[发明专利]一种约束条件下煤体受载特性影响模拟实验装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种模拟受载煤体特性实验装置及方法，具体涉及一种约束条件下煤体受载特性影响模拟实验装置及方法，属于煤体力学实验领域。

背景技术

我国地下煤炭开采方法主要采用长壁工作面采煤法，即将采区的煤体沿走向或倾向划分成多个长壁工作面，然后依据事先规划好的次序分别将每个长壁工作面的煤炭采出。工作面的煤炭被采出形成采空区，当对临近工作面的煤炭进行开采时，首先需要沿着采空区开掘巷道，如图1所示，现阶段常通过沿空掘巷留设小煤柱的方法在煤体4中沿着采空区1留设小尺寸煤柱2，因其布置在支承压力降低区，且小煤柱2隔断了掘进巷道3与采空区1联系，避免巷道的漏风和采空区积水进入巷道3，具有节约煤炭资源，回采巷道安全稳定等诸多优点，得到了广泛的推广应用。

留设小煤柱沿空掘巷时，不同位置的煤体会承受着不同的应力状态，以研究对象不同，现分为三部分，如图1所示，取规则长方体煤柱21作为研究对象，长方体煤柱21顶部受到上覆岩层压力，底部受到底板支撑，同时由于留设的煤柱2一侧靠近采空区1一侧靠近巷道3，会形成左右两侧的自由面，这两个自由面在无支护条件下，不承受力的作用，前后两侧受内部煤体支撑作用。取规则长方体掘进工作面煤体31作为研究对象。该部分顶部受到上覆岩层压力，底部受到底板支撑，掘进工作面前面上形成自由面，不承受力的作用，左右两侧及后侧受内部煤体支撑作用。取规则长方体实体煤41为研究对象，在靠近巷道侧会形成自由面，在无支护条件下，不承受力的作用，顶部受到上覆岩层压力，底部受到底板支撑，前后两侧及右侧受内部煤体支撑作用。由此可见，对不同部位的煤体，其承载性能由于受侧限原因将有很大的不同，研究相关部分约束条件下的煤体承载特性影响对煤柱、掘进工作面、煤壁稳定控制意义十分重要。

煤岩石(体)力学实验一直是人们认识岩石(体)在不同外力作用下的应力状态、应变状态和破坏特征等力学特性的主要手段，它是解决工程技术问题的基础。现阶段对煤试样强度的研究多用单轴压缩试验、三轴压缩试验来间接反映煤体承载性能。但单轴压缩是非侧限压缩，这与上述分析的煤体的三种实际赋存状态不符，难以真实反映在有约束条件下的煤体受载状态。三个研究对象都存在着在的一个或两个自由面且在巷道表面，远离围岩深部，应力降低明显，不具有原岩应力，仅存在限制煤体松散变形的约束力。因此，三轴压缩所包括的假三轴实验因采用圆柱状试件仅能保证围压一致，难以反映多个自由面状态而与实际状态不符，真三轴实验因多用于形成高地压的原岩应力状态且设备昂贵、操作复杂，难以实现快速低成本低约束的大量实验数据，以上都缺乏相关反映煤体真实赋存状态的约束条件下煤体受载特性研究进展。

此外，由于实验的煤体材料应采用立方体煤试样，原煤在加工该类煤样过程中易产生破损，难以成型，多采用制作型煤来代替原煤试样，该过程需一套煤体成型设备，提高了实验成本和增加了过程的复杂程度，缺乏既能煤体成型又能模拟约束条件下煤体承载特性的可重复利用的实验装置。

综上所述，研究约束条件下的煤体承载特性影响对煤柱、掘进工作面、煤壁稳定十分重要，在研究煤试样受压试验反映煤体承载性能实验上，还存在着煤体约束条件难创造，可控的自由面难形成，难以反映现场煤体实际约束与受载情况，煤体成型与加载装置关联性差，实验成本高等较多问题，目前还没有在约束条件下的煤体受载特性影响的相关实验装置和方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种约束条件下煤体受载特性影响模拟实验装置及方法，可以用于煤体成型并模拟约束条件下煤体受载特性，简单快速低成本，可重复利用，便于研究约束对煤体的影响规律。

为实现上述目的，本发明采用的一种约束条件下煤体受载特性影响模拟实验装置包括：底座、挡板、刚箍、压头；

底座为矩形底座，该底座上设置有与底座四边分别平行的四个凹槽，该四个凹槽依次首尾相连形成矩形边框，所述凹槽深度不小于10mm、宽度不小于5mm；

所述挡板有四个、其厚度与所述凹槽宽度配合、其长度分别与四个所述凹槽配合、其高度相等；

所述钢箍为矩形钢箍、其下部尺寸与所述凹槽形成的矩形边框外尺寸相配合、其上部向内突出形成凸起部，该凸起部的突出高度不大于所述挡板的厚度；

所述压头底面与所述凹槽形成的矩形边框内尺寸相配合，该压头上端设有销钉孔，压头通过该销钉孔安装在压力机上。

优选地，所述底座为正方形底座，四个所述凹槽长度相等、形成的矩形边框为正方形边框，所述挡板高度大于所述凹槽长度。

优选地，所述挡板外表面设有把手。