[发明专利]煤矿老采空区冒落带破碎岩体二次变形压实模拟实验方法

说明书

技术领域

本发明涉及试验方法，尤其涉及一种煤矿老采空区冒落带破碎岩体在外加荷载及与水耦合条件下产生二次变形压实模拟实验方法。

背景技术

煤炭资源的地下开采必然形成煤矿老采空区和上覆岩体的冒落。实践证明，煤层在开采结束后经过了长时间自然压实,老采空区及其上覆岩体会逐渐压实稳定，但实际上冒落带中依然存在大量残留裂隙空间。

当整个矿井开采结束或矿中的某个开采水平开采结束后，开采区内的地下水位会逐渐恢复。有些已基本稳定的沉陷区下部采空区岩体因地下水的作用，有可能会使原本处于相对平衡状态下的区域出现“活化”，使裂隙带岩体再软化压密，上覆岩体产生二次变形导致采空区上方地表出现二次沉陷，从而危及老采空区上方建(构)筑物的安全。老采空区因后期充水、荷载作用下导致冒落岩体软化后受压变形是老采空区“活化”的特征之一。为了研究老采空区的“活化”机理，研究采空区在荷载和充水条件下破碎岩体二次变形的规律，同时对于合理利用老采空区上方采煤塌陷区土地资源，提高土地利用率、缓解矿区土地资源紧张局面和保障老采空区上方地表建筑物安全方面具有重要指导意义。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种煤矿老采空区冒落带破碎岩体二次变形压实模拟实验方法，即煤矿老采空区冒落带破碎岩体在外加荷载及与水耦合条件下产生二次变形压实模拟实验方法，模拟在荷载和充水条件下采空区冒落带破碎岩体二次变形的环境，研究破碎岩体变形特征机理。

本发明是这样实现的，一种煤矿老采空区冒落带破碎岩体二次变形压实模拟实验方法，其采用模拟实验装置进行试验，该模拟实验装置包括底座、筒体、筒盖、活塞、多个电阻压力应变器、位移传感器、数据采集器；该筒体安装在该底座上，该筒盖密封该筒体的一端，该活塞安装在该筒体的另一端而能由该筒体导引在该筒体内来回做活塞运动；该筒体、该筒盖、该活塞三者构成仪器缸体，该仪器缸体用于收容实验物；该筒盖开设有注水口，该位移传感器安装在该活塞面向该筒体外部的一侧上，该多个电阻压力应变器收容在该仪器缸体内且均匀分布，该数据采集器电性连接该多个电阻压力应变器与该位移传感器；该模拟实验方法包括以下步骤：

一、现场取样，在煤层采空区内采集粒径块度不同的顶板冒落煤矸石样品，同时对样品的粒径进行丈量、测算不同粒径矸石样品混合比率及混合规律以得到测算结果，并按该测算结果进行相似比率取样若干块；

二、岩样选取，按照步骤一的测算结果确定实验样品的级配，实验采用的破碎岩体粒径级配与老采空区现场实际破碎岩体级配接近；

三、电阻压力应变器的放置，将该多个电阻压力应变器均匀分布、固定于不同位置及尺寸的岩体表面；

四、外加荷载和注水量计算，外加荷载大小根据采空区上部覆岩各岩层物理性质计算而得，如公式（1）所示，若老采空区上方地表建有构筑物，还需对构筑物荷载进行估算，综合计算得出实验压力总荷载量，拟定实验压力初始值及压力递增量，从而确定实验组数；每次注水量根据填充岩石重量和容重算出体积，得出该仪器缸体的剩余体积，确定总注水量体积，拟定初次注水量及注水量递增量，从而确定注水次数；

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其中：

Y—各岩层岩体容重，单位g/cm³；

h—各岩层厚度，单位m；

g—重力加速度；

五、模拟方法：

针对上述确定的每组实验，首先对该活塞进行初始压力加载，通过该位移传感器监测岩体总压缩位移变化，通过该多个电阻压力应变器监测岩体受力变化，直到岩体压缩位移及受力趋于稳定，进行下一步操作；