專利名稱：模擬充填體支撐礦柱力學(xué)作用過程的試驗裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對充填體支撐礦柱力學(xué)作用的試驗，適用于礦山充填體與圍巖相互作用試驗，特別涉及模擬充填體支撐礦柱力學(xué)作用過程的試驗裝置及方法。
背景技術(shù)：
近年來，隨著國家環(huán)保要求的進(jìn)一步提高以及金屬價格的逐步攀升，各大礦山為了保護(hù)礦區(qū)地表不發(fā)生大的變形和充分回收資源，充填采礦法得到了越來越廣泛的應(yīng)用， 與此同時，各種不同性質(zhì)的充填料層出不窮，例如干式充填、水砂充填、廢石充填、全尾砂充填、膏體充填等。如何確定合適的充填體強度以保證地表建筑物和其他設(shè)施安全？充填體支撐礦柱的作用機理如何？ 一直沒有確切的研究答案，這使充填法在應(yīng)用過程中缺少了充分的理論依據(jù)，一定程度上限制了充填采礦法的大規(guī)模應(yīng)用。對充填體強度如何確定，充填體是如何支撐采場圍巖以維護(hù)采場穩(wěn)定的，一個多世紀(jì)以來，國內(nèi)外學(xué)者采取數(shù)學(xué)方法、現(xiàn)場實測法、物理相似模擬、數(shù)值模擬等方法展開了廣泛的研究，得到了許多有價值意義的認(rèn)識和理論。其中物理模擬是現(xiàn)今學(xué)者常采用的探討和研究充填體與圍巖相互作用關(guān)系的方法。但總的來看，諸如此類試驗方法在模擬和還原現(xiàn)場過程中，有的操作過于繁瑣，有的沒有更真實的還原和模擬現(xiàn)場，或者忽略了某些重要因素，如沒有考慮到充填體充入采場中，會隨著圍巖的收斂變形移動而壓縮變形。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明在于提供一種礦山充填體與圍巖相互作用的試驗方法，是基于充填體與圍巖相互作用關(guān)系探討目的而設(shè)計研發(fā)的，致力于分析和揭示充填體支撐礦柱作用機理以及支撐作用過程中充填體自身破壞機理。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案，模擬充填體支撐礦柱力學(xué)作用過程的試驗裝置，包括夾具、敏感元件、充填體和礦柱試塊，其特征在于，所述夾具由夾板、螺栓、螺母、側(cè)夾板、定位裝置和墊板組成，礦柱試塊二側(cè)裝有充填體，充填體外側(cè)裝有夾板， 二夾板均設(shè)有相對應(yīng)的通孔，螺栓穿過夾板通孔與螺母連接并使夾板固定夾緊，側(cè)夾板安裝于礦柱試塊兩側(cè)，并通過定位裝置定位，螺栓和充填體上均裝有敏感元件，礦柱試塊的一側(cè)表面裝有墊板。所述定位裝置是定位螺釘穿過螺栓上的定位螺孔固定側(cè)夾板。所述定位裝置是兩螺栓間橫裝有一定位板，且定位板上裝有定位螺釘。所述夾板厚度為IOmm 16mm的鋼板。 所述敏感元件是應(yīng)變片或力學(xué)傳感器。模擬充填體支撐礦柱力學(xué)作用過程的試驗方法，其特征在于，步驟如下 1)制作夾具；2)制作礦柱試塊；
3)制作充填體試塊；
4)在二充填體內(nèi)側(cè)放置礦柱試塊，再在二充填體的外側(cè)安裝夾板，用螺栓穿過夾板的通孔并用螺母約束控制；
5)用定位螺釘控制礦柱試塊二側(cè)的側(cè)夾板，并約束控制礦柱試塊；
6)在充填體和螺栓分別裝有敏感元件，敏感元件通過導(dǎo)線分別連接至靜態(tài)應(yīng)變測試系
統(tǒng)；
7)將夾具放置于支座上，使礦柱試塊另二側(cè)面的一面朝支座，另一面加一墊板；
8)在試驗機上對礦柱試塊上的墊板進(jìn)行豎向加載，觀察記錄試驗現(xiàn)象，采集處理試驗數(shù)據(jù)。所述步驟2中礦柱試塊為高強度混凝土，養(yǎng)護(hù)齡期為觀天。所述步驟3和6在制作充填體試塊時，事先將敏感元件埋置在充填體內(nèi)部。所述步驟6在充填體與夾板之間安裝力學(xué)傳感器，以監(jiān)測橫向支撐作用力的大小。所述充填體灰砂比為1:2 1:20。本發(fā)明的優(yōu)點在于
1)采用螺栓和螺帽約束控制夾板產(chǎn)生橫向位移擠壓充填體試塊以模擬現(xiàn)場圍巖收斂移動進(jìn)而壓縮充填體的方式，模擬了現(xiàn)場中圍巖向充填體方向的收斂變形移動壓縮充填體，通過調(diào)節(jié)螺栓和螺帽，可以輕松實現(xiàn)不同橫向位移約束條件下充填體對礦柱體支撐作用差異，也就是考慮到了現(xiàn)場圍巖收斂變形程度對充填體支撐礦柱作用的影響；
2)通過裝在夾具螺栓上敏感元件，使每一根螺栓在試驗過程中形成了一根簡易力學(xué)傳感器，可以方便的監(jiān)測到各試驗方案中螺栓上的拉應(yīng)力大小，反應(yīng)了充填體與礦柱之間的作用力與反作用力，也反應(yīng)了不同強度充填體支撐礦柱的力學(xué)傳遞作用效果；
3)通過裝在充填體上的敏感元件，可以直觀的反應(yīng)各試驗方案中充填體支撐礦柱作用過程中自身的變形破壞情況，以揭示充填體支撐礦柱作用過程中自身變形破壞機理。具有可操作方便簡單、同時進(jìn)行多方案模擬等優(yōu)點，結(jié)合現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬分析等手段，可為充填工藝設(shè)計、充填體強度確定提供科學(xué)依據(jù)。


圖1是本發(fā)明的裝置安裝示意圖(俯視) 圖2是圖1的A向示意圖
圖3是本發(fā)明的試驗系統(tǒng)連接示意圖
圖中1-夾具，11-夾板，12-螺栓，13-螺母，14-側(cè)夾板，15-定位裝置，16-墊板，2-敏感元件，3-充填體，4-礦柱試塊，5-定位螺孔。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，參見圖1至圖3，模擬充填體支撐礦柱力學(xué)作用過程的試驗裝置，包括夾具1、敏感元件2、充填體3和礦柱試塊4，其特征在于，所述夾具1由夾板11、螺栓12、螺母13、側(cè)夾板14、定位裝置15和墊板16組成，礦柱試塊4 二側(cè)裝有充填體3，充填體3外側(cè)裝有夾板11，二夾板11均設(shè)有相對應(yīng)的通孔，螺栓12 穿過夾板11通孔與螺母13連接并使夾板11固定夾緊，側(cè)夾板14安裝于礦柱試塊4兩側(cè)， 并通過定位裝置15定位，螺栓12和充填體3上均裝有敏感元件2，礦柱試塊4的一側(cè)表面裝有墊板16。所述定位裝置15是定位螺釘穿過螺栓12上的定位螺孔5固定側(cè)夾板14。所述定位裝置15是兩螺栓12間橫裝有一定位板，且定位板上裝有定位螺釘。所述夾板11厚度為IOmm 16mm的鋼板。 所述敏感元件2是應(yīng)變片或力學(xué)傳感器。模擬充填體支撐礦柱力學(xué)作用過程的試驗方法，其特征在于，步驟如下
1)制作夾具1；
2)制作礦柱試塊4;
3)制作充填體3試塊；
4)在二充填體3內(nèi)側(cè)放置礦柱試塊4，再在二充填體3的外側(cè)安裝夾板11，用螺栓12 穿過夾板11的通孔并用螺母13固緊；
5)用定位螺釘15壓緊礦柱試塊4二側(cè)的側(cè)夾板14 ；
6)在充填體3和螺栓12分別裝有敏感元件2，敏感元件2通過導(dǎo)線分別連接至靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)；
7)將夾具放置于支座上，使礦柱試塊4另二側(cè)面的一面朝支座，另一面加一墊板16；
8)在試驗機上對礦柱試塊4上的墊板16進(jìn)行豎向加載，觀察記錄試驗現(xiàn)象，采集處理試驗數(shù)據(jù)。所述步驟2中礦柱試塊4為高強度混凝土，養(yǎng)護(hù)齡期為28天。所述步驟3和6在制作充填體試塊時，事先將敏感元件埋置在充填體內(nèi)部。所述步驟6在充填體與夾板之間安裝力學(xué)傳感器，以監(jiān)測橫向支撐作用力的大小。所述充填體灰砂比為1:2 1:20。其中夾板11、側(cè)夾板14、墊板16均為表面均光滑型號ΑΗ3^ 鋼板，螺栓12采用的性能為8. 8級的Μ16螺栓，采用《機械設(shè)計手冊》中，取彈模E=180GPa，長度為350mm。夾板11規(guī)格為172mmX IOOmmX 10mm、側(cè)夾板14規(guī)格為IOOmmX IOOmmX 10mm、墊板16規(guī)格為 IOOmmX IOOmmX IOmm均為剛性材料，在試驗中不會產(chǎn)生變形。實施例
本發(fā)明的最佳實施例是
1)在試驗室，采用標(biāo)準(zhǔn)模具制作不同灰砂比的充填體3及高強度混凝土礦柱試塊4，大小均為長X寬X高100mmX IOOmmX 100mm，在養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)齡期均為28天；
2)在自制夾具的螺栓12的兩端粘貼應(yīng)變片，并焊接導(dǎo)線，待連接至靜態(tài)應(yīng)變測試系
統(tǒng)；
3)用砂紙把待粘貼應(yīng)變片得充填體3表面打磨光滑，以待粘貼應(yīng)變片；
4)將待試件充填體3和高強度混凝土礦柱試塊4放置于自制夾具中，一起擺置試驗臺支座上，以待試驗機進(jìn)行豎向加載，然后通過導(dǎo)線連接應(yīng)變片2至多通道靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)，參見圖3 ；5)采用游標(biāo)卡尺(為使試驗更加精確，采用精度為0.02mm的游標(biāo)卡尺)和螺帽對充填體16橫向約束的位移量進(jìn)行控制，橫向位移約束量分別為0mm、0. 5mm、lmm、2mm ；
6)進(jìn)行加載，讀取數(shù)據(jù)，讀取萬能試驗機豎向加載礦柱達(dá)到峰值破壞時壓力值，通過靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)采集處理各試驗方案中充填體和螺栓應(yīng)變片數(shù)據(jù)信息。礦柱試塊4為高強度混凝土 配料為鐵礦碎石、外加劑、尾砂、水泥、水，28天齡期單軸抗壓強度均為50 MPa以上。充填體3配料為尾砂、水泥、水，試驗中采用灰砂比分別為1:2、1:8、1:12、1:16。夾板11為IOmm厚度鋼板。定位器15為長50mm M5螺釘。本方法的工作原理是
本發(fā)明通過以高強度混凝土模擬現(xiàn)場礦柱，兩側(cè)為充填體形成充填法采礦中常采用的隔一采一的模式。裝置兩側(cè)采用螺栓和夾板對充填體進(jìn)行橫向位移約束，以模擬圍巖變形移動擠壓充填體，改變了以往試驗中認(rèn)為充入采場中充填體是孤立靜止的設(shè)計方法，通過此夾具，相對更真實了模擬和還原了現(xiàn)場，并且簡單易操作。通過調(diào)節(jié)螺栓可以輕松實現(xiàn)不同橫向位移約束條件下充填體對礦柱體支撐作用差異，也就是考慮到了現(xiàn)場圍巖收斂變形程度對充填體支撐礦柱作用的影響。如果夾具中沒有放置充填體，可以模擬無充填體支撐作用下的礦柱體變形破壞情況，這與現(xiàn)場開挖后還未進(jìn)行充填的空區(qū)情況進(jìn)行對應(yīng)。為了使礦柱體處于二維控制下豎向加載，本試驗方法采用了另外一組側(cè)夾板和螺釘定位器進(jìn)行位移約束。為了實現(xiàn)對螺釘對側(cè)夾板的固定約束控制，事先在四根螺栓中間各設(shè)置了 2個螺孔，加上定位螺釘，以此實現(xiàn)對側(cè)夾板的固定，從而使中間礦柱體處在二維控制下，即一個方向上有充填體進(jìn)行控制和另一方向上有側(cè)夾板進(jìn)行固定，進(jìn)行豎向加載試驗，這也基本對應(yīng)了現(xiàn)場礦柱所處力學(xué)狀態(tài)。在螺栓上裝有敏感元件，并連接靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)，使每根螺栓都成為了一個力學(xué)傳感器，可以方便監(jiān)測到不同橫向位移約束條件下及不同強度充填體支撐作用下豎向加載過程中螺栓上的拉應(yīng)力情況，以反應(yīng)充填體對礦柱的支撐作用以及礦柱的充填體的反作用，可以比較容易的反應(yīng)出充填體對礦柱的橫向支撐作用大小。即，充填體的力學(xué)傳遞效應(yīng)。充填體上的敏感元件，所得到的數(shù)據(jù)可以直觀反應(yīng)充填體在支撐礦柱作用的過程中自身變形破壞機理。本發(fā)明綜合考慮了工程現(xiàn)場情況，具有實現(xiàn)多方案模擬功能，方便簡單，操作性強，對充填體支撐礦柱作用過程機理的試驗有比較強的實用性，在探討和研究充填體與圍巖作用關(guān)系上有一定的借鑒意義。
權(quán)利要求
1.模擬充填體支撐礦柱力學(xué)作用過程的試驗裝置，包括夾具、敏感元件、充填體和礦柱試塊，其特征在于，所述夾具由夾板、螺栓、螺母、側(cè)夾板、定位裝置和墊板組成，礦柱試塊二側(cè)裝有充填體，充填體外側(cè)裝有夾板，二夾板均設(shè)有相對應(yīng)的通孔，螺栓穿過夾板通孔與螺母連接并使夾板固定夾緊，側(cè)夾板安裝于礦柱試塊兩側(cè)，并通過定位裝置定位，螺栓和充填體上均裝有敏感元件，礦柱試塊的一側(cè)表面裝有墊板。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的試驗裝置，其特征在于，所述定位裝置是定位螺釘穿過螺栓上的定位螺孔固定側(cè)夾板。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的試驗裝置，其特征在于，所述定位裝置是兩螺栓間橫裝有一定位板，且定位板上裝有定位螺釘。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的試驗裝置，其特征在于，所述夾板厚度為IOmm 16mm的鋼板。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的所述試驗方法，其特征在于，所述敏感元件是應(yīng)變片或力學(xué)傳感ο
6.模擬充填體支撐礦柱力學(xué)作用過程的試驗方法，其特征在于，步驟如下1)制作夾具；2)制作礦柱試塊；3)制作充填體試塊；4)在二充填體內(nèi)側(cè)放置礦柱試塊，再在二充填體的外側(cè)安裝夾板，用螺栓穿過夾板的通孔與螺母連接并約束控制夾板；5)用定位螺釘控制礦柱試塊二側(cè)的側(cè)夾板，以約束控制礦柱試塊；6)在充填體和螺栓分別裝有敏感元件，敏感元件通過導(dǎo)線分別連接至靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)；7)將夾具放置于支座上，使礦柱試塊另二側(cè)面的一面朝支座，另一面加一墊板；8)在試驗機上對礦柱試塊上進(jìn)行豎向加載，觀察記錄試驗現(xiàn)象，采集處理試驗數(shù)據(jù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的試驗方法，其特征在于，所述步驟2中礦柱試塊為高強度混凝土，養(yǎng)護(hù)齡期為觀天。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的所述試驗方法，其特征在于，所述步驟3和6在制作充填體試塊時，事先將敏感元件埋置在充填體內(nèi)部。
9.根據(jù)權(quán)利要求6的所述試驗方法，其特征在于，所述步驟6在充填體與夾板之間安裝力學(xué)傳感器，以監(jiān)測橫向支撐作用力的大小。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的試驗方法，其特征在于，所述充填體灰砂比為1:2 1:20。
全文摘要
本發(fā)明涉及模擬充填體支撐礦柱力學(xué)作用過程的試驗裝置及方法。通過以高強度混凝土模擬現(xiàn)場礦柱，兩側(cè)為充填體形成充填法采礦中常采用的隔一采一的模式。裝置兩側(cè)采用螺栓和夾板對充填體進(jìn)行橫向位移約束，以模擬圍巖變形移動擠壓充填體，改變了以往試驗中認(rèn)為充入采場中充填體是孤立靜止的設(shè)計方法，以使模擬更真實，更符合現(xiàn)場實際，并且簡單易操作。
文檔編號G01N3/00GK102279125SQ201110176470
公開日2011年12月14日 申請日期2011年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月28日
發(fā)明者喻波, 明世祥, 樊忠華 申請人:中國瑞林工程技術(shù)有限公司