[发明专利]一种用于测试沿空留巷稳定性的实验装置及测试方法

摘要

本发明涉及一种用于测试沿空留巷巷帮充填墙体及巷道底板稳定性的实验装置及测试方法，其包括用于填充模拟材料的实验架，实验架上部设置顶部钢梁，下部设置有底部槽钢，顶部钢梁下方的实验架设置有固定梁，固定梁的一端铰接有一加压梁，加压梁的另一端设置有加压机构，加压机构根据断裂拱内的岩梁断裂后对充填墙体的作用力对加压梁施加压力。在实验装置尺寸受限制的条件下，将巷旁充填墙体及所留巷道的模型尺寸放大，可以对巷旁充填墙体及底板岩石的位移及破坏过程进行细致的监测，避免了现有的模拟系统由于模拟比例尺太大、巷旁充填墙体模型尺寸太小而造成的变形不易监测等问题。

主权项

一种沿空留巷稳定性的测试方法，其包括以下步骤：步骤一，根据工作面上覆岩层柱状图、岩层力学参数、工作面宽度确定上覆岩层断裂拱高度以及拱内岩梁个数，各岩梁厚度，各岩梁周期来压步距，其中上覆岩层断裂拱高度为工作面宽度的1/2；各岩梁周期来压计算方程式：$C=\sqrt{\frac{m_e\[{\mathrm{\δ}}_t\]}{3{\mathrm{\γ}}_E}};$其中，C为岩梁周期来压步距，m_e为岩梁平均厚度，[δ_t]为岩梁抗拉强度，γ_E为岩石容重；步骤二，根据采场地质与开采参数，计算煤壁中内应力场范围，以确定模型中位于固定梁与加压梁之间铰接轴外侧的煤层宽度S₂；内应力场宽度计算方程式为：$S_0=\sqrt{\frac{2C_i{H}_g{S}_1}{K_{max}H}};$其中：c_i为基本顶周期来压步距，H_g为断裂拱高度，S₁为支承压力高峰区距煤壁距离，Kmax为应力集中系数，H为采深；S₂＝S₀×k₂；其中：S₂为固定梁与加压梁之间铰接轴外侧的煤层宽度，S₀为内应力场宽度，k₂为几何相似比；步骤三，根据上覆岩层中断裂拱内岩梁个数，各岩梁厚度、容重，各岩梁周期来压步距，确定各岩梁在侧向开裂进而回转下沉过程中，对充填墙体施加压强；直接顶对充填墙体加载压力：$p_0=\frac{m_z{r}_z(l_1+l_2)}{l_2};$其中，l₁为巷道宽度，m_z为直接顶厚度，r_z为岩石容重，l₂为墙体宽度；第一岩梁回转下沉时，其重力由巷旁充填墙体全部承担；第一岩梁回转下沉时对充填墙体加载压力为：$p_1=\frac{C_1\×m_1\×r}{l_2};$式中：C₁为第一岩梁周期来压步距，m₁为第一岩梁层厚度，r为岩石容重，l₂为墙体宽度；第二岩梁回转下沉时，第二岩梁对充填体加载压力为：充填体为煤层、充填墙体与矸石冒落区；式中：C₂为第二岩梁周期来压步距，m₂为第二岩梁厚度，r为岩石容重，l₂为墙体宽度；第n岩梁回转下沉时，第n岩梁对充填体加载压力为：式中：C_n为第n岩梁周期来压步距，mⁿ为第n岩梁厚度；r为岩石容重，l₂为墙体宽度；当第n岩梁回转下沉时，充填墙体受力为:P_w＝P₁+P₂+P₃+……P_n；步骤四，根据采场地质条件、岩层参数及相似模拟比，确定底板岩层、煤层以及巷旁充填墙体铺设时的材料配比，铺设厚度、宽度，根据内应力场宽度及几何相似比确定模型中位于固定梁与加压梁之间铰接轴外侧的煤层宽度S₂，并在底板岩层及巷旁充填墙体内安装应力应变传感器；步骤五，根据各岩梁在回转下沉中对充填墙体加载压力P_i及相似模拟实验中应力相似比k₃，确定在实验模型中充填墙体所受压力P₃；实验模型中充填墙体所受压强为P₃＝P_i×k₃；步骤六，利用加压机构依次恒压加载，模拟各岩梁回转下沉对充填墙体施加的载荷，记录并观察巷旁充填墙体及巷道底板受力及位移状况；利用加压机构通过加载重物进行压力调节，加载重物质量确定方法为：其中：M表示加压重物重量，p₃‑‑模型中充填墙体所受压强，k₄‑‑加压杠杆压力放大系数，k₅‑‑加压梁长度L与铰接轴距充填墙体长度L₁之间的比值。