深部開采采動應(yīng)力場演變過程試驗(yàn)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種深部開采采動應(yīng)力場演變過程試驗(yàn)方法，屬于采場應(yīng)力演變試驗(yàn)方法領(lǐng)域。該試驗(yàn)方法可以依據(jù)煤體力學(xué)條件進(jìn)行大塊度煤體非均布動態(tài)加載，真實(shí)仿真煤體在彈性、塑性狀態(tài)下的力學(xué)條件。其首先在工作面采集完整煤塊制作大尺度煤體，然后準(zhǔn)備并安裝實(shí)驗(yàn)硬件，實(shí)驗(yàn)硬件包括試驗(yàn)加載組件、伺服組件、控制組件和聲波監(jiān)測組件，將制作好的大尺度煤體放入試驗(yàn)加載組件中的加載主框架內(nèi)，啟動液壓伺服組件來控制側(cè)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(diǎn)加載作用后，所受到的力和變形分別通過壓力傳感器、位移傳感器進(jìn)行監(jiān)測，并通過數(shù)據(jù)線傳遞給控制組件，控制組件按試驗(yàn)人員要求繪制實(shí)時試驗(yàn)曲線。
【專利說明】深部開采采動應(yīng)力場演變過程試驗(yàn)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于采場應(yīng)力演變試驗(yàn)方法領(lǐng)域，具體涉及一種深部開采采動應(yīng)力場演變 過程試驗(yàn)方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，我國煤炭開采以每年10m左右的速度向深部延伸，未來10年內(nèi)，我國將有 相當(dāng)數(shù)量的礦井將進(jìn)入深部開采。深部開采不同于淺部開采，煤巖的力學(xué)性質(zhì)在高溫和高 地應(yīng)力的作用下發(fā)生變化，使得煤炭開采的力學(xué)環(huán)境、煤巖體的組織結(jié)構(gòu)、基本力學(xué)行為和 工程響應(yīng)與淺部明顯不同，同時大空間開采模式導(dǎo)致采動應(yīng)力場的時空關(guān)系和動力學(xué)特征 更加復(fù)雜，更易誘發(fā)沖擊地壓、煤與瓦斯突出等動力災(zāi)害，造成嚴(yán)重破壞和大量人員傷亡， 究其原因在于不了解或沒有完全掌握不同采動條件下采動應(yīng)力場分布時空演變規(guī)律，在錯 誤的時間和空間開掘、維護(hù)巷道和推進(jìn)工作面造成的。
[0003] 對于采動影響下的煤體損傷破裂發(fā)展過程及損傷破裂過程中作用在煤體上的采 動應(yīng)力場，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者主要利用彈塑性力學(xué)等經(jīng)典力學(xué)對靜態(tài)應(yīng)力作用條件下的理想 煤體進(jìn)行研究分析，研究表明采場煤體處于上覆巖層逐次彎曲、裂斷形成的動力載荷作用 之下，導(dǎo)致其力學(xué)性能不斷劣化，引起采動應(yīng)力向煤體內(nèi)部不斷轉(zhuǎn)移。因此，科學(xué)定量研究 采動應(yīng)力場隨煤體力學(xué)性能劣化的時空演化機(jī)制和規(guī)律是非常必要的，這為進(jìn)行開掘、維 護(hù)巷道和推進(jìn)工作面確定合理的時間和空間位置，實(shí)現(xiàn)煤炭資源科學(xué)開采有著極為重要的 工程實(shí)際意義。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明提出了一種深部開采采動應(yīng)力場演變過程試驗(yàn)方法，該方法可以實(shí)現(xiàn)二維 加載，實(shí)時采集應(yīng)力、位移等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可以同時對多組煤體或充填體進(jìn)行試驗(yàn)。
[0005] 本發(fā)明技術(shù)方案包括：
[0006] 一種深部開采采動應(yīng)力場演變過程試驗(yàn)方法，包括以下步驟：
[0007] a制作大尺度煤體，在工作面采集完整煤塊，沿煤塊層理方向切割成 150mmX 150mmX 500mm后，瞭干、作為大尺度煤體；
[0008] b準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)硬件，所述實(shí)驗(yàn)硬件包括試驗(yàn)加載組件、伺服組件、控制組件和聲波監(jiān) 測組件；所述試驗(yàn)加載組件包括加載主框架、側(cè)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于所述左立柱和 右立柱之間，所述軸壓加載單元設(shè)置有五個獨(dú)立的加載點(diǎn)；所述側(cè)壓加載單元有兩個，分別 設(shè)置在左、右立柱的兩側(cè)，每側(cè)的側(cè)壓加載單元分別設(shè)置有三個獨(dú)立的加載點(diǎn)；
[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(nèi)，將上述液 壓伺服組件、控制組件和聲波監(jiān)測組件分別與所述試驗(yàn)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(cè)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(dú)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(diǎn)加載作用后，所受到的力和變形分別通過側(cè)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(jìn)行監(jiān)測，并通過數(shù)據(jù)線傳遞 給所述控制組件，控制組件按試驗(yàn)人員要求繪制實(shí)時試驗(yàn)曲線。
[0012] 進(jìn)一步的，所述步驟b中，上橫梁和下橫梁之間連接有左反力墻和右反力墻，所述 每側(cè)的側(cè)壓加載單元均包括側(cè)向壓頭，側(cè)向負(fù)荷傳感器和側(cè)向加載油缸，所述側(cè)向負(fù)荷傳 感器位于所述側(cè)向壓頭和所述側(cè)向加載油缸中間，所述側(cè)向壓頭用于對煤樣進(jìn)行加載，所 述側(cè)向加載油缸連接在所述左、右反力墻上；所述軸壓加載單元包括堅向壓頭、堅向球角、 堅向負(fù)荷傳感器、堅向連接桿和堅向加載油缸，所述堅向壓頭用于對煤樣進(jìn)行加載，所述堅 向球角位于所述堅向壓頭和所述堅向負(fù)荷傳感器之間，所述堅向負(fù)荷傳感器通過所述堅向 連接桿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(jìn)一步的，所述步驟b中，軸壓加載單元的最大加載載荷為4500kN，位于兩側(cè)側(cè)壓 加載單元上的加載點(diǎn)呈對稱設(shè)置，每側(cè)側(cè)壓加載單元的最大加載載荷為1200kN。
[0014] 進(jìn)一步的，所述的伺服組件用于多級可控的恒定油液流量控制，所述伺服組件包 括采動應(yīng)力伺服單元、伺服電機(jī)和EDC測控器；所述的采動應(yīng)力伺服單元由永磁力矩馬達(dá)、 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 于進(jìn)行荷載、位移、變形單獨(dú)控制或幾個測量通道的聯(lián)合控制，多種控制方式間實(shí)現(xiàn)無沖擊 轉(zhuǎn)換。
[0015] 進(jìn)一步的，所述控制組件包括計算機(jī)，所述計算機(jī)連接所述試驗(yàn)加載組件和所述 聲波監(jiān)測組件，用于控制所述試驗(yàn)加載組件的動作，并接收、記錄檢測所述聲波監(jiān)測組件檢 測得到的試樣數(shù)據(jù)。
[0016] 本發(fā)明所帶來的有益技術(shù)效果：
[0017] 本發(fā)明提出了一種深部開采采動應(yīng)力場演變過程試驗(yàn)方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，該 方法通過在試驗(yàn)加載組件的軸壓加載單元和側(cè)壓加載單元上設(shè)置獨(dú)立的加載點(diǎn)，即軸壓加 載單元上布置有五個加載點(diǎn)，側(cè)壓加載單元分別布置有三個加載點(diǎn)，每個加載點(diǎn)都是獨(dú)立 設(shè)計，可以通過調(diào)節(jié)頂板上方的加載點(diǎn)和左右兩側(cè)的加載點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)不同的加載載荷，以實(shí) 現(xiàn)大尺度煤體的非均布加載；依據(jù)煤體力學(xué)條件進(jìn)行非均布動態(tài)加載，同時可以實(shí)施不同 大小的圍壓，如圍壓范圍在〇?20MPa，真實(shí)仿真煤體在彈性、塑性狀態(tài)下的力學(xué)條件；其最 大加載強(qiáng)度為60MPa，圍壓為20MPa，可以實(shí)現(xiàn)不同硬度巖層的剪切試驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)室定量確 定抗拉強(qiáng)度等力學(xué)特性；可以實(shí)現(xiàn)二維加載，實(shí)時采集應(yīng)力、位移等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可以同時對 多組煤體或充填體進(jìn)行試驗(yàn)；在試樣加載過程中通過調(diào)節(jié)側(cè)壓、軸壓加載單元來實(shí)現(xiàn)煤體 的非均布加載，煤樣受各加載點(diǎn)加載作用后，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(jìn)行監(jiān)測，并通過數(shù)據(jù)線傳遞給計算機(jī)，計算機(jī)按試驗(yàn)人員要求繪制實(shí)時 試驗(yàn)曲線。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步清楚、完整的說明：
[0019] 圖1為本發(fā)明試驗(yàn)加載組件的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020] 圖2為本發(fā)明軸壓加載單元、側(cè)壓加載單元的主視圖；
[0021] 圖3為本發(fā)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(cè)壓加載單元、6、軸壓加載單元， 7、側(cè)向壓頭，8、側(cè)向負(fù)荷傳感器，9、側(cè)向加載油缸，10、堅向壓頭，11、堅向球角，12、堅向負(fù) 荷傳感器，13、堅向連接桿，14、堅向加載油缸。

【具體實(shí)施方式】
[0023] 為了使本發(fā)明深部開采采動應(yīng)力場演變過程試驗(yàn)方法更加清楚、明確，下面先對 用于該試驗(yàn)方法的試驗(yàn)系統(tǒng)做如下說明。
[0024] 結(jié)合圖1、圖2、圖3所示，深部開采采動應(yīng)力場演變過程試驗(yàn)系統(tǒng)，包括試驗(yàn)加載 組件、伺服組件、控制組件和聲波監(jiān)測組件，伺服組件、控制組件和聲波監(jiān)測組件配合試驗(yàn) 加載組件同步使用，聲波監(jiān)測組件是為了獲得更加清晰的裂隙擴(kuò)展演化過程，其中，伺服組 件、控制組件和聲波監(jiān)測組件與現(xiàn)有技術(shù)相同，在此僅作簡要說明；
[0025] 伺服組件，用于多級可控的恒定油液流量控制，其包括采動應(yīng)力伺服單元、伺服電 機(jī)和EDC測控器；采動應(yīng)力伺服單元由永磁力矩馬達(dá)、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(jìn)行荷載、位移、變形單獨(dú)控制或 幾個測量通道的聯(lián)合控制，多種控制方式間實(shí)現(xiàn)無沖擊轉(zhuǎn)換，并在EDC控制系統(tǒng)軟件中設(shè) 置一個壓差控制通道，來測量進(jìn)油口壓力和出油口壓力的差值；
[0026] 控制組件，包括計算機(jī)，計算機(jī)連接上述試驗(yàn)加載組件和聲波監(jiān)測組件，選用計算 機(jī)來控制試驗(yàn)加載組件的動作，并接收、記錄檢測聲波監(jiān)測組件檢測得到的試樣或煤樣數(shù) 據(jù)；
[0027] 聲波監(jiān)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(shè)置在支撐 框架的內(nèi)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(yàn)加載組件包括煤樣4、加載主框架3、側(cè)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制成看，煤樣4放置于支撐框架內(nèi)，
[0029] 軸壓加載單兀6位于左立柱和右立柱之間，軸壓加載單兀的一端用于對煤樣4進(jìn) 行加載，另一端采用前法蘭式連接方式固定在加載主框架3上，結(jié)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(fù)荷傳感器12、堅向連接桿13和堅向加載油 缸14,堅向壓頭10用于對煤樣4進(jìn)行加載，堅向球角11位于堅向壓頭10和堅向負(fù)荷傳感 器12之間，堅向負(fù)荷傳感器12通過堅向連接桿13連接堅向加載油缸14,堅向加載油缸14 采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(shè)置有五個獨(dú)立的加載點(diǎn)，其每個加載點(diǎn)都可以獨(dú)立的對煤樣施加 載荷，五個加載點(diǎn)同時施加載荷時，載荷可以相同或者不同；
[0031] 側(cè)壓加載單元5有兩個，分別設(shè)置在左、右立柱的兩側(cè)，每側(cè)的側(cè)壓加載單元5分 別設(shè)置有三個獨(dú)立的加載點(diǎn)，在上橫梁和下橫梁之間連接有左反力墻和右反力墻，每側(cè)的 側(cè)壓加載單元均包括側(cè)向壓頭7,側(cè)向負(fù)荷傳感器8和側(cè)向加載油缸9,側(cè)向負(fù)荷傳感器8 位于側(cè)向壓頭7和側(cè)向加載油缸9中間，側(cè)向壓頭用于對煤樣進(jìn)行加載，側(cè)向加載油缸連接 在左、右反力墻上，通過軸壓加載單元頂部受壓變形量的差異，實(shí)現(xiàn)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 ;左右反力墻處的的側(cè)壓加載單元包含6個加載點(diǎn)，分別是左側(cè)壓 加載單元3個加載點(diǎn)，右側(cè)壓加載單元3個加載點(diǎn)，并且左、右兩側(cè)的加載點(diǎn)呈正交對稱布 置，每側(cè)的側(cè)壓加載單元最大水平荷載1200kN，側(cè)向加載油缸作動器最大行程200_，精度 ±1% F. S。
[0033] 本發(fā)明，深部開采采動應(yīng)力場演變過程試驗(yàn)系統(tǒng)的使用方法，具體包括以下步 驟：
[0034] a制作大尺度煤體，首先在工作面煤壁采集完整大煤塊，例如尺寸為 300mm X 300_X 600_，搬至室內(nèi)，在搬運(yùn)過程要輕拿輕放，盡可能保持煤樣的原始狀態(tài)；在 室內(nèi)，沿煤塊層理方向切割成150mmXI50mmX500mm，作為大尺度煤體，煤體6個側(cè)面采用 雙面磨石機(jī)研磨，3個相鄰側(cè)面相互垂直，端面不平整程度小于0. 1mm ;
[0035] b按照上述說明，安裝深部開采采動應(yīng)力場演變過程試驗(yàn)系統(tǒng)，將大尺度煤體放入 試驗(yàn)加載組件的加載主框架內(nèi)，將上述液壓伺服組件、控制組件和聲波監(jiān)測組件分別與試 驗(yàn)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(cè)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(dú)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(diǎn)加載作用后，所受到的力和變形分別通過側(cè)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(jìn)行監(jiān)測，并通過數(shù)據(jù)線傳遞 給所述控制組件，控制組件按試驗(yàn)人員要求繪制實(shí)時試驗(yàn)曲線。
[0038] 需要說明的是，在本說明書的教導(dǎo)下本領(lǐng)域技術(shù)人員所做出的任何等同方式，或 明顯變型方式均應(yīng)在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種深部開采采動應(yīng)力場演變過程試驗(yàn)方法，其特征在于，包括以下步驟： a制作大尺度煤體，在工作面采集完整煤塊，沿煤塊層理方向切割成 150mmX 150mmX 500mm后，瞭干、作為大尺度煤體； b準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)硬件，所述實(shí)驗(yàn)硬件包括試驗(yàn)加載組件、伺服組件、控制組件和聲波監(jiān)測組 件；所述試驗(yàn)加載組件包括加載主框架、側(cè)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于所述左立柱和右立 柱之間，所述軸壓加載單元設(shè)置有五個獨(dú)立的加載點(diǎn)；所述側(cè)壓加載單元有兩個，分別設(shè)置 在左、右立柱的兩側(cè)，每側(cè)的側(cè)壓加載單元分別設(shè)置有三個獨(dú)立的加載點(diǎn)； 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(nèi)，將上述液壓伺 服組件、控制組件和聲波監(jiān)測組件分別與所述試驗(yàn)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(cè)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(dú)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(diǎn)加載作用后，所受到的力和變形分別通過側(cè)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(jìn)行監(jiān)測，并通過數(shù)據(jù)線傳遞給所 述控制組件，控制組件按試驗(yàn)人員要求繪制實(shí)時試驗(yàn)曲線。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的深部開采采動應(yīng)力場演變過程試驗(yàn)方法，其特征在于：所述 步驟b中，上橫梁和下橫梁之間連接有左反力墻和右反力墻，所述每側(cè)的側(cè)壓加載單元均 包括側(cè)向壓頭，側(cè)向負(fù)荷傳感器和側(cè)向加載油缸，所述側(cè)向負(fù)荷傳感器位于所述側(cè)向壓頭 和所述側(cè)向加載油缸中間，所述側(cè)向壓頭用于對煤樣進(jìn)行加載，所述側(cè)向加載油缸連接在 所述左、右反力墻上；所述軸壓加載單元包括堅向壓頭、堅向球角、堅向負(fù)荷傳感器、堅向連 接桿和堅向加載油缸，所述堅向壓頭用于對煤樣進(jìn)行加載，所述堅向球角位于所述堅向壓 頭和所述堅向負(fù)荷傳感器之間，所述堅向負(fù)荷傳感器通過所述堅向連接桿連接所述堅向加 載油缸，所述堅向加載油缸連接在所述支撐框架上。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的深部開采采動應(yīng)力場演變過程試驗(yàn)方法，其特征在于：所述 步驟b中，軸壓加載單元的最大加載載荷為4500kN，位于兩側(cè)側(cè)壓加載單元上的加載點(diǎn)呈 對稱設(shè)置，每側(cè)側(cè)壓加載單元的最大加載載荷為1200kN。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的深部開采采動應(yīng)力場演變過程試驗(yàn)方法，其特征在于：所述 的伺服組件用于多級可控的恒定油液流量控制，所述伺服組件包括采動應(yīng)力伺服單元、伺 服電機(jī)和EDC測控器；所述的采動應(yīng)力伺服單元由永磁力矩馬達(dá)、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，每個測量通道用于進(jìn)行荷載、位移、變形 單獨(dú)控制或幾個測量通道的聯(lián)合控制，多種控制方式間實(shí)現(xiàn)無沖擊轉(zhuǎn)換。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的深部開采采動應(yīng)力場演變過程試驗(yàn)方法，其特征在于：所述 控制組件包括計算機(jī)，所述計算機(jī)連接所述試驗(yàn)加載組件和所述聲波監(jiān)測組件，用于控制 所述試驗(yàn)加載組件的動作，并接收、記錄檢測所述聲波監(jiān)測組件檢測得到的試樣數(shù)據(jù)。
【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(yōu)先權(quán)日:2014年5月16日
【發(fā)明者】文志杰, 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(xué)