扰动影响下采空区单排群柱双轴承载力的测试装置与方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种扰动影响下采空区单排群柱双轴承载力的测试装置与方法。该装置包括试验机底座、机架、下压盘、上压盘、上压板、工作台、横架、力加载装置、力扰动装置、螺钉、横向液压推动轴、横向压板、横向液压泵、侧架、伸缩立柱、滑轮、滑轨；底座上设有四个保护环，每个保护环内部安装有一根机架，机架一端与底座连接，工作台上面安装有五个位于同一中心线的下压盘，可实现对1

【技术实现步骤摘要】
扰动影响下采空区单排群柱双轴承载力的测试装置与方法


[0001]本专利技术涉及一种扰动影响下水平采空区单排群柱双轴承载能力的测试装置与方法，属于领域。

技术介绍

[0002]由于旧采时期开采方法的落后，我国许多矿井中形成了大量的遗留煤柱，主要包括：刀柱式遗留煤柱、房柱式遗留煤柱、条带式遗留煤柱、短壁式遗留煤柱、巷采式遗留煤柱、仓房式遗留煤柱、跳采式遗留煤柱等，其在空间上密集分布、形态各异、相互影响、错综复杂且尺寸不一，以群落的形式组合形成煤柱群。同样地，在金属矿开采时采空区中也会形成矿柱群柱，来承载覆岩载荷并保障采场的长期稳定性。
[0003]充填开采可以有效控制覆岩运动与地表沉陷。近年来，为了解决充填材料来源不足和成本较高等技术难题，部分充填、巷旁充填、条带充填、墩柱充填、局部充填、短壁充填、带状充填、间隔充填、柱旁充填、结构充填、功能充填和骨架式充填等技术方法，在许多矿井推广应用。上述充填开采技术难免在采空区中留设有不同尺寸/形态的充填柱（混凝土柱），且以群柱的形式分布，组合形成了充填体群柱或混凝土群柱，有时为了维护采空区遗留煤柱的稳定性，常采用柱旁充填的方式，这相当于给煤柱施加了一个横向载荷，使之成为双向受压状态。
[0004]本专利技术将上述煤柱群、矿柱群、充填柱群和混凝土群统称为“群柱”。采场群柱留设的初衷是为了承担上覆岩层荷载，并且保障采空区的长期稳定性。采场群柱的长期稳定性是一个值得关注的科学问题。然而，在覆岩载荷、扰动载荷、矿井水侵蚀、硫酸盐腐蚀、氯盐腐蚀和自然风化等耦合作用下，采场群柱的承载能力会逐渐减弱，可能引发群柱体系的失稳，导致覆岩垮塌，地表沉陷等灾害，给煤炭资源安全高效开采带来重大安全隐患。
[0005]采空区遗留群柱除了受到上覆荷载的静载之外，还会受到强烈的外界扰动作用，这些扰动作用严重威胁着工程人员的人身安全以及工程质量，传统的试验机无法研究扰动下遗留群柱的单轴承载能力。但传统的试验机只能对单个煤柱进行加载，无法对多群柱进行双轴加载，无法研究进行柱旁充填后群柱体系对上覆载荷的承担能力。
[0006]采场群柱独立个体之间存在着相互影响，覆岩载荷和扰动荷载等并非由采场单一柱体来承担，主要通过群柱体系共同进行承担。如果一个柱体局部发生失稳破坏，覆岩载荷与扰动荷载就会发生转移，进而导致相邻群柱的失稳破坏，并引发采场群柱的“多米诺骨牌”链式失稳。因此，非常有必要测试采场群柱体系的整体承载能力。目前，现场监测采场群柱的整体承载能力难以实现，只能依靠试验室小尺寸群柱试样来测试。传统的试验机只能对单个柱体试样进行加载，无法对群柱试样进行加载。
[0007]综上，亟需开发一种采场单排群柱整体承载能力的测试装置方法，从而获取采场群柱系统的整体承载能力，得到群柱个体之间的相互影响关系，为揭示采场群柱的链式失稳响应特征与机理奠定基础，对研发采场群柱链式失稳防控技术提供指导。聚焦水平采空区单排群柱，本专利技术拟提出一种扰动影响下水平采空区单排群柱双轴承载能力的测试装置
与方法。

技术实现思路

[0008]本专利技术旨在提供一种扰动影响下水平采空区单排群柱双轴承载能力的测试装置与方法，具体是一种用于多个煤、岩、充填体、混凝土、煤
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充、岩
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充试件同步加载的装置，可以得到群柱个体之间的相互影响关系，为揭示采场群柱的链式失稳响应特征与机理奠定基础，对研发采场群柱链式失稳防控技术提供指导。
[0009]本专利技术提供了一种扰动影响下水平采空区单排群柱双轴承载能力的测试装置，包括：试验机底座、机架、下压盘、上压盘、上压板、工作台、横架、竖向力加载装置、力扰动装置、螺钉、横向力加载装置、侧架、伸缩立柱、滑轮、滑轨；底座上设有四个保护环，每个保护环内部安装有一根机架，机架的底端与底座连接，顶端与横架连接，在底座两侧设有滑轨，侧架通过伸缩立柱与滑轮安装在滑轨上，滑轨固定在底座上，所述侧架通过伸缩立柱调节其竖直方向的高度，通过滑轨调节其水平方向的位置。
[0010]在工作台底部和侧架的内侧分别设有力加载装置，所述竖向力加载装置包括主加载杆、主加载油缸、压力传感器；横向力加载装置包括横向液压推动轴、横向压板、横向液压泵；在横架的底部设有力扰动装置，所述力扰动装置包括扰动力传感器、扰动油缸和扰动杆。
[0011]优选地，所述采空区是指倾角小于5
°
的近水平煤层开采后形成的采空区；所述的群柱包括煤柱群、矿柱群、充填柱群、混凝土柱群、煤柱
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充填柱组合群柱、矿柱
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充填柱组合群柱、煤柱
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混凝土柱组合群柱等；所述的群柱不仅适用于截面为圆形的群柱，也适用于截面为矩形的群柱，更适用于截面为三角形或梯形的群柱。
[0012]优选地，所述的工作台的长度、宽度和高度分别为2000mm、400mm和400mm，工作台上面安装有五个位于同一中心线的下压盘，下压盘通过螺钉固定在工作台上，可同步监测1～5个试件的单轴承载能力；下压盘的上端直径为150mm，下端直径为300mm。
[0013]优选地，在竖直方向设有五组竖向力加载装置，分别固定在工作台底部，所述竖向力加载装置包括压力传感器、主加载油缸以及主加载杆，压力传感器设置在上压盘的中心，上压盘下方设有上压板，上压板与试样接触，主加载油缸控制主加载杆给上压盘施加载荷。进一步地，所述压力传感器通过控制电路与微机连接，可以分别精确的控制每个试件的受力状态，可实现对不同试件进行速度相同和不同的加载，用于模拟试件竖向受压力均匀和受压力不均的情况；水平方向在试件两侧各设有五组横向力加载装置，固定在侧架的内部，横向力加载装置包括横向液压推动轴、横向压板、横向液压泵；每个横向压板连接一个横向液压推动轴，可实现对不同试件进行速度相同或不同的加载，用于模拟试件横向受压力均匀和受压力不均的情况。
[0014]优选地，包括了五组力扰动装置，每组力扰动装置包括扰动力传感器、扰动油缸和扰动杆，扰动荷载通过试验机顶部的扰动油缸施加，再通过扰动杆作用在试样上，可对试件施加余弦波、三角波、方波形式的轴向扰动荷载。
[0015]优选地，所述上压板分为两种，一种用于研究多个试样共同承担上覆载荷的承载
能力，一种可用于同时研究单个试样的承载能力。前一种是矩形板，与多个试样对接；后一种是正方形板，与单个试样对接。
[0016]优选地，所述装置与方法可以用于群柱双轴压缩，也可以用于单个柱的双轴压缩，能够研究单个煤、岩、充填体、混凝土、煤
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充、岩
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充试样的双轴承载能力，也可以研究多个煤、岩、充填体、混凝土、煤
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充、岩
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充群柱体系的双轴承载能力。
[0017]本专利技术提供了一种扰动影响下水平采空区单排群柱双轴承载能力的测试方法，步骤包括：步骤一：利用矿井原有地质技术资料，借助补充勘查等技术手段，全面调研待测范围内水平采空区中遗留群柱的分布位置、形态和尺寸等。
[001本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种扰动影响下采空区单排群柱双轴承载力的测试装置，其特征在于包括：试验机底座、机架、下压盘、上压盘、上压板、工作台、横架、竖向力加载装置、力扰动装置、螺钉、横向力加载装置、侧架、伸缩立柱、滑轮、滑轨；底座上设有四个保护环，每个保护环内部安装有一根机架，机架的底端与底座连接，顶端与横架连接，在底座两侧设有滑轨，侧架通过伸缩立柱与滑轮安装在滑轨上，滑轨固定在底座上；在工作台底部和侧架的内侧分别设有力加载装置，所述竖向力加载装置包括主加载杆、主加载油缸、压力传感器；横向力加载装置包括横向液压推动轴、横向压板、横向液压泵；在横架的底部设有力扰动装置，所述力扰动装置包括扰动力传感器、扰动油缸和扰动杆；试样上方为上压板、上压盘，上压盘与力扰动装置连接，试样底部为下压盘，下压盘固定在工作台上并与竖向力加载装置连接；试样两侧与横向力加载装置连接。2.根据权利要求1所述的扰动影响下采空区单排群柱双轴承载力的测试装置，其特征在于：所述采空区是指倾角小于5
°
的近水平煤层开采后形成的采空区；所述的群柱包括煤柱群、矿柱群、充填柱群、混凝土柱群、煤柱
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充填柱组合群柱、矿柱
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充填柱组合群柱、煤柱
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混凝土柱组合群柱中的一种；所述的群柱是截面为圆形或矩形或三角形或梯形的群柱。3.根据权利要求1所述的扰动影响下采空区单排群柱双轴承载力的测试装置，其特征在于：所述的工作台的长度、宽度和高度分别为2000mm、400mm和400mm，工作台上面安装有五个位于同一中心线的下压盘，下压盘通过螺钉固定在工作台上，能同步监测1～5个试件的单轴承载能力；下压盘的上端直径为150mm，下端直径为300mm。4.根据权利要求1所述的扰动影响下采空区单排群柱双轴承载力的测试装置，其特征在于：在竖直方向设有五组竖向力加载装置，分别固定在工作台底部，所述竖向力加载装置包括压力传感器、主加载油缸以及主加载杆，压力传感器设置在上压盘的中心，上压盘下方设有上压板，上压板与试样接触，主加载油缸控制主加载杆给上压盘施加载荷；所述压力传感器通过控制电路与微机连接，能分别精确的控制每个试件的受力状态，实现对不同试件进行速度相同和不同的加载，用于模拟试件竖向受压力均匀和受压力不均的情况。5.根据权利要求1所述的扰动影响下采空区单排群柱双轴承载力的测试装置，其特征在于：水平方向在试件两侧各设有五组横向力加载装置，固定在侧架的内部，横向力加载装置的每个横向压板连接一个横向液压推动轴，实现对不同试件进行速度相同或不同的加载，用于模拟试件横向受压力均匀和受压力不均的情况。6.根据权利要求1所述的扰动影响下采空区单排群柱双轴承载力的测试装置，其特征在于：包括了五组力扰动装置，每组力扰动装置包括扰动力传感器、扰动油缸和扰动杆，扰动荷载通过试验机顶部的扰动油缸施加，再通过扰动杆作用在试样上，对试件施加余弦波、三角波、方波形式的轴向扰动荷载。7.根据权利要求1所述的扰动影响下采空区单排群柱双轴承载力的...

【专利技术属性】
技术研发人员：史旭东，白锦文，侯水云，宋诚，崔博强，郭军，冯国瑞，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：