一種全方位研究地下采礦的巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法
【專利說(shuō)明】
所屬技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及了采礦巖石力學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法，尤其涉及一種在不同采空區(qū)處理方法下采用不同采煤方法時(shí)工作面前方或者巷道兩側(cè)圍巖受載破壞過程的實(shí)驗(yàn)方法，屬于采礦工程領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室做巖石破壞實(shí)驗(yàn)時(shí)，大多是加載破壞即單軸實(shí)驗(yàn)和常規(guī)三軸實(shí)驗(yàn)，然而礦井開采工作面前方與后方等多部位巖石屬于卸壓破壞，而且工作面前方巖石破壞方式與常規(guī)卸載又存在不同，這是由于煤礦開采會(huì)引起工作面前方應(yīng)力變化，并且該應(yīng)力是個(gè)動(dòng)態(tài)變化過程。實(shí)踐表明，無(wú)論是常規(guī)三軸還是常規(guī)卸載實(shí)驗(yàn)，它們只是能夠模擬出煤礦下某個(gè)部位的巖石的受載破壞情況。
[0003]發(fā)明人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)中存在以下問題:單軸實(shí)驗(yàn)只是模擬了礦井工作面或者巷道邊墻巖石的受載破壞;常規(guī)三軸實(shí)驗(yàn)只是加壓破壞，即保持圍壓不變?cè)龃筝S壓，觀察巖石的破壞，只模擬遠(yuǎn)離巷道和工作面處不受采動(dòng)影響巖石的破壞;而常規(guī)卸載實(shí)驗(yàn)保持軸壓不變將圍壓卸載，觀察巖石破壞，只模擬了礦井處于正開挖狀態(tài)下的巖石破壞。然而工作面前方等多部位巖體的破壞與上述幾種方式存在很大不同，這就需要建立一組實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行采礦巖石力學(xué)的研究，因此本發(fā)明在原有實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了采動(dòng)應(yīng)力加卸載實(shí)驗(yàn)，結(jié)合了單軸實(shí)驗(yàn)、常規(guī)三軸實(shí)驗(yàn)和常規(guī)卸載實(shí)驗(yàn)，建立了一整套研究采礦巖石受載破壞情況的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是為研究采礦工程領(lǐng)域各部位的巖石破壞提供一種全面的實(shí)驗(yàn)研究方法。
[0005]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0006]本發(fā)明實(shí)施方式提供了一種新的采礦巖石力學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法，該方法包括如下:
[0007]所述的采礦巖石力學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于:包括單軸壓縮實(shí)驗(yàn)、常規(guī)三軸實(shí)驗(yàn)、常規(guī)卸載實(shí)驗(yàn)和采動(dòng)應(yīng)力加卸載實(shí)驗(yàn)，采動(dòng)應(yīng)力加卸載實(shí)驗(yàn)本發(fā)明中主要研究不同采空區(qū)處理下的長(zhǎng)壁和短壁采煤法，包括模擬垮落法處理采空區(qū)時(shí)長(zhǎng)壁采煤法的實(shí)驗(yàn)、模擬充填法處理采空區(qū)時(shí)長(zhǎng)壁采煤法的實(shí)驗(yàn)、模擬垮落法處理采空區(qū)時(shí)短壁采煤法的實(shí)驗(yàn)、模擬充填法處理采空區(qū)時(shí)短壁采煤法的實(shí)驗(yàn)。其中，
[0008]單軸實(shí)驗(yàn)是模擬礦井工作面或者巷道邊墻巖石的受載破壞情況;常規(guī)三軸實(shí)驗(yàn)是模擬遠(yuǎn)離巷道和工作面處巖石的受載破壞情況;常規(guī)卸載實(shí)驗(yàn)是模擬巷道掌子面和工作面剛開挖狀態(tài)時(shí)的巖石受載破壞情況;采動(dòng)應(yīng)力加卸載實(shí)驗(yàn)是模擬工作面前方50m處巖石受載破壞情況。
[0009]所述實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于:單軸實(shí)驗(yàn)是沒有圍壓時(shí)加軸壓破壞，常規(guī)三軸實(shí)驗(yàn)是保持圍壓不變加軸壓破壞，常規(guī)卸載實(shí)驗(yàn)是保持軸壓不變卸載圍壓破壞，采動(dòng)應(yīng)力加卸載實(shí)驗(yàn)是卸圍壓的同時(shí)加軸壓破壞。
[0010]所述的實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于:每組實(shí)驗(yàn)是針對(duì)礦井不同區(qū)域或位置巖石的受力方式而設(shè)計(jì)的，利用不同的實(shí)驗(yàn)方法，可全面研究礦井各個(gè)區(qū)域位置巖石的破壞行為。
[0011]所述采動(dòng)應(yīng)力加卸載實(shí)驗(yàn)的分類，其特征在于:工作面前方巖體受擾動(dòng)的劇烈程度依據(jù)采礦方法而不同。首先是垮落法處理采空區(qū)的長(zhǎng)壁采煤法采動(dòng)應(yīng)力變化最劇烈，垮落法處理采空區(qū)的短壁采煤法的采動(dòng)應(yīng)力變化次之，充填法處理采空區(qū)的長(zhǎng)壁采煤法再次之，而充填法處理采空區(qū)的短壁采煤法采用應(yīng)力影響最弱。
[0012]根據(jù)所述采動(dòng)影響實(shí)驗(yàn)的分類，其特征在于:工作面前方巖體受擾動(dòng)的劇烈程度，首先，是垮落法處理采空區(qū)時(shí)長(zhǎng)壁采煤法最明顯；其次，是垮落法處理采空區(qū)時(shí)短壁采煤法;再次，是充填法處理采空區(qū)時(shí)長(zhǎng)壁采煤法;最后，是充填法處理采空區(qū)時(shí)短壁采煤法最弱。
[0013]根據(jù)所述采動(dòng)實(shí)驗(yàn)的區(qū)別，其特征在于:首先是使用垮落法處理采空區(qū)時(shí)的長(zhǎng)壁采煤法工作面前方應(yīng)力集中最大，其次是使用垮落法處理采空區(qū)時(shí)的短壁采煤法，再次是使用充填法處理采空區(qū)時(shí)的長(zhǎng)壁采煤法，而使用充填法處理采空區(qū)時(shí)的短壁采煤法的應(yīng)力集中是最小的。
[0014]根據(jù)所述不同處理采空區(qū)的方法，其特征在于:使用垮落法處理采空區(qū)時(shí)頂板下沉較大，而且垮落的矸石所承受的上覆巖層重量少，這就導(dǎo)致了工作面前方煤體所受上覆巖層重量大；而使用充填法處理采空區(qū)時(shí)頂板變形很少，工作面前方煤體所受上覆巖層重量少;長(zhǎng)壁與短壁的區(qū)別就在于工作面長(zhǎng)度是否大于50m。
[0015]—種基于上述采礦巖石力學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于，該方法包括:
[0016]室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室通過三軸試驗(yàn)機(jī)對(duì)巖石試件進(jìn)行不同加載，卸載及其組合方案，用以模擬礦井不同區(qū)域圍巖的受載情況。通過控制卸載速率和加載速率來(lái)做變量，代表不同采空區(qū)處理方法時(shí)不同的采煤方法，與單軸實(shí)驗(yàn)、常規(guī)三軸實(shí)驗(yàn)和常規(guī)卸載實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比和統(tǒng)計(jì)，分析了礦井不同部位巖石受載破壞不同，真實(shí)的模擬了礦井各部位煤巖體采動(dòng)力學(xué)行為，再現(xiàn)了礦井各部位煤巖體所經(jīng)歷受載破壞過程。
【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1為垮落法處理采空區(qū)長(zhǎng)壁采煤法的平面圖；
[0018]圖2為充填法處理采空區(qū)長(zhǎng)壁采煤法的平面圖；
[0019]圖3為垮落法處理采空區(qū)短壁采煤法的平面圖；
[0020]圖4為充填法處理采空區(qū)短壁采煤法的平面圖；
[0021 ]圖5為不同實(shí)驗(yàn)方案下巖石加載和卸載路徑對(duì)比圖；
[0022]圖6為不同實(shí)驗(yàn)方案對(duì)應(yīng)的煤礦下巖石部位。
[0023]圖1和圖2中:1_軌道上山；2-運(yùn)輸上山；3-區(qū)段進(jìn)風(fēng)平巷;4-區(qū)段運(yùn)輸平巷;5-區(qū)段聯(lián)絡(luò)巷;6-中部車場(chǎng);7-采煤方向；8-采空區(qū)；9-采煤工作面；10-區(qū)段回風(fēng)平巷；11-上部車場(chǎng)。
[0024]圖3和圖4中:1_進(jìn)風(fēng)平巷;2-采空區(qū)；3-采煤方向；4-采煤工作面;5-回風(fēng)平巷;6-運(yùn)輸上山。
[0025]圖5中:坐標(biāo)點(diǎn)a(yh，yh)；b(0.5yh, yh)；d(0,0)o
[0026]A-常規(guī)二軸實(shí)驗(yàn);B-單軸實(shí)驗(yàn);C-常規(guī)卸載;Ml-模擬跨落法處理米空區(qū)的長(zhǎng)壁米煤法實(shí)驗(yàn);M2-模擬充填法處理采空區(qū)的長(zhǎng)壁采煤法實(shí)驗(yàn);M3-模擬垮落法處理采空區(qū)的短壁采煤法實(shí)驗(yàn);M4-模擬充填法處理采空區(qū)的短壁采煤法實(shí)驗(yàn)。
[0027]圖6中A*-符合常規(guī)三軸實(shí)驗(yàn)的巖石部位;B*-符合單軸實(shí)驗(yàn)的巖石部位;C*-符合常規(guī)卸載實(shí)驗(yàn)的巖石部位;D*-符合采動(dòng)應(yīng)力加卸載實(shí)驗(yàn)的巖石部位.。
【具體實(shí)施方式】
[0028]1、單軸實(shí)驗(yàn)是將巖石試件置于三軸實(shí)驗(yàn)機(jī)下，按照一定的加載速率加軸壓，記錄下應(yīng)力應(yīng)變曲線，觀察巖石受載破壞情況；
[0029]2、常規(guī)三軸實(shí)驗(yàn)是將巖石試件置于三軸實(shí)驗(yàn)機(jī)下，首先給巖石試件一個(gè)預(yù)應(yīng)力，然后穩(wěn)定加載圍壓至巖石取出前的狀態(tài)，即Th，之后按照一定的加載速率加軸壓，記錄下應(yīng)力應(yīng)變曲線，觀察巖石受載破壞情況；
[0030]3、常規(guī)卸載實(shí)驗(yàn)是將巖石試件置于三軸實(shí)驗(yàn)機(jī)下，首先給巖石試件一個(gè)預(yù)應(yīng)力，然后穩(wěn)定加載圍壓至巖石取出前的狀態(tài)，即yh，之后穩(wěn)定加載軸壓至巖石取出前的狀態(tài)，即Th，最后按照一定的卸載速率卸圍壓，記錄下應(yīng)力應(yīng)變曲線，觀察巖石受載破壞情況；
[0031]4、采動(dòng)影響實(shí)驗(yàn)是將巖石試件置于三軸實(shí)驗(yàn)機(jī)下，首先給巖石試件一個(gè)預(yù)應(yīng)力，然后穩(wěn)定加載圍壓至巖石取出前的狀態(tài)，即Th，之后穩(wěn)定加載軸壓至巖石取出前的狀態(tài)，即γ h，最后按照一定的卸載速率卸圍壓和一定的加載速率加軸壓模擬礦井下不同采空區(qū)處理方法時(shí)的不同的采煤方法，這里需要通過控制卸載速率和加載速率來(lái)做變量，模擬出上述4種不同采空區(qū)處理方法時(shí)的不同的采煤方法，記錄下應(yīng)力應(yīng)變曲線，觀察巖石受載破壞情況。
[0032]注:本發(fā)明只提供實(shí)施方法，不提供具體的加載速率和卸載速率。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.全方位研究地下采礦巖石力學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于:包括單軸壓縮實(shí)驗(yàn)、常規(guī)三軸實(shí)驗(yàn)、常規(guī)卸載實(shí)驗(yàn)和采動(dòng)應(yīng)力加卸載實(shí)驗(yàn)，采動(dòng)應(yīng)力加卸載實(shí)驗(yàn)本發(fā)明中主要研究不同采空區(qū)處理下的長(zhǎng)壁和短壁采煤法，包括模擬垮落法處理采空區(qū)時(shí)長(zhǎng)壁采煤法的實(shí)驗(yàn)、模擬充填法處理采空區(qū)時(shí)長(zhǎng)壁采煤法的實(shí)驗(yàn)、模擬垮落法處理采空區(qū)時(shí)短壁采煤法的實(shí)驗(yàn)、模擬充填法處理采空區(qū)時(shí)短壁采煤法的實(shí)驗(yàn)。其中， 單軸實(shí)驗(yàn)是模擬礦井工作面或者巷道邊墻巖石的受載破壞情況;常規(guī)三軸實(shí)驗(yàn)是模擬遠(yuǎn)離巷道和工作面處巖石的受載破壞情況;常規(guī)卸載實(shí)驗(yàn)是模擬巷道掌子面和工作面剛開挖狀態(tài)時(shí)的巖石受載破壞情況;采動(dòng)應(yīng)力加卸載實(shí)驗(yàn)是模擬工作面前方30-100m處巖石受載破壞情況。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于:單軸實(shí)驗(yàn)是沒有圍壓時(shí)加軸壓破壞，常規(guī)三軸實(shí)驗(yàn)是保持圍壓不變加軸壓破壞，常規(guī)卸載實(shí)驗(yàn)是保持軸壓不變卸載圍壓破壞，采動(dòng)應(yīng)力加卸載實(shí)驗(yàn)是卸圍壓的同時(shí)加軸壓破壞。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于:每組實(shí)驗(yàn)是針對(duì)礦井不同區(qū)域或位置巖石的受力方式而設(shè)計(jì)的，利用不同的實(shí)驗(yàn)方法，可全面研究礦井各個(gè)區(qū)域位置巖石的破壞行為。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述采動(dòng)應(yīng)力加卸載實(shí)驗(yàn)的分類，其特征在于:工作面前方巖體受擾動(dòng)的劇烈程度依據(jù)采礦方法而不同。首先是垮落法處理采空區(qū)的長(zhǎng)壁采煤法采動(dòng)應(yīng)力變化最劇烈，垮落法處理采空區(qū)的短壁采煤法的采動(dòng)應(yīng)力變化次之，充填法處理采空區(qū)的長(zhǎng)壁采煤法再次之，而充填法處理采空區(qū)的短壁采煤法采用應(yīng)力影響最弱。5.一種基于上述采礦巖石力學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于，該方法包括: 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室通過三軸試驗(yàn)機(jī)對(duì)巖石試件進(jìn)行不同加載，卸載及其組合方案，用以模擬礦井不同區(qū)域圍巖的受載情況。通過控制卸載速率和加載速率來(lái)做變量，代表不同采空區(qū)處理方法時(shí)不同的采煤方法，與單軸實(shí)驗(yàn)、常規(guī)三軸實(shí)驗(yàn)和常規(guī)卸載實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比和統(tǒng)計(jì)，分析了礦井不同部位巖石受載破壞不同，真實(shí)的模擬了礦井各部位煤巖體采動(dòng)力學(xué)行為，再現(xiàn)了礦井各部位煤巖體所經(jīng)歷受載破壞過程。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種全方位研究地下采礦的巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法。該方法通過實(shí)驗(yàn)室可模擬礦井下不同部位巖石的受載破壞情況，本方法通過控制卸載速率和加載速率可模擬出礦井使用垮落和充填方法處理采空區(qū)的長(zhǎng)壁與短壁采煤方法工作面前方的巖石受載破壞情況，并將它們和單軸實(shí)驗(yàn)、常規(guī)三軸實(shí)驗(yàn)及常規(guī)卸載實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較和融合，提出了地下采礦各部位巖石受載破壞情況是不同的。本發(fā)明公開的采礦巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)是根據(jù)礦井不同區(qū)域圍巖受力真實(shí)情況設(shè)計(jì)載荷路徑，模擬礦井不同區(qū)域巖石的受載破壞實(shí)驗(yàn)。本發(fā)明可有效降低實(shí)驗(yàn)誤差，解決以往常規(guī)加載破壞實(shí)驗(yàn)的缺陷，提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，最關(guān)鍵的是使得室內(nèi)實(shí)驗(yàn)與實(shí)際工程更加緊密的聯(lián)系在一起。
【IPC分類】G01N3/00
【公開號(hào)】CN105527151
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510882581
【發(fā)明人】左建平, 李永棟, 王廷征, 周宏偉, 劉建峰
【申請(qǐng)人】中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)
【公開日】2016年4月27日
【申請(qǐng)日】2015年12月3日