本发明专利技术公开了一种煤层顶板自然再生压实特性测定试验台，主要由台体和台帽两部分组成，台体由壳体和底座焊接而成，台帽由压实体和加载板焊接而成；使用时将微型应力传感器固定在台体底部煤矸石上，将顶板岩样按一定几何比例铺入台体，盖上台帽并在加载板上按设计重量加载配重，模拟离散岩块的压实特性，通过微型应力传感器来监测模型中的垂直应力变化，通过测量离散体下沉量来计算离散体孔隙比的变化；压实过程结束后，抽出台体底部的抽条改变压实模型的悬露面积，观察模型底部的冒落情况；之后对压实模型取芯，并通过压缩试验测定其强度。本发明专利技术为厚煤层分层开采再生顶板胶结程度及压实特性的测定提供了试验工具，具有一定实用性和新颖性。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种煤层顶板垮落自然再生压实特性测定试验台，可对煤层分层开采自然再生顶板的胶结程度和压实特性进行测定，用以指导自然再生顶板下的煤层开采。
技术介绍
厚煤层分层开采回采上分层时没有在底板铺设人工网，致使下分层回采时顶板为上分层顶板自然冒落并压实胶结形成的再生顶板，为保证下分层的安全稳定回采，需对再生顶板的胶结程度和强度进行实验室测定。由于以前学者在该领域所做的研究并不多，关于离散体压缩试验的仪器种类也不多。土力学中研究土的压缩特性和压实性用到了两种仪器，一种是“室内侧限压缩仪”又称“固结仪”，另一种是“击实仪”。“固结仪”通过对土样施加分级载荷压缩得到土在完全侧限条件下的压缩性指标（包括土的压缩系数和压缩指数，压缩系数表示单位压应力引起的孔隙比变化，压缩指数越大则土的压缩性越高），而“击实仪”则通过击锤按规定的落距和击数锤击土样，得到一条击实曲线，反映土样最密实时候的最佳含水量；已有专利“煤矿老采空区冒落带破碎岩体二次变形压实模拟实验装置”（专利申请号201310636912.3），该装置通过模拟在载荷和充水条件下采空区冒落带破碎岩体二次变形环境来探究采空区冒落破碎带破碎岩体在不同载荷量和充水条件下的变形规律，借助该模拟实验装置可以研究冒落带破碎岩体二次变形规律。土力学中的两种仪器是对土样的压缩性特性进行压缩试验，“固结仪”虽能对岩块的压缩指标进行测定，但却不能对压缩后的岩样整体的稳定性、胶结程度和强度指标进行测定；而“击实仪”并不适用于岩块的压缩，在锤击时会将岩块击碎，失去了离散岩块压缩的意义；已有专利“煤矿老采空区冒落带破碎岩体二次变形压实模拟实验装置”仅仅对在载荷和注水条件作用下的破碎岩块进行模拟压缩试验，得出破碎岩体的应力应变规律，并不能对破碎岩体在载荷作用下形成再生顶板进行研究，不能对压缩后的岩块整体的稳定性、胶结程度和强度指标进行测定。 由此可见，需设计一款煤层顶板自然再生压实特性测定试验台对煤矿采空区冒落带破碎岩体在上覆岩层载荷作用下形成再生顶板的胶结程度、稳定性和强度指标进行模拟测定，进而指导再生顶板下煤层工作面的安全回采。
技术实现思路
针对现有离散体压实装置及仪器存在的技术不足，本专利技术提供一种煤层顶板垮落自然再生压实特性测定试验台，对煤矿采空区冒落带破碎岩体在上覆岩层载荷作用下形成再生顶板的胶结程度、稳定性和强度指标进行模拟测定，进而指导再生顶板下煤层工作面的安全回采。具有较好的实用性和新颖性。 为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案。 先在试验台壳体底部铺上一层煤矸石，接着将微型应力传感器固定在煤矸石上，铺上从现场采集的顶板各层岩样，盖上试验台台帽，按设计埋深加载配重，期间定时测算离散体的孔隙比和底板的压力变化，压实完成后进行取芯，测试再生顶板强度指标。 为准确实现上述方案，需对试验中各个步骤进行具体化和参数化，包括如下。 优选的，将从现场采集的煤矸石按设计块度铺在试验台壳体底部，厚度0.5cm，将微型应力传感器的连接电线通过壳体两面开设的圆形孔引出接至微机，并将传感器按设计位置固定在煤矸石上；接着缓慢铺入每分层已称过质量（根据壳体的截面积 和第层所需铺设的高度事先计算第层需铺入岩块的质量）的顶板岩体碎块，确保顶端水平，盖上台帽，在加载板上加载计算好重量的配重，顶板压实再生试验开始；底板的应力传感器实时监测岩样底部应力随时间变化数值，另每隔一定时间对台帽的下沉量作出记录，进而计算离散岩块孔隙体积的变化；待压缩完成后，抽出台体下部的抽条，观察顶板的冒落情况，做好记录；这些步骤都完成之后，将试验台放在取芯机下，取芯测试压实块体的强度指标。 进一步的，顶板每分层铺入岩块质量按下式计算： 其中：为试验台壳体内截面积；为模型第层铺入壳体内岩块的容重；为模型第层铺设高度。更进一步的，从模型顶部加载重力开始对模型底板的应力和台帽的下沉量进行记录，底板的应力变化通过微型应力传感器进行监测，每隔5分钟记录一次数据，而在压实试验开始的10小时内每隔一小时记录一次台帽的下沉量（=1,2,3... 为记录的次数），10小时后每天记录一次台帽下沉量，待压实试验结束后，按下式计算每次记录时模型孔隙比；压实模型取芯完毕后打磨成标准试件(高100mm，直径为50mm的圆柱体)，进行压缩试验测定试件强度指标： 其中：为试验台壳体内截面积；为模型铺设总高度；为第次记录的台帽下沉量；为岩样骨架体积。本专利技术的有益技术效果是： 由于该实验台在是在几何相似比之下进行的，以小尺寸模型还原了近似自然条件下煤矿采空区冒落带破碎岩体在上覆岩层载荷作用下压实胶结形成再生顶板的过程，并在该过程中通过对模型底板的压力监测和模型的压缩量变化来对模型压实特性作出量化分析；并在压实胶结过程结束后通过抽出模型底部的抽条来模拟巷道开挖或工作面回采时顶板悬露面积与顶板胶结稳定性之间的关系；最后对压实模型取芯、制标准件，通过单轴压缩试验测出再生顶板模型的强度指标，并与现场相关指标作对比，进而指导再生顶板下煤层工作面的安全回采；本专利技术是一款小型的三维试验台，为离散体压实形成再生顶板方面研究提供了较好的思路和方法，具有较好的实用性和新颖性。附图说明图1为采用本专利技术的立体示意图； 图2为本专利技术的台体部分三视图；图3为图2的A-A剖视图；图4为本专利技术的台帽部分三视图；其中，1—架腿，2—底板抽条，3—底板，4—引线孔，5—试验台壳体，6—压实体，7—加载板；图中标注尺寸单位均为cm。 具体实施方案本专利技术提供了一种煤层顶板垮落自然再生压实特性测定试验台，为了使本专利技术的目的、技术方案以及优点更清楚、明确，以下将结合附图与具体试验步骤，针对再生顶板形成过程对本专利技术进一步详细说明。 一种煤层顶板垮落自然再生压实特性测定试验台，包括台帽和台体两大部分组成，台体由架腿1、底板抽条2、底板3和壳体5组成，台帽由压实体6和加载板7组成。 具体的试验步骤如下： （1）将从现场采集的煤矸石按设计块度铺在试验台壳体5底部，厚度0.5cm，将微型应力传感器的连接电线通过壳体两面开设的引线孔4引出接至微机，并将传感器按设计位置固定在煤矸石上； （2）接着缓慢铺入顶板每分层已称过质量（根据壳体5的截面积和第层所需铺设的高度事先计算第层需铺入岩块的质量）的顶板岩体碎块，确保顶端水平，盖上台帽，在加载板7上加载计算好重量的配重，顶板压实再生试验开始；（3）底板的应力传感器实时监测岩样底部应力随时间变化数值，另每隔一定时间对台帽的下沉量作出记录，进而计算离散岩块模型孔隙比的变化；（4）待压缩完成后，抽出台体下部的抽条2，观察模型岩样的冒落情况，做好记录；（5）这些步骤都完成之后，将试验台放在取芯机下，取芯测试压实块体的强度指标。所述的顶板每分层需要铺入岩块的质量和离散岩块模型孔隙比按下式计算： 其中：为试验台壳体内截面积；为模型第层铺入壳体内岩块本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种煤层顶板垮落自然再生压实特性测定试验台，其特征在于：该试验台使用方法包括如下步骤：1）铺煤矸石，固定应力传感器；2）铺顶板岩样，按实际埋深加载重力，开始胶结压实试验；3）实时监测底板应力，定时记录台帽下沉量；4）得到底板应力随时间变化规律和模型孔隙比变化规律；5）胶结压实完成后，根据需要抽出底板抽条，记录模型冒落情况；6）对压实模型取芯，测试再生顶板强度指标。
【技术特征摘要】
1.一种煤层顶板垮落自然再生压实特性测定试验台，其特征在于：该试验台使用方法包括如下步骤：1）铺煤矸石，固定应力传感器；2）铺顶板岩样，按实际埋深加载重力，开始胶结压实试验；3）实时监测底板应力，定时记录台帽下沉量；4）得到底板应力随时间变化规律和模型孔隙比变化规律；5）胶结压实完成后，根据需要抽出底板抽条，记录模型冒落情况；6）对压实模型取芯，测试再生顶板强度指标。
2. 根据权利要求 1 所述的一种煤层顶板垮落自然再生压实特性测定试验台，其特征在于：步骤1）：将从现场采集的煤矸石按设计块度铺在试验台壳体（5）底部，厚度0.5cm，将微型应力传感器的连接电线通过壳体两面开设的引线孔（4）引出接至微机，并将传感器按设计位置固定在煤矸石上。
3.根据权利要求 1 所述的一种煤层顶板垮落自然再生压实特性测定试验台，其特征在于：步骤2）：将从现场采集的顶板岩体碎块缓慢分层铺入壳体（5）内，确保顶端水平，盖上台帽，在加载板（7）上加载计算好重量的配重，顶板压实再生试验开始，根据设计，模型岩样需铺若干层，每层岩样铺入质量 按下式计算：
其中：为试验台壳体内截面积；
为模型第层铺入壳体内岩块的容重；
为模型第层模型铺设高度。
4.根据权利要求 1 所述的一种煤层顶...
【专利技术属性】
技术研发人员：马文强，王同旭，葛广州，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：山东;37
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