(qū)內(nèi)直接頂冒落后重新對(duì)底板進(jìn)行恢復(fù)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(yīng)力，對(duì)試驗(yàn)初始階段的總盈利加載，在工作面采動(dòng)液壓伺服卸載加載器103卸壓時(shí)，主液壓伺服加載器101仍保持原來狀態(tài)，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(gè)裝置動(dòng)力源和動(dòng)力控制系統(tǒng)的液壓控制伺服系統(tǒng)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(cè)向加載固定器106連接。
[0018]本發(fā)明采用礦井工作面底板采動(dòng)破壞模擬試驗(yàn)裝置對(duì)礦井工作面底板采動(dòng)破壞進(jìn)行模擬試驗(yàn)，包括測(cè)試巖體114的制備、礦井工作面底板采動(dòng)底板破壞模擬試驗(yàn)測(cè)試和礦井工作面采動(dòng)底板破壞機(jī)理分析三個(gè)步驟，具體工藝過程為:
[0019](I)、測(cè)試巖體114的制備:測(cè)試巖體114有兩種，一種為在礦井工作面巷道掘進(jìn)時(shí)采集到的礦井工作面底板巖石，制備時(shí)礦井工作面底板巖石的平面要滿足現(xiàn)有技術(shù)中巖石力學(xué)試驗(yàn)所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)；另一種為與礦井工作面底板巖石相似模擬材料制備的工作面底板，其制備材料配比以礦井工作面底板巖石力學(xué)試驗(yàn)參數(shù)為指導(dǎo)，巖石力學(xué)參數(shù)包括抗拉強(qiáng)度(MPa)、抗壓強(qiáng)度(MPa)、抗剪強(qiáng)度(MPa)、內(nèi)聚力(MPa)、內(nèi)摩擦角(° )、體積模量(GPa)、剪切模量(GPa)、泊松比、尺寸(m)、密度(kg/m_3);制備的測(cè)試巖體114的長為55cm，寬為55cm,高為20cm,測(cè)試巖體114米用工作面底板巖石巖樣時(shí),其平面要米用現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行進(jìn)行平整性測(cè)量；
[0020](2)、礦井工作面底板采動(dòng)破壞模擬試驗(yàn)測(cè)試:先通過側(cè)向固定板105和側(cè)向加載固定器106將測(cè)試巖體114固定在平臺(tái)底座107上，同時(shí)加載側(cè)向應(yīng)力；再將主液壓伺服加載器101和頂部加載體102下降并與測(cè)試巖體114接觸,加載垂向應(yīng)力,加載時(shí)間為I?2天，測(cè)試巖體周圍應(yīng)力穩(wěn)定后，調(diào)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(yīng)力相同的垂直應(yīng)力后開啟重新加載模式，用以模擬煤層開采底板卸壓和冒落帶巖石壓實(shí)的開采技術(shù)條件；試驗(yàn)進(jìn)行過程中，開啟應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)111，進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和采集；然后利用外部的現(xiàn)有聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)試驗(yàn)過程中的測(cè)試巖體114裂隙發(fā)育進(jìn)行監(jiān)測(cè)；試驗(yàn)完成后，利用外部的現(xiàn)有超聲波探測(cè)裝置對(duì)破壞后的測(cè)試巖體114進(jìn)行探測(cè)，監(jiān)測(cè)巖樣裂隙發(fā)育深度及賦存特征；
[0021 ] (3)采動(dòng)底板破壞機(jī)理分析:以測(cè)試巖體114的力學(xué)性質(zhì)為基礎(chǔ)，進(jìn)行采動(dòng)破壞數(shù)值模擬試驗(yàn)，計(jì)算采動(dòng)底板應(yīng)力分布特征，分析采動(dòng)底板彈塑性分區(qū)，并與模擬試驗(yàn)采集的應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比；分析采動(dòng)底板破壞機(jī)理，同時(shí)對(duì)采動(dòng)底板破壞深度進(jìn)行研究，以解決底板薄隔水層、高承壓含水層采動(dòng)突水難題。
[0022]本實(shí)施例所述數(shù)值模擬分析采用現(xiàn)有的FLAC_3D(Three Dimens1nal FastLagrangian Analysis of Continua)軟件，F(xiàn)LAC-3D是美國 Itasca Consulting Group Inc開發(fā)的三維快速拉格朗日分析程序，能較好地模擬地質(zhì)材料在達(dá)到強(qiáng)度極限或屈服極限時(shí)發(fā)生的破壞或塑性流動(dòng)的力學(xué)行為，特別適用于分析漸進(jìn)破壞和失穩(wěn)以及模擬大變形；根據(jù)井田內(nèi)鉆孔資料(鉆孔揭露地層厚度、巖性、標(biāo)高、抽水試驗(yàn)資料等)，并結(jié)合巖石力學(xué)試驗(yàn)資料，采用其巖石力學(xué)參數(shù)；數(shù)值模擬模型的建立需要確定開采煤層、周圍覆巖的標(biāo)高、抗拉強(qiáng)度(MPa)、抗剪強(qiáng)度(MPa)、內(nèi)聚力(MPa)、內(nèi)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，由于是模擬下組煤層，加自重260m，工作面推進(jìn)速度為Sm/天，根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行分析，隨著工作面的推進(jìn)，底板有以下變化規(guī)律:
[0023](I)當(dāng)工作面推進(jìn)20m時(shí)，底板開始受到擾動(dòng)，出現(xiàn)拉應(yīng)力破壞，主要為拉剪力破壞，底板破壞深度為6m。由于支撐壓力作用煤壁兩端開始出現(xiàn)應(yīng)力集中，最容易發(fā)生破壞，最大主應(yīng)力值為_8MPa，形態(tài)為拱形，應(yīng)力值由切眼處向外增大，說明越靠近工作面，巖層受壓狀態(tài)越明顯；
[0024](2)工作面開采至60m時(shí)，底板巖層最大主應(yīng)力影響范圍擴(kuò)大，但其形態(tài)沒有改變，主應(yīng)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)工作面開采至10m時(shí),底板最大主應(yīng)力繼續(xù)向巖層深部發(fā)展,最大主應(yīng)力內(nèi)部平緩，主應(yīng)力最大值為-8.1MPa，應(yīng)力影響范圍隨工作面推進(jìn)向前擴(kuò)展；主要出現(xiàn)剪切破壞，底板破壞深度30m，其原因是隨工作面推進(jìn)，煤層底板前方處于支承壓力的作用受到壓縮。工作面推過后，應(yīng)力釋放，底板處于膨脹狀態(tài)；在工作面不斷推進(jìn)的過程中，底板始終處于壓縮一膨脹一再壓縮的狀態(tài)，因此在壓縮與膨脹變形的過渡區(qū)，底板最易出現(xiàn)剪切塑變而發(fā)生破壞。
[0026](4)煤層采動(dòng)后，切眼附近應(yīng)力集中，容易發(fā)生變形產(chǎn)生裂隙，因此在切眼處與煤壁前方底板的采動(dòng)裂隙比較發(fā)育，容易形成突水點(diǎn)。
【權(quán)利要求】
1.一種礦井工作面底板采動(dòng)破壞模擬試驗(yàn)裝置，其特征在于主體結(jié)構(gòu)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(cè)向固定板、側(cè)向加載固定器、平臺(tái)底座、液壓管路、頂部液壓管路、應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)、應(yīng)力采集系統(tǒng)、液壓伺服控制系統(tǒng)、可拆卸側(cè)邊和測(cè)試巖體；平臺(tái)底座兩端對(duì)稱式固定制有側(cè)向加載固定器，用以模擬側(cè)向構(gòu)造應(yīng)力對(duì)地層的加載作用；側(cè)向加載固定器與側(cè)向固定板固定連接，側(cè)向加載固定器工作時(shí)，側(cè)向固定板與測(cè)試巖體接觸加載；側(cè)向加載固定器通過側(cè)向固定板將測(cè)試巖體固定在平臺(tái)底座上；測(cè)試巖體同一深度水平方向以每米兩個(gè)的分布密度均勻分布制有均勻分布有應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用應(yīng)力應(yīng)變片式傳感器，采集底板應(yīng)力分布特征，；應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)與應(yīng)力采集系統(tǒng)連接，應(yīng)力采集系統(tǒng)自動(dòng)采集測(cè)試巖體的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)；測(cè)試巖體的上端固定安裝制有卸載加載板，卸載加載板兩側(cè)分布安裝制有可拆卸側(cè)邊，可拆卸側(cè)邊在模擬試驗(yàn)中傳遞的應(yīng)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(shè)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(shù)量與卸載加載板的數(shù)量一致，并牢固連接，液壓伺服卸載加載器模擬工作面煤層采出后對(duì)工作面底板的卸壓作用，也模擬工作面頂板老空區(qū)內(nèi)直接頂冒落后重新對(duì)底板進(jìn)行恢復(fù)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(yīng)力，對(duì)試驗(yàn)初始階段的總盈利加載，在工作面采動(dòng)液壓伺服卸載加載器卸壓時(shí)，主液壓伺服加載器仍保持原來狀態(tài)，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(gè)裝置動(dòng)力源和動(dòng)力控制系統(tǒng)的液壓控制伺服系統(tǒng)分別與主液壓伺服加載器、液壓伺服卸載加載器和側(cè)向加載固定器連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述礦井工作面底板采動(dòng)破壞模擬試驗(yàn)裝置，其特征在于對(duì)礦井工作面底板采動(dòng)破壞進(jìn)行模擬試驗(yàn)的過程包括測(cè)試巖體的制備、礦井工作面底板采動(dòng)底板破壞模擬試驗(yàn)測(cè)試和礦井工作面采動(dòng)底板破壞機(jī)理分析三個(gè)步驟，具體工藝過程為: (1)、測(cè)試巖體的制備:測(cè)試巖體有兩種，一種為在礦井工作面巷道掘進(jìn)時(shí)采集到的礦井工作面底板巖石，制備時(shí)礦井工作面底板巖石的平面要滿足現(xiàn)有技術(shù)中巖石力學(xué)試驗(yàn)所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)；另一種為與礦井工作面底板巖石相似模擬材料制備的工作面底板，其制備材料配比以礦井工作面底板巖石力學(xué)試驗(yàn)參數(shù)為指導(dǎo)，巖石力學(xué)參數(shù)包括抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、體積模量、剪切模量、泊松比、尺寸和密度；制備的測(cè)試巖體的長為55cm,寬為55cm,高為20cm,測(cè)試巖體米用工作面底板巖石巖樣時(shí),其平面要米用現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行平整性測(cè)量； (2)、礦井工作面底板采動(dòng)破壞模擬試驗(yàn)測(cè)試:先通過側(cè)向固定板和側(cè)向加載固定器將測(cè)試巖體固定在平臺(tái)底座上，同時(shí)加載側(cè)向應(yīng)力；再將主液壓伺服加載器和頂部加載體下降并與測(cè)試巖體接觸，加載垂直應(yīng)力，加載時(shí)間為I?2天，測(cè)試巖體周圍應(yīng)力穩(wěn)定后，調(diào)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(yīng)力應(yīng)力后開啟重新加載模式，用以模擬煤層開采底板卸壓和冒落帶巖石壓實(shí)的開采技術(shù)條件；試驗(yàn)進(jìn)行過程中，開啟應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和采集；然后利用外部的現(xiàn)有聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)試驗(yàn)過程中的測(cè)試巖體裂隙發(fā)育進(jìn)行監(jiān)測(cè)；試驗(yàn)完成后，利用外部的現(xiàn)有超聲波探測(cè)裝置對(duì)破壞后的測(cè)試巖體進(jìn)行探測(cè)，監(jiān)測(cè)巖樣裂隙發(fā)育深度及賦存特征； (3)采動(dòng)底板破壞機(jī)理分析:以測(cè)試巖體的力學(xué)性質(zhì)為基礎(chǔ)，采用現(xiàn)有的FLAC-3D軟件進(jìn)行采動(dòng)破壞數(shù)值模擬分析，計(jì)算采動(dòng)底板應(yīng)力分布特征，分析采動(dòng)底板彈塑性分區(qū)，并與模擬試驗(yàn)采集的應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比；分析采動(dòng)底板破壞機(jī)理，同時(shí)對(duì)采動(dòng)底板破壞深度進(jìn)行研究，以解決底板薄隔水層、高承壓含水層采動(dòng)突水難題。
【文檔編號(hào)】G01N3/12GK104266913SQ201410529007
【公開日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2014年10月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月10日
【發(fā)明者】肖樂樂, 魏久傳, 牛超, 尹會(huì)永, 郭建斌, 謝道雷, 張偉杰 申請(qǐng)人:山東科技大學(xué)