CN103940669A - 一种固体充填材料力学特性测试方法 - Google Patents

Abstract

一种固体充填材料力学特性测试方法，首先对固体充填材料进行破碎筛分，按设定粒径级配制备试验试样；其次将试验试样分层逐层装入压实钢筒，每层50mm，装完后平整装料表面；并测量固体充填材料装料高度h；接着将圆形活塞缓慢放入压实钢筒中，并固定压实钢筒于万能试验机上；然后以力加载速率对固体充填材料进行加载至工作面原岩应力，记录加载过程中的压力F与位移S；最后处理试验数据，得到充填材料的力学特性。为实现“三下”煤层的安全开采提供理论依据。此测试方法简单易行，准确性高，具有广泛的实用性。

Description

一种固体充填材料力学特性测试方法

技术领域

本发明涉及一种充填采煤中充填材料力学特性测试方法，特别是一种适用于矸石、黄土等固体充填采煤的充填材料力学特性测试方法。

背景技术

在固体充填采煤技术中，一般情况下采用矸石、粉煤灰、露天矿渣及黄土等作为固体充填材料，然后通过地面运输系统、固体充填物料垂直投放系统输送至井下，最后通过井下运输系统直接充填于采空区，作为主要支撑承载上覆岩层的大部分载荷，从而限制上覆岩层的移动。由于充填材料自身的孔隙率较大，在充入采空区后在上覆岩层的作用下，会被压实而产生较大的压缩变形，因此，固体充填材料的力学特性对充填开采后岩层及地表沉陷控制起着至关重要的作用，必须对不同配比、粒径级配等条件下固体充填材料力学特性进行深入研究，最大程度地降低固体充填材料的压缩率，对实现“三下”煤层的安全开采提供一定的理论指导。

发明内容

技术问题：本发明的目的是克服现有充填材料力学特性测试方法中的不足，提供一种测试方法简单、准确地固体充填材料力学特性测试方法。

技术方案：本发明的固体充填材料力学特性测试方法，其特征是将制备的固体充填材料试样装入压实钢筒，然后将压实钢筒固定于加载试验机上，进行固体充填材料力学特性测试，其具体步骤如下：

（1）将固体充填材料进行破碎筛分处理，按设定粒径级制备试验试样；

（2）将试验试样分多层逐层装入钢筒内压实，每层厚度为50mm，装完后平整装料表面；

（3）测量固体充填材料装料高度h；

（4）用与钢筒口径相同的活塞缓慢放入钢筒中，并将钢筒固定于加载试验机上；

（5）以力加载速率对固体充填材料进行加载至工作面原岩应力σ₀，记录加载过程中的压力F与位移s；

σ₀＝γH

式中：γ为岩层平均容重；H为工作面埋深；

（6）处理试验数据，按下列公式计算应力σ与应变ε，得到充填材料的应力-应变关系曲线；

$\mathrm{\σ}=\frac{F}{A},\mathrm{\ϵ}=\frac{s}{h}$

式中：A为压实钢筒的横截面积；

（7）根据压实度k计算公式：

$k=\frac{V_{\mathrm{ys}}}{V_s}=\frac{A(h-s)}{\mathrm{Ah}}=1-\frac{s}{h}$

得到充填材料的压实度-应力曲线，式中：V_ys为压实后的体积；V_s为压实前松散状态的体积。

所述的固体充填材料为矸石、粉煤灰、黄土、风积沙及露天矿渣；所述的破碎后固体充填材料最大粒径不超过50mm；所述的试样分层数为4～6层；所述的压实钢筒内径为120～150mm；所述的力加载速率为0.1～0.5kN/s。

有益效果：由于固体充填材料力学特性是影响固体充填采煤效果的重要因素，本发明对制备的固体充填材料试样进行力学特性测试，通过固体充填材料力学特性对固体充填开采岩层移动及地表沉陷规律进行研究，解决了由于充填材料自身的孔隙率较大，在充入采空区后在上覆岩层的作用下，会被压实而产生较大的压缩变形的问题，最大程度地降低固体充填材料的压缩率，为实现“三下”煤层的安全开采提供理论指导。此测试方法简单易行，准确性高，具有广泛的实用性。

附图说明

图1为本发明固体充填采煤力学特性测试方法流程图；

图2为本发明实例固体充填物料级配曲线；

图3为本发明实例固体充填物料压实过程中应力-应变关系曲线；

图4为本发明的充填材料的压实度-应力曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：

如图1所示，本发明的固体充填材料力学特性测试方法，先将制备的固体充填材料试样装入压实钢筒，然后将压实钢筒固定于加载试验机上，进行固体充填材料力学特性测试，具体步骤如下：

（1）将固体充填材料进行破碎筛分处理，按设定粒径级制备试验试样：破碎后固体充填材料最大粒径不超过50mm制备试验试样；所述的固体充填材料为矸石、粉煤灰、黄土、风积沙及露天矿渣；

（2）将制备好的试验试样分4～6层逐层装入钢筒内压实，每层厚度为50mm，装完后平整装料表面；所述的压实钢筒内径为120～150mm；

（3）测量固体充填材料装料高度h；

（4）用与钢筒口径相同的活塞缓慢放入钢筒中，并将钢筒固定于加载试验机上；

（5）以力加载速率为0.1～0.5kN/s对固体充填材料进行加载至工作面原岩应力σ₀，记录加载过程中的压力F与位移s；

σ₀＝γH

式中：γ为岩层平均容重；H为工作面埋深；

（6）处理试验数据，按下列公式计算应力σ与应变ε，得到充填材料的应力-应变关系曲线；

$\mathrm{\σ}=\frac{F}{A},\mathrm{\ϵ}=\frac{s}{h}$

式中：A为压实钢筒的横截面积；

（7）根据压实度k计算公式：

$k=\frac{V_{\mathrm{ys}}}{V_s}=\frac{A(h-s)}{\mathrm{Ah}}=1-\frac{s}{h}$

得到充填材料的压实度-应力曲线，式中：V_ys为压实后的体积；V_s为压实前松散状态的体积。

实施例1、以某煤矿固体充填采煤为例，具体实施步骤如下：

（1）该矿采用掘进矸石作为固体充填采煤中的充填材料，将取样得到的矸石固体充填材料进行破碎筛分处理，破碎后最大粒径不超过50mm，按0～50mm粒径级配配制固体充填材料试验试样，级配曲线如图2所示；

（2）将制备好的矸石充填材料试样逐层装入内径为125mm的圆筒状压实钢筒中，每层50mm，稍加压力压紧，装入4层后平整表面；

（3）沿钢筒内壁以90°间隔取4个位置分别测量装料表面到内壁上沿的距离（分别为108.5mm、105.6mm、102.1mm及101.3mm），测量得到钢筒深度为305mm，用筒深305mm分别减去测量所得的4个装料表面到内壁上沿的距离得到装料高度，取4个装料高度的算术平均值作为最终装料高度h=200.6mm；

（4）用与钢筒口径相同的活塞缓慢放入钢筒中，并将压实钢筒装入加载试验机，以0.1kN/s的速率预加载至0.5kN使活塞和试样充分接触；

（5）该矿固体充填采煤工作面埋深为302m，岩层平均容重为25kN/m³，确定最终加载力为7.5MPa，以0.2kN/s的力加载速率对固体充填材料进行加载至7.5MPa，记录加载过程中的压力F与位移s；

（6）处理试验数据，按下列公式计算应力σ与应变ε，并绘制应力-应变关系曲线，如图3所示；

$\mathrm{\σ}=\frac{F}{A},\mathrm{\ϵ}=\frac{s}{h}$

式中：A为压实钢筒的横截面积，0.049m²；

（7）根据压实度k计算公式，得到充填材料的压实度-应力曲线，如图4所示。

$k=\frac{V_{\mathrm{ys}}}{V_s}=\frac{A(h-s)}{\mathrm{Ah}}=1-\frac{s}{h}$

式中：V_ys为压实后的体积；V_s为压实前松散状态的体积。

Claims (6)

1.一种固体充填材料力学特性测试方法，其特征是将固体充填材料试样装入压实钢筒，然后将压实钢筒固定于加载试验机上，进行固体充填材料力学特性测试，其具体步骤如下：

（1）将固体充填材料进行破碎筛分处理，按设定粒径级制备试验试样；

（2）将试验试样分多层逐层装入钢筒内压实，每层厚度为50mm，装完后平整装料表面；

（3）测量装入钢筒内固体充填材料的高度h；

（4）用与钢筒口径相同的活塞缓慢放入钢筒中，并将钢筒固定于加载试验机上；

（5）以力加载速率对固体充填材料进行加载至工作面原岩应力σ₀，记录加载过程中的压力F与位移s；

σ₀＝γH

式中：γ为岩层平均容重；H为工作面埋深；

（6）处理试验数据，按下列公式计算应力σ与应变ε，得到充填材料的应力-应变关系曲线；

$\mathrm{\σ}=\frac{F}{A},\mathrm{\ϵ}=\frac{s}{h}$

式中：A为压实钢筒的横截面积；

（7）根据压实度k计算公式：

$k=\frac{V_{\mathrm{ys}}}{V_s}=\frac{A(h-s)}{\mathrm{Ah}}=1-\frac{s}{h}$

得到充填材料的压实度-应力曲线，式中：V_ys为压实后的体积；V_s为压实前松散状态的体积。

2.根据权利要求1所述的一种固体充填材料力学特性测试方法，其特征在于：所述的固体充填材料为矸石、粉煤灰、黄土、风积沙及露天矿渣。

3.根据权利要求1所述的一种固体充填材料力学特性测试方法，其特征在于：所述的破碎后固体充填材料最大粒径不超过50mm。

4.根据权利要求1所述的一种固体充填材料力学特性测试方法，其特征在于：所述的试样分层数为4～6层。

5.根据权利要求1所述的一种固体充填材料力学特性测试方法，其特征在于：所述的钢筒内径为120～150mm。

6.根据权利要求1所述的一种固体充填材料力学特性测试方法，其特征在于：所述的力加载速率为0.1～0.5kN/s。