[发明专利]弱胶结岩体结构重组恒温恒湿高压再生装置及方法

说明书

本发明公开的一种弱胶结岩体结构重组恒温恒湿高压再生装置及方法，属于岩石力学试验技术领域。包括高压同步加载系统，高压同步加载系统包括吊梁支架与应力加载模块，吊梁支架包括六条加载主梁，每条加载主梁上均设有应力加载模块，每个应力加载模块下方匹配设有对应的高压同步加载系统，每个高压同步加载系统内设有模具装载模块，每个模具装载模块上设有恒湿控制模块和恒温控制模块；恒温恒湿箱内部的监测探头可实时反馈湿度、温度信息给集成控制器，其计算后下达指令给对应调节模块，确保试验过程中的湿度和温度在一定阈值之内。该装置具有加压精度高、对岩石重组效果好、变荷载高固结、同步独立加载、恒温恒湿等优点。

技术领域

本发明涉及一种弱胶结岩体结构重组恒温恒湿高压再生装置及方法，属于岩石力学试验技术领域。

背景技术

随着国民经济的飞速发展，生产对煤炭资源的依赖逐步增加，在我国中东部地区煤炭资源基本趋于枯竭的大前提下，矿井开采逐渐由浅部向深部、由东部向西部发展。由于特殊的成岩环境和沉积过程，西部矿区广泛分布着中生代侏罗系、白垩系弱胶结地层。由于西部地区特殊的成岩沉积环境，造成弱胶结岩石的成岩时间晚、胶结差、强度低、易风化、遇水泥化崩解，这类岩石强度较低、极易被风化是一类特殊的软岩。由于这类弱胶结岩石性质的特殊性，在西部矿区煤系地层中常呈现出“煤层顶底板岩层强度低于煤层强度”的特殊现象。一般弱胶结岩石中富含蒙脱石、伊利石、高岭石等粘土矿物，遇到水短时间内会发生泥化、崩解现象，这使得岩石的占有空间会有所增加，体积急速地膨胀也会带来巷道围岩自承载能力极低、自稳能力差、自稳时间短等不良后果。目前工况上最大的困难还在于对该类岩体的支护方面，因为弱胶结岩体结构性同样很差，无法实施有效的锚杆、锚索等主动支护方式；巷道开挖后易出现大变形、强底臌、冒顶等工程灾害问题，严重影响矿井建设与安全高效生产。

现有的弱胶结岩体领域研究主要针对软岩力学理论、软岩本构模型、软岩巷道围岩变形破坏机理与控制技术等方面，但由于弱胶结岩体的研究中存在一系列的难题(因弱胶结岩体的胶结性极差、强度较低，造成该类软岩极为破碎，即使岩样受到较小扰动也易碎裂，很难或几乎不可能将岩块或大直径圆柱体岩样通过取芯做成标准岩样；在试验时采用大直径岩样，由于这类岩样采用地质钻取芯获得，造成岩样表面粗糙极为不光滑，并且岩样直径有变异，这都对试验结果产生极为不利的影响，造成试验结果离散性较大，大部分岩样的试验结果根本不能使用，试验成功率极低；以上这些因素造成了弱胶结岩体试验数据较少，这也是目前对弱胶结岩体相关研究涉及甚少的主要原因。)，亦造成目前对弱胶结岩体的基本物理与力学性质试验的相关研究涉及甚少，工程界又对弱胶结岩体的基本物理性质的认识还不够，目前尚未形成成熟且统一的理论系统，也未能开展更多弱胶结岩体相关的基础试验研究；再加上弱胶结地层巷道围岩变形破坏特点与普通软岩巷道有所不同，对其变形破坏机理认识不清，导致支护设计缺乏可靠理论依据，常造成弱胶结地层巷道支护失败。

岩石破坏后仍具有一定的承载力，在一定的支护(约束)条件下充分利用这一承载特征，可提高巷道围岩与支护结构的稳定性。弱胶结岩体中粘土矿物成分含量较高，胶结程度较差，胶结物为泥质胶结，对水敏感，可塑性强。故在一定应力与含水率条件下，采用可行的试验装置，可利用破坏后的弱胶结岩体形成具有一定承载力的再生结构，对发挥围岩的自承载力具有重要意义。可借鉴土工试验方法，研制弱胶结岩体再生结构形成试验装置及方法，探讨在一定应力与含水率等条件下弱胶结岩体再生结构的形成过程。由于现有的单轴或三轴试验机没有足够的试验空间或合适的加载量程，无法有效地进行弱胶结岩体再生结构的形成试验，故需要自主研制弱胶结岩体再生结构形成试验装置与制定相关试验方法，以满足试验要求。因此，为深入研究弱胶结岩体的物理力学特性，为弱胶结地层巷道支护设计提供基础数据，需为巷道支护工程设计提供较为可靠且能探究弱胶结岩体结构重组性质的试验装置。

弱胶结岩体物理性质是在于其胶结程度差、强度低、易风化、遇水泥化崩解，再加上其本身为矿物颗粒的集合体，组成成分和结构特征复杂，非均匀性明显。但是岩石变形破坏是一个分阶段渐进破坏过程，破坏后仍具有一定的承载能力；弱胶结岩体中粘土矿物成分含量较高，胶结程度较差，胶结物为泥质胶结，对水较为敏感，可塑性较强。