采動應力—采動應力試驗系統

最新 04-23

煤岩體應力是分析判斷工程穩定性和採礦工程結構的基礎資料之一。採煤工作面開採前煤體處於原始應力平衡狀態，開採活動破壞了煤岩原始的應力平衡，煤層開採的采動影響使煤岩體周圍應力在原岩應力的基礎上進行重新分布，按照應力變化特徵分為應力增高區、應力降低區和原岩應力區（圖1），采動應力場隨工作面推進不斷發展和演化又帶來與之對應的采動裂隙場的演化，造成井下瓦斯湧出速度增加等問題，對煤礦支護、通風等帶來更高要求。特別是近年來，我國有相當數量的礦井進入深部開採，煤炭開採的力學環境、煤岩體的組織結構、基本力學行為和工程響應與淺部明顯不同，大空間開採模式導致采動應力場的時空關係和動力學特徵更加複雜，更易誘發衝擊地壓、煤與瓦斯突出等動力災害，造成嚴重破壞和大量人員傷亡，究其原因在於不了解或沒有完全掌握不同采動條件下采動應力場分布時空演變規律。隨著煤礦開採環境日漸複雜，現有通過理論分析、數值模擬及現場監測進行研究采動應力場分布時空演變規律弊端日益凸顯，如何科學定量研究采動應力場隨煤體力學性能劣化的時空演化機制和規律是非常必要的，這為進行開掘、維護巷道和推進工作面確定合理的時間和空間位置，實現煤炭資源科學開採有著極為重要的工程實際意義。

圖1采動應力試樣示意圖

由山東科技大學采動應力課題組自主研發的采動應力試驗系統（圖2）能夠進行采動應力演化過程中煤岩體不同區域變形和破壞規律試驗研究以及大尺度煤岩體非均布載入試驗研究。試驗系統載入試件尺寸較大，基於垂向5個載入板組合，可實現工作面前方應力降低區、應力增高區及原岩應力區的模擬，能夠較好的模擬采動應力作用下煤岩損傷力學時空演化特徵，為科學定量研究采動應力場隨煤體力學性能劣化的時空演化機制和規律提供全新手段。系統能夠實時監測載入過程中裂紋擴展信息，進行三維定位，展示試樣在不同力學環境下的破壞特徵。采動應力試驗系統能夠通過全數字閉環控制系統對煤體不同位置獨立載入，同時實現記錄載入過程中應力顯現特徵，自動識別試件破壞狀態，模擬采動應力演化過程。本實驗室配合16通道SH-II聲發射監測系統對采動應力演化過程中煤岩體不同區域變形和破壞規律以及大尺度煤岩體非均布載入的試驗進行研究，為從采動應力場演化—煤岩體劣化過程耦合、宏觀應力應變-細觀損傷過程耦合的角度研究分析煤岩體變形破壞特徵提供科學準確的基礎數據。