一种散体矸石真三轴压缩试验装置及方法与流程

本发明属于散体材料压缩试验技术领域，特别是涉及一种散体矸石真三轴压缩试验装置及方法。

背景技术：

在深井填充开采中所使用的破碎矸石属于无粘性的散体材料，当散体矸石充入采空区后，其在四周挡矸墙或煤柱的约束下，会成为承受覆岩载荷控制岩层移动的主体，且散体矸石对挡矸墙或煤柱产生的侧压力随所承受的覆岩载荷逐渐增加，同时井下深部还需要考虑高水平应力的压缩环境，因此，散体矸石的三向压缩变形特性对深井矸石填充采煤研究具有重要的影响。

但是，现有的真三轴设备所适用的对象主要是岩石和土体等具有一定体积的材料，并不适合对散体矸石压缩进行研究。目前，广泛采用单轴侧限压缩的方法研究散体矸石的压缩特性，设备为万能试验机配合圆形钢筒，其加载过程中无法对侧向进行预定应力的施加，属于假三轴加载试验。因此，为了对深部高围压条件下的散体矸石压缩特性进行研究，开发一种适合散体矸石的真三轴压缩试验设备势在必行。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种散体矸石真三轴压缩试验装置及方法，能够满足深部高围压条件下散体矸石压缩特性的研究需要，同时具有结构简单、操作简便、成本低廉的特点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种散体矸石真三轴压缩试验装置，包括刚性框架、水平加载液压缸、竖直加载液压缸、刚性承压底板、刚性承压立板及刚柔复合承压顶板；所述水平加载液压缸数量为四个，四个水平加载液压缸均布固装在刚性框架四周；所述刚性承压底板水平固装在刚性框架底部；所述刚性承压立板数量为四个，四个刚性承压立板呈首尾相接状态设置在刚性承压底板上表面，在每一块刚性承压立板底部均设置有减摩滚珠，在相邻刚性承压立板之间均设置有立板减摩滚针，首尾相接的四个刚性承压立板中间用于填装散体矸石；每一个所述水平加载液压缸对应一块刚性承压立板，在水平加载液压缸的活塞杆端部与刚性承压立板之间设置有活塞杆减摩滚针；所述刚柔复合承压顶板水平设置在散体矸石上层，所述竖直加载液压缸固装在刚柔复合承压顶板正上方的刚性框架顶部。

在相邻所述刚性承压立板之间均安装有可拆卸的定位销钉。

在每一块所述刚性承压立板的内表面中部、在所述竖直加载液压缸的活塞杆端部均嵌装有一个轮辐式压力传感器。

在所述刚性框架四周均布有四个激光位移传感器，每一个激光位移传感器与一块刚性承压立板正对设置。

在所述竖直加载液压缸的缸筒与活塞杆之间安装有LVDT位移传感器。

所述刚柔复合承压顶板包括十字形橡胶油囊和刚性板，刚性板数量为四块，由四块刚性板与十字形橡胶油囊共同构成一块完整的且呈矩形的刚柔复合承压顶板，刚性板与十字形橡胶油囊之间通过粘接方式相连。

所述十字形橡胶油囊的四条支臂上均设置有进出油口。

在所述刚性框架外部设有油囊供油油箱，油囊供油油箱连接有一台油囊供油油泵，油囊供油油泵的出油口连接有第一单向阀，第一单向阀的进油侧与油囊供油油泵的出油口相连通，第一单向阀的出油侧通过两路油管分别与十字形橡胶油囊两条支臂上的进出油口相连通，十字形橡胶油囊另两条支臂上的进出油口通过两路油管汇接在第二单向阀的进油侧，第二单向阀的出油侧与油囊供油油箱相连通。

一种散体矸石真三轴压缩试验方法，采用了所述的散体矸石真三轴压缩试验装置，包括如下步骤：

步骤一：将准备的散体矸石装填到首尾相接的四个刚性承压立板中间，并以逐层方式进行散体矸石的装填，且每装填完一层散体矸石后都进行一次预压；

步骤二：当散体矸石完成装填后，将刚柔复合承压顶板放置到散体矸石的上层，同时在刚柔复合承压顶板上下表面分别放置一张减摩金属片，然后启动油囊供油油泵，以向十字形橡胶油囊中充入液压油，十字形橡胶油囊在充油过程中逐渐膨胀，直到刚性板与刚性承压立板紧密接触在一起；

步骤三：抽去所有定位销钉，同时将所有的轮辐式压力传感器、LVDT位移传感器和激光位移传感器进行调零；

步骤四：启动全部四个水平加载液压缸，通过水平加载液压缸对刚性承压立板施加水平方向载荷力，散体矸石在水平方向载荷力的作用下产生压缩，同时十字形橡胶油囊内的液压油在受压条件下会回流到油囊供油油箱中，刚柔复合承压顶板的尺寸会随着压缩过程进行自动改变；

步骤五：当轮辐式压力传感器检测到散体矸石所受到的水平方向载荷力达到设定值后，停止水平方向载荷力的继续加载，将散体矸石所受到的水平方向载荷力保持在设定值水平，同时通过激光位移传感器对散体矸石在水平方向上的压缩量进行测量；

步骤六：启动竖直加载液压缸，通过竖直加载液压缸对刚柔复合承压顶板施加竖直方向载荷力，散体矸石在竖直方向载荷力的作用下产生进一步压缩，直到竖直方向载荷力达到设定值后，通过LVDT位移传感器对散体矸石在竖直方向上的压缩量进行测量，同时通过刚性承压立板上的轮辐式压力传感器检测水平方向上的压力变化情况。

本发明的有益效果：

本发明的散体矸石真三轴压缩试验装置及方法，能够满足深部高围压条件下散体矸石压缩特性的研究需要，同时具有结构简单、操作简便、成本低廉的特点。

附图说明

图1为本发明的一种散体矸石真三轴压缩试验装置的俯视图；

图2为本发明的一种散体矸石真三轴压缩试验装置的正视图；

图3为本发明的十字形橡胶油囊的供油油路原理图；

图中，1—刚性框架，2—水平加载液压缸，3—竖直加载液压缸，4—刚性承压底板，5—刚性承压立板，6—刚柔复合承压顶板，7—减摩滚珠，8—立板减摩滚针，9—散体矸石，10—活塞杆减摩滚针，11—定位销钉，12—轮辐式压力传感器，13—激光位移传感器，14—十字形橡胶油囊，15—刚性板，16—进出油口，17—油囊供油油箱，18—油囊供油油泵，19—第一单向阀，20—第二单向阀，21—LVDT位移传感器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1～3所示，一种散体矸石真三轴压缩试验装置，包括刚性框架1、水平加载液压缸2、竖直加载液压缸3、刚性承压底板4、刚性承压立板5及刚柔复合承压顶板6；所述水平加载液压缸2数量为四个，四个水平加载液压缸2均布固装在刚性框架1四周；所述刚性承压底板4水平固装在刚性框架1底部；所述刚性承压立板5数量为四个，四个刚性承压立板5呈首尾相接状态设置在刚性承压底板4上表面，在每一块刚性承压立板5底部均设置有减摩滚珠7，在相邻刚性承压立板5之间均设置有立板减摩滚针8，首尾相接的四个刚性承压立板5中间用于填装散体矸石9；每一个所述水平加载液压缸2对应一块刚性承压立板5，在水平加载液压缸2的活塞杆端部与刚性承压立板5之间设置有活塞杆减摩滚针10；所述刚柔复合承压顶板6水平设置在散体矸石9上层，所述竖直加载液压缸3固装在刚柔复合承压顶板6正上方的刚性框架1顶部。

在相邻所述刚性承压立板5之间均安装有可拆卸的定位销钉11。

在每一块所述刚性承压立板5的内表面中部、在所述竖直加载液压缸3的活塞杆端部均嵌装有一个轮辐式压力传感器12。

在所述刚性框架1四周均布有四个激光位移传感器13，每一个激光位移传感器13与一块刚性承压立板5正对设置。

在所述竖直加载液压缸3的缸筒与活塞杆之间安装有LVDT位移传感器21。

所述刚柔复合承压顶板6包括十字形橡胶油囊14和刚性板15，刚性板15数量为四块，由四块刚性板15与十字形橡胶油囊14共同构成一块完整的且呈矩形的刚柔复合承压顶板6，刚性板15与十字形橡胶油囊14之间通过粘接方式相连。

所述十字形橡胶油囊14的四条支臂上均设置有进出油口16。

在所述刚性框架1外部设有油囊供油油箱17，油囊供油油箱17连接有一台油囊供油油泵18，油囊供油油泵18的出油口连接有第一单向阀19，第一单向阀19的进油侧与油囊供油油泵18的出油口相连通，第一单向阀19的出油侧通过两路油管分别与十字形橡胶油囊14两条支臂上的进出油口16相连通，十字形橡胶油囊14另两条支臂上的进出油口16通过两路油管汇接在第二单向阀20的进油侧，第二单向阀20的出油侧与油囊供油油箱17相连通。

一种散体矸石真三轴压缩试验方法，采用了所述的散体矸石真三轴压缩试验装置，包括如下步骤：

步骤一：将准备的散体矸石9装填到首尾相接的四个刚性承压立板5中间，并以逐层方式进行散体矸石9的装填，且每装填完一层散体矸石9后都进行一次预压；

步骤二：当散体矸石9完成装填后，将刚柔复合承压顶板6放置到散体矸石9的上层，同时在刚柔复合承压顶板6上下表面分别放置一张减摩金属片，然后启动油囊供油油泵18，以向十字形橡胶油囊14中充入液压油，十字形橡胶油囊14在充油过程中逐渐膨胀，直到刚性板15与刚性承压立板5紧密接触在一起；

步骤三：抽去所有定位销钉11，同时将所有的轮辐式压力传感器12、LVDT位移传感器21和激光位移传感器13进行调零；

步骤四：启动全部四个水平加载液压缸2，通过水平加载液压缸2对刚性承压立板5施加水平方向载荷力，散体矸石9在水平方向载荷力的作用下产生压缩，同时十字形橡胶油囊14内的液压油在受压条件下会回流到油囊供油油箱17中，刚柔复合承压顶板6的尺寸会随着压缩过程进行自动改变；

步骤五：当轮辐式压力传感器12检测到散体矸石9所受到的水平方向载荷力达到设定值后，停止水平方向载荷力的继续加载，将散体矸石9所受到的水平方向载荷力保持在设定值水平，同时通过激光位移传感器13对散体矸石9在水平方向上的压缩量进行测量；

步骤六：启动竖直加载液压缸3，通过竖直加载液压缸3对刚柔复合承压顶板6施加竖直方向载荷力，散体矸石9在竖直方向载荷力的作用下产生进一步压缩，直到竖直方向载荷力达到设定值后，通过LVDT位移传感器21对散体矸石9在竖直方向上的压缩量进行测量，同时刚性承压立板5上的轮辐式压力传感器12检测水平方向上的压力变化情况。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。