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CN111208009B - 砌体梁关键块体接触面应力分布形态测试方法 - Google Patents

砌体梁关键块体接触面应力分布形态测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于采矿工程顶板岩层控制技术领域；关于砌体梁关键块体回转运动接触面挤压应力分布形态及变化规律的研究较少，不能准确表征回转运动过程中的受力状态及规律，相关砌体梁铰接块体的稳定性计算存在误差，降低了理论应用于现场顶板控制的准确性，本发明提供一种砌体梁关键块体接触面应力分布形态测试方法，通过回转高度确定两个岩石试件在测试装置上的高度差，实验机对岩石试件加压模拟砌体梁结构关键块体上的载荷，岩石试件产生转动，利用薄膜应力测试仪和位移传感器检测应力分布形态和规律，以及岩石试件的位移，准确掌握砌体梁关键块体接触面应力分布形态及其演化规律，提高采煤工作面支架工作阻力的准确性和合理性。

Description

砌体梁关键块体接触面应力分布形态测试方法
技术领域
本发明涉及采矿工程顶板岩层控制领域，更具体的说，涉及一种砌体梁关键块体接触面应力分布形态测试方法。
背景技术
地下煤炭资源开采引起上覆岩层的破断运动，引起采煤工作面矿山压力显现。工作面液压支架作为采场顶板控制的主要载体，科学确定合理地确定其工作阻力是确保矿井安全高效开采的基础。伴随着采煤工作面的向前推进，采场顶板岩层发生破断，关键块体之间相互铰接并以砌体梁结构的形式发生回转运动，并最终形成稳定的砌体梁结构。与此同时，砌体梁结构关键块体的动态回转运动，形成了采煤工作面的顶板来压过程。因此，掌握关键块体的动态运动规律，以确定合理的支架工作阻力，对科学控制采场顶板具有重要意义。
然而，目前关于砌体梁结构关键块体回转运动过程中接触面挤压应力分布形态及其变化规律的研究较少，同时完整的测试方法，尚不能准确表征砌体梁结构关键块体在回转运动过程中的受力状态及其变化规律，由此造成相关砌体梁结构铰接块体的稳定性计算存在误差，也降低了理论应用于现场顶板控制实践的准确性。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种砌体梁关键块体接触面应力分布形态测试方法，该发明主要用于分析关键块体回转时接触面应力分布形态。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种砌体梁关键块体接触面应力分布形态测试方法，包括以下步骤：
步骤1. 将测试装置的底座、两个横向固定板和两个竖向固定板组装固定，结合实际采煤工作面采高、直接顶岩层累计厚度及直接顶岩层的碎胀系数，根据公式（1）确定采煤工作面顶板砌体梁结构关键块体的回转高度S；按照公式（2）和模拟实验所选取的相似比，计算获得放置岩石试件的两个回转轴的高度差ΔH，公式（1）和公式（2）如下：
S =（M+Σh i ）-K p ×Σh i （1）
ΔH= S /ζ （2）
式中，S为采煤工作面顶板砌体梁结构关键块体的回转高度；M为采煤工作面采高；K p 为采煤工作面直接顶岩层的碎胀系数；Σh i 为采煤工作的直接顶岩层累计厚度；ζ为实验相似比；ΔH为两个回转轴的高度差。
步骤2. 调节两个竖向固定板内侧的两个回转轴的高度满足步骤1计算所得的ΔH的要求，即ΔH=|H1-H2|，其中H1为第一岩石试件所在的回转轴的高度，H2为第二岩石试件所在的回转轴的高度，将测试装置放置于电液伺服万能实验机上，两个岩石试件分别放置于测试装置两个回转轴的试件支架上，第一岩石试件保持水平，第二岩石试件倾斜放置，第二岩石试件底部一侧放置于试件支架上，另一侧抵在第一岩石试件1侧面下端，使两个岩石试件接触，调节电液伺服万能实验机使加载横梁下移至距离岩石试件顶部5~10cm的位置后停止下移。
步骤3. 在两个岩石试件的任一接触面上，通过液体胶粘结薄膜应力测试仪，并将薄膜应力测试仪与计算机连接，薄膜应力测试仪对两个岩石试件之间接触面的应力分布形态及变化进行检测；带拉绳的位移传感器固定于底座上表面，位移传感器的拉绳的一端连接在第一岩石试件底部，位移传感器实时记录第一岩石试件在回转过程中的位移，位移传感器与计算机连接，位移传感器的测量数据传输至计算机中。
步骤4. 调节电液伺服万能试验机的加载横梁下移至岩石试件加载盘与第一岩石试件接触，通过加载横梁底部的岩石试件加载盘对第一岩石试件加压，通过电液伺服万能实验机设置不同的加载压力值，模拟砌体梁结构关键块体上的载荷大小；在压力作用下，岩两个岩石试件分别以靠近自身的回转轴为轴转动，通过薄膜应力测试仪实时记录两个岩石试件的接触面受到压力挤压时的应力分布形态及变化，位移传感器记录第一岩石试件的位移，并将薄膜应力测试仪和位移传感器所测数据传输至计算机中存储并显示。
进一步，岩石试件为切割成的矩形岩石试件，且两个岩石试件形状相同。
进一步，岩石试件在测试过程中，其顶部高于竖向固定板顶部。
进一步，回转轴固定焊接两个支撑岩石试件的试件支架，试件支架包括合页和角钢，合页焊接在角钢外侧。
进一步，两个竖向固定板内侧沿竖直方向等间距设置若干卡位环，卡位环分为两列在竖向固定板的竖直边缘处。
综上所述，发明具有以下有益效果：
本发明能够准确掌握工作面顶板砌体梁结构关键块体接触面应力分布形态及其演化规律，提高采煤工作面支架工作阻力的准确性和合理性。
附图说明
图1为本发明的测试装置结构示意图；
图2为本发明的操作示意图。
图中：1-第一岩石试件，2-竖向固定板，3-卡位环，4-回转轴，5-固定板限位孔，6-横向固定板，7-底座，8-底座限位孔，9-定位螺栓，10-合页，11-角钢，12-薄膜应力测试仪，13-拉绳位移传感器，14-计算机，15-第二岩石试件，16-岩石试件加载盘，17-加载横梁，18-电液伺服万能试验机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1~2所示，一种砌体梁关键块体接触面应力分布形态测试方法，包括以下步骤：
步骤1. 将测试装置的底座7、两个横向固定板6和两个竖向固定板2组装固定，底座7放置在电液伺服万能实验机18上，两个竖向固定板2保持竖直分别放置在两个横向固定板6上，且两个竖向固定板2平行，两个横向固定板6通过定位螺栓9固定在底座7上表面；结合实际采煤工作面采高、直接顶岩层累计厚度及直接顶岩层冒落矸石的碎胀系数，根据公式（1）确定采煤工作面顶板砌体梁结构关键块体的回转高度S；而后按照公式（2）和模拟实验所选取的相似比，计算获得两个岩石试件的高度差ΔH，公式（1）和公式（2）如下：
S =（M+Σh i ）-K p ×Σh i （1）；
ΔH= S /ζ （2）；
式中，M为采煤工作面采高；K p 为采煤工作面直接顶岩层碎胀系数；Σh i 为采煤工作直接顶岩层累计厚度，根据采煤工作面的实际工作环境确定上述参数；ζ为实验相似比，按实际采煤工作面的条件进行等比例缩小，便于进行科学研究，同一个研究对象可以有不同的相似比，通常取值为100、150、200，即实验测试环境与实际工作环境比例为1:100、1:150、1:200；S为采煤工作面顶板砌体梁结构关键块体的回转高度；ΔH为测试装置的两个回转轴4的高度差。
步骤2. 调节两个竖向固定板2内侧的两个回转轴4的高度满足步骤1中计算所得的ΔH的要求，即ΔH=|H1-H2|，其中：H1为第一岩石试件1所在的回转轴4的高度，H2为第二岩石试件15所在的回转轴4的高度，两个竖向固定板2内侧沿竖直方向等间距设置若干卡位环3，卡位环3分为两列固定在竖向固定板2的竖直边缘处，回转轴4的高度通过两个竖向固定板2内侧的高度不同的卡位环3进行调节，每个回转轴4固定焊接两个支撑岩石试件的试件支架，试件支架包括合页10和角钢11，合页10焊接在角钢11外侧，将测试装置放置于电液伺服万能实验机18上，两个岩石试件分别放置于测试装置两个回转轴4的试件支架上，两个岩石试件为切割成的矩形岩石试件，且两个岩石试件形状相同，使两个岩石试件接触，如图1所示，第一岩石试件1保持水平，第二岩石试件15倾斜放置，即第二岩石试件15底部一侧放置于试件支架上，另一侧抵在第一岩石试件1侧面下端，两个岩石试件更换位置不影响接触面的应力测试；调节电液伺服万能实验机18使加载横梁17下移至距离岩石试件顶部5~10cm的位置后停止下移，在岩石试件侧面进行薄膜应力测试仪12固定粘贴和薄膜应力测试仪12线路连接时，利用预留的5~10cm高度的剩余空间便于操作，可根据实际情况适当增大或减小。
步骤3. 在两个岩石试件的任一接触面上，通过液体胶粘结薄膜应力测试仪12，薄膜应力测试仪12的固定粘结位置没有限制，固定在第一岩石试件1或者第二岩石试件15的接触面均符合要求，将薄膜应力测试仪12与计算机14连接，薄膜应力测试仪12的检测数据传输至计算机14，薄膜应力测试仪12对两个岩石试件之间接触面的应力分布形态及变化进行检测；带拉绳的位移传感器13固定于底座7上表面，位移传感器13的拉绳的一端连接在第一岩石试件1底部，位移传感器13实时记录第一岩石试件1在回转过程中的位移，位移传感器13与计算机14连接，位移传感器13的测量数据传输至计算机14中。
步骤4. 调节电液伺服万能试验机18的加载横梁17下移至岩石试件加载盘16与第一岩石试件1接触，通过加载横梁17底部的岩石试件加载盘16对第一岩石试件1加压，通过电液伺服万能实验机18设置不同的加载压力值，模拟砌体梁关键块体上的载荷大小；在加压过程中，岩石试件的顶部高于竖向固定板2的顶部，避免岩石试件加载盘16对岩石试件加压时，竖向固定板2承受部分压力，导致接触面应力变化不准确的问题；在压力作用下，岩石试件与支撑自身的试件支架和回转轴4可当作一个整体，等同于两个岩石试件分别以支撑自身的回转轴4为轴，受到压力后，两个岩石试件进行转动，两个岩石试件的接触面在转动过程中应力产生变化，通过薄膜应力测试仪12实时记录两个岩石试件的接触面受到压力挤压时的应力分布形态及变化，位移传感器13记录第一岩石试件1在受压时产生的位移，薄膜应力测试仪12和位移传感器13所测的数据传输至计算机14中存储并显示，所测数据用于相关砌体梁结构铰接块体的研究。
本发明中所用的位移传感器13型号为ZHLS125-1M，薄膜应力测试仪12选用Tekscan I-Scan，也可以选用能够实现检测位移和应力测试的其他型号的仪器。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种砌体梁关键块体接触面应力分布形态测试方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1. 将测试装置的底座（7）、两个横向固定板（6）和两个竖向固定板（2）组装固定，结合实际采煤工作面采高、直接顶岩层累计厚度及直接顶岩层的碎胀系数，确定采煤工作面顶板砌体梁结构关键块体的回转高度S和放置岩石试件的两个回转轴（4）的高度差ΔH，计算方式如下：
S =（M+Σh i ）-K p ×Σh i
ΔH= S /ζ
式中，S为采煤工作面顶板砌体梁结构关键块体的回转高度；M为采煤工作面采高；K p 为采煤工作面直接顶岩层的碎胀系数；Σh i 为采煤工作的直接顶岩层累计厚度；ζ为实验相似比；ΔH为两个回转轴（4）的高度差；
步骤2. 调节两个竖向固定板（2）内侧的两个回转轴（4）的高度满足步骤1计算所得的ΔH的要求，即ΔH=|H1-H2|，其中H1为第一岩石试件（1）所在的回转轴（4）的高度，H2为第二岩石试件（15）所在的回转轴（4）的高度，将测试装置放置于电液伺服万能实验机（18）上，两个岩石试件分别放置于测试装置两个回转轴（4）的试件支架上，第一岩石试件（1）保持水平，第二岩石试件（15）倾斜放置，第二岩石试件（15）底部一侧放置于试件支架上，另一侧抵在第一岩石试件（1）侧面下端，使两个岩石试件接触，调节电液伺服万能实验机（18）使加载横梁（17）下移至距离岩石试件顶部5~10cm的位置后停止下移；
步骤3. 在两个岩石试件的任一接触面上，通过液体胶粘结薄膜应力测试仪（12），并将薄膜应力测试仪（12）与计算机（14）连接，薄膜应力测试仪（12）对两个岩石试件之间接触面的应力分布形态及变化进行检测；带拉绳的位移传感器（13）固定于底座（7）上表面，位移传感器（13）的拉绳的一端连接在第一岩石试件（1）底部，位移传感器（13）实时记录第一岩石试件（1）在回转过程中的位移，位移传感器（13）与计算机（14）连接，位移传感器（13）的测量数据传输至计算机（14）中；
步骤4. 调节电液伺服万能试验机（18）的加载横梁（17）下移至岩石试件加载盘（16）与第一岩石试件（1）接触，通过加载横梁（17）底部的岩石试件加载盘（16）对第一岩石试件（1）加压，通过电液伺服万能实验机（18）设置不同的加载压力值，模拟砌体梁结构关键块体上的载荷大小；在压力作用下，岩两个岩石试件分别以靠近自身的回转轴（4）为轴转动，通过薄膜应力测试仪（12）实时记录两个岩石试件的接触面受到压力挤压时的应力分布形态及变化，位移传感器（13）记录第一岩石试件（1）的位移，并将薄膜应力测试仪（12）和位移传感器（13）所测数据传输至计算机（14）中存储并显示。
2.根据权利要求1所述的砌体梁关键块体接触面应力分布形态测试方法，其特征在于：所述岩石试件为切割成的矩形岩石试件，且两个岩石试件形状相同。
3.根据权利要求1所述的砌体梁关键块体接触面应力分布形态测试方法，其特征在于：所述岩石试件在测试过程中，其顶部高于竖向固定板（2）顶部。
4.根据权利要求1所述的砌体梁关键块体接触面应力分布形态测试方法，其特征在于：所述回转轴（4）固定焊接两个支撑岩石试件的试件支架，试件支架包括合页（10）和角钢（11），合页（10）焊接在角钢（11）外侧。
5.根据权利要求1所述的砌体梁关键块体接触面应力分布形态测试方法，其特征在于：所述两个竖向固定板（2）内侧沿竖直方向等间距设置若干卡位环（3），卡位环（3）分为两列在竖向固定板（2）的竖直边缘处。
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