申请/专利权人：中国矿业大学

申请日：2019-06-21

公开（公告）日：2020-06-30

公开（公告）号：CN110411858B

主分类号：G01N3/24(20060101)

分类号：G01N3/24(20060101);G01N1/28(20060101);G01N3/08(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2020.06.30#授权;2019.11.29#实质审查的生效;2019.11.05#公开

摘要：本发明公开了一种旋喷注浆加固煤体的强度测试方法，主要步骤为，制作中间带有通孔的煤基体，在通孔处充入煤浆混合液，保压一段时间，之后形成试样，然后将试样竖直置于上下布置的两个直剪盒内，并将压头施加于试样顶面，调整垂直应力到设定值，采用位移控制慢慢移动位于下方的剪切盒，实时采集剪切力，待到试样完全剪断后，停止试验，记录位移，峰值剪切力，残余剪切力参数；最后通过数据拟合，计算出煤体的峰值和残余的内聚力和内摩擦角。通过设置对照实验，从而评定出旋喷注浆加固后的煤体强度变化。本发明以真实煤体作为基体，能够量化计算煤体注浆后的结构面间的强度，测试结果更加接近现场情况。

主权项：1.一种旋喷注浆加固煤体的强度测试方法，其特征在于，包括以下步骤：一制作煤基体：在现场取煤样，并根据现场煤体赋存状态将煤体压制成煤基体，同时在煤基体中间形成圆形的通孔，该煤基体为实验所需的尺寸；二将煤基体侧面及底部用热缩管裹覆，防止带压注煤浆混合液时浆液从底面漏出，或者浸入侧壁面；三制作煤浆混合液：配制水泥浆，水灰比为1:1；实测松散煤体孔隙率，按照水泥浆在散煤中的最大充填率在散煤中加入的配置好的水泥浆，混合搅拌，以实现煤与水泥浆均匀拌和；四注浆腔室通过输气管与氮气罐连通，输气管上设有控制输气管导通或关闭的阀门，输气管上设有压力表及气压控制装置；将裹覆好的煤基体置于注浆腔室中，在煤基体中间的通孔注入混合好的煤浆混合液，密封注浆腔室，开通阀门，带压的氮气从氮气罐中注入注浆腔室中，保持压力恒定，并维持一定时间，让煤浆液完全与孔壁充分接触密实；五从注浆腔室中取出煤浆加固好的试样，置于自然状态下，使煤浆混合液完全固结形成强度，备用；六煤基体与煤浆液综合强度测试：将由煤浆混合液加固好的煤基体形成的待测试样竖直置于上下布置的上直剪盒及下直剪盒内，上直剪盒及下直剪盒中部有容纳试样的通孔，以在水平方向限制试样的位置；在试样上顶面均匀撒上厚度一定的细沙，以保证顶面受力均匀；开动直剪仪器，固定上直剪盒，并将压头施加于试样顶面，调整垂直应力到设定值，并采用伺服控制，剪切过程中垂直压力保持不变，采用位移控制慢慢移动下直剪盒，实时采集剪切力，待到试样完全剪断后，停止试验，记录位移，峰值剪切力，残余剪切力参数；七将下一个经步骤五制作好煤浆加固的试样，重新设定新的垂直应力，重复步骤六，测定新的峰值剪切力和残余剪切力；测定至少四组不同垂直应力下的和煤浆混合液加固煤基体的剪切峰值力和残余峰值力；八数据拟合，计算加固煤体的峰值和残余的内聚力和内摩擦角；将所得到的峰值和残余试验数据分别置于纵坐标为剪切力，横坐标为垂直应力的二维坐标系下，采用直线拟合方法，所得直线倾角为内摩擦角，直线与纵坐标截距为内聚力；峰值试验数据采用公式：进行拟合，其中τ为煤浆加固后的试样的总峰值剪切应力，c为煤浆加固后的试样的峰值内聚力，σ为施加的垂直应力，是煤浆加固后的试样的峰值内摩擦角；残余试验数据采用公式：进行拟合，其中τ1为煤浆加固后的试样的残余剪切应力，c1为煤浆加固后的试样的残余内聚力，σ为施加的垂直应力，是煤浆加固后的试样的残余内摩擦角；九设置对照组，将没有旋喷加固的煤体作为对比组，即在步骤一中的煤基体不设置通孔，不进行步骤二、三、四、五，重复步骤六、七、八，计算自然状态煤体的峰值和残余的内聚力和内摩擦角。

全文数据：一种旋喷注浆加固煤体的强度测试方法技术领域本发明涉及一种加固煤体强度测试方法，具体是一种旋喷注浆加固煤体的强度测试方法，属于矿业工程领域。背景技术深部煤层由于在地质构造的影响下，往往破碎、松散，难以成型。在该类地层中巷道掘进时，极易造成顶板垮落，两帮大变形等不利于生产的现象。当前，为防止煤层巷道的变形，大多数矿井采用架棚加壁后注浆，锚网索联合支护或锚索注的组合支护方式，但实践表明，这些方式常常难以控制松散破碎的围岩变形，事故多发。近年来，提出的利用旋喷技术加固松散破碎围岩的方法正在逐渐得到认可。该方法是利用在松软煤层中提前预旋喷注浆形成相互咬合的煤浆旋喷柱，在煤壁掘进前方周围形成整体的旋喷柱拱形承载结构，加之U型棚强化支护，取得了良好的围岩控制效果，现场效果示意如图1。旋喷时高压将钻孔周边的煤粒切割打散后随着喷头的回撤，在钻孔内部形成均匀的煤浆混合物，待凝固后即为煤浆旋喷柱。但是该方法仍然处于工程定性的应用，缺乏定量的评价，对于旋喷加固后的煤体的强度提高，具体提高量，旋喷加固机理等目前缺乏定量的方法研究。考虑到传统的组合控制方式难以实现松散煤体巷道的控制，用旋喷超前预注浆可以很好的形成承载结构，取得良好的效果，但现阶段缺少定量的评价旋喷加固后煤体的强度特性。因此十分有必要提出一种可以具体可操作的量化评价旋喷后煤体的强度测试方法。发明内容本发明的目的在于提供一种旋喷注浆加固煤体的强度测试方法，能够量化计算旋喷注浆加固后的煤体的强度，测试结果更具有指导意义。为实现上述目的，本发明提供的一种旋喷注浆加固煤体的强度测试方法，包括以下步骤：一制作煤基体：在现场取煤样，并根据现场煤体赋存状态将煤体压制成煤基体，同时在煤基体中间形成圆形的通孔，该煤基体为实验所需的尺寸；二将煤基体侧面及底部用热缩管裹覆，防止带压注煤浆混合液时浆液从底面漏出，或者浸入侧壁面；三制作煤浆混合液：配制水泥浆，水灰比为1:1；实测松散煤体孔隙率，按照水泥浆在散煤中的最大充填率在散煤中加入的配置好的水泥浆，混合搅拌，以实现煤与水泥浆均匀拌和；四注浆腔室通过输气管与氮气罐连通，输气管上设有控制输气管导通或关闭的阀门，输气管上设有压力表及气压控制装置；将裹覆好的煤基体置于注浆腔室中，在煤基体中间的通孔注入混合好的煤浆混合液，密封注浆腔室，开通阀门，带压的氮气从氮气罐中注入注浆腔室中，保持压力恒定，并维持一定时间，让煤浆液完全与孔壁充分接触密实；五从注浆腔室中取出煤浆加固好的试样，置于自然状态下，使煤浆混合液完全固结形成强度，备用；六煤基体与煤浆液综合强度测试：将由煤浆混合液加固好的煤基体形成的待测试样竖直置于上下布置的上直剪盒及下直剪盒内，上直剪盒及下直剪盒中部有容纳试样的通孔，以在水平方向限制试样的位置；在试样上顶面均匀撒上厚度一定的细沙，以保证顶面受力均匀；开动直剪仪器，固定上剪切盒，并将压头施加于试样顶面，调整垂直应力到设定值，并采用伺服控制，剪切过程中垂直压力保持不变，采用位移控制慢慢移动下剪切盒，实时采集剪切力，待到试样完全剪断后，停止试验，记录位移，峰值剪切力，残余剪切力等参数；七将下一个经步骤五制作好煤浆加固的试样，重新设定新的垂直应力，重复步骤六，测定新的峰值剪切力和残余剪切力；测定至少四组不同垂直应力下的和煤浆混合液加固煤基体的剪切峰值力和残余峰值力；八数据拟合，计算加固煤体的峰值和残余的内聚力和内摩擦角；将所得到的峰值和残余试验数据分别置于纵坐标为剪切力，横坐标为垂直应力的二维坐标系下，采用直线拟合方法，所得直线倾角为内摩擦角，直线与纵坐标截距为内聚力；峰值试验数据采用公式：进行拟合，其中τ为煤浆加固后的试样的总峰值剪切应力，c为煤浆加固后的试样的峰值内聚力，σ为施加的垂直应力，是煤浆加固后的试样的峰值内摩擦角。残余试验数据采用公式：进行拟合，其中τ1为煤浆加固后的试样的残余剪切应力，c1为煤浆加固后的试样的残余内聚力，σ为施加的垂直应力，是煤浆加固后的试样的残余内摩擦角；九设置对照组，将没有旋喷加固的煤体作为对比组，即在步骤一中的煤基体不设置通孔，不进行步骤二、三、四、五，重复步骤六、七、八，计算自然状态煤体的峰值和残余的内聚力和内摩擦角。进一步地，所述步骤一中的煤基体的压制步骤为：A、现场取样：在现场取煤样，同时记录该煤样的埋深H；B、煤样坚固性系数f1测定：将步骤A中取的煤样按照国标《煤的坚固性系数测定方法GBT23561.12-2010》测定其坚固性系数f1；C、型煤制作：①、利用成型压力公式计算相应的标准圆柱尺寸的成型压力，标准圆柱试样尺寸为D×h＝50mm×100mm，成型压力公式为：P＝πr2·γH，其中D为标准圆柱尺寸直径，h为标准圆柱尺寸高度，r为标准圆柱尺寸半径，γ为煤层上覆岩层容重，H为所述煤样埋深；②、用上述步骤计算出的成型压力P，将在步骤A中取得的破碎的煤样压制成具有标准圆柱试件尺寸的型煤，采用的压力为P，保压时间为t；③、对型煤进行烘干；D、型煤坚固性系数f2测定：测试根据步骤C中制作的型煤试件的单轴抗压强度P0，并根据单轴抗压强度P0与坚固性系数f2之间的关系，即f2＝P010，计算出型煤的坚固性系数f2；E、对比煤样坚固性系数f1及型煤坚固性系数f2，确定保压时间t0：若f1＝f2，证明上述步骤C中的型煤制作保压时间t合适，参数准确，型煤坚固性可以反映煤体坚固性，此时上述步骤C中的保压时间t为t0；若f1f2，则需重复步骤C并增加保压时间t，然后重复步骤D至步骤E，直至测算结果f1＝f2，型煤试件坚固性反映煤体坚固性，此时上述步骤C中调整后的保压时间t为t0；若f1f2，则需重复步骤C并增加保压时间t，然后重复步骤D至步骤E，直至测算结果f1＝f2，型煤试件坚固性反映煤体坚固性，此时上述步骤C中调整后的保压时间t为t0；若f1f2，则需重复步骤C并减少保压时间t，然后重复步骤D至步骤E，直至测算结果f1＝f2，型煤试件坚固性反映煤体坚固性，此时上述步骤C中调整后的保压时间t为t0；F、压制煤基体：将现场取的煤样压制成实验所要求的形状及尺寸，其中压制时间为t0，成型压力P0＝s×γ×H，s为煤基体的上表面积，压制完成后低温烘干。根据上述煤基体1的压制步骤，通过不断实验及校正压制时间参数，压制出的煤基体1的构造相似、力学参数与未开挖环境下的煤体力学参数相吻合，因此采用上述压制煤基体1的方法，测试结果也更加准确。由于煤体软弱且松散、破碎，因此在对煤体钻孔后，采用高压旋喷浆液切割软煤时，钻孔内壁的煤渣易掉落，从而导致内壁凹凸不平，当注入煤浆混合液3时，浆液与煤体1的界面摩擦力较大，为使本发明的测试方法更加接近真实情况，优选地，所述圆形通孔2的形成步骤为：在压制煤基体1时，预先在煤基体1中心竖直放入刚性圆柱体，该刚性圆柱体与钻孔的直径相等、与煤基体1的高度相等、外表面有螺纹，压制煤基体1成功后旋转取出该刚性圆柱体。这样，在形成的通孔2内壁具有凹凸不平的结构，更加接近真实情况。根据本发明提供的一种旋喷注浆加固煤体的强度测试方法，该方法量化了旋喷注浆加固后的煤体的强度指标如内聚力内摩擦角等，同时可以和未注浆加固的煤体强度对比，更利于设计旋喷参数，指导现场工程实践。煤样采自现场，并通过计算并测试得到压制煤基体的压力及时间，避免了软煤难以加工成试样的情况出现，同时压制出的煤基体符合现场煤体赋存实际情况；在制作煤基体通孔时，预先放置有螺纹的圆柱体，使通孔内壁凹凸不平，符合现场旋喷浆液割煤内壁的情况。以下为根据上述具体实施方式进行的一个实施例：1、软煤取自地下600m，根据埋深计算出其成型应力为15MPa，同时根据在上述具体实施方法中公开的煤基体制作步骤来测得压制时的保压时间为20min；在压制软煤时，采用内径为90mm、高度为100mm的圆筒形模具，中间竖直放入直径为30mm的带有螺纹的钢柱，压制时的成型应力为15MPa，保压时间为20min，随后对压制成的煤基体低温烘干，煤基体的直径为90mm、高度为100mm，通孔直径为30mm。设置对比组，压制煤体时不留设通孔，成型应力及保压时间一致。2将成型的煤体侧面及底部用热缩管裹覆，防止带压注煤浆时浆液从底面漏出，或者浸入侧壁面。3制作煤浆混合液。按照水灰比为1:1制作水泥浆液，根据现场实测的煤的孔隙率，取适量的煤颗粒加入等孔隙体积的水泥浆液，混合搅拌5分钟，以实现煤与水泥浆均匀拌和4将裹覆好的煤基体置于注浆腔室中，注入步骤3混合好的煤浆，锁紧腔室螺栓，开通阀门，带压的氮气从储气罐中注入注浆腔室中，保持压力恒定2MPa，并维持30分钟，让煤浆液完全与孔壁充分接触密实。5从腔室中取出煤浆加固好的试样，置于自然状态下28天，使煤浆液完全固结形成强度，备用。6煤浆加固煤基体综合强度测试。将由煤浆液锚固好的煤基体形成的待测试样置于上下直剪盒内，在试样上顶面均匀撒上2mm厚的细沙，以保证顶面受力均匀。开动直剪仪器，固定上剪切盒，并将压头施加于试样顶面，调整垂直应力到1MPa，并采用伺服控制，剪切过程中垂直压力保持不变，采用位移控制0.02mmmin慢慢移动下剪切盒，实时采集剪切力，待到试样完全剪断后，停止试验，记录位移，峰值剪切力，残余剪切力等参数。7将下一个经步骤五制作好煤浆加固试样，重新设定新的垂直应力1.5MPa，重复步骤六，测定新的峰值剪切力和残余剪切力。测定至少四组不同垂直应力1，1.5，2，2.5MPa下的和煤浆加固煤体的剪切峰值力和残余峰值力。8将所得到的峰值和残余试验数据分别置于纵坐标为剪切应力，横坐标为垂直应力的二维坐标系下，采用直线拟合方法，所得直线倾角为内摩擦角，直线与纵坐标截距为内聚力。峰值试验数据采用公式：进行拟合，结果如图6，得到煤浆加固体的峰值内聚力为0.69MPa，煤浆加固体的峰值内摩擦角为37.4°。残余试验数据采用公式：进行拟合，结果如图7，加固体的残余内聚力0.31MPa，煤浆加固体的残余内摩擦角33°。9没有旋喷加固的煤体作为对比组，根据步骤8的方法，结果如图6，6。计算自然状态煤体的峰值和残余的内聚力为0.41MPa和0.11MPa，峰值和残余内摩擦角为26.4°和23.7°。对比可知，采用旋喷煤浆加固的煤体在峰值及残余内聚力，内摩擦角都得到了很大的提高，定量的评定了旋喷注浆加固煤体的效果。

权利要求：1.一种旋喷注浆加固煤体的强度测试方法，其特征在于，包括以下步骤：一制作煤基体：在现场取煤样，并根据现场煤体赋存状态将煤体压制成煤基体，同时在煤基体中间形成圆形的通孔，该煤基体为实验所需的尺寸；二将煤基体侧面及底部用热缩管裹覆，防止带压注煤浆混合液时浆液从底面漏出，或者浸入侧壁面；三制作煤浆混合液：配制水泥浆，水灰比为1:1；实测松散煤体孔隙率，按照水泥浆在散煤中的最大充填率在散煤中加入的配置好的水泥浆，混合搅拌，以实现煤与水泥浆均匀拌和；四注浆腔室通过输气管与氮气罐连通，输气管上设有控制输气管导通或关闭的阀门，输气管上设有压力表及气压控制装置；将裹覆好的煤基体置于注浆腔室中，在煤基体中间的通孔注入混合好的煤浆混合液，密封注浆腔室，开通阀门，带压的氮气从氮气罐中注入注浆腔室中，保持压力恒定，并维持一定时间，让煤浆液完全与孔壁充分接触密实；五从注浆腔室中取出煤浆加固好的试样，置于自然状态下，使煤浆混合液完全固结形成强度，备用；六煤基体与煤浆液综合强度测试：将由煤浆混合液加固好的煤基体形成的待测试样竖直置于上下布置的上直剪盒及下直剪盒内，上直剪盒及下直剪盒中部有容纳试样的通孔，以在水平方向限制试样的位置；在试样上顶面均匀撒上厚度一定的细沙，以保证顶面受力均匀；开动直剪仪器，固定上剪切盒，并将压头施加于试样顶面，调整垂直应力到设定值，并采用伺服控制，剪切过程中垂直压力保持不变，采用位移控制慢慢移动下剪切盒，实时采集剪切力，待到试样完全剪断后，停止试验，记录位移，峰值剪切力，残余剪切力等参数；七将下一个经步骤五制作好煤浆加固的试样，重新设定新的垂直应力，重复步骤六，测定新的峰值剪切力和残余剪切力；测定至少四组不同垂直应力下的和煤浆混合液加固煤基体的剪切峰值力和残余峰值力；八数据拟合，计算加固煤体的峰值和残余的内聚力和内摩擦角；将所得到的峰值和残余试验数据分别置于纵坐标为剪切力，横坐标为垂直应力的二维坐标系下，采用直线拟合方法，所得直线倾角为内摩擦角，直线与纵坐标截距为内聚力；峰值试验数据采用公式：进行拟合，其中τ为煤浆加固后的试样的总峰值剪切应力，c为煤浆加固后的试样的峰值内聚力，σ为施加的垂直应力，是煤浆加固后的试样的峰值内摩擦角。残余试验数据采用公式：进行拟合，其中τ1为煤浆加固后的试样的残余剪切应力，c1为煤浆加固后的试样的残余内聚力，σ为施加的垂直应力，是煤浆加固后的试样的残余内摩擦角；九设置对照组，将没有旋喷加固的煤体作为对比组，即在步骤一中的煤基体不设置通孔，不进行步骤二、三、四、五，重复步骤六、七、八，计算自然状态煤体的峰值和残余的内聚力和内摩擦角。2.根据权利要求1所述的一种旋喷注浆加固煤体的强度测试方法，其特征在于，所述步骤一中的煤基体的压制步骤为：A、现场取样：在现场取煤样，同时记录该煤样的埋深H；B、煤样坚固性系数f1测定：将步骤A中取的煤样按照国标《煤的坚固性系数测定方法GBT23561.12-2010》测定其坚固性系数f1；C、型煤制作：①、利用成型压力公式计算相应的标准圆柱尺寸的成型压力，标准圆柱试样尺寸为D×h＝50mm×100mm，成型压力公式为：P＝πr2·γH，其中D为标准圆柱尺寸直径，h为标准圆柱尺寸高度，r为标准圆柱尺寸半径，γ为煤层上覆岩层容重，H为所述煤样埋深；②、用上述步骤计算出的成型压力P，将在步骤A中取得的破碎的煤样压制成具有标准圆柱试件尺寸的型煤，采用的压力为P，保压时间为t；③、对型煤进行烘干；D、型煤坚固性系数f2测定：测试根据步骤C中制作的型煤试件的单轴抗压强度P0，并根据单轴抗压强度P0与坚固性系数f2之间的关系，即f2＝P010，计算出型煤的坚固性系数f2；E、对比煤样坚固性系数f1及型煤坚固性系数f2，确定保压时间t0：若f1＝f2，证明上述步骤C中的型煤制作保压时间t合适，参数准确，型煤坚固性可以反映煤体坚固性，此时上述步骤C中的保压时间t为t0；若f1f2，则需重复步骤C并增加保压时间t，然后重复步骤D至步骤E，直至测算结果f1＝f2，型煤试件坚固性反映煤体坚固性，此时上述步骤C中调整后的保压时间t为t0；若f1f2，则需重复步骤C并减少保压时间t，然后重复步骤D至步骤E，直至测算结果f1＝f2，型煤试件坚固性反映煤体坚固性，此时上述步骤C中调整后的保压时间t为t0；F、压制煤基体：将现场取的煤样压制成实验所要求的形状及尺寸，其中压制时间为t0，成型压力P0＝s×γ×H，s为煤基体的上表面积，压制完成后低温烘干。3.根据权利要求2所述的一种旋喷注浆加固煤体的强度测试方法，其特征在于，步骤一中的通孔的形成步骤为：在压制煤基体时，预先在煤基体中心竖直放入刚性圆柱体，该刚性圆柱体与现场中的钻孔的直径相等、与煤基体的高度相等、外表面有螺纹，压制煤基体成功后旋转取出该刚性圆柱体。4.根据权利要求1至3任意一项所述的一种旋喷注浆加固煤体的强度测试方法，其特征在于，所述步骤四中，保持压力恒定在恒定2MPa，并维持30分钟。5.根据权利要求1至3任意一项所述的一种旋喷注浆加固煤体的强度测试方法，所述步骤五中，从注浆腔室中取出煤浆加固好的试样，置于自然状态下28天。

百度查询： 中国矿业大学 一种旋喷注浆加固煤体的强度测试方法

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