一种单侧暴露大阶段嗣后充填体失稳破坏测试装置及方法与流程

本发明涉及一种单侧暴露大阶段嗣后充填体失稳破坏测试装置及方法

背景技术：

随着资源开采与环境保护矛盾日益凸显，矿井充填作为减少矿山开采活动对地表环境造成破坏和保障采场安全的一种有效方式，必将会被越来越广泛的运用。随着人类对矿产资源日益需求量的加大，深部开采越来越成为主流，而充填体的稳定性是控制采场失稳及地表下沉的主要因素。深部大阶段嗣后充填采矿过程中，在矿房开采完毕后进行胶结充填，将矿房充填体作单侧暴露为支柱进行回采矿柱，顶板压力由原来的矿柱支撑向周围的充填体转移，作为支撑矿房的单侧暴露充填体在维持顶板压力起到了关键性的作用，如何确保在回采矿柱的过程中单侧暴露大阶段嗣后充填体保持稳定性已成为当前研究的焦点。工程实际中，矿井充填体顶部受到顶板应力，侧向受到与其接触岩石的摩擦力，当与之邻近的矿柱进行开采时，充填体则裸露一个自由面，其顶板应力重新分布，出现应力集中现象，加之，大阶段嗣后采场的高度可达到100米，单侧暴露的充填体容易出现损伤失稳跨塌事故，因此，研究充填体在单侧暴露情况下的损伤特性及失稳全程特征极其必要。基于上述情况，迫切需要一种能够模拟现场充填体赋存环境，并能获得充填体在单侧暴露情况下的失稳破坏力学特性的测试装置和方法，以达到对充填体试件进行力学特性和失稳机理进行试验研究，预防充填体失稳事故的目的。

技术实现要素：

本发明实施的目的在于提出一种单侧暴露大阶段嗣后充填体失稳破坏测试装置及方法，能够充分利用所述装置的试件控制系统、应力加载系统、数据采集系统，模拟单侧暴露大阶段嗣后充填体赋存环境并能获得充填体在单侧暴露情况下的失稳破坏力学特性，准确、方便、快捷地对充填体试件受力特征进行试验研究，以达到预防充填体失稳事故的目的。为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种单侧暴露大阶段嗣后充填体失稳破坏测试装置及方法，包括:

试件控制系统，包括充填体试样12的上方、左面、右面、后面四个侧面的侧压板8和固定在轴向反力构件1、侧向反力钢架10上的轴向自动加载系统3、侧向自动加载系统7及由基座11、轴向反力构件1、螺杆9、螺纹13组成的实验装置主体。

应力加载系统，包括轴向自动加载系统3、侧向自动加载系统7和承压底板5。

数据采集系统，包括采集压力信号的智能轴向压力传感器2、智能侧向压力传感器6和采集位移信号的智能位移传感器4。

优选地，一种单侧暴露大阶段嗣后充填体失稳破坏测试装置及方法，其特征在于：模拟矿井充填体在单侧暴露情况下的受力环境，并可通过试件控制系统以及应力加载系统准确、方便、高效、快捷地测得不同应力环境下充填体力学性质，无需现场实测，在室内模拟试验即可，具有操作简便，不影响生产，自动化程度高，安全、精确、高效的优点。

优选地，所述的充填体试样12与矿井充填体的灰砂配比、料浆浓度、养护龄期一致，可以测试的充填体试样的宽高比分别为1:1、1:2和1:3。

优选地，所述的基座11、轴向反力构件1和侧向反力钢架10均为刚性金属不锈钢材质，抗压强度大于100mpa，基座11和轴向反力构件1对应位置开与侧向反力钢架10厚度相同，厚度为20-30mm，基座11内部设置8mm的凹型槽，以固定侧向反力钢架10。

优选地，所述的轴向自动加载系统3和侧向自动加载系统7属于刚性材料，由油压控制其伸缩，其加载位移量程为40-60mm，加载速率范围为0.01-1m/s。

优选地，所述的智能轴向力传感器2和智能侧向力传感器6为防腐不锈钢材质，可重复试用，量程为50g到50t，精度为0.01％。

优选地，所述的智能位移传感器4为激光位移传感器，能适时自动保存位移数据，最小精度为0.01mm，寿命达200万次以上。

优选地，所述的侧压板8是经特制的刚性不锈钢板，在充填体试样12侧面的刚性不锈钢板，外侧较为光滑，内侧加磨砂材料，以模拟矿井充填体与周边围岩的摩擦力，增加测试的准确性。

优选地，所述的螺杆9为特殊加工的带螺纹刚性铁杆，配合六角螺纹13固定上下隔离板，可对轴向反力构件1进行高度调整，以测试不同高宽比的充填体试件，达到模拟不同尺寸采场充填体的稳定性。

本发明提出了一种单侧暴露大阶段嗣后充填体失稳破坏测试装置及方法，应用上述系统，其包括如下工作步骤：

a、将轴向反力构件1和基座11通过侧向反力钢架10组装成加载试验台，用螺杆9配合六角螺纹13将其固定。

b、将试验所用的充填体试样12放置试验装置内的承压底板5上，在其各个面放置与之相对应的侧压板8，利用轴向自动加载系统3和侧向自动加载系统7通过侧压板8给充填体式样12加压，当试样侧面达到实际矿井的位移约束，顶部达到实际矿井的顶板压力后停止加压。

c、利用智能轴向力传感器2和智能侧向力传感器6记录充填体试件12收到的轴向压力和侧向压力，利用智能位移传感器4记录充填体试件12在加载过程中产生的轴向位移和侧向位移。

与现有模拟矿井充填体边界条件的装置相比，本发明具有如下优点：

本发明述及的一种单侧暴露大阶段嗣后充填体失稳破坏测试装置及方法，其试件控制系统、应力加载系统、数据采集系统之间的相互密切配合，模拟矿井充填体在单侧暴露情况下的受力环境，并可通过试件控制系统以及应力加载系统准确、方便、快捷地测得对应环境下充填体力学特性，无需现场实测，在室内模拟试验即可，具有操作简便，不影响生产，自动化程度高，安全高效的优点。使用的充填体试样12与矿井充填体的灰砂配比、料浆浓度、养护龄期一致，而且还分别可以设置充填体试样尺寸的宽高比为1:1、1:2和1:3，其各个侧面侧压板8的摩擦力与矿井实际摩擦力一致，顶部压力也吻合矿井实际顶板压力，尽量达到模拟的可靠准确，该系统原理简单，操作较为方便。

附图说明

图1为本发明装置的y-z向剖面图

图2为本发明装置的z-x向剖面图

图中：1-轴向反力构件，2-智能轴向压力传感器，3-轴向自动加载系统，4-智能位移传感器，5-承压底板，6-智能侧向压力传感器，7-侧向自动加载系统，8-侧压板，9-螺杆，10-侧向反力钢架，11-基座，12-充填体试样，13-螺纹。

技术特征：

技术总结
本发明涉及一种单侧暴露大阶段嗣后充填体失稳破坏测试装置及方法，该装置由试件控制系统、应力加载系统和位移数据采集系统组成。装置主体由基座、轴向反力构件、螺杆、螺纹组成，在充填体试样的上方、左面、右面、后面四个侧面放上侧压板，侧压板外连接加载系统、位移传感器以及压力传感器，使其组成整体并连接反力装置。通过加载系统对充填体试样顶部和侧面产生压力，利用压力传感器及位移传感器获得并记录对应的压力及位移数据。本发明的优点是可以测试单侧暴露大阶段嗣后充填体在多种受力和不同尺寸条件下的稳定性，通过传感器测得对应环境下的充填体力学性质，探究充填体失稳破坏机理，具有操作简便，自动化程度高，安全、连续、精确、高效的优点。

技术研发人员：徐文彬;程世康
受保护的技术使用者：中国矿业大学（北京）
技术研发日：2018.07.10
技术公布日：2019.01.04