[发明专利]扰动影响下水平采空区多排群柱抗拉能力测试装置与方法

说明书

本发明公开了一种扰动影响下水平采空区多排群柱抗拉能力测试装置与方法。该装置包括试验机底座、机架、下加载鄂、上加载鄂、上压板、工作台、横架、主加载杆、主加载油缸、压力传感器、扰动力传感器、保护环、半球座、上压盘、定向轴承、扰动油缸、扰动杆；底座上设有四个保护环，每个保护环内部安装有一根机架，机架一端与底座连接，另一端与横架连接，一个工作台上面设有位于同一中心线的五排下加载鄂，可实现对1‑25个试件的同步拉伸。本发明可以实现多个煤、岩、充填体、混凝土、煤‑充、岩‑充试件的同步加载，可以获取扰动加载条件下水平采空区多排群柱系统的拉伸能力，得到水平采空区群柱个体之间的相互影响关系。

技术领域

本发明涉及一种扰动影响下水平采空区多排群柱抗拉能力测试装置与方法，主要适应于多个煤、岩、充填体、混凝土、煤-充、岩-充试样同步加载的装置与方法，属于采矿岩石力学试验技术领域。

背景技术

由于旧采时期开采方法的落后，我国许多矿井中形成了大量的遗留煤柱，主要包括：刀柱式遗留煤柱、房柱式遗留煤柱、条带式遗留煤柱、短壁式遗留煤柱、巷采式遗留煤柱、仓房式遗留煤柱、跳采式遗留煤柱等，其在空间上密集分布、形态各异、相互影响、错综复杂且尺寸不一，以群落的形式组合形成煤柱群。同样地，在金属矿开采时采空区中也会形成矿柱群柱，来承载覆岩载荷并保障采场的长期稳定性。

充填开采可以有效控制覆岩运动与地表沉陷。近年来，为了解决充填材料来源不足和成本较高等技术难题，部分充填、巷旁充填、条带充填、墩柱充填、局部充填、短壁充填、带状充填、间隔充填、柱旁充填、结构充填、功能充填和骨架式充填等技术方法，并在许多矿井应用推广。上述充填开采技术方法难免在采空区中留设有不同尺寸/形态的充填柱（混凝土柱），且以群柱的形式分布，组合形成了充填体群柱或混凝土群柱。

本文将上述煤柱群、矿柱群、充填柱群和混凝土群统称为“群柱”。采场群柱留设的初衷是为了承担上覆岩层荷载，并且保障采空区的长期稳定性。采场群柱的长期稳定性是一个值得关注的科学问题。然而，在覆岩载荷、扰动载荷、矿井水浸蚀、硫酸盐腐蚀、氯盐腐蚀和自然风化等耦合作用下，采场群柱的承载能力会逐渐减弱，可能引发群柱体系的失稳，导致覆岩垮塌，地表沉陷等灾害，给煤炭资源安全高效开采带来重大安全隐患。

采空区遗留群柱除了受到上覆荷载的静载之外，还会受到强烈的外界扰动作用，这些扰动作用严重威胁着工程人员的人身安全以及工程质量，传统的试验机无法研究扰动下遗留群柱的单轴承载能力。但传统的试验机只能对单个煤柱进行加载，无法对多群柱进行双轴加载，无法研究进行柱旁充填后群柱体系对上覆载荷的承担能力。

采场群柱独立个体之间存在着相互影响，覆岩载荷和扰动荷载等并非由采场单一柱体来承担，主要通过群柱体系共同进行承担。如果一个柱体局部发生失稳破坏，覆岩载荷与扰动荷载就会发生转移，进而导致相邻群柱的失稳破坏，并引发采场群柱的“多米诺骨牌”链式失稳。因此，非常有必要测试采场群柱体系的整体承载能力。目前，现场监测采场群柱的整体承载能力难以实现，只能依靠试验室小尺寸群柱试样来测试。传统的试验机只能对单个柱体试样进行加载，无法对群柱试样进行加载。

综上，亟需开发一种采场群柱整体承载能力的测试装置方法，从而获取采场群柱系统的整体承载能力，得到群柱个体之间的相互影响关系，为揭示采场群柱的链式失稳响应特征与机理奠定基础，对研发采场群柱链式失稳防控技术提供指导。聚焦水平采空区多排群柱，本发明拟提出一种扰动影响下水平采空区多排群柱抗拉能力的测试装置与方法。

发明内容

本发明旨在提供一种扰动影响下水平采空区多排群柱抗拉能力的测试装置与方法，具体是一种用于实现多个煤、岩、充填体、混凝土、煤-充、岩-充试件同步加载的装置，可以得到群柱个体之间的相互影响关系，为揭示采场群柱的链式失稳响应特征与机理奠定基础，对研发采场群柱链式失稳防控技术提供指导。