本發(fā)明涉及一種柔性加固實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及加固方法，具體的說(shuō)涉及確定煤壁片幫的寬度和深度及注漿相關(guān)參數(shù)的一種工作面煤壁柔性加固實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法，本發(fā)明屬于采場(chǎng)煤壁片幫室內(nèi)實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

煤礦開采過(guò)程中，普遍存在著煤壁片幫問(wèn)題（片幫是指采煤過(guò)程中，礦井作業(yè)面、巷道側(cè)壁在壓力作用下變形，使得一部分煤體從煤壁向工作面剝落的過(guò)程），與冒頂一樣成為影響生產(chǎn)安全的主要因素。

在煤礦大采高工作面、軟煤層工作面、仰斜開采工作面以及深部開采工作面，煤壁片幫問(wèn)題尤為突出，而煤壁片幫不僅會(huì)影響到安全生產(chǎn)的正常進(jìn)行，同時(shí)也會(huì)對(duì)采場(chǎng)內(nèi)工人的人身安全造成嚴(yán)重的威脅。因此，煤壁穩(wěn)定性控制是大采高采場(chǎng)圍巖控制的重點(diǎn)。

申請(qǐng)?zhí)?: CN201410769492.0，發(fā)明名稱：一種工作面煤壁穩(wěn)定性控制模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)及應(yīng)用方法，公開（公告）日 : 2015.03.25，公開了一種工作面煤壁穩(wěn)定性控制模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)及應(yīng)用方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，其采用的是在理論分析和數(shù)值模擬以及少量的二維平面物理模型上，很少涉及通過(guò)對(duì)煤壁片幫的各個(gè)因素分析，通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定柔性加固參數(shù)?；谏鲜銮闆r，迫切需要一種工作面煤壁柔性加固實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，達(dá)到精準(zhǔn)測(cè)量煤壁穩(wěn)定性與采高、煤體強(qiáng)度、液壓支架工作阻力、頂板壓力間的關(guān)系，通過(guò)柔性注漿各參數(shù)的改變，得出控制煤壁穩(wěn)定性的措施，為現(xiàn)場(chǎng)治理煤壁片幫，實(shí)現(xiàn)采煤工作面安全高效開采提供實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種工作面煤壁柔性加固實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法，該方案在研究煤壁穩(wěn)定性與采高、煤體強(qiáng)度、液壓支架工作阻力、頂板壓力間關(guān)系的基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)整柔性注漿錨桿數(shù)量、漿液數(shù)量、注漿壓力、注漿錨桿位置分布不同注漿參數(shù)，得出控制煤壁片幫的有效措施以改進(jìn)公知技術(shù)中存在的缺陷。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的一種工作面煤壁柔性加固實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括實(shí)驗(yàn)臺(tái)、加載系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，所述的注漿系統(tǒng)包括柔性加固錨桿和注漿泵，注漿泵的注漿管道和柔性加固錨桿一端連接，柔性加固錨桿另一端通過(guò)鉆孔伸入煤層中；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所述的液壓支架安裝在實(shí)驗(yàn)臺(tái)靠煤壁方向的臺(tái)面上；加載系統(tǒng)安裝在液壓支架橫梁與試驗(yàn)臺(tái)所屬的上方橫梁之間。

所述的柔性加固錨桿為直徑4~8mm的棕繩與5~10mm的PV管纏繞組成。

所述的注漿泵的注漿壓力為1~1.5MPa，在注漿泵的管道出口安裝有壓力表。

所述的液壓加載系統(tǒng)由千斤頂、加載橫梁和液壓泵組成，所述的千斤頂安裝在加載橫梁上方，液壓泵經(jīng)過(guò)液壓連接管和千斤頂連接，所述的加載橫梁安裝在液壓支架的支架橫梁上。

所述的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還包括刻度尺、裂縫探測(cè)儀和激光測(cè)距儀。

所述的液壓支架由支架橫梁、支架支撐立柱、支架固定底板和支架調(diào)節(jié)裝置組成，支架底板與試驗(yàn)臺(tái)臺(tái)面連接，支架支撐力主和支架調(diào)節(jié)裝置安裝在支架底板上，支架支撐力主和支架調(diào)節(jié)裝置頂部分別和支架橫梁連接。

其試驗(yàn)加固方法包括以下步驟：

第一步、實(shí)驗(yàn)前檢查實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)各組成部分的可靠性；

第二步、按照幾何相似比1:6~1:18的比例，利用實(shí)驗(yàn)臺(tái)把沙子、石膏、石灰、水和水泥材料配制成的煤體材料制作成煤壁；

第三步、將液壓支架安裝固定在實(shí)驗(yàn)臺(tái)的煤壁前端，并做好撐，把加載板放在液壓支架和煤壁頂端，同時(shí)安裝好液壓加載系統(tǒng)；

第四步、利用液壓加載系統(tǒng)對(duì)煤壁進(jìn)行分級(jí)加壓，同時(shí)利用裂縫探測(cè)儀和刻度尺測(cè)量裂縫的變化參數(shù)，利用激光測(cè)距儀測(cè)量煤壁的水平位移，同時(shí)記錄煤壁變形、破壞過(guò)程中的壓力；

第五步、在完成每次無(wú)柔性加固條件下的物理實(shí)驗(yàn)以后，以與上一次實(shí)驗(yàn)相同的材料配比、采高、液壓支架工作阻力、千斤頂加載壓力的基礎(chǔ)上，在煤壁破壞處打直徑為10~20mm的鉆孔，先把一種直徑的柔性錨桿放入鉆孔中，采用注漿泵對(duì)柔性錨桿進(jìn)行注漿；

第六步、重新對(duì)煤壁進(jìn)行逐級(jí)加壓，并利用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量煤壁變形數(shù)據(jù)，通過(guò)改變?nèi)嵝约庸体^桿位置、數(shù)量和液壓泵的注漿壓力、注漿量，得出煤壁穩(wěn)定性與柔性加固參數(shù)的變化關(guān)系；

第七步、重復(fù)步驟第一步至第五步試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理, 有效確定煤壁片幫的寬度和深度，注漿加固參數(shù)；

所述的注漿加固參數(shù)包括柔性錨桿位置及直徑，注漿量及壓力。

采用本發(fā)明的技術(shù)方案，加載系統(tǒng)作用于煤壁上，用于模擬頂板壓力，柔性加固錨桿通過(guò)鉆孔打入實(shí)驗(yàn)臺(tái)模擬的煤層中，通過(guò)注漿泵往煤層中注漿，注漿泵的注漿壓力為1~1.5MPa。液壓支架置放于煤壁前方，起到支護(hù)煤壁的作用；裂縫探測(cè)儀在煤壁前方測(cè)量加載過(guò)程中煤壁出現(xiàn)裂縫的寬度；激光測(cè)距儀以液壓支架后方為基準(zhǔn)測(cè)量加載過(guò)程中煤壁片幫的深度變化，刻度尺用于測(cè)定實(shí)驗(yàn)臺(tái)模擬煤層高度以及測(cè)量加載過(guò)程中煤壁出現(xiàn)的裂隙長(zhǎng)度和煤壁片幫寬度。

本發(fā)明的柔性加固錨桿為直徑4~8mm的棕繩與5~10mm的PV管纏繞組成，在PV管上纏繞棕繩可以保護(hù)PV管外管，提高使用壽命，選擇合適大小的PV管材和棕繩，以便于柔性加固錨桿能夠輕易深入鉆孔位置。

本發(fā)明的注漿泵的注漿壓力為1~1.5MPa，在注漿泵的管道出口安裝有壓力表，注漿壓力1~1.5MPa能夠更好地實(shí)現(xiàn)注漿，壓力太小無(wú)法注入，壓力太大要溢出，安裝壓力表便于觀察注漿泵的注漿壓力。

本發(fā)明的液壓加載系統(tǒng)由千斤頂、加載橫梁和液壓泵組成，所述的千斤頂安裝在加載橫梁上方，液壓泵經(jīng)過(guò)液壓連接管和千斤頂連接，所述的加載橫梁安裝在液壓支架的支架橫梁上，通過(guò)千斤頂及液壓泵，可以給液壓支撐加壓，保證煤壁的受力支撐。

本發(fā)明的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還包括刻度尺、裂縫探測(cè)儀和激光測(cè)距儀，可以隨時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)需要選擇測(cè)量?jī)x器測(cè)量相關(guān)參數(shù)。

本發(fā)明的液壓支架由支架橫梁、支架支撐立柱、支架固定底板和支架調(diào)節(jié)裝置組成，支架底板與試驗(yàn)臺(tái)臺(tái)面連接，支架支撐力主和支架調(diào)節(jié)裝置安裝在支架底板上，支架支撐力主和支架調(diào)節(jié)裝置頂部分別和支架橫梁連接，可更好的操作相關(guān)設(shè)備。

綜上所述，采用本發(fā)明的一種工作面煤壁柔性加固實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)方法可以精準(zhǔn)測(cè)量煤壁穩(wěn)定性與采高、煤體強(qiáng)度、液壓支架工作阻力、頂板壓力間的關(guān)系，通過(guò)柔性注漿各參數(shù)的改變，得出控制煤壁穩(wěn)定性的措施，為現(xiàn)場(chǎng)治理煤壁片幫，實(shí)現(xiàn)采煤工作面安全高效開采提供實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。

本發(fā)明具有簡(jiǎn)單易操作，能安全、有效、經(jīng)濟(jì)地確定控制煤壁片幫的柔性加固參數(shù)，通過(guò)室內(nèi)物理實(shí)驗(yàn)?zāi)苡行е笇?dǎo)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐工作中的煤壁片幫治理問(wèn)題，具有很好的推廣應(yīng)用前景。

附圖說(shuō)明

圖1為一種工作面煤壁柔性加固實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖；

圖2為一種工作面煤壁柔性加固實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意圖；

圖3為一種工作面煤壁柔性加固實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的加載系統(tǒng)示意圖；

圖4為一種工作面煤壁柔性加固實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的注漿系統(tǒng)示意圖；

圖5為一種工作面煤壁柔性加固實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖；

附圖中的標(biāo)記符號(hào)說(shuō)明：

1實(shí)驗(yàn)臺(tái)；2加載系統(tǒng)；3千斤頂；4加載橫梁；5液壓泵；6柔性加固錨桿；7注漿泵；8注漿系統(tǒng)；9液壓支架；10刻度尺；11裂縫探測(cè)儀；12激光測(cè)距儀；13監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

本發(fā)明的一種工作面煤壁柔性加固實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，參照?qǐng)D1、2、3、4、5對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明：

一種工作面煤壁柔性加固實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，由實(shí)驗(yàn)臺(tái)1、加載系統(tǒng)2、千斤頂3、加載橫梁4、液壓泵5、柔性加固錨桿6、注漿泵7、注漿系統(tǒng)8、液壓支架9、刻度尺10、裂縫探測(cè)儀11、激光測(cè)距儀12、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)13。

注漿系統(tǒng)8包括柔性加固錨桿6和注漿泵7，注漿泵7的注漿管道和柔性加固錨桿6一端連接，柔性加固錨桿6另一端通過(guò)鉆孔伸入煤層中；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)13所述的液壓支架9安裝在實(shí)驗(yàn)臺(tái)1靠煤壁方向的臺(tái)面上；加載系統(tǒng)2安裝在液壓支架9橫梁與試驗(yàn)臺(tái)1所屬的上方橫梁之間；柔性加固錨桿6為直徑4~8mm的棕繩與5~10mm的PV管纏繞組成；注漿泵7的注漿壓力為1~1.5MPa，在注漿泵7的管道出口安裝有壓力表；液壓加載系統(tǒng)2由千斤頂3、加載橫梁4和液壓泵5組成，所述的千斤頂3安裝在加載橫梁4上方，液壓泵5經(jīng)過(guò)液壓連接管和千斤頂3連接，所述的加載橫梁4安裝在液壓支架9的支架橫梁上。

液壓支架9由支架橫梁、支架支撐立柱、支架固定底板和支架調(diào)節(jié)裝置組成，支架底板與試驗(yàn)臺(tái)1臺(tái)面連接，支架支撐力主和支架調(diào)節(jié)裝置安裝在支架底板上，支架支撐力主和支架調(diào)節(jié)裝置頂部分別和支架橫梁連接。

試驗(yàn)時(shí)，實(shí)驗(yàn)臺(tái)1用于模擬現(xiàn)場(chǎng)煤礦的實(shí)際煤層，實(shí)現(xiàn)煤壁的成型，通過(guò)刻度尺10確定所要模擬煤層的高度，煤層用通常所用的沙子、石膏、石灰、水按一定的相似比例模擬煤體材料，煤體成型以后，將液壓支架9放置在煤壁前方，對(duì)煤壁形成保護(hù)作用，在液壓支架9上方放置加載橫梁4，千斤頂3放置在加載橫梁4和實(shí)驗(yàn)臺(tái)1上方的橫梁中間，通過(guò)液壓泵5使千斤頂3的壓力增大實(shí)現(xiàn)對(duì)煤壁的加壓，模擬實(shí)際煤層的頂板壓力，隨著壓力的增大，煤壁穩(wěn)定性變差，首先在煤壁出現(xiàn)裂隙，通過(guò)刻度尺10量取裂隙長(zhǎng)度的變化，用裂縫探測(cè)儀11量取裂隙寬度的變化，裂隙最終導(dǎo)致煤壁片幫的發(fā)生，此時(shí)用刻度尺10測(cè)定煤壁片幫寬度的變化，激光測(cè)距儀12以液壓支架9后方為基準(zhǔn)測(cè)量加載過(guò)程中煤壁片幫的深度變化。通過(guò)改變模擬煤層高度、相似材料配比、千斤頂加載壓力、液壓支架工作阻力，即可得出煤壁穩(wěn)定性在無(wú)柔性加固條件下與采高、煤體強(qiáng)度、液壓支架工作阻力、頂板壓力間的關(guān)系。

在完成每次無(wú)柔性加固條件下的物理實(shí)驗(yàn)以后，以與上一次實(shí)驗(yàn)相同的材料配比、采高、液壓支架工作阻力、千斤頂加載壓力的基礎(chǔ)上，在煤壁中通過(guò)鉆孔放置柔性加固錨桿6，用注漿泵7往柔性加固錨桿6中注漿，完成對(duì)煤壁的柔性加固。在對(duì)煤壁柔性加固之后，通過(guò)液壓泵5使千斤頂3加壓，借助刻度尺10、裂縫探測(cè)儀11、激光測(cè)距儀12完成對(duì)加載過(guò)程中裂隙長(zhǎng)度、寬度和煤壁片幫寬度、深度的變化監(jiān)測(cè)工作，通過(guò)改變?nèi)嵝约庸体^桿6位置、數(shù)量和液壓泵7的注漿壓力、注漿量，得出煤壁穩(wěn)定性與柔性加固參數(shù)的變化關(guān)系，為解決現(xiàn)場(chǎng)煤壁穩(wěn)定性問(wèn)題提供有效控制措施。其實(shí)驗(yàn)步驟如下：

第一步、實(shí)驗(yàn)前檢查實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)各組成部分的可靠性；

第二步、按照幾何相似比1:6~1:18的比例，利用實(shí)驗(yàn)臺(tái)把沙子、石膏、石灰、水和水泥材料配制成的煤體材料制作成煤壁；

第三步、將液壓支架9安裝固定在實(shí)驗(yàn)臺(tái)的煤壁前端，并做好撐，把加載板放在液壓支架9和煤壁頂端，同時(shí)安裝好液壓加載系統(tǒng)2；

第四步、利用液壓加載系統(tǒng)2對(duì)煤壁進(jìn)行分級(jí)加壓，同時(shí)利用裂縫探測(cè)儀11和刻度尺10測(cè)量裂縫的變化參數(shù)，利用激光測(cè)距儀12測(cè)量煤壁的水平位移，同時(shí)記錄煤壁變形、破壞過(guò)程中的壓力；

第五步、在完成每次無(wú)柔性加固條件下的物理實(shí)驗(yàn)以后，以與上一次實(shí)驗(yàn)相同的材料配比、采高、液壓支架工作阻力、千斤頂加載壓力的基礎(chǔ)上，在煤壁破壞處打直徑為10~20mm的鉆孔，先把一種直徑的柔性錨桿6放入鉆孔中，采用注漿泵7對(duì)柔性錨桿6進(jìn)行注漿；

第六步、重新對(duì)煤壁進(jìn)行逐級(jí)加壓，并利用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)13測(cè)量煤壁變形數(shù)據(jù)，通過(guò)改變?nèi)嵝约庸体^桿6位置、數(shù)量和液壓泵7的注漿壓力、注漿量，得出煤壁穩(wěn)定性與柔性加固參數(shù)的變化關(guān)系；

第七步、重復(fù)步驟第一步至第五步試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理, 有效確定煤壁片幫的寬度和深度，注漿加固參數(shù)；

注漿加固參數(shù)包括柔性錨桿位置及直徑，注漿量及壓力。

如上所述，對(duì)發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)地說(shuō)明，但是只要實(shí)質(zhì)上沒(méi)有脫離本發(fā)明的發(fā)明點(diǎn)及效果，都屬于侵權(quán)，本發(fā)明可以有很多的變形，這對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯而易見的。因此，這樣的變形例也全部包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。