CN109488281A - 一种室内覆岩离层变形探测装置及其评价方法 - Google Patents

一种室内覆岩离层变形探测装置及其评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及岩石变形探测技术领域，公开了一种室内覆岩离层变形探测装置及其评价方法，装置包括：煤层底板、煤层、岩层相似材料、重力加载装置、多块薄型钢板、多个勾形装置、多个应变片、多个位移计、摄像机、数据处理装置和计算机，多块薄型钢板设置在岩层相似材料中的各关键层及其下方的岩层之间，多个应变片和多个位移计分别通过导线与数据处理装置相连接；计算机用于对重力加载装置的重力、数据处理装置接收的实时数据和摄像机的记录进行分析，得出岩层相似材料的极限抗拉强度，这种室内覆岩离层变形探测装置及其评价方法，可直接求出岩层的抗拉强度，可评价本装置的应用效果，相对难度较低，便于实现，有一定的指导意义。

Description

一种室内覆岩离层变形探测装置及其评价方法
技术领域
本发明涉及岩石变形探测技术领域，特别涉及一种室内覆岩离层变形探测装置及其评价方法。
背景技术
地下煤炭开采后，矿区上覆岩体原有的应力平衡遭到破坏，使岩体产生变形、位移和破坏，随着开采范围的不断增加，这种影响将发展到地面，使地表跟着移动、变形、塌陷。覆岩移动破坏过程包括四个阶段，即变形阶段、离层阶段、断裂阶段、垮落阶段。在上述四个阶段中，离层阶段在开采沉陷过程中起到了关键作用，离层的产生标志着采空区空间在覆岩中得到转移。并且不同位置覆岩破坏程度不同，以采空区顶板破坏最为严重，地表下部岩体基本只处于变形阶段，由下至上这种破坏程度逐渐减轻，引起这一现象的主要原因是由于离层的产生。所以在研究开采沉陷规律时，有必要对采动覆岩离层发展和演化规律做进一步研究。
在覆岩移动过程中，覆岩各层岩体力学性质，层厚等因素会对其产生极大的影响。在对各岩石力学参数研究的过程中，由于相关地质条件的限制等原因，一直以来对拉应力作用下岩石的力学特性研究相对较少。现有技术主要是通过岩石试件来研究岩石的抗拉强度，通常采用巴西圆盘劈裂试验测得，对采动影响下发生离层时整个岩层的极限抗拉强度的相关研究较少，巴西圆盘劈裂试验测出的值也存在很大的误差。而对于整个岩层的极限抗拉强度研究，需要寻求新的技术方法，使能够更加直观的体现出离层时岩层的力学破坏过程，这将对于实际开采更具指导意义。
发明内容
本发明提供一种室内覆岩离层变形探测装置及其评价方法，可以解决现有技术中的上述问题。
本发明提供了一种室内覆岩离层变形探测装置，包括：煤层底板、煤层、岩层相似材料、重力加载装置、多块薄型钢板、多个勾形装置、多个应变片、多个位移计、摄像机、数据处理装置和计算机，煤层设置在煤层底板上，岩层相似材料设置在煤层的上方，重力加载装置设置在岩层相似材料的上方，多块薄型钢板设置在岩层相似材料中的各关键层及其下方的岩层之间，薄型钢板的长和宽与岩层相似材料的长和宽相同，每块薄型钢板上均固定有多个勾形装置，薄型钢板通过勾形装置与岩层相似材料相固定，使薄型钢板与岩层相似材料同步运动；每块薄型钢板上均安装有多个应变片，应变片用于测量岩层从下沉到贯通裂隙或破断时应变的数值，多个位移计用于检测岩层发生扰动下沉的变形量；多个应变片和多个位移计分别通过导线与数据处理装置相连接；所述摄像机用于记录煤层的开挖程度与岩层相似材料的下沉状况；数据处理装置用于接收多个应变片和多个位移计的实时数据，计算机用于对重力加载装置的重力、数据处理装置接收的实时数据和摄像机的记录进行分析，得出岩层相似材料的极限抗拉强度。
所述岩层相似材料包括由下而上依次设置的直接顶，基本顶和交错设置的多个岩层和多个关键层，交错设置的多个岩层和多个关键层多个岩层和多个关键层包括由下而上依次设置的岩层一，关键层一，岩层二，关键层二，岩层三，关键层三和松散层，所述薄型钢板为三块，包括薄型钢板一、薄型钢板二和薄型钢板三，薄型钢板一设置在岩层一与关键层一之间，薄型钢板二设置在岩层二与关键层二之间，薄型钢板三设置在岩层三与关键层三之间，所述位移计为四个，包括第一位移计、第二位移计、第三位移计和第四位移计，第一位移计位于岩层一的底部，第二位移计位于关键层一的底部，第三位移计位于关键层二的底部，第四位移计位于关键层三的底部。
所述的多块薄型钢板，相邻两块之间通过弹性绳连接，所述应变片布置于该薄型钢板之下，位于薄型钢板的中间和两侧。
所述勾形装置由圆柱体和四个“L”型钩子组成，四个“L”型钩子分别呈90°均匀分布在圆柱体的上部轴向侧面上，圆柱体的下端与薄型钢板固定连接，四个“L”型钩子埋设在岩层相似材料中。
所述摄像机为高清摄像机，所述重力加载装置为钢制材料，可对岩层相似材料加压模拟重力环境。
一种室内覆岩离层变形探测装置的评价方法，包括以下步骤：
S1、通过重力加载装置从上部对岩层相似材料施加一定力的荷载后，使岩层相似材料压缩固结，模拟真实地质条件下的重力环境；
S2、对煤层进行匀速开挖，通过摄像机观察和记录上覆岩层相似材料的运动变化情况；
S3、通过多个位移计和多个应变片检测岩层相似材料的运动和变形，通过摄像机记录岩层相似材料运动传递的时间以及煤层开挖程度；
S4、通过数据处理装置和计算机计算得出岩层相似材料的极限抗拉强度值，计算机将计算的极限抗拉强度值和其真实值进行比较，当极限抗拉强度值和其真实值越接近，则室内覆岩离层变形探测装置的应用效果越好。
上述步骤S3中检测岩层相似材料的运动和变形的具体方法为：当岩层运动传递至岩层一时，此时岩层一下的位移计出现示数变化，开始记录其应变值的变化，直到其产生贯穿裂缝为止；当关键层一下的位移计出现示数变化时，即关键层一发生弯曲下沉，岩层二随之下沉，开始记录关键层一和岩层二的应变值，直到其产生贯穿裂缝为止；当关键层二下的位移计出现示数变化时，即关键层二开始发生弯曲下沉，岩层三随之下沉，开始记录关键层二和岩层三的应变值，直到其产生贯穿裂缝为止；当关键层三下的位移计出现示数变化时，即关键层三开始发生弯曲下沉，开始记录关键层三的应变值，直到其产生贯穿裂缝为止。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
第一，本发明通过室内相似模拟实验可直接求出岩层的抗拉强度，相对难度较低，便于实现，有一定的指导意义；第二，本发明对各岩层依次产生破断时，分析出的时间与煤层采动程度的变化规律，有助于对上覆岩层的安全防治；第三，本发明对计算得出的极限抗拉强度值和该岩层的真实值进行比较，可评价本装置的应用效果。
附图说明
图1为本发明所述的室内覆岩离层变形探测装置中上覆岩层关键层下离层开始发育的示意图；
图2为本发明所述的室内覆岩离层变形探测装置中上覆岩层关键层下离层发育过程中的示意图；
图3为本发明所述的室内覆岩离层变形探测装置中薄型钢板的轴测图；
图4为本发明所述的室内覆岩离层变形探测装置中薄型钢板侧视图。
附图标记说明：
1-煤层底板，2-煤层，3-直接顶，4-基本顶，5-岩层一，6-关键层一，7-岩层二，8-关键层二，9-岩层三，10-关键层三，11-松散层，12-重力加载装置，13-垮落岩石，14-离层空间，15-薄型钢板，16-勾形装置，17-应变片，18-导线，19-数据处理装置。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
如图1和图4所示，本发明实施例提供的一种室内覆岩离层变形探测装置，包括：煤层底板1、煤层2、岩层相似材料、重力加载装置12、多块薄型钢板15、多个勾形装置16、多个应变片17、多个位移计、摄像机、数据处理装置19和计算机，煤层2设置在煤层底板1上，岩层相似材料设置在煤层2的上方，重力加载装置12设置在岩层相似材料的上方，多块薄型钢板15设置在岩层相似材料中的各关键层及其下方的岩层之间，薄型钢板15的长和宽与岩层相似材料的长和宽相同，每块薄型钢板15上均固定有多个勾形装置16，薄型钢板15通过勾形装置16与岩层相似材料相固定，使薄型钢板15与岩层相似材料同步运动；每块薄型钢板15上均安装有多个应变片17，应变片17用于测量岩层从下沉到贯通裂隙或破断时应变的数值，多个位移计用于检测岩层发生扰动下沉的变形量；多个应变片17和多个位移计分别通过导线18与数据处理装置19相连接；所述摄像机用于记录煤层2的开挖程度与岩层相似材料的下沉状况；数据处理装置19用于接收多个应变片17和多个位移计的实时数据，计算机用于对重力加载装置12的重力、数据处理装置19接收的实时数据和摄像机的记录进行分析，得出岩层相似材料的极限抗拉强度。
如图2所示，所述岩层相似材料包括由下而上依次设置的直接顶3，基本顶4和交错设置的多个岩层和多个关键层，交错设置的多个岩层和多个关键层多个岩层和多个关键层包括由下而上依次设置的岩层一5，关键层一6，岩层二7，关键层二8，岩层三9，关键层三10和松散层11，所述薄型钢板15为三块，包括薄型钢板一、薄型钢板二和薄型钢板三，薄型钢板一设置在岩层一5与关键层一6之间，薄型钢板二设置在岩层二7与关键层二8之间，薄型钢板三设置在岩层三9与关键层三10之间，所述位移计为四个，包括第一位移计、第二位移计、第三位移计和第四位移计，第一位移计位于岩层一5的底部，第二位移计位于关键层一6的底部，第三位移计位于关键层二8的底部，第四位移计位于关键层三10的底部。
如图4所示，所述的多块薄型钢板15，相邻两块之间通过弹性绳连接，所述应变片17通过弹性绳布置于薄型钢板15之下，位于薄型钢板15的中间和两侧。
所述薄型钢板15是一种很薄且弹性很大的长方形钢板，便于安装上应变片，可以观测岩层的直接拉伸过程，记录岩层极限抗拉强度。
如图3所述所述勾形装置16包括圆柱体和四个“L”型钩子，四个“L”型钩子分别呈90°均匀分布在圆柱体的上部周向侧面上，圆柱体的下端与薄型钢板15固定连接，四个“L”型钩子埋设在岩层相似材料中。
所述摄像机为高清摄像机，所述重力加载装置为钢制材料，可对下层的相似模拟岩层加压模拟重力环境。
使用方法及工作原理：
在本发明的控制***中，岩层相似材料包括煤层2、关键层、松散层11及其他岩层，它可以模拟煤层2在逐渐开采过程中时，直接顶随之发生下沉、破裂、垮落的现象；重力加载装置12是给岩层施加一定力的荷载，模拟真实地质条件下的重力环境；薄型钢板15是由三个相同的钢板组成，钢板之间由弹性绳相连接，便于安装应变片17，薄型钢板15长宽与岩层的长宽保持一致，且薄型钢板15通过一种勾形装置16与关键层、软岩连接起来，可保持同步运动；所述勾形装置16顶部为由“L”型钩子组成，四个钩子呈90°均匀分布圆柱体顶部，下部由圆柱体和钢板相连接；应变片17布置于薄型钢板15之下，分别位于钢板的中间和两侧，用于测量岩层从下沉到贯通裂隙或破断时应变的数值；所述位移计分别安装于各岩层之间，用于检测岩层发生扰动下沉的变形量；数据处理装置19是将各个应变片17产生的不同时期的数据进行分析，得出目标岩层的极限抗拉强度。
一种室内覆岩离层变形探测装置的评价方法，包括以下步骤：
S1、通过重力加载装置从上部对岩层相似材料施加一定力的荷载后，使岩层相似材料压缩固结，模拟真实地质条件下的重力环境；
S2、对煤层2进行匀速开挖，通过摄像机观察和记录上覆岩层相似材料的运动变化情况；
S3、通过多个位移计和多个应变片17检测岩层相似材料不同岩层层位处的运动和变形，通过摄像机记录岩层相似材料运动传递的时间以及煤层开挖程度；
S4、通过数据处理装置19和计算机计算得出岩层相似材料的极限抗拉强度值，计算机将计算的极限抗拉强度值和其真实值进行比较，当极限抗拉强度值和其真实值越接近，则所述的室内覆岩离层变形探测装置的应用效果越好。
上述步骤S3中检测岩层相似材料的运动和变形的具体过程为：当岩层运动传递至岩层一5时，此时岩层一5下的位移计出现示数变化，开始记录其应变值的变化，直到其产生贯穿裂缝为止；当关键层一6下的位移计出现示数变化时，即关键层一6发生弯曲下沉，岩层二7随之下沉，开始记录关键层一6和岩层二7的应变值，直到其产生贯穿裂缝为止；当关键层二8下的位移计出现示数变化时，即关键层二8开始发生弯曲下沉，岩层三9随之下沉，开始记录关键层二8和岩层三9的应变值，直到其产生贯穿裂缝为止；当关键层三10下的位移计出现示数变化时，即关键层三10开始发生弯曲下沉，开始记录关键层三10的应变值，直到其产生贯穿裂缝为止。
使用方法及工作原理：
(1)根据实验设计的要求，建立相似模拟实验模型，在此过程中将薄型钢板固定于其对应的岩层之中，通过导线把应变片和数据处理装置连接起来；
所述的薄型钢板通过勾形装置和对应的岩层相连接，钢板能够随着岩层进行下沉或水平移动，且在运动过程中钢板不会发生破坏。
(2)从上部对整个岩层施加一定力的荷载后使岩层压缩固结，可模拟出真实地质条件下的重力环境。
(3)开始对煤层进行匀速开挖，观察上覆岩层运动变化，随时做好测量准备，高清摄像机按要求对整个岩层变化过程进行拍摄，记录岩层的变化。
(4)通过位移计对各岩层的变形进行观察并记录时间，用计算机记录岩层运动传递至各岩层时的时间以及煤层开挖程度；
当煤层推进距离为0.6m和记录时间30min时，岩层一5的位移计出现示数2cm，即覆岩运动传递至岩层一5；当煤层2推进距离为0.8m和记录时间40min时，关键层一6的位移计出现示数1cm，即关键层一6开始发生下沉；当煤层2推进距离为1.3m和记录时间65min时，关键层二8的位移计出现示数1cm，即关键层二8开始发生下沉；当煤层2推进距离为1.8m和记录时间90min时，关键层三10的位移计出现示数2cm，即关键层三10开始发生下沉。
(5)当岩层运动传递至岩层一5时，此时岩层一5下的位移计出现示数变化，开始记录其应变值的变化，直到其产生贯穿裂缝为止；当关键层一6下的位移计出现示数变化时，即关键层一6发生弯曲下沉，岩层二7随之下沉，开始记录关键层一6和岩层二7的应变值，直到其产生贯穿裂缝为止；当关键层二8下的位移计出现示数变化时，即关键层二8开始发生弯曲下沉，岩层三9随之下沉，开始记录关键层二8和岩层三9的应变值，直到其产生贯穿裂缝为止；当关键层三10下的位移计出现示数变化时，即关键层三10开始发生弯曲下沉，开始记录关键层三10的应变值，直到其产生贯穿裂缝为止。
通过高清摄像机控制岩层运动的各个时间点，得出各岩层发生破裂时与煤层采动程度之间的时间规律：当煤层推进距离为0.9m和记录时间45min时，岩层一5中出现贯穿裂缝；随着煤层推进距离的增大，岩层一5与关键层一6之间的离层空间14越来越大，当煤层推进距离为1.5m和记录时间75min时，关键层一6中发生垮落；从当煤层推进距离为1.6m和记录时间80min时，岩层2中出现贯穿裂缝；当煤层推进距离为2.0m和记录时间100min时，关键层二8中发生垮落；当煤层推进距离为2.1m和记录时间105min时，岩层三9中出现贯穿裂缝；当煤层推进距离为2.4m和记录时间120min时，关键层三10中发生垮落。
(6)通过数据处理装置准确计算出各岩层的极限抗拉强度，再对各岩层计算得出的极限抗拉强度值和其真实值进行比较，从而评价本装置的应用效果。结果如下表：
表1实施例1中评价本装置所测的抗拉强度效果
数据处理装置的计算公式原理为：
σ＝E×ε
ε——该岩层上应变片的应变值；
E——该岩层的弹性模量；
σ——该岩层的应力值。
Fb——该岩层的抗拉强度；
A——该岩层的横截面积。
根据本发明所述的方法，可以分析出各岩层依次产生贯通裂隙时的时间与煤层采动程度的变化规律。
第一，本发明通过室内相似模拟实验可直接求出岩层的抗拉强度，相对难度较低，便于实现，有一定的指导意义；第二，本发明对各岩层依次产生破断时，分析出的时间与煤层采动程度的变化规律，有助于对上覆岩层的安全防治；第三，本发明对计算得出的极限抗拉强度值和该岩层的真实值进行比较，可评价本装置的应用效果。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种室内覆岩离层变形探测装置，其特征在于，包括：煤层底板(1)、煤层(2)、岩层相似材料、重力加载装置(12)、多块薄型钢板(15)、多个勾形装置(16)、多个应变片(17)、多个位移计、摄像机、数据处理装置(19)和计算机，煤层(2)设置在煤层底板(1)上，岩层相似材料设置在煤层(2)的上方，重力加载装置(12)设置在岩层相似材料的上方，多块薄型钢板(15)设置在岩层相似材料中的各关键层及其下方的岩层之间，薄型钢板(15)的长和宽与岩层相似材料的长和宽相同，每块薄型钢板(15)上均固定有多个勾形装置(16)，薄型钢板(15)通过勾形装置(16)与岩层相似材料相固定，使薄型钢板(15)与岩层相似材料同步运动；每块薄型钢板(15)上均安装有多个应变片(17)，应变片(17)用于测量岩层从下沉到贯通裂隙或破断时应变的数值，多个位移计用于检测岩层发生扰动下沉的变形量；多个应变片(17)和多个位移计分别通过导线(18)与数据处理装置(19)相连接；所述摄像机用于记录煤层(2)的开挖程度与岩层相似材料的下沉状况；数据处理装置(19)用于接收多个应变片(17)和多个位移计的实时数据，计算机用于对重力加载装置(12)的重力、数据处理装置(19)接收的实时数据和摄像机的记录进行分析，得出岩层相似材料的极限抗拉强度。
2.如权利要求1所述的室内覆岩离层变形探测装置及其评价方法，其特征在于，所述岩层相似材料包括由下而上依次设置的直接顶(3)，基本顶(4)和交错设置的多个岩层和多个关键层，交错设置的多个岩层和多个关键层多个岩层和多个关键层包括由下而上依次设置的岩层一(5)，关键层一(6)，岩层二(7)，关键层二(8)，岩层三(9)，关键层三(10)和松散层(11)，所述薄型钢板(15)为三块，包括薄型钢板一、薄型钢板二和薄型钢板三，薄型钢板一设置在岩层一(5)与关键层一(6)之间，薄型钢板二设置在岩层二(7)与关键层二(8)之间，薄型钢板三设置在岩层三(9)与关键层三(10)之间，所述位移计为四个，包括第一位移计、第二位移计、第三位移计和第四位移计，第一位移计位于岩层一(5)的底部，第二位移计位于关键层一(6)的底部，第三位移计位于关键层二(8)的底部，第四位移计位于关键层三(10)的底部。
3.如权利要求1所述的室内覆岩离层变形探测装置及其评价方法，其特征在于，所述的多块薄型钢板(15)，相邻两块之间通过弹性绳连接，所述应变片(17)布置于该薄型钢板(15)之下，位于薄型钢板(15)的中间和两侧。
4.如权利要求1所述的室内覆岩离层变形探测装置及其评价方法，其特征在于，所述勾形装置(16)由圆柱体和四个“L”型钩子组成，四个“L”型钩子分别呈90°均匀分布在圆柱体的上部轴向侧面上，圆柱体的下端与薄型钢板(15)固定连接，四个“L”型钩子埋设在岩层相似材料中。
5.如权利要求1所述的室内覆岩离层变形探测装置，其特征在于，所述摄像机为高清摄像机，所述重力加载装置为钢制材料，可对岩层相似材料加压模拟重力环境。
6.一种室内覆岩离层变形探测装置的评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、通过重力加载装置从上部对岩层相似材料施加一定力的荷载后，使岩层相似材料压缩固结，模拟真实地质条件下的重力环境；
S2、对煤层(2)进行匀速开挖，通过摄像机观察和记录上覆岩层相似材料的运动变化情况；
S3、通过多个位移计和多个应变片(17)检测岩层相似材料的运动和变形，通过摄像机记录岩层相似材料运动传递的时间以及煤层开挖程度；
S4、通过数据处理装置(19)和计算机计算得出岩层相似材料的极限抗拉强度值，计算机将计算的极限抗拉强度值和其真实值进行比较，当极限抗拉强度值和其真实值越接近，则权利要求1～5任一权利要求所述的室内覆岩离层变形探测装置的应用效果越好。
7.如权利要求6所述的室内覆岩离层变形探测装置的评价方法，其特征在于，所述步骤S3中检测岩层相似材料的运动和变形的具体方法为：当岩层运动传递至岩层一(5)时，此时岩层一(5)下的位移计出现示数变化，开始记录其应变值的变化，直到其产生贯穿裂缝为止；当关键层一(6)下的位移计出现示数变化时，即关键层一(6)发生弯曲下沉，岩层二(7)随之下沉，开始记录关键层一(6)和岩层二(7)的应变值，直到其产生贯穿裂缝为止；当关键层二(8)下的位移计出现示数变化时，即关键层二(8)开始发生弯曲下沉，岩层三(9)随之下沉，开始记录关键层二(8)和岩层三(9)的应变值，直到其产生贯穿裂缝为止；当关键层三(10)下的位移计出现示数变化时，即关键层三(10)开始发生弯曲下沉，开始记录关键层三(10)的应变值，直到其产生贯穿裂缝为止。
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