一种煤矿单轴应力应变原位实验方法与流程

本发明涉及一种原位实验方法，特别是涉及一种用于煤矿岩石单轴应力应变的原位实验方法。

背景技术：

随着科学技术的发展，煤矿实验设备也得到了充分的发展，各种实验设备层出不穷，实验条件也得到了极大的改善，进行各种煤矿实验也比较便利。进行煤岩单轴应力应变实验，可以很好的反映煤矿的煤岩属性及其所处的物理环境，为探索煤矿开采特征和安全开采提供了数据基础。目前研究煤矿安全的单轴实验大多是从煤矿中取煤样或者岩样，然后加工成标准试件在室内进行单轴应力应变实验，而这一过程存在很大的人为因素和偶然误差，且运输过程会对煤岩性质有较大的影响，实验设备也会带来一定的误差，无法很好的反映煤矿真实采动下岩石的应力应变变化，因此有必要设计一种可以进行煤矿单轴应力应变的原位实验方法，以更好的为煤矿安全开采提供数据和理论支持。

技术实现要素：

为解决室内实验不能很好反映采动煤岩体应力应变特征的问题，本发明设计了一种煤矿单轴应力应变原位实验方法，包括试样，边帮煤岩掏槽，排水渠，圆柱形岩体试样，长方体承压钢板，应力探头，千分表自动检测系统，应力盒，扁平油压千斤顶。通过该实验方法得到更加真实反映现场条件的实验数据。

所述标准试样在现场进行取芯加工，用内径为50mm的钻头在实验区所在煤层钻取煤芯，选取总长度大于100mm，整体结构好，质地均匀致密的煤芯加工成尺寸为φ50mm×100mm的圆柱形岩石试样，用隔水保护薄膜将煤样包裹起来。

所述边帮煤岩掏槽是在巷道边帮开凿长宽高分别为500×500×300mm的掏槽，在掏槽的上下边界打磨出直径在150mm的平整区域，在掏槽下边界设置宽度为5mm的排水渠。

进一步地，准备好长宽均为100mm的长方体承压板，本安型锚索应力计，千分表自动检测系统和扁平油压千斤顶。

进一步地，在掏槽内平整区域从下到上分别为扁平油压千斤顶、锚索应力计应力探头、长方体承压钢板以及圆柱形试样，四者中心位于同一轴线并垂直于掏槽上下边界，总高度为300mm左右。

进一步地，所述的锚索应力计应力探头与记录盒连接。

进一步地，固定安放好千分表和外径千分尺，千分表轴线与圆柱形岩石试样轴线平行，千分表上端与试样上端面位于同一平面，测头与长方体承压钢板接触，将外径千分尺卡住圆柱形岩石试样，外径千分尺与圆柱形岩石试样接触处相切，外径千分尺轴线与圆柱形岩石试样轴线相垂直，接用千分表自动检测系统进行自动计数。

进一步地，所述的煤样用扁平油压千斤顶加压，上端面与掏槽上表面平整吻合接触。下端面与承压板平整吻合接触。

所述的一种煤矿单轴应力应变原位实验方法，其所述的千分表自动检测系统测量试样的轴向应变和环向应变(直径变化)。应力探头和记录盒实时监测采动压力变化。

本发明的优点与效果是：

本发明所述的圆柱形岩石试样为实地取样和加工，减少了运输过程和自然环境所带来的各种影响，减少了加工过程中的对煤样的二次破坏，实验结果更加真实可靠。

本发明方法为原位实验方法，在作业现场即可完场，不仅节省了人力、物力和财力，而且避免了大型实验设备所带来的各种误差，实验周期短，合理经济。

本发明方法结构简单，易操作，可以同时进行多组实验，且能够真实反映现场工作面前方支撑压力变化，可准确采集采动应力变化和煤岩变形情况，能够为煤矿安全生产提供较为准确的实验数据。其结构紧凑，成本较低，数据准确，使用范围广，具有广泛的适用性。

本发明方法使得煤样处于原岩应力中，更加符合煤层开采过程中的应力路径，更能反映出煤层开采过程中岩石破坏的过程，以及真实的蠕变时间和蠕变机制。

附图说明

图1为本发明方法的主视结构示意图；

图2为本发明方法的俯视结构示意图。

图中：1、锚索应力计应力探头，2、长方体承压钢板，3、千分表，4、圆柱形岩石试样，5、掏槽，6、外径千分尺，7、边帮围岩，8、隔水保护薄膜，9、排水渠，10、应力盒，11、扁平油压千斤顶。

具体实施方式

下面结合附图所示实施例对本发明作详细说明。

如图1所示，本发明为用于煤矿单轴应力应变原位实验的方法，主要有圆柱形岩体试样4、隔水保护薄膜8、长方体承压钢板2、锚索应力计应力探头1、扁平油压千斤顶11、千分表3和外径千分尺6组成。首先需要在煤矿巷道边帮上开挖一个500×500×300mm的掏槽5，在掏槽的上下边界中心处打磨处直径为150mm左右的平整区域，并在掏槽的下边界设置宽度为5mm的排水渠9，下边界的水均可经排水渠9流到掏槽外部。用内径为50mm的钻头在地下1000m左右钻取岩芯，然后加工成标准圆柱形岩石试样4，对试样4进行简单的打磨后用隔水保护薄膜8将试样4包裹起来。准备一长宽均为100mm的完整长方体承压钢板2，功能齐全安全可靠的锚索应力计(应力探头1和应力盒10)，性能完好的扁平油压千斤顶11，精度均能达到要求的千分表3和外径千分尺6。

首先将扁平油压千斤顶11平整稳定的放置在掏槽5的下边界平整区域，然后依次将应力探头1、长方体承压钢板2和带有隔水保护薄膜8的圆柱形岩石试样4放置在扁平油压千斤顶11的上端面，圆柱形岩石试样4与掏槽5的上边界平整吻合接触，将四者位置做略微调整，确保四者固定于掏槽5的平整区域，且四者中心位于同一轴线，轴线与掏槽上下边界平整区域相垂直。将千分表3和外径千分尺6固定，千分表3轴线与圆柱形岩石试样4轴线相平行，千分表3一端与圆柱形试样4上端面位于同一平面，测头一端与长方体承压钢板2上表面接触，千分表3用于测量圆柱形试样4的轴向位移。将外径千分尺6卡住圆柱形岩石试样4，其轴线与圆柱形试样4轴线相垂直，且两个接触处相切，外径千分尺6用于测量圆柱形试样4的环向变形(直径变化)，接用千分表自动检测系统进行自动计数。将应力探头1和应力盒10连接，用扁平油压千斤顶11缓慢加压至试样的初始应力水平，实时监测煤矿工作面前方所传来的采动压力，平均每天记录一次。

本发明方法可以根据不同的现场条件做出调整，而且可以根据现场研究需要监测不同时刻的应力和应变变化。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种煤矿单轴应力应变原位实验方法，通过实地取芯加工直径为50mm、高度为100mm的标准岩样，在巷道边帮开挖长宽高分别为500×500×300mm的掏槽，掏槽上下边界中心打磨出直径为150mm的平整区域用以安放实验方法。实验方法从下到上依次为扁平油压千斤顶、锚索应力计的应力探头、长方体承压钢板和圆柱形试件，将四者置于掏槽中间平整区域，并确保四者中心位于同一轴线。固定好试样，连接好应力探头和记录盒，用千斤顶加压至试样初试应力状态，实时监测压力，用千分表和外径千分尺测量试件轴向和环向的变形量，从而实现原位路径下的单轴压缩实验，解决了实验室模拟研究不能反映煤矿真实环境条件的弊端。

技术研发人员：周宏伟;王路军;郭依宝
受保护的技术使用者：中国矿业大学（北京）
技术研发日：2017.06.12
技术公布日：2017.08.01