本發(fā)明涉及一種柔性加固實驗系統(tǒng)及加固方法，具體的說涉及確定煤壁片幫的寬度和深度及注漿相關(guān)參數(shù)的一種工作面煤壁柔性加固實驗系統(tǒng)及方法，本發(fā)明屬于采場煤壁片幫室內(nèi)實驗領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

煤礦開采過程中，普遍存在著煤壁片幫問題（片幫是指采煤過程中，礦井作業(yè)面、巷道側(cè)壁在壓力作用下變形，使得一部分煤體從煤壁向工作面剝落的過程），與冒頂一樣成為影響生產(chǎn)安全的主要因素。

在煤礦大采高工作面、軟煤層工作面、仰斜開采工作面以及深部開采工作面，煤壁片幫問題尤為突出，而煤壁片幫不僅會影響到安全生產(chǎn)的正常進行，同時也會對采場內(nèi)工人的人身安全造成嚴重的威脅。因此，煤壁穩(wěn)定性控制是大采高采場圍巖控制的重點。

申請?zhí)?: CN201410769492.0，發(fā)明名稱：一種工作面煤壁穩(wěn)定性控制模擬實驗臺及應(yīng)用方法，公開（公告）日 : 2015.03.25，公開了一種工作面煤壁穩(wěn)定性控制模擬實驗臺及應(yīng)用方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，其采用的是在理論分析和數(shù)值模擬以及少量的二維平面物理模型上，很少涉及通過對煤壁片幫的各個因素分析，通過實驗確定柔性加固參數(shù)?；谏鲜銮闆r，迫切需要一種工作面煤壁柔性加固實驗系統(tǒng)，達到精準測量煤壁穩(wěn)定性與采高、煤體強度、液壓支架工作阻力、頂板壓力間的關(guān)系，通過柔性注漿各參數(shù)的改變，得出控制煤壁穩(wěn)定性的措施，為現(xiàn)場治理煤壁片幫，實現(xiàn)采煤工作面安全高效開采提供實驗指導(dǎo)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種工作面煤壁柔性加固實驗系統(tǒng)及方法，該方案在研究煤壁穩(wěn)定性與采高、煤體強度、液壓支架工作阻力、頂板壓力間關(guān)系的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整柔性注漿錨桿數(shù)量、漿液數(shù)量、注漿壓力、注漿錨桿位置分布不同注漿參數(shù)，得出控制煤壁片幫的有效措施以改進公知技術(shù)中存在的缺陷。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的一種工作面煤壁柔性加固實驗系統(tǒng)，包括實驗臺、加載系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)和監(jiān)測系統(tǒng)，所述的注漿系統(tǒng)包括柔性加固錨桿和注漿泵，注漿泵的注漿管道和柔性加固錨桿一端連接，柔性加固錨桿另一端通過鉆孔伸入煤層中；監(jiān)測系統(tǒng)所述的液壓支架安裝在實驗臺靠煤壁方向的臺面上；加載系統(tǒng)安裝在液壓支架橫梁與試驗臺所屬的上方橫梁之間。

所述的柔性加固錨桿為直徑4~8mm的棕繩與5~10mm的PV管纏繞組成。

所述的注漿泵的注漿壓力為1~1.5MPa，在注漿泵的管道出口安裝有壓力表。

所述的液壓加載系統(tǒng)由千斤頂、加載橫梁和液壓泵組成，所述的千斤頂安裝在加載橫梁上方，液壓泵經(jīng)過液壓連接管和千斤頂連接，所述的加載橫梁安裝在液壓支架的支架橫梁上。

所述的監(jiān)測系統(tǒng)還包括刻度尺、裂縫探測儀和激光測距儀。

所述的液壓支架由支架橫梁、支架支撐立柱、支架固定底板和支架調(diào)節(jié)裝置組成，支架底板與試驗臺臺面連接，支架支撐力主和支架調(diào)節(jié)裝置安裝在支架底板上，支架支撐力主和支架調(diào)節(jié)裝置頂部分別和支架橫梁連接。

其試驗加固方法包括以下步驟：

第一步、實驗前檢查實驗系統(tǒng)各組成部分的可靠性；

第二步、按照幾何相似比1:6~1:18的比例，利用實驗臺把沙子、石膏、石灰、水和水泥材料配制成的煤體材料制作成煤壁；

第三步、將液壓支架安裝固定在實驗臺的煤壁前端，并做好撐，把加載板放在液壓支架和煤壁頂端，同時安裝好液壓加載系統(tǒng)；

第四步、利用液壓加載系統(tǒng)對煤壁進行分級加壓，同時利用裂縫探測儀和刻度尺測量裂縫的變化參數(shù)，利用激光測距儀測量煤壁的水平位移，同時記錄煤壁變形、破壞過程中的壓力；

第五步、在完成每次無柔性加固條件下的物理實驗以后，以與上一次實驗相同的材料配比、采高、液壓支架工作阻力、千斤頂加載壓力的基礎(chǔ)上，在煤壁破壞處打直徑為10~20mm的鉆孔，先把一種直徑的柔性錨桿放入鉆孔中，采用注漿泵對柔性錨桿進行注漿；

第六步、重新對煤壁進行逐級加壓，并利用監(jiān)測系統(tǒng)測量煤壁變形數(shù)據(jù)，通過改變?nèi)嵝约庸体^桿位置、數(shù)量和液壓泵的注漿壓力、注漿量，得出煤壁穩(wěn)定性與柔性加固參數(shù)的變化關(guān)系；

第七步、重復(fù)步驟第一步至第五步試驗，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對實驗數(shù)據(jù)進行處理, 有效確定煤壁片幫的寬度和深度，注漿加固參數(shù)；

所述的注漿加固參數(shù)包括柔性錨桿位置及直徑，注漿量及壓力。

采用本發(fā)明的技術(shù)方案，加載系統(tǒng)作用于煤壁上，用于模擬頂板壓力，柔性加固錨桿通過鉆孔打入實驗臺模擬的煤層中，通過注漿泵往煤層中注漿，注漿泵的注漿壓力為1~1.5MPa。液壓支架置放于煤壁前方，起到支護煤壁的作用；裂縫探測儀在煤壁前方測量加載過程中煤壁出現(xiàn)裂縫的寬度；激光測距儀以液壓支架后方為基準測量加載過程中煤壁片幫的深度變化，刻度尺用于測定實驗臺模擬煤層高度以及測量加載過程中煤壁出現(xiàn)的裂隙長度和煤壁片幫寬度。

本發(fā)明的柔性加固錨桿為直徑4~8mm的棕繩與5~10mm的PV管纏繞組成，在PV管上纏繞棕繩可以保護PV管外管，提高使用壽命，選擇合適大小的PV管材和棕繩，以便于柔性加固錨桿能夠輕易深入鉆孔位置。

本發(fā)明的注漿泵的注漿壓力為1~1.5MPa，在注漿泵的管道出口安裝有壓力表，注漿壓力1~1.5MPa能夠更好地實現(xiàn)注漿，壓力太小無法注入，壓力太大要溢出，安裝壓力表便于觀察注漿泵的注漿壓力。

本發(fā)明的液壓加載系統(tǒng)由千斤頂、加載橫梁和液壓泵組成，所述的千斤頂安裝在加載橫梁上方，液壓泵經(jīng)過液壓連接管和千斤頂連接，所述的加載橫梁安裝在液壓支架的支架橫梁上，通過千斤頂及液壓泵，可以給液壓支撐加壓，保證煤壁的受力支撐。

本發(fā)明的監(jiān)測系統(tǒng)還包括刻度尺、裂縫探測儀和激光測距儀，可以隨時在現(xiàn)場根據(jù)需要選擇測量儀器測量相關(guān)參數(shù)。

本發(fā)明的液壓支架由支架橫梁、支架支撐立柱、支架固定底板和支架調(diào)節(jié)裝置組成，支架底板與試驗臺臺面連接，支架支撐力主和支架調(diào)節(jié)裝置安裝在支架底板上，支架支撐力主和支架調(diào)節(jié)裝置頂部分別和支架橫梁連接，可更好的操作相關(guān)設(shè)備。

綜上所述，采用本發(fā)明的一種工作面煤壁柔性加固實驗系統(tǒng)及試驗方法可以精準測量煤壁穩(wěn)定性與采高、煤體強度、液壓支架工作阻力、頂板壓力間的關(guān)系，通過柔性注漿各參數(shù)的改變，得出控制煤壁穩(wěn)定性的措施，為現(xiàn)場治理煤壁片幫，實現(xiàn)采煤工作面安全高效開采提供實驗指導(dǎo)。

本發(fā)明具有簡單易操作，能安全、有效、經(jīng)濟地確定控制煤壁片幫的柔性加固參數(shù)，通過室內(nèi)物理實驗?zāi)苡行е笇?dǎo)現(xiàn)場實踐工作中的煤壁片幫治理問題，具有很好的推廣應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1為一種工作面煤壁柔性加固實驗系統(tǒng)示意圖；

圖2為一種工作面煤壁柔性加固實驗系統(tǒng)的實驗臺示意圖；

圖3為一種工作面煤壁柔性加固實驗系統(tǒng)的加載系統(tǒng)示意圖；

圖4為一種工作面煤壁柔性加固實驗系統(tǒng)的注漿系統(tǒng)示意圖；

圖5為一種工作面煤壁柔性加固實驗系統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)示意圖；

附圖中的標記符號說明：

1實驗臺；2加載系統(tǒng)；3千斤頂；4加載橫梁；5液壓泵；6柔性加固錨桿；7注漿泵；8注漿系統(tǒng)；9液壓支架；10刻度尺；11裂縫探測儀；12激光測距儀；13監(jiān)測系統(tǒng)。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。

本發(fā)明的一種工作面煤壁柔性加固實驗系統(tǒng)主要通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，參照圖1、2、3、4、5對本發(fā)明的實施例進行說明：

一種工作面煤壁柔性加固實驗系統(tǒng)，由實驗臺1、加載系統(tǒng)2、千斤頂3、加載橫梁4、液壓泵5、柔性加固錨桿6、注漿泵7、注漿系統(tǒng)8、液壓支架9、刻度尺10、裂縫探測儀11、激光測距儀12、監(jiān)測系統(tǒng)13。

注漿系統(tǒng)8包括柔性加固錨桿6和注漿泵7，注漿泵7的注漿管道和柔性加固錨桿6一端連接，柔性加固錨桿6另一端通過鉆孔伸入煤層中；監(jiān)測系統(tǒng)13所述的液壓支架9安裝在實驗臺1靠煤壁方向的臺面上；加載系統(tǒng)2安裝在液壓支架9橫梁與試驗臺1所屬的上方橫梁之間；柔性加固錨桿6為直徑4~8mm的棕繩與5~10mm的PV管纏繞組成；注漿泵7的注漿壓力為1~1.5MPa，在注漿泵7的管道出口安裝有壓力表；液壓加載系統(tǒng)2由千斤頂3、加載橫梁4和液壓泵5組成，所述的千斤頂3安裝在加載橫梁4上方，液壓泵5經(jīng)過液壓連接管和千斤頂3連接，所述的加載橫梁4安裝在液壓支架9的支架橫梁上。

液壓支架9由支架橫梁、支架支撐立柱、支架固定底板和支架調(diào)節(jié)裝置組成，支架底板與試驗臺1臺面連接，支架支撐力主和支架調(diào)節(jié)裝置安裝在支架底板上，支架支撐力主和支架調(diào)節(jié)裝置頂部分別和支架橫梁連接。

試驗時，實驗臺1用于模擬現(xiàn)場煤礦的實際煤層，實現(xiàn)煤壁的成型，通過刻度尺10確定所要模擬煤層的高度，煤層用通常所用的沙子、石膏、石灰、水按一定的相似比例模擬煤體材料，煤體成型以后，將液壓支架9放置在煤壁前方，對煤壁形成保護作用，在液壓支架9上方放置加載橫梁4，千斤頂3放置在加載橫梁4和實驗臺1上方的橫梁中間，通過液壓泵5使千斤頂3的壓力增大實現(xiàn)對煤壁的加壓，模擬實際煤層的頂板壓力，隨著壓力的增大，煤壁穩(wěn)定性變差，首先在煤壁出現(xiàn)裂隙，通過刻度尺10量取裂隙長度的變化，用裂縫探測儀11量取裂隙寬度的變化，裂隙最終導(dǎo)致煤壁片幫的發(fā)生，此時用刻度尺10測定煤壁片幫寬度的變化，激光測距儀12以液壓支架9后方為基準測量加載過程中煤壁片幫的深度變化。通過改變模擬煤層高度、相似材料配比、千斤頂加載壓力、液壓支架工作阻力，即可得出煤壁穩(wěn)定性在無柔性加固條件下與采高、煤體強度、液壓支架工作阻力、頂板壓力間的關(guān)系。

在完成每次無柔性加固條件下的物理實驗以后，以與上一次實驗相同的材料配比、采高、液壓支架工作阻力、千斤頂加載壓力的基礎(chǔ)上，在煤壁中通過鉆孔放置柔性加固錨桿6，用注漿泵7往柔性加固錨桿6中注漿，完成對煤壁的柔性加固。在對煤壁柔性加固之后，通過液壓泵5使千斤頂3加壓，借助刻度尺10、裂縫探測儀11、激光測距儀12完成對加載過程中裂隙長度、寬度和煤壁片幫寬度、深度的變化監(jiān)測工作，通過改變?nèi)嵝约庸体^桿6位置、數(shù)量和液壓泵7的注漿壓力、注漿量，得出煤壁穩(wěn)定性與柔性加固參數(shù)的變化關(guān)系，為解決現(xiàn)場煤壁穩(wěn)定性問題提供有效控制措施。其實驗步驟如下：

第一步、實驗前檢查實驗系統(tǒng)各組成部分的可靠性；

第二步、按照幾何相似比1:6~1:18的比例，利用實驗臺把沙子、石膏、石灰、水和水泥材料配制成的煤體材料制作成煤壁；

第三步、將液壓支架9安裝固定在實驗臺的煤壁前端，并做好撐，把加載板放在液壓支架9和煤壁頂端，同時安裝好液壓加載系統(tǒng)2；

第四步、利用液壓加載系統(tǒng)2對煤壁進行分級加壓，同時利用裂縫探測儀11和刻度尺10測量裂縫的變化參數(shù)，利用激光測距儀12測量煤壁的水平位移，同時記錄煤壁變形、破壞過程中的壓力；

第五步、在完成每次無柔性加固條件下的物理實驗以后，以與上一次實驗相同的材料配比、采高、液壓支架工作阻力、千斤頂加載壓力的基礎(chǔ)上，在煤壁破壞處打直徑為10~20mm的鉆孔，先把一種直徑的柔性錨桿6放入鉆孔中，采用注漿泵7對柔性錨桿6進行注漿；

第六步、重新對煤壁進行逐級加壓，并利用監(jiān)測系統(tǒng)13測量煤壁變形數(shù)據(jù)，通過改變?nèi)嵝约庸体^桿6位置、數(shù)量和液壓泵7的注漿壓力、注漿量，得出煤壁穩(wěn)定性與柔性加固參數(shù)的變化關(guān)系；

第七步、重復(fù)步驟第一步至第五步試驗，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對實驗數(shù)據(jù)進行處理, 有效確定煤壁片幫的寬度和深度，注漿加固參數(shù)；

注漿加固參數(shù)包括柔性錨桿位置及直徑，注漿量及壓力。

如上所述，對發(fā)明的實施例進行了詳細地說明，但是只要實質(zhì)上沒有脫離本發(fā)明的發(fā)明點及效果，都屬于侵權(quán)，本發(fā)明可以有很多的變形，這對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是顯而易見的。因此，這樣的變形例也全部包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。