[发明专利]倾斜采空区多排群柱扰动载荷下抗拉能力测试装置与方法

权利要求书

1.一种倾斜采空区多排群柱扰动载荷下抗拉能力测试装置，其特征在于包括：试验机底座（1）、机架（2）、下压盘（3）、上压盘（4）、上滑动卡座（5）、下滑动卡座（6）、横架（7）、刻度线（16）、保护环（12）、半球座（13）、固定环（14）、固定螺栓（15）、弧形卡块（16）、固定滚轴（17）、弧形槽（18）、上加载鄂（19）、下加载鄂（20）、上压板（21）、固定块（22）、加载装置；所述加载装置由力控制装置、力扰动装置组成；

试验机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（2）底部与试验机底座（1）连接，顶部与横架（7）连接；上滑动卡座和下滑动卡座分别为半圆柱块，下滑动卡座（6）上面设有下加载鄂，下加载鄂与上加载鄂对应设置，用于固定煤柱试样；上滑动卡座上部与上压盘连接，下滑动卡座与下压盘连接；上、下滑动卡座的外缘上设有刻度线（11），能精确地调控角度，上、下滑动卡座的外侧设有固定环，用于连接上、下滑动卡座；固定环外侧设有弧形卡块，通过弧形卡块与上、下压盘的固定块连接固定；

在工作台底部设有力控制装置，所述力控制装置包括主加载杆（8）、主加载油缸（9）、压力传感器（10）；所述压力传感器通过控制电路与微机连接，分别精确地控制每个煤柱试样的受力状态；主加载杆由主加载油缸进行控制调节，实现对不同煤柱试样进行速度相同或不同的加载，用于模拟煤柱试样受力均匀和受力不均的情况；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；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，可对煤柱试样施加波形为余弦波、三角波、方波形式的轴向扰动荷载；所述加载装置通过上、下压盘作用于煤柱试样上。

2.根据权利要求1所述的一种倾斜采空区多排群柱扰动载荷下抗拉能力测试装置，其特征在于：所述的采空区倾角为-50°~50°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-充填柱组合群柱、矿柱-充填柱组合群柱、煤柱-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所述的一种倾斜采空区多排群柱扰动载荷下抗拉能力测试装置，其特征在于：

所述下滑动卡座（6）上面设有位于同一中心线上的1~5排下加载鄂（20），下加载鄂中心点位于同一直线上；上加载鄂和下加载鄂之间通过定向轴承连接，上加载鄂和下加载鄂扣合后内部形成椭圆形的空腔，用于放置试件，防止试件受偏心荷载；下加载鄂焊接在下滑动卡座上，能对1～25个试件同时进行抗拉能力测试。

4.根据权利要求3所述的一种倾斜采空区多排群柱扰动载荷下抗拉能力测试装置，其特征在于：下加载鄂的长度和宽度分别为150mm、150mm。

5.根据权利要求1所述的一种倾斜采空区多排群柱扰动载荷下抗拉能力测试装置，其特征在于：

所述固定环分别设置在上压盘与上滑动卡座之间、下压盘与下滑动卡座之间，固定环的中部设有固定螺栓，将上、下滑动卡座分别与固定环连接；

上压盘、下压盘与固定环之间通过弧形卡块连接固定，弧形卡块在上压盘与固定环之间、下压盘与固定环之间均为相同结构，弧形卡块的前、后端各设有一个固定滚轴，在上压盘的底部、下压盘的顶部分别设置固定块，固定块内设有一个内部空心的弧形槽，其空心部位用来放置弧形卡块，弧形槽的上底面和下底面分别为凹槽型面，其中每个小凹槽对应的圆心角为2°，固定滚轴位于弧形槽的上底面和下底面之间，通过旋转固定滚轴与弧形槽配合，调控装置旋转角度，模拟倾斜采空区的倾斜角度。

6.一种倾斜采空区多排群柱扰动载荷下抗拉能力测试方法，采用权利要求1~5任一项所述的一种倾斜采空区多排群柱扰动载荷下抗拉能力测试装置，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：利用矿井原有地质技术资料，借助补充勘查技术手段，全面调研待测范围内倾斜采空区中遗留群柱的分布位置、形态和尺寸；

步骤二：基于步骤一获取的倾斜采空区遗留群柱的信息，确定进行试验的煤柱试样形状、尺寸以及数量；

步骤三：利用煤岩专用取芯机，借助多级变速手动给进的方式，钻取尺寸适当的试样，利用煤岩切割机将其切割打磨至试验所需的形状与尺寸；

步骤四：依次将试样安装在工作台上的下加载鄂上；

步骤五：在试件两端沿轴线方向画两条平行加载基线，将两根垫条沿着加载基线放置，通过上、下加载鄂固定；

步骤六：通过调节固定滚轴在弧形槽上位置，弧形卡块带动固定环以及上下滑动卡座进行旋转，进而将加载试样旋转至目标角度；

步骤七：装置旋转至目标角度固定后，将每个传感器上力数值清零，进行预加载；

步骤八：预加载完成后设定主加载杆的加载速度，进行加载；

步骤九：轴向加载至目标值时，根据试验需求利用扰动杆施加轴向的扰动荷载；

步骤十：施加扰动荷载之后继续施加轴向荷载，直至多排试样发生失稳或满足试验要求后停止加载；

步骤十一：加载完成后，通过液压油缸控制液压推动轴进行卸载，完成试验。