[发明专利]模拟充填体支撑矿柱力学作用过程的试验装置及方法

说明书

 

技术领域

本发明涉及对充填体支撑矿柱力学作用的试验，适用于矿山充填体与围岩相互作用试验，特别涉及模拟充填体支撑矿柱力学作用过程的试验装置及方法。

背景技术

近年来，随着国家环保要求的进一步提高以及金属价格的逐步攀升，各大矿山为了保护矿区地表不发生大的变形和充分回收资源，充填采矿法得到了越来越广泛的应用，与此同时，各种不同性质的充填料层出不穷，例如：干式充填、水砂充填、废石充填、全尾砂充填、膏体充填等。如何确定合适的充填体强度以保证地表建筑物和其他设施安全？充填体支撑矿柱的作用机理如何？一直没有确切的研究答案，这使充填法在应用过程中缺少了充分的理论依据，一定程度上限制了充填采矿法的大规模应用。

对充填体强度如何确定，充填体是如何支撑采场围岩以维护采场稳定的，一个多世纪以来，国内外学者采取数学方法、现场实测法、物理相似模拟、数值模拟等方法展开了广泛的研究，得到了许多有价值意义的认识和理论。其中物理模拟是现今学者常采用的探讨和研究充填体与围岩相互作用关系的方法。但总的来看，诸如此类试验方法在模拟和还原现场过程中，有的操作过于繁琐，有的没有更真实的还原和模拟现场，或者忽略了某些重要因素，如：没有考虑到充填体充入采场中，会随着围岩的收敛变形移动而压缩变形。

发明内容

本发明在于提供一种矿山充填体与围岩相互作用的试验方法，是基于充填体与围岩相互作用关系探讨目的而设计研发的，致力于分析和揭示充填体支撑矿柱作用机理以及支撑作用过程中充填体自身破坏机理。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案，模拟充填体支撑矿柱力学作用过程的试验装置，包括：夹具、敏感元件、充填体和矿柱试块，其特征在于，所述夹具由夹板、螺栓、螺母、侧夹板、定位装置和垫板组成，矿柱试块二侧装有充填体，充填体外侧装有夹板，二夹板均设有相对应的通孔，螺栓穿过夹板通孔与螺母连接并使夹板固定夹紧，侧夹板安装于矿柱试块两侧，并通过定位装置定位，螺栓和充填体上均装有敏感元件，矿柱试块的一侧表面装有垫板。

所述定位装置是定位螺钉穿过螺栓上的定位螺孔固定侧夹板。

所述定位装置是两螺栓间横装有一定位板，且定位板上装有定位螺钉。

所述夹板厚度为10mm～16mm的钢板。  

所述敏感元件是应变片或力学传感器。

模拟充填体支撑矿柱力学作用过程的试验方法，其特征在于，步骤如下：

1）制作夹具；

2）制作矿柱试块；

3）制作充填体试块；

4）在二充填体内侧放置矿柱试块，再在二充填体的外侧安装夹板，用螺栓穿过夹板的通孔并用螺母约束控制；

5）用定位螺钉控制矿柱试块二侧的侧夹板，并约束控制矿柱试块；

6）在充填体和螺栓分别装有敏感元件，敏感元件通过导线分别连接至静态应变测试系统；

7）将夹具放置于支座上，使矿柱试块另二侧面的一面朝支座，另一面加一垫板；

8）在试验机上对矿柱试块上的垫板进行竖向加载，观察记录试验现象，采集处理试验数据。

所述步骤2中矿柱试块为高强度混凝土，养护龄期为28天。

所述步骤3和6在制作充填体试块时，事先将敏感元件埋置在充填体内部。

所述步骤6在充填体与夹板之间安装力学传感器，以监测横向支撑作用力的大小。

所述充填体灰砂比为1:2~1:20。

本发明的优点在于：

1）采用螺栓和螺帽约束控制夹板产生横向位移挤压充填体试块以模拟现场围岩收敛移动进而压缩充填体的方式，模拟了现场中围岩向充填体方向的收敛变形移动压缩充填体，通过调节螺栓和螺帽，可以轻松实现不同横向位移约束条件下充填体对矿柱体支撑作用差异，也就是考虑到了现场围岩收敛变形程度对充填体支撑矿柱作用的影响；

2）通过装在夹具螺栓上敏感元件，使每一根螺栓在试验过程中形成了一根简易力学传感器，可以方便的监测到各试验方案中螺栓上的拉应力大小，反应了充填体与矿柱之间的作用力与反作用力，也反应了不同强度充填体支撑矿柱的力学传递作用效果；

3）通过装在充填体上的敏感元件，可以直观的反应各试验方案中充填体支撑矿柱作用过程中自身的变形破坏情况，以揭示充填体支撑矿柱作用过程中自身变形破坏机理。

具有可操作方便简单、同时进行多方案模拟等优点，结合现场试验和数值模拟分析等手段，可为充填工艺设计、充填体强度确定提供科学依据。

附图说明

图1是本发明的装置安装示意图（俯视）

图2是图1的A向示意图