[发明专利]动静荷载-酸性水耦合破碎煤岩体力学测试装置及方法

说明书

本发明公开了一种动静荷载‑酸性水耦合破碎煤岩体力学测试装置及方法。该装置包括盛装破碎煤岩体试样的不锈钢桶，钢桶内设置压头，钢桶正面设有DIC观测窗口，钢桶底部设有滤网，钢桶底座上的自动升降柱以及若干注酸水桶和磁性配重块。破碎煤岩体试样上方与压头接触，压头两侧设有磁性配重块，压头顶部带有压板，破碎煤岩体试样的顶部两端分别设有与注酸水桶连接的进水导管，自动升降柱的顶部接触压板。本发明实现了在不同稳压状态下，研究不同pH的酸性水侵蚀不同时长的破碎煤岩体的力学特性以及表面变形破坏信息观测；对确定富水矿井老空区旁区段煤柱的留设宽度、沿空掘巷煤柱宽度、确保本煤层以及邻近优质遗留煤层的安全复采具有重要意义。

技术领域

本发明涉及一种酸性矿井水侵蚀作用下破碎煤岩体力学强度劣化规律的测试装置及其试验方法，具体涉及一种可变稳压态下动静荷载-酸性水耦合作用破碎煤岩体力学特性测试装置及方法，属于煤岩破碎测试领域。

背景技术

我国是一个富煤贫油少气的国家，煤炭资源在我国能源结构中占有举足轻重的地位。近年来，随着我国经济建设的快速发展，采煤技术的不断创新，我国煤炭产量快速增长，导致煤炭储采比大幅下降。煤炭资源作为一种不可再生能源，一种战略能源，煤炭资源的可持续开采一直是重点研究内容。早期由于历史原因和开采技术所限，导致我国现有大量的优质遗留煤炭资源，将这部分优质遗煤安全高效的开采出来，可以很大程度上保证我国煤炭资源的产量并有利于我国能源供给安全。

在我国，富水矿井占有很大比例，老采空区积水现象极为普遍，其为本煤层、邻近上下优质煤层的安全复采造成巨大安全隐患。煤层开采后，顶板破碎煤岩体垮塌，且在上覆岩层下沉运动过程中不断被压缩；另一方面伴随着顶板岩层的下沉运动以及垮冒矸石被压缩，老采空区中积水也逐步增加，且其酸度亦随时间的积累不断增加。因此，这使得老空区破碎煤岩体不仅受到上覆岩层的压力而被不断压缩，且该压缩过程中亦受到不同酸度的酸性矿井水、不同侵蚀时间长度的综合影响。这种情况下，老空区破碎煤岩体的承载能力及其变形特征则显著有别于未受矿井水侵蚀的破碎煤岩体的承载能力及其变形特征。由于采空区煤矸石在酸性矿井水侵蚀作用下承载能力不断劣化，迫使上覆岩层载荷不断向采空区实体煤侧或煤柱侧转移，进而对采空区及煤柱应力分布规律产生重大影响。因此，探究并掌握不同酸度酸性水且不同侵蚀时长作用下破碎煤岩体承载能力的劣化规律，对于确定富水矿井老空区旁区段煤柱的留设宽度、沿空掘巷煤柱宽度、确保本煤层以及邻近优质遗留煤层的安全复采具有重要意义。

中国专利CN201520826300.5公开了一种含水矸石压缩试验装置，首先对矸石进行浸泡，而后对不同含水率的矸石进行压缩试验，从而得到不同含水率矸石的压缩率和受力大小关系。该装置未能实现破碎矸石的带压加载试验，即在破碎矸石承压过程中开展酸性水侵蚀，缺乏承压和酸性水同时作用的设计及实验方法；且实验所得数据仅为压力机压力和位移数据，缺乏酸性矿井水带压侵蚀破碎煤矸石力学特性及其表面变形破坏特征，未能够给出装置设计及观测方法。

中国专利CN202010304979.7公开了一种用于破碎煤岩体动静加载红外观测的试验装置和试验方法，主要对不同岩性、不同破碎程度破碎煤岩体动静加载过程中红外信息的观测测量，研究破碎煤岩体在不同应力状态以及不同气体压力条件下承压破碎煤岩体动静加载过程中内部非均匀变形与破坏特性。该装置未能实现破碎煤岩体先保压而后被酸性矿井水侵蚀的作用过程，且缺乏不同PH及不同作用时长的酸性矿井水的侵蚀过程及渗透过程的装置，未能获得对酸性矿井水侵蚀作用下破碎煤岩体的力学特性以及表面变形破坏特征。

中国专利CN201811607762.2公开了一种破碎煤岩体渗透性测试试验装置及方法，主要进行不同水体渗流试验方法来测试破碎煤岩体渗透性，并没有实现破碎煤岩体先保压而后被酸性矿井水侵蚀的作用过程，亦缺乏有效的破碎煤岩体表面变形、破坏规律的监测方法。