模拟顶板岩层回转破断试验方法技术

本发明专利技术提出一种模拟顶板岩层回转破断试验方法，涉及采矿模拟技术领域。本模拟顶板岩层回转破断试验方法，应用模拟顶板岩层回转破断加载装置，底座上设置支撑架，支撑架的上端设置固定板；固定板的一侧铰接回转板的一侧；底座上设置加载油缸，加载油缸位于回转板的下方，加载油缸伸缩端上设置有压头，压头接触回转板的下表面；包括如下步骤：步骤一、现场采样及试样加工制备；步骤二、加载位置放置；步骤三、预加静载；步骤四、回转破断加载；步骤五、结果分析。本发明专利技术的有益效果：可以对采空区上方顶板岩层回转变形和破断失稳情况进行模拟分析，能够准确推断采空区上方顶板岩层的运动特征，掌握顶板岩层回转变形和破断失稳的结构状态。

【技术实现步骤摘要】
模拟顶板岩层回转破断试验方法
本专利技术涉及采矿模拟
，特别是涉及一种模拟顶板岩层回转破断试验方法。
技术介绍
煤炭在我国一次能源结构中的主体地位未来30年不会改变。以层状特征赋存的煤系地质结构，煤炭采出后其上部层状岩层近似以两端固支，中部悬空的岩梁结构存在于采空区上方。随着工作面的推进，在上部载荷的作用下顶板岩梁发生弯曲变形，并在四周端部支点处发生回转，挤压下部煤体的同时，岩梁自身在达到临界弯曲挠度后发生破断，所形成的动载往往会造成工作面煤壁或者区段煤柱发生动压显现，造成煤矿井下设备和人员伤亡。因此，分析采空区上方顶板岩层的运动特征，掌握顶板岩层回转变形和破断失稳的结构状态，对于弄清采掘工作面及巷道矿压显现，确定采掘工作面顶板管理及巷道支护参数，指导采掘工作面的安全生产，保证井下作业人员生命安全具有重要的现实意义和社会意义。公开号为CN108398330A的中国专利文献公开了一种矿柱支撑系统动载稳定性试验系统及试验方法，其主要用于模拟采空区矿柱支撑的动载失稳破坏情况，但并不能模拟采空区上方顶板岩层回转变形和破断失稳情况。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种模拟顶板岩层回转破断试验方法，实现对采空区上方顶板岩层回转变形和破断失稳情况的模拟分析。本专利技术提供一种模拟顶板岩层回转破断试验方法，应用模拟顶板岩层回转破断加载装置，模拟顶板岩层回转破断加载装置包括底座、支撑架、固定板、回转板和加载油缸；所述底座上设置支撑架，支撑架的上端设置固定板；固定板的一侧铰接回转板的一侧；所述底座上设置加载油缸，加载油缸位于回转板的下方，加载油缸伸缩端上设置有压头，压头接触回转板的下表面；模拟顶板岩层回转破断试验方法包括如下步骤：步骤一、现场采样及试样加工制备在煤矿现场取获大尺寸煤样和岩样，将煤样再加工成原煤试件，原煤试件是在原煤试样一侧面设置开槽以模拟侧向采空区，在煤样上开设通孔以模拟巷道，开槽与通孔之间的部分以模拟煤柱；在岩样的设定位置开设预制裂缝以制得岩板试件；步骤二、加载位置放置将模拟顶板岩层回转破断加载装置放置在液压加载机的底座平台上，依次将岩板试件、原煤试件放置在固定板及回转板的上表面；回转板用于模拟高位厚硬岩层，岩板试件用于模拟低位厚硬岩层，原煤试件用于模拟煤层，回转板的旋转轴线用于模拟高位厚硬岩层的断裂位置，沿板试件上的预制裂缝位置产生断裂用于模拟低位厚硬岩层的断裂位置；调整回转板的旋转轴线、岩板试件上的预制裂缝位置及原煤试件的相对位置，以形成不同顶板断裂位置组合；步骤三、预加静载在试验设定的顶板断裂位置组合下，液压加载机的加载端对原煤试件施加设定加载压力，以模拟重复采动巷道开挖前的应力加载环境；步骤四、回转破断加载在试验设定的顶板断裂位置组合下，加载油缸伸缩端升起，压头推动回转板向上转动，回转板挤压岩板试件及原煤试件，以模拟高位厚硬岩层回转和破断情况；在步骤三和步骤四的过程中进行监测，以设定频率记录加载油缸的压力值和回转板的回转角度，记录试验设定的顶板断裂位置组合下回转板的旋转轴线、岩板试件上的预制裂缝位置及原煤试件的相对位置，记录岩板试件断裂位置和断裂时间；记录原煤试件及岩板试件全过程破坏的全场位移和应变数据。进一步地，模拟顶板岩层回转破断试验方法还包括步骤五、结果分析5.1应变特征分析随着加载油缸的压力增大和回转板的回转角度增加，在不同顶板断裂位置组合下，分析原煤试件及岩板试件全过程破坏的水平位移场及应变场、竖向位移场及应变场变化，得到原煤试件及岩板试件上应变分布及变化过程；5.2煤柱受力状态分析根据5.1中原煤试件及岩板试件上应变分布及变化过程确定煤柱受力状态；5.3高位岩层回转倾角分析在相同顶板断裂位置组合下，岩板试件断裂时，对应回转板回转角度的大小，以反映煤层顶板垮落时所对应的高位岩层回转倾角。进一步地，步骤二中，调整回转板的旋转轴线、岩板试件上的预制裂缝位置及原煤试件的相对位置，形成不同顶板断裂位置组合形式包括：组合一、高位厚硬岩层的断裂位置和低位厚硬岩层的断裂位置靠近侧向采空区的位置；组合二、高位厚硬岩层的断裂位置对应煤柱位置，低位厚硬岩层的断裂位置靠近侧向采空区的位置；组合三、高位厚硬岩层的断裂位置靠近侧向采空区的位置，低位厚硬岩层的断裂位置对应煤柱位置；组合四、高位厚硬岩层的断裂位置和低位厚硬岩层的断裂位置均对应煤柱位置。进一步地，借助非接触式全场应变测量系统，采用数字图像相关法进行比对分析，记录原煤试件及岩板试件全过程破坏的全场位移和应变数据。进一步地，所述底座上可拆卸设置有若干个配重块。进一步地，所述底座与固定板之间留有装配空间，所述装配空间内设置配重块。进一步地，底座的上表面开设下装配槽，固定板的下表面开设上装配槽，配重块的下端嵌入下装配槽，配重块的上端嵌入上装配槽。进一步地，固定板的一侧开设横截面为C形的旋转槽口，回转板的一侧设置有与旋转槽口形状配合的旋转柱，旋转柱装配于旋转槽口内；固定板与回转板平齐时，固定板的一侧与回转板的一侧之间留有间隙。进一步地，所述加载油缸经液压管路连接有油压泵。与现有技术相比，本专利技术的模拟顶板岩层回转破断试验方法具有以下特点和优点：本专利技术的模拟顶板岩层回转破断试验方法，应用模拟顶板岩层回转破断加载装置，可以对采空区上方顶板岩层回转变形和破断失稳情况进行模拟分析，能够准确推断采空区上方顶板岩层的运动特征，掌握顶板岩层回转变形和破断失稳的结构状态，对于弄清采掘工作面及巷道矿压显现，确定采掘工作面顶板管理及巷道支护参数选择提供指导，对于指导工作面矿压分析、推进速度确定以及冲击地压、顶板大面积来压等灾害的预测预报，具有重要的指导意义。结合附图阅读本专利技术的具体实施方式后，本专利技术的特点和优点将变得更加清楚。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为实施例模拟顶板岩层回转破断加载装置的结构示意图；图2为实施例利用模拟顶板岩层回转破断加载装置进行试验图一，图2中对“加载油缸”简化绘制；图3为实施例利用模拟顶板岩层回转破断加载装置进行试验图二，图3中对“加载油缸”简化绘制；图4为实施例利用模拟顶板岩层回转破断加载装置进行试验图三，图4中对“加载油缸”简化绘制；图5为实施例利用模拟顶板岩层回转破断加载装置进行试验图四，图5中对“加载油缸”简化绘制。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种模拟顶板岩层回转破断试验方法，其特征在于，应用模拟顶板岩层回转破断加载装置，模拟顶板岩层回转破断加载装置包括底座、支撑架、固定板、回转板和加载油缸；所述底座上设置支撑架，支撑架的上端设置固定板；固定板的一侧铰接回转板的一侧；所述底座上设置加载油缸，加载油缸位于回转板的下方，加载油缸伸缩端上设置有压头，压头接触回转板的下表面；/n模拟顶板岩层回转破断试验方法包括如下步骤：/n步骤一、现场采样及试样加工制备/n在煤矿现场取获大尺寸煤样和岩样，将煤样再加工成原煤试件，原煤试件是在原煤试样一侧面设置开槽以模拟侧向采空区，在煤样上开设通孔以模拟巷道，开槽与通孔之间的部分以模拟煤柱；在岩样的设定位置开设预制裂缝以制得岩板试件；/n步骤二、加载位置放置/n将模拟顶板岩层回转破断加载装置放置在液压加载机的底座平台上，依次将岩板试件、原煤试件放置在固定板及回转板的上表面；/n回转板用于模拟高位厚硬岩层，岩板试件用于模拟低位厚硬岩层，原煤试件用于模拟煤层，回转板的旋转轴线用于模拟高位厚硬岩层的断裂位置，沿板试件上的预制裂缝位置产生断裂用于模拟低位厚硬岩层的断裂位置；/n调整回转板的旋转轴线、岩板试件上的预制裂缝位置及原煤试件的相对位置，以形成不同顶板断裂位置组合；/n步骤三、预加静载/n在试验设定的顶板断裂位置组合下，液压加载机的加载端对原煤试件施加设定加载压力，以模拟重复采动巷道开挖前的应力加载环境；/n步骤四、回转破断加载/n在试验设定的顶板断裂位置组合下，加载油缸伸缩端升起，压头推动回转板向上转动，回转板挤压岩板试件及原煤试件，以模拟高位厚硬岩层回转和破断情况；/n在步骤三和步骤四的过程中进行监测，/n以设定频率记录加载油缸的压力值和回转板的回转角度，记录试验设定的顶板断裂位置组合下回转板的旋转轴线、岩板试件上的预制裂缝位置及原煤试件的相对位置，记录岩板试件断裂位置和断裂时间；/n记录原煤试件及岩板试件全过程破坏的全场位移和应变数据。/n...

【技术特征摘要】
1.一种模拟顶板岩层回转破断试验方法，其特征在于，应用模拟顶板岩层回转破断加载装置，模拟顶板岩层回转破断加载装置包括底座、支撑架、固定板、回转板和加载油缸；所述底座上设置支撑架，支撑架的上端设置固定板；固定板的一侧铰接回转板的一侧；所述底座上设置加载油缸，加载油缸位于回转板的下方，加载油缸伸缩端上设置有压头，压头接触回转板的下表面；
模拟顶板岩层回转破断试验方法包括如下步骤：
步骤一、现场采样及试样加工制备
在煤矿现场取获大尺寸煤样和岩样，将煤样再加工成原煤试件，原煤试件是在原煤试样一侧面设置开槽以模拟侧向采空区，在煤样上开设通孔以模拟巷道，开槽与通孔之间的部分以模拟煤柱；在岩样的设定位置开设预制裂缝以制得岩板试件；
步骤二、加载位置放置
将模拟顶板岩层回转破断加载装置放置在液压加载机的底座平台上，依次将岩板试件、原煤试件放置在固定板及回转板的上表面；
回转板用于模拟高位厚硬岩层，岩板试件用于模拟低位厚硬岩层，原煤试件用于模拟煤层，回转板的旋转轴线用于模拟高位厚硬岩层的断裂位置，沿板试件上的预制裂缝位置产生断裂用于模拟低位厚硬岩层的断裂位置；
调整回转板的旋转轴线、岩板试件上的预制裂缝位置及原煤试件的相对位置，以形成不同顶板断裂位置组合；
步骤三、预加静载
在试验设定的顶板断裂位置组合下，液压加载机的加载端对原煤试件施加设定加载压力，以模拟重复采动巷道开挖前的应力加载环境；
步骤四、回转破断加载
在试验设定的顶板断裂位置组合下，加载油缸伸缩端升起，压头推动回转板向上转动，回转板挤压岩板试件及原煤试件，以模拟高位厚硬岩层回转和破断情况；
在步骤三和步骤四的过程中进行监测，
以设定频率记录加载油缸的压力值和回转板的回转角度，记录试验设定的顶板断裂位置组合下回转板的旋转轴线、岩板试件上的预制裂缝位置及原煤试件的相对位置，记录岩板试件断裂位置和断裂时间；
记录原煤试件及岩板试件全过程破坏的全场位移和应变数据。


2.根据权利要求1所述的模拟顶板岩层回转破断试验方法，其特征在于：模拟顶板岩层回转破断试验方法还包括
步骤五、结果分析
5.1应变特征分析
随着加载油缸的压力增大和回转板的回转角度增加，在不同顶板断裂位置组合下，分析原煤试件及岩板试...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵善坤，李一哲，蒋军军，刘毅涛，张修峰，赵阳，张宁博，王寅，秦凯，
申请(专利权)人：煤炭科学技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11