扰动应力下煤层采空区顶板垮塌的试验方法技术

本发明专利技术公开了一种扰动应力下煤层采空区顶板垮塌的试验方法，包括以下步骤：步骤一、试样准备；步骤二、准备多场耦合煤岩体动力灾害防控技术模拟系统安装；步骤三、施加真三轴预应力；步骤四、施加真三轴采动应力；步骤五、开启高速摄像机；对加载全过程进行可视化监测并记录；步骤六、试验结束。能进行大尺寸的采空区顶板自然垮塌模拟，模拟过程更加真实可靠，并能实现采空区顶板自然垮塌全过程的可视化监测。测。测。

【技术实现步骤摘要】
扰动应力下煤层采空区顶板垮塌的试验方法


[0001]本专利技术属于煤层开采模拟试验
，具体涉及一种扰动应力下煤层采空区顶板垮塌的试验方法。

技术介绍

[0002]现有的煤层采空区模拟试验方法主要存在以下问题：(1)所采用的模型尺寸较小，模拟采空区顶板垮塌的发展过程有一定的空间限制，不能够准确模拟顶板自然垮塌的真实场景；(2)采空区顶板垮塌的全过程不能实现可视化监测。

技术实现思路

[0003]本专利技术拟提供一种扰动应力下煤层采空区顶板垮塌的试验方法，能进行大尺寸的采空区顶板垮塌模拟，模拟过程更加真实可靠，并能实现全过程的可视化监测。
[0004]为此，本专利技术所采用的技术方案为：一种扰动应力下煤层采空区顶板垮塌的试验方法，包括以下步骤：
[0005]步骤一、试样准备；
[0006]煤样准备:选取大块原煤进行切割打磨为200mm
×
400mm
×
1000mm的长方体试件模拟煤层，其端面平整度控制在
±
0.05mm以内；
[0007]砂岩准备：选取两块砂岩分别切割打磨为100mm
×
400mm
×
1000mm的长方体试件模拟顶底板岩层，其端面平整度控制在
±
0.05mm以内；
[0008]首先将模拟底层的砂岩放入试件箱体底部，在其上表面均匀涂抹高强度环氧树脂胶粘剂，分别在原煤试样上下表面均匀涂抹高强度环氧树脂胶粘剂，然后分别将原煤试样放入试件箱与底板砂岩进行压实贴合，随后将模拟顶板层的砂岩放入试件箱内；
[0009]再将试件箱箱体吊装至转运架上；
[0010]步骤二、准备多场耦合煤岩体动力灾害防控技术模拟系统安装；
[0011]多场耦合煤岩体动力灾害防控技术模拟系统包括主体模型和转运架；所述主体模型具有真三轴模拟实验功能，包括真三轴加载系统和步骤一中的试件箱，试件箱及主体模型的外壳均采用高强度透明玻璃制成，在主体模型外安装有高速摄像机；X方向具有独立液压加载装置进行加压，最大加载压力5000kN；Y、Z两个方向均有4组独立的液压加载装置进行加压，单组液压加载装置最大加载压力3000kN，每组液压加载装置能单独控制，并实现1000mm长度方向不同作用力加载，能够更加真实地模拟地下储层三轴应力状态；
[0012]将试件箱通过转运架送入真三轴加载系统中，使试件箱体的应力加载垫块与真三轴加载系统中的压头一一对应；
[0013]步骤三、施加真三轴预应力；
[0014]根据实测的地层地应力，利用真三轴加载系统对模拟地层施加地应力，在加载应力的过程中，首先移动压头，使压头与加载垫块接触，并施加一定的预应力以达到σ
x
＝σ
y
＝σ
z
的静水压力状态，然后以阶梯型的方式逐一加载Z、Y、X三个方向应力达到预定的地应力
值；
[0015]步骤四、施加真三轴采动应力；
[0016]对Z方向力进行加载，加载选用位移加载控制或应力加载控制，直至煤层顶板发生破坏，以模拟扰动作用下的顶板塌陷；破坏后将σ
z4
卸载为0，以模拟采空区顶板的自然垮落状态；
[0017]步骤五、开启高速摄像机；
[0018]对加载全过程进行可视化监测，并记录采空区顶板自然垮落的过程；
[0019]步骤六、试验结束；
[0020]试验完成后需将力负荷卸载为零，然后将液压系统切换至低压，将试件卸下，关闭计算机及控制器，切断电源，试验结束。
[0021]作为上述方案的优选，所述主体模型包括主体高压腔模块和试件箱模块，所述主体高压腔模块为外圆内圆的高压封闭压力仓结构，由圆筒和左右圆端盖围成，试件箱模块为矩形试件容纳腔，且矩形试件容纳腔与高压封闭压力仓的轴心线共线，在主体高压腔模块与试件箱模块之间安装有垫块；试件箱模块下方的下垫块顶部左右间隔地设槽安装有一列升降器，所述升降器能突出下垫块外，也能沉入下垫块内；所述试件箱模块的底部通过衬板左右间隔地安装有一列滚轮，当试件箱模块推入主体高压腔模块内时，升降器支撑在滚轮下方。
[0022]进一步优选为，还包括用于支撑主体模型的主体架，所述主体架呈矩形框架结构，主体模型置于矩形框架结构内，且主体模型的左右两端均伸到主体架外。
[0023]进一步优选为，所述主体架的右侧设置有转运滑轨，且转运滑轨延伸到主体高压腔模块的正下方，转运滑轨的宽度小于主体架的内空宽度；转运滑轨上滑动安装有所述转运架，转运架分为试件箱升降转运架和右圆端盖转运架，试件箱升降转运架能进行升降运动，并用于支撑试件箱模块；右圆端盖转运架顶部呈弧形用于托起右圆端盖，试件箱升降转运架升起后正好能使试件箱模块水平推入主体高压腔模块内，试件箱升降转运架下降后顶部低于主体高压腔模块的底部，以便于滑入主体高压腔模块的下方，使得右圆端盖转运架能向左滑动到设定位置进行右圆端盖的安装。
[0024]本专利技术的有益效果：能进行大尺寸的采空区顶板自然垮塌模拟，模拟过程更加真实可靠，并能实现自然垮塌模拟全过程的可视化监测。
附图说明
[0025]图1为本专利技术的步骤示意图。
[0026]图2为多场耦合煤岩体动力灾害防控技术模拟系统的主体模型示意图。
[0027]图3为图1的内部左视图。
[0028]图4为试件箱的结构示意图。
[0029]图5为图4的内部左视图。
[0030]图6为加热管、控温探头、超声波探头的布置简易示图。
[0031]图7为防窜流板简易示图。
[0032]图8为试件箱装入主体高压腔模块前的状态。
具体实施方式
[0033]下面通过实施例并结合附图，对本专利技术作进一步说明：
[0034]如图1所示，一种扰动应力下煤层采空区顶板垮塌的试验方法，包括以下步骤：
[0035]步骤一、试样准备；
[0036]煤样准备:选取大块原煤进行切割打磨为200mm
×
400mm
×
1000mm的长方体试件模拟煤层，其端面平整度控制在
±
0.05mm以内；
[0037]砂岩准备：选取两块砂岩分别切割打磨为100mm
×
400mm
×
1000mm的长方体试件模拟顶底板岩层，其端面平整度控制在
±
0.05mm以内；
[0038]首先将模拟底层的砂岩放入试件箱体底部，在其上表面均匀涂抹高强度环氧树脂胶粘剂，分别在原煤试样上下表面均匀涂抹高强度环氧树脂胶粘剂，然后分别将原煤试样放入试件箱与底板砂岩进行压实贴合，随后将模拟顶板层的砂岩放入试件箱内。
[0039]再将试件箱箱体吊装至转运架上。
[0040]步骤二、准备多场耦合煤岩体动力灾害防控技术模拟系统安装；
[0041]多场耦合煤岩体动力灾害防控技术模拟系统包括主体模型和转运架；所述本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种扰动应力下煤层采空区顶板垮塌的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、试样准备；煤样准备:选取大块原煤进行切割打磨为200mm
×
400mm
×
1000mm的长方体试件模拟煤层，其端面平整度控制在
±
0.05mm以内；砂岩准备：选取两块砂岩分别切割打磨为100mm
×
400mm
×
1000mm的长方体试件模拟顶底板岩层，其端面平整度控制在
±
0.05mm以内；首先将模拟底层的砂岩放入试件箱体底部，在其上表面均匀涂抹高强度环氧树脂胶粘剂，分别在原煤试样上下表面均匀涂抹高强度环氧树脂胶粘剂，然后分别将原煤试样放入试件箱与底板砂岩进行压实贴合，随后将模拟顶板层的砂岩放入试件箱内；再将试件箱箱体吊装至转运架上；步骤二、准备多场耦合煤岩体动力灾害防控技术模拟系统安装；多场耦合煤岩体动力灾害防控技术模拟系统包括主体模型和转运架；所述主体模型具有真三轴模拟实验功能，包括真三轴加载系统和步骤一中的试件箱，试件箱及主体模型的外壳均采用高强度透明玻璃制成，在主体模型外安装有高速摄像机；X方向具有独立液压加载装置进行加压，最大加载压力5000kN；Y、Z两个方向均有4组独立的液压加载装置进行加压，单组液压加载装置最大加载压力3000kN，每组液压加载装置能单独控制，并实现1000mm长度方向不同作用力加载，能够更加真实地模拟地下储层三轴应力状态；将试件箱通过转运架送入真三轴加载系统中，使试件箱体的应力加载垫块与真三轴加载系统中的压头一一对应；步骤三、施加真三轴预应力；根据实测的地层地应力，利用真三轴加载系统对模拟地层施加地应力，在加载应力的过程中，首先移动压头，使压头与加载垫块接触，并施加一定的预应力以达到σ
x
＝σ
y
＝σ
z
的静水压力状态，然后以阶梯型的方式逐一加载Z、Y、X三个方向应力达到预定的地应力值；步骤四、施加真三轴采动应力；对Z方向力进行加载，加载选用位移加载控制或应力加载控制，直至煤层顶...

【专利技术属性】
技术研发人员：王满，张东明，王英伟，余北辰，焦继红，肖伟晶，杜苇航，孙智勋，刘帅涛，李新建，谢潇，
申请(专利权)人：重庆大学中国平煤神马控股集团有限公司，
类型：发明
国别省市：