研究矿柱开挖过程充填体承载机制的试验仪器和试验方法与流程

本发明属于采矿技术研究领域，具体是涉及一种以岩石力学理论为基础，根据阶段空场嗣后充填采矿法开采工艺建立基于矿柱开挖过程的充填体-矿柱力学系统开挖承载实验模型，利用液压伺服试验机平台并结合应变监测系统、声发射监测系统，研究矿柱开挖过程充填体承载机制的试验仪器和试验方法。

技术背景

21世纪以来，环境保护意识进一步得到加强，充填采矿法越来越受到采矿界的重视，已成为地下采矿技术发展的主要趋势之一。充填采矿法是利用充填体控制围岩移动变形，从而有效管理地压，实现矿山安全、高效开采。随着充填开采技术的不断发展，机械化、大规模开采的阶段空场嗣后充填采矿法在黑色冶金矿山得到广泛应用。

利用阶段空场嗣后充填采矿法开采厚大矿体时，通常需将矿块垂直矿体走向布置，形成“矿房-矿柱-矿房-矿柱”的间隔开采格局，矿房利用阶段空场采矿法开采后再进行嗣后胶结充填，回采矿柱时以充填体作为人工矿柱支撑采场应力实现安全回采。这一开采过程中，矿柱回采是在充填体的保护作用下进行的，胶结充填体起到人工矿柱的作用，胶结矿柱作为应力转移的承载体，必须具有足够的强度来支撑采场；矿柱回采过程是充填体暴露面积不断扩大，充填体-矿柱系统不断卸荷且持续承载的力学过程，随充填体的暴露面积的逐步增大充填体应力场亦随之变化，内部产生裂隙甚至会产生宏观裂纹，极易出现破坏垮塌危害。因此研究高大采场充填体在矿柱回采过程中应力场演化规律和自身承载破坏机制对于合理选择采场结构参数和开采顺序，以及对于维持地下充填采场稳定性、安全合理的进行矿山开采也具有重要意义。

目前针对阶段空场嗣后充填开采过程开展的相关技术研究主要集中于现场数据采集、数值模拟、相似模拟实验等技术手段。现场数据采集受现场生产、水文、其他环境因素影响严重，而且周期长，试验可重复性较差；相似模拟实验研究受相似比以及相似实验平台条件限制(多为二维相似模拟实验)较大，周期长、成本高；数值模拟分析受模拟软件自身力学模型限制影响较大。

本发明就是针对以上问题提出的，提出了一种以岩石力学理论为基础，根据阶段空场嗣后充填采矿法开采工艺建立基于矿柱开挖过程的充填体-矿柱力学系统开挖承载实验模型，利用液压伺服试验机平台并结合应变监测系统、声发射监测系统，研究矿柱开挖过程充填体承载机制的试验仪器和试验方法。

技术实现要素：

本发明旨在探寻充填体在矿柱开挖过程中不断卸荷、承载的应力场演化规律和充填体破坏机制，为阶段空场嗣后充填开采提供理论支撑，更好地指导现场开采。

根据本发明的一方面，提供了一种研究矿柱开挖过程充填体承载机制的试验仪器，所述仪器包括：岩石试验机，试件，模具，静态应变监测系统,声发射监测系统，微机电脑，导线，其中

所述的岩石试验机负责提供竖直方向荷载；

所述的试件由矿柱和充填体组成，其中所述的矿柱由多片规整的矿石试块组合而成；

所述的模具由钢板组成，所述的钢板之间通过嵌套和螺栓紧固连接，正面和背面钢板外侧设置加强肋板，通过螺栓与底部钢板连接，限制钢板变形，两侧端部钢板插入正面和背面钢板的卡槽中，通过螺栓与底部钢板连接，限制钢板位移变形；

所述的静态应变监测系统包括应变仪和应变片，其中所述的应变片置于所述的矿柱及所述的充填体上；

所述的声发射监测系统包括声发射仪和探头，其中所述的探头置于所述的模具的外壁；

所述的微机电脑是所述的试验仪器的中央控制器及结果的显示输出装置，负责控制所述的岩石试验机的应力加载及所述的静态应变监测系统及所述的声发射监测系统的测量、数据采集，并显示输出所述的静态应变监测系统及所述的声发射监测系统测量的数据、图像，以及岩石试验机加载的力学曲线；

所述的导线负责传输信息，所述的探头与所述的声发射仪通过所述的导线连接，所述的声发射仪与所述的微机电脑通过所述的导线连接，所述的应变片与所述的应变仪通过所述的导线连接，所述的应变仪与所述的微机电脑通过所述的导线连接；

所述的试件置于所述的模具之中，在所述模具的限制下所述的试件四周水平位移固定；

所述的模具正面钢板中央设有“凸”字形缺口，所述的矿柱与缺口位置对齐，所述的缺口由“凸”字形钢板封堵，并由内六角螺栓紧固；

所述的矿柱是由若干片规整的矿石试块纵向排列组合而成；

所述的应变片贴于所述的矿柱和所述的充填体的中央位置，所述的应变片表面涂有914胶，对应变片起到固定、防水及防潮作用；

所述的试件表面与所述的模具内壁均匀涂有凡士林，使所述的试件与所述的模具获得更好的耦合，利于试验过程中声发射信号的监测；

根据本发明的另一个方面，还提供了一种研究矿柱开挖过程充填体承载机制的试验方法：

步骤一：调试岩石试验机，使其达到预加载荷，并在整个测试过程中保持加载应力不变；

步骤二：调试静态应变监测系统，利用万能表对应变片的电阻及应变仪的电阻进行监测，对所有应变片进行数据平衡处理；

步骤三：调试声发射监测系统，记录探头位置坐标，原点为模具的内左角，所有探头距中心距离相差不大；

步骤四：当加载应力达到预值时，同时开启静态应变监测系统和声发射监测系统，开始监测并记录充填体-矿柱未开采时的应变变化和声发射情况；

步骤五：松开内六角螺栓，撤掉“凸”字形钢板进行矿柱开挖，迅速敲击矿石试块四角边缘，将矿石试块击碎并将碎片清出，完成本次矿柱开挖，监测并记录声发射以及应变情况，为模拟真实采矿过程即“爆破崩矿-出矿-爆破崩矿-出矿”，要求矿柱开挖过程迅速,矿石试块击碎后需等待10分钟再进行下一次矿柱开挖，静态应变监测系统和声发射监测系统始终保持监测、记录状态；

步骤六：重复“步骤五”，直至矿柱开挖完毕；

步骤七：结果输出，将静态应变监测系统、声发射监测系统的监测结果以数值、图像的形式输出，并对开挖矿柱两侧充填体的破坏情况进行拍照，以方便后期试验数据分析。

本发明具有以下优点：

1.通过力学试验的方法建立了阶段空场嗣后充填采矿法矿柱开挖过程中充填体承载力学模型，为矿柱回采过程的安全性分析提供了理论支撑，更好地指导现场开采；

2.利用静态应变监测系统、声发射监测系统对试验中矿柱开挖整个过程中矿柱、充填体的声发射以及应变情况进行监测，实现了矿柱开挖过程中矿柱承载规律及充填体卸荷及承载规律研究；

3.本发明实现了对矿柱开挖过程中“充填体-矿柱-充填体”力学系统应力场演化机制的研究。

附图说明

图1为本发明试验仪器整体结构示意图

图2为模具和试件结构示意图

图3为矿石试块示意图

图4为矿柱开采过程充填体卸荷承载力学模型

图5为本发明试验方法步骤流程图

标号说明：

1：岩石试验机

2：试件，2-1：充填体，2-2：矿柱，2-3矿石试块

3：模具，3-1：钢板，3-2：“凸”字形钢板，3-3：内六角螺栓，3-4：肋板，3-5：卡槽

4-1：应变仪，4-2应变片

5-1：声发射仪，5-2：探头

6：微机电脑

7：导线

具体实施方式

本发明涉及一种以岩石力学理论为基础，根据阶段空场嗣后充填采矿法开采工艺建立基于矿柱开挖过程的充填体-矿柱力学系统开挖承载实验模型，利用液压伺服试验机平台并结合应变监测系统、声发射监测系统，研究矿柱开挖过程充填体承载机制的试验仪器和试验方法。

下面结合说明书附图1～4对研究矿柱开挖过程充填体承载机制试验仪器的重要部分做进一步介绍：

岩石试验机1负责竖直方向提供载荷施加在试件2顶部上，荷载大小根据模拟现场的开采环境重力场大小而定；试件2由“充填体-矿柱-充填体”组成，两侧充填体2-1按实验要求制作、养护，各面磨平后与矿柱2-2紧密结合在一起，中间矿柱2-2部分，为方便开挖，由多片规整矿石试块2-3纵向排列组合而成；组装时，试件2置于底部钢板3-1之上，钢板之间通过嵌套和螺栓紧固连接，使试件2除开挖面外四周水平位移固定，正、背面钢板3-1外侧设置加强肋板3-4，通过螺栓与底部钢板连接，限制钢板变形，两侧端部钢板插入正、背面钢板的卡槽3-5中，通过螺栓与底部钢板连接，限制钢板位移变形，模具3侧壁中央活动“凸”字形钢板3-2与矿柱2-2平行并在纵向处于同一直线，方便矿柱2-2开挖；试件2表面及模具3内壁需要均匀涂抹一层凡士林，目的是使2与模具3更好的耦合，利于试验过程中声发射信号监测；应变片4-2均匀粘贴在充填体2-1与矿柱2-2中央表面处，使应变仪4-1全面地监测充填体2-1与矿柱2-2在开挖过程中的应变变化，矿柱2-2开挖顺序是由外向内的；探头5-2放置在模具3外侧壁上，每个侧壁放置2个，能够全面地采集充填体2-1与矿柱2-2在开挖过程中的声发射信号，放置原则为所有探头5-2距中心距离相差不大，以模具3内壁左内角为原点，记录探头5-2的位置；导线7与应变片4-2焊接处及应变片4-2表面涂抹914胶，起到应变片固定和防水、防潮作用。

矿柱开挖过程，由应变仪4-1记录预先粘贴在充填体2-1与矿柱2-2表面应变片4-2的应变变化，同时由声发射系统的声发射仪5-1采集记录开挖过程充填体2-1与矿柱2-2的声发射信号，以分析力学模型实验过程细-宏观破坏规律，由此揭示“充填体-矿柱-充填体”组合系统在矿柱2-2开挖条件下，充填体2-1卸荷承载力学机制。

下面结合说明书附图5对研究矿柱开挖过程充填体承载机制试验方法的步骤进一步介绍：

步骤一：调试岩石试验机，使其达到预加载荷，并在整个测试过程中保持加载应力不变；

步骤二：调试静态应变监测系统，利用万能表对应变片的电阻及应变仪的电阻进行监测，对所有应变片进行数据平衡处理，根据出现异常的现象及时排查：1、电阻值小——检查导线是否有短路的地方，2、没有电阻值——检查导线与应变仪连接的地方是否接触不良；

步骤三：调试声发射监测系统，记录探头位置坐标，原点为模具的内左角，所有探头距中心距离相差不大；

步骤四：当加载应力达到预值时，同时开启静态应变监测系统和声发射监测系统，开始监测并记录充填体-矿柱未开采时的应变变化和声发射情况；

步骤五：松开内六角螺栓，撤掉“凸”字形钢板进行矿柱开挖，迅速敲击矿石试块四角边缘，将矿石试块击碎并将碎片清出，完成本次矿柱开挖，监测并记录声发射以及应变情况，为模拟真实采矿过程即“爆破崩矿-出矿-爆破崩矿-出矿”，要求矿柱开挖过程迅速,矿石试块击碎后需等待10分钟再进行下一次矿柱开挖，静态应变监测系统和声发射监测系统始终保持监测、记录状态；

步骤六：重复“步骤五”，直至矿柱开挖完毕；

步骤七：结果输出，将静态应变监测系统、声发射监测系统的监测结果以数值、图像的形式输出，并对开挖矿柱两侧充填体的破坏情况进行拍照，以方便后期试验数据分析。

具体试验数据如下：

应变片数据分析：

左侧充填体上应变片自下至上的顺序为1、2、3、4，右侧充填体上应变片自下至上的顺序为5、6、7、8。

表1静态应变监测系统测得矿柱开挖过程中的应变变化

从上表可以看出，左侧充填体的所有应变片均有变化，4号应变片的应变最大，这是由于4号应变片距顶部较近，承受应力最大，表现为应变最明显；右侧充填体的5号应变片位于底部，承受应力最大，表现为应变最明显，并且右侧充填体的应变变化是由上至下逐渐增大的。

第一次开挖，由于开挖时充填体已经开始承受应力，则应变片的应变开始增加，同时由于施加载荷在充填体的承受范围之内，应变变化较小。第二次开挖，充填体仍具有较好的承载能力，应变继续增加但变化较小。第三次开挖，充填体产生更大的暴露面，承受应力的能力降低，应变增加较大。在矿柱回采过程中，充填体持续承受顶板应力，在侧面出现暴露面后应变会发生突然增大的现象，表明充填体具有支护作用，保护矿柱回采的安全。

声发射数据分析：

在模具的正面、左面、背面、右面的钢板外壁各安装两个探头，编号依次为1-8号，每个面的左下角探头编号为单数，右上角探头编号为偶数，呈对角线分布，每个探头分别与声发射仪编号一致的通道相连接，现抽取每个面上的一个探头进行数据分析。

表2通道1和通道4声发射特征参数值

表3通道5和通道8声发射特征参数值

表2、3可以看出，在不同回采阶段前期都会有声发射信号突然增加的现象，表明此时模型承受应力增加，充填体发生一定的破坏。随着矿柱回采进行，充填体产生暴露面增大，受到的应力增加，易出现裂纹裂隙的演化，表现为声发射特征信号随着回采步骤的增加而逐渐增大。