专利名称：模拟充填体支撑矿柱力学作用过程的试验装置及方法
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�。蛘吆雎粤四承┲匾蛩兀缑挥锌悸堑匠涮钐宄淙氩沙≈校崴孀盼а业氖樟脖湫我贫顾醣湫�。
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IOmm 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，养护龄期为观天。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�。从α顺涮钐逵肟笾涞淖饔昧τ敕醋饔昧Γ卜从α瞬煌慷瘸涮钐逯С趴笾牧ρТ葑饔眯Ч�
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。
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
图3是本发明的试验系统连接示意图
图中1-夹具，11-夹板，12-螺栓，13-螺母，14-侧夹板，15-定位装置，16-垫板，2-敏感元件，3-充填体，4-矿柱试块，5-定位螺孔。
具体实施例方式以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明，参见图1至图3，模拟充填体支撑矿柱力学作用过程的试验装置，包括夹具1、敏感元件2、充填体3和矿柱试块4，其特征在于，所述夹具1由夹板11、螺栓12、螺母13、侧夹板14、定位装置15和垫板16组成，矿柱试块4 二侧装有充填体3，充填体3外侧装有夹板11，二夹板11均设有相对应的通孔，螺栓12 穿过夹板11通孔与螺母13连接并使夹板11固定夹紧，侧夹板14安装于矿柱试块4两侧， 并通过定位装置15定位，螺栓12和充填体3上均装有敏感元件2，矿柱试块4的一侧表面装有垫板16。所述定位装置15是定位螺钉穿过螺栓12上的定位螺孔5固定侧夹板14。所述定位装置15是两螺栓12间横装有一定位板，且定位板上装有定位螺钉。所述夹板11厚度为IOmm 16mm的钢板。 所述敏感元件2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1；
2)制作矿柱试块4;
3)制作充填体3试块；
4)在二充填体3内侧放置矿柱试块4，再在二充填体3的外侧安装夹板11，用螺栓12 穿过夹板11的通孔并用螺母13固紧；
5)用定位螺钉15压紧矿柱试块4二侧的侧夹板14 ；
6)在充填体3和螺栓12分别装有敏感元件2，敏感元件2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4另二侧面的一面朝支座，另一面加一垫板16；
8)在试验机上对矿柱试块4上的垫板16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4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。其中夹板11、侧夹板14、垫板16均为表面均光滑型号ΑΗ3^ 钢板，螺栓12采用的性能为8. 8级的Μ16螺栓，采用《机械设计手册》中，取弹模E=180GPa，长度为350mm。夹板11规格为172mmX IOOmmX 10mm、侧夹板14规格为IOOmmX IOOmmX 10mm、垫板16规格为 IOOmmX IOOmmX IOmm均为刚性材料，在试验中不会产生变形。实施例
本发明的最佳实施例是
1)在试验室，采用标准模具制作不同灰砂比的充填体3及高强度混凝土矿柱试块4，大小均为长X宽X高100mmX IOOmmX 100mm，在养护室进行养护，养护龄期均为28天；
2)在自制夹具的螺栓12的两端粘贴应变片，并焊接导线，待连接至静态应变测试系
统；
3)用砂纸把待粘贴应变片得充填体3表面打磨光滑，以待粘贴应变片；
4)将待试件充填体3和高强度混凝土矿柱试块4放置于自制夹具中，一起摆置试验台支座上，以待试验机进行竖向加载，然后通过导线连接应变片2至多通道静态应变测试系统，参见图3 ；5)采用游标卡尺(为使试验更加精确，采用精度为0.02mm的游标卡尺)和螺帽对充填体16横向约束的位移量进行控制，横向位移约束量分别为0mm、0. 5mm、lmm、2mm ；
6)进行加载，读取数据，读取万能试验机竖向加载矿柱达到峰值破坏时压力值，通过静态应变测试系统采集处理各试验方案中充填体和螺栓应变片数据信息。矿柱试块4为高强度混凝土 配料为铁矿碎石、外加剂、尾砂、水泥、水，28天龄期单轴抗压强度均为50 MPa以上。充填体3配料为尾砂、水泥、水，试验中采用灰砂比分别为1:2、1:8、1:12、1:16。夹板11为IOmm厚度钢板。定位器15为长50mm M5螺钉。本方法的工作原理是
本发明通过以高强度混凝土模拟现场矿柱，两侧为充填体形成充填法采矿中常采用的隔一采一的模式。装置两侧采用螺栓和夹板对充填体进行横向位移约束，以模拟围岩变形移动挤压充填体，改变了以往试验中认为充入采场中充填体是孤立静止的设计方法，通过此夹具，相对更真实了模拟和还原了现�。⑶壹虻ヒ撞僮�。通过调节螺栓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。如果夹具中没有放置充填体，可以模拟无充填体支撑作用下的矿柱体变形破坏情况，这与现场开挖后还未进行充填的空区情况进行对应。为了使矿柱体处于二维控制下竖向加载，本试验方法采用了另外一组侧夹板和螺钉定位器进行位移约束。为了实现对螺钉对侧夹板的固定约束控制，事先在四根螺栓中间各设置了 2个螺孔，加上定位螺钉，以此实现对侧夹板的固定，从而使中间矿柱体处在二维控制下，即一个方向上有充填体进行控制和另一方向上有侧夹板进行固定，进行竖向加载试验，这也基本对应了现场矿柱所处力学状态。在螺栓上装有敏感元件，并连接静态应变测试系统，使每根螺栓都成为了一个力学传感器，可以方便监测到不同横向位移约束条件下及不同强度充填体支撑作用下竖向加载过程中螺栓上的拉应力情况，以反应充填体对矿柱的支撑作用以及矿柱的充填体的反作用，可以比较容易的反应出充填体对矿柱的横向支撑作用大小。即，充填体的力学传递效应。充填体上的敏感元件，所得到的数据可以直观反应充填体在支撑矿柱作用的过程中自身变形破坏机理。本发明综合考虑了工程现场情况，具有实现多方案模拟功能，方便简单，操作性强，对充填体支撑矿柱作用过程机理的试验有比较强的实用性，在探讨和研究充填体与围岩作用关系上有一定的借鉴意义。
权利要求
1.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。
2.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，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。
3.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，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。
4.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述夹板厚度为IOmm 16mm的钢板。
5.根据权利要求1的所述试验方法，其特征在于，所述敏感元件是应变片或力学传感ο
6.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与螺母连接并约束控制夹板；5)用定位螺钉控制矿柱试块二侧的侧夹板，以约束控制矿柱试块；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进行竖向加载，观察记录试验现象，采集处理试验数据。
7.根据权利要求6所述的试验方法，其特征在于，所述步骤2中矿柱试块为高强度混凝土，养护龄期为观天。
8.根据权利要求6的所述试验方法，其特征在于，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。
9.根据权利要求6的所述试验方法，其特征在于，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。
10.根据权利要求6所述的试验方法，其特征在于，所述充填体灰砂比为1:2 1:20。
全文摘要
本发明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。通过以高强度混凝土模拟现场矿柱，两侧为充填体形成充填法采矿中常采用的隔一采一的模式。装置两侧采用螺栓和夹板对充填体进行横向位移约束，以模拟围岩变形移动挤压充填体，改变了以往试验中认为充入采场中充填体是孤立静止的设计方法，以使模拟更真实，更符合现场实际，并且简单易操作。
文档编号G01N3/00GK102279125SQ201110176470
公开日2011年12月14日 申请日期2011年6月28日 优先权日2011年6月28日
发明者喻波, 明世祥, 樊忠华 申请人:中国瑞林工程技术有限公司
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