CN105738208B - 测试岩石试样在碎石被动约束下力学性能的装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种测试岩石试样在碎石被动约束下力学性能的装置及方法，属于金属矿开采和矿山岩体力学技术领域，装置包括圆筒状薄壁、上环形浮动板、下环形浮动板、约束环、环形底座、环形顶板、上柱塞和下柱塞；约束环内壁设有凸台与圆筒状薄壁的外表面相配合；圆筒状薄壁外表面粘贴有应变片；方法为：（1）将岩石试样放置在上柱塞和下柱塞之间；（2）放置碎石散体；（3）锁紧约束环；（4）对碎石散体预加载荷；（5）将传感器调零；（6）对上柱塞加压至岩石试件碎裂；圆筒状薄壁变形。本发明对于评价干式充填效果、指导矿山充填体强度设计、精细控制采场围岩的冒落过程有着重要的理论意义。

Description

测试岩石试样在碎石被动约束下力学性能的装置及方法

技术领域

本发明属于金属矿开采和矿山岩体力学技术领域，具体涉及到一种测试岩石试样在碎石被动约束下力学性能的装置及方法。。

背景技术

在金属矿开采过程中，都涉及到崩落矿岩散体和围岩的相互作用问题。例如干式充填采矿中充填散体与围岩相互作用、崩落法采矿中通过采场崩落矿石的放出控制围岩冒落、浅孔留矿法大放矿时上下盘围岩片帮冒落造成的矿石贫化等都是散体支撑围岩或散体流出卸荷作用下围岩稳定性问题。矿岩散体或充填散体对围岩的这种作用，与地应力形成的围压作用不同。围压作用是一种主动施加到围岩上的载荷，而矿岩散体或充填散体的支撑作用是一种被动荷载，其产生是由于围岩发生变形挤压矿岩散体，矿岩散体由于变形压密而对围岩产生的反作用力。因此，这是一种相互作用过程，岩体变形破裂的扩容程度由散体密实度决定，如果岩体的变形以及破裂扩容受到矿岩散体或充填散体抑制，则会阻碍围岩进一步的破裂，换句话说即岩体强度受其扩容空间的限制；而矿岩散体或充填散体对围岩的反作用力又受散体颗粒尺寸、内摩擦角、内聚力和密实程度的影响。系统研究岩石在矿岩散体的被动侧限约束下力学特性对于评价干式充填效果、精细控制采场围岩的冒落有着重要的理论意义。

目前很少有人在试验中考虑这种矿岩散体或充填散体和围岩的相互作用。以往的研究主要侧重于矿岩散体或充填散体的力学性质。国外学者G. Mandl（1977）、J.F. Carr（1968）、A. Kudrolli(1997)、J. SMID（2006）研究不同的实验装置研究散体的剪切特性和流动性。M. Fall（2007）通过单轴和三轴压缩试验研究水、尾矿废料、水泥等散体材料制成的充填体力学性质。宋卫东（2016）设计一种钢制方形模具，将处理好的岩柱试件置于方形侧限钢板模具中间位置，将配好的充填料浆充入钢板模具中，进行充填体对岩柱的侧限压缩实验。国内吴爱祥（1991）研制了一种研究散体动特性的动态直剪仪,并装配了先进的测试系统,研究振动场中松散矿石的动态特性；林国祥（2009）设计了一种新型的散体物料的剪切试验装置，该装置通过对物料直接施压后进行双面剪切以测定材料的剪切力学性能；或者把排土场散体物料看成类似土体的材料，利用土力学的实验方法研究排土场散体物料的剪切力学性能。

尽管人们已经认识到矿岩散体或充填散体与围岩相互作用对安全采矿的重要性，但是相关的研究较少，主要是实验过程中散体产生的反作用力受岩石破坏模式影响，具有局部性，难以全面测量评价这种相互作用。因此，在岩石与散体相互作用、岩石在被动侧限条件下的力学特性方面还鲜有文献报道，更没有相关的试验装置和试验方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种测试岩石试样在碎石被动约束下力学性能的装置及方法，通过设置薄壁圆筒和约束环用于放置碎石散体，通过设置上下柱塞用于放置岩石，并设置传感器；通过上下柱塞压碎岩石，测量岩石破裂扩容导致散体挤压膨胀时的膨胀力，评价干式填充效果。

本发明的测试岩石试样在碎石被动约束下力学性能的装置包括圆筒状薄壁、上环形浮动板、下环形浮动板、约束环、环形底座、环形顶板、上柱塞和下柱塞；多个螺杆从上到下依次穿过环形顶板、约束环和环形底座的圆孔，并且每个螺杆的上端设有螺母，下端穿过环形底座的圆孔，螺杆头固定在底座内，螺母位于环形顶板的上表面；约束环内壁设有至少三个凸台，每个凸台的顶面均与圆筒状薄壁的外表面相配合；圆筒状薄壁的上下两端分别套在上环形浮动板和下环形浮动板外；环形顶板和上环形浮动板之间设有上部载荷传感器，环形底座和下环形浮动板之间设有下部载荷传感器；环形顶板和上环形浮动板套在上柱塞外，环形底座和下环形浮动板套在下柱塞外；圆筒状薄壁外表面粘贴有应变片；应变片以及上部载荷传感器和下部载荷传感器均与多通道静态应变仪装配在一起。

上述的圆筒状薄壁由三个形状相同的弧形板围成，弧形板的材质为65Mn钢。

上述的约束环的外壁上设有凹槽，凹槽内插有锁紧块，锁紧块的位置与凸台的位置相对应；约束环的数量至少一个。

上述装置中，环形顶板和上环形浮动板之间的上部载荷传感器数量至少三个。

上述装置中，环形底座和下环形浮动板之间的下部载荷传感器数量至少三个。

上述的上环形浮动板均与上柱塞滑动密封连接；下环形浮动板均与下柱塞滑动密封连接。

上述的环形顶板与上柱塞滑动密封连接，或者与套在上柱塞外的定心环滑动密封连接；环形底座与下柱塞密封连接，或者与套在下柱塞外的定心环密封连接。

上述的上柱塞和下柱塞为相同直径的圆柱体，两者的轴线重合；上柱塞的底面位于上环形浮动板的下方，下柱塞的顶面位于下环形浮动板的上方。

上述的上环形浮动板、下环形浮动板和圆筒状薄壁内的空间，以及上柱塞和下柱塞外部的空间用于放置碎石散体；上柱塞和下柱塞之间的空间用于放置岩石试样。

上述装置中，环形顶板、上环形浮动板、约束环、下环形浮动板和环形底座上设有至少六个圆孔用于穿过螺杆。

上述的上部载荷传感器和下部载荷传感器分别固定在环形顶板和环形底座上，分别用于测量岩石试样破裂扩容导致碎石散体挤压膨胀时的上向膨胀力和下向膨胀力。

上述装置中，圆筒状薄壁受压变形时，圆筒状薄壁在约束环的相邻两个凸台之间的空隙内产生挠度变形，应变片用于测量碎石散体受挤压时水平的环向膨胀变形，间接得到环向膨胀力。

上述装置中，多通道静态应变仪的输出端与计算机连接，下柱塞和环形底座放置在试验机的加载平台上，上柱塞与试验机的压头相对应；上环形浮动板与压头之间设有位移传感器，位移传感器与多通道静态应变仪装配在一起。

本发明的测试岩石试样在碎石被动约束下力学性能的方法是采用上述装置，按以下步骤进行：

1、将与上柱塞相同直径的圆柱体岩石试样放置在上柱塞和下柱塞之间；

2、在圆筒状薄壁内的空间放置碎石散体，碎石散体包裹在圆柱体岩石试样、上柱塞和下柱塞外；

3、通过锁紧块将约束环锁紧，使凸台与圆筒状薄壁紧密接触；

4、通过螺母调节螺杆，使上环形浮动板和下环形浮动板对碎石散体预加载荷，通过上部载荷传感器和下部载荷传感器将预加载荷的信号传输给多通道静态应变仪；

5、将底座放置在试验机的加载平台上，调整试验机的压头使其与上柱塞完全接触，将位移传感器、上部载荷传感器和下部载荷传感器调零；

6、通过试验机的压头对上柱塞加压，直至岩石试样碎裂；此时圆筒状薄壁受压变形，圆筒状薄壁在约束环的相邻两个凸台之间的空隙内产生挠度变形，应变片测量碎石散体受挤压时水平的环向膨胀变形，并将信号传输给多通道静态应变仪；通过位移传感器测量位移；通过上部载荷传感器和下部载荷传感器将载荷信号传输给多通道静态应变仪；对测量获得的数据的记录和储存，研究被动侧限条件下岩石试样的变形强度特征，以及碎石散体特征对岩石试样力学性能的影响。

上述方法中，步骤5完成后，圆筒状薄壁处于的弯曲度作为正常弯曲度；步骤6完成后，圆筒状薄壁处于的弯曲度作为受载后趋直弯曲度，此时圆筒状薄壁与约束环之间有间隙，该间隙称为预留变形空间。

本发明的装置及方法的特点和有益效果是：

1、本发明装置适用于测定岩石试样在碎石被动侧限约束下的力学性能，利用岩石试样破裂扩容时受到碎石散体约束而产生相互作用，实现对岩石试样在被动侧限条件下的轴向压缩试验；

2、精细测量岩样破裂过程中与矿岩散体或充填散体之间的相互作用，利用载荷传感器和特制的测量装置对岩样破裂扩容挤压散体产生的上下和四周的膨胀力进行测量，可研究不同形态散体如散体颗粒尺寸、内摩擦角、内聚力和密实度对岩样变形强度特征的影响；

综上所述，本发明可以系统研究岩石试样在矿岩散体或充填散体的被动侧限下力学特性和破裂机理，对于评价干式充填效果、指导矿山充填体强度设计、精细控制采场围岩的冒落过程有着重要的理论意义。

附图说明

图1为本发明实施例中的测试岩石试样在碎石被动约束下力学性能的装置剖面结构示意图；

图2为本发明实施例中的约束环装配结构示意图；

图3为本发明实施例中的测试岩石试样在碎石被动约束下力学性能的方法中侧向膨胀力测试装置工作原理图；

图4为本发明实施例中的测试岩石试样在碎石被动约束下力学性能的方法中垂向膨胀力测试装置工作原理图；

图中，1、圆筒状薄壁，1-1、第一弧形板，1-2、第二弧形板，1-3、第三弧形板，2、上环形浮动板，3、下环形浮动板，4、环形底座，5、环形顶板，6、上约束环，7、中约束环，8、下约束环，9、螺杆，10、螺母，11、碎石散体，12、上柱塞，13、岩石试样，14、下柱塞；15、上部载荷传感器，16、下部载荷传感器，17、多通道静态应变仪，18、计算机，19、锁紧块，20、正常弯曲度，21、受载后趋直弯曲度，22、预留变形空间，23、凸台，24、应变片，25、压头，26、加载平台；

图5 为本发明实施例中碎石散体粒径在0.5~2cm范围时的岩石试样应力-应变曲线图。

具体实施方式

本发明实施例中采用的载荷传感器为ZZB-300kn载荷传感器。

本发明实施例中采用的位移传感器为LVDT直线式位移传感器。

本发明实施例中采用的多通道静态应变仪为TST3822E型静态应变仪。

本发明实施例中采用的应变片为BX120－20AA型，敏感栅长20mm。

本发明实施例中采用的试验机为YAW-5000型微机控制电液伺服压力试验机。

本发明实施例中采用的圆筒状薄壁材质为65Mn钢，约束环材质为40Cr钢，上环形浮动板、下环形浮动板、环形底座、环形顶板、上柱塞和下柱塞的材质均为45#钢。

本发明实施例中的约束环共有三个，分别为上约束环、中约束环和下约束环；其中上述约束环与上环形浮动板等高，下约束环与下环形浮动板等高。

本发明实施例中螺杆的数量为六个，上部载荷传感器和下部载荷传感器的数量均为四个。

本发明实施例中应变片的数量为九个。

本发明实施例中约束环内壁上的凸台数量为六个，锁紧块的数量为六个。

本发明实施例中锁紧块与约束环通过螺杆固定在一起。

本发明实施例中圆筒状薄壁内表面沿垂直方向标记有刻度，用于测量内部碎石散体的压密体积。

本发明实施例中，通过测量上、下环形浮动板没于薄壁圆筒中的深度，确定碎石散体的压密体积，再利用装入的碎石散体的重量和碎石散体的固体密度，得到碎石散体的固体体积，固体体积除以压密体积即可得到散体密实度。

本发明实施例中，弧形板的厚度为1~3mm。

本发明实施例中，环形顶板和环形底座的内径与环形浮动板的内径一致。

本发明实施例中的和上环形浮动板均与上柱塞滑动密封连接，下环形浮动板均与下柱塞滑动密封连接；环形顶板与上柱塞滑动密封连接，或者与套在上柱塞外的定心环滑动密封连接；环形底座与下柱塞滑动密封连接，或者与套在下柱塞外的定心环滑动密封连接；定心环材质为橡胶，其作用是确保上、下柱塞位于环形顶板或环形底座的中心。

实施例1

测试岩石试样在碎石被动约束下力学性能的装置结构如图1所示，包括圆筒状薄壁1、上环形浮动板2、下环形浮动板3、约束环、环形底座4、环形顶板5、上柱塞12和下柱塞14；

螺杆9从上到下依次穿过环形顶板5、约束环和环形底座4的圆孔，螺杆9的上端设有螺母10，下端穿过环形底座的圆孔，底端的六角形螺杆头插入底座上的六角形凹槽内，螺母10位于环形顶板的上表面；

约束环共有三个，结构如图2所示，分别为上约束环6、中约束环7和下约束环8；约束环内壁设有六个凸台23，每个凸台23的顶面均与圆筒状薄壁1的外表面相配合；

圆筒状薄壁1的上下两端分别套在上环形浮动板2和下环形浮动板3外；环形顶板5和上环形浮动板2之间设有上部载荷传感器15，环形底座4和下环形浮动板3之间设有下部载荷传感器16；

环形顶板5和上环形浮动板2套在上柱塞12外，环形底座4和下环形浮动板3套在下柱塞外14；

圆筒状薄壁1外表面粘贴有应变片24，每个弧形板上设有三个应变片，总共九个应变片；应变片24以及上部载荷传感器15和下部载荷传感器16均与多通道静态应变仪17装配在一起；

圆筒状薄壁1由三个形状相同的弧形板围成，分别为第一弧形板1-1、第二弧形板1-2和第三弧形板1-3；弧度均为120º；

约束环的外壁上设有凹槽，凹槽内插有锁紧块19，锁紧块19的位置与凸台23的位置相对应；

上部载荷传感器15和下部载荷传感器16数量为4个；

上柱塞12和下柱塞13为相同直径的圆柱体，两者的轴线重合；上柱塞12的底面位于上环形浮动板2的下方，下柱塞13的顶面位于下环形浮动板3的上方；

上环形浮动板2、下环形浮动板3和圆筒状薄壁1内的空间，以及上柱塞12和下柱塞13外部的空间用于放置碎石散体11；上柱塞12和下柱塞13之间的空间用于放置岩石试样13；

环形顶板5、上环形浮动板2、约束环、下环形浮动板3和环形底座4上设有六个圆孔用于穿过螺杆；

上部载荷传感器12和下部载荷传感器15分别固定在环形顶板5和环形底座4上，分别用于测量岩石试样13破裂扩容导致碎石散体11挤压膨胀时的上向膨胀力和下向膨胀力；

圆筒状薄壁1受压变形时，圆筒状薄壁1在约束环的相邻两个凸台23之间的空隙内产生挠度变形，应变片24用于测量碎石散体11受挤压时水平的环向膨胀变形，间接得到环向膨胀力；

其工作原理分别如图3和图4所示；

多通道静态应变仪17的输出端与计算机18连接，下柱塞13和环形底座4放置在试验机的加载平台26上，上柱塞12与试验机的压头25相对应；上环形浮动板2与压头25之间设有位移传感器，位移传感器与多通道静态应变仪17装配在一起；

测试岩石试样在碎石被动约束下力学性能的方法是采用上述装置，按以下步骤进行：

1、将与上柱塞相同直径的圆柱体岩石试样放置在上柱塞和下柱塞之间；

2、在圆筒状薄壁内的空间放置碎石散体，碎石散体包裹在圆柱体岩石试样、上柱塞和下柱塞外；

3、通过锁紧块将约束环锁紧，使凸台与圆筒状薄壁紧密接触；

4、通过螺母调节螺杆，使上环形浮动板和下环形浮动板对碎石散体预加载荷，通过上部载荷传感器和下部载荷传感器将预加载荷的信号传输给多通道静态应变仪；

5、将底座放置在试验机的加载平台上，调整试验机的压头使其与上柱塞完全接触，将位移传感器、上部载荷传感器和下部载荷传感器调零；

6、通过试验机的压头对上柱塞加压，直至岩石试样碎裂；此时圆筒状薄壁受压变形，圆筒状薄壁在约束环的相邻两个凸台之间的空隙内产生挠度变形，应变片测量碎石散体受挤压时水平的环向膨胀变形，并将信号传输给多通道静态应变仪；通过位移传感器测量位移；通过上部载荷传感器和下部载荷传感器将载荷信号传输给多通道静态应变仪；对测量获得的数据的记录和储存，研究被动侧限条件下岩石试样的变形强度特征，以及碎石散体特征对岩石试样力学性能的影响；

其中步骤5完成后，圆筒状薄壁处于的弯曲度作为正常弯曲度20；步骤6完成后，圆筒状薄壁处于的弯曲度作为受载后趋直弯曲度21，此时圆筒状薄壁与约束环之间有间隙，该间隙称为预留变形空间；

分别进行三组实验，试验装置的主要技术参数分别为：

上柱塞和下柱塞的尺寸：Φ100mm、Φ150mm和Φ200mm；

上环形浮动板和下环形浮动板的内径：Φ101mm、Φ151mm和Φ201mm；

散体膨胀力测量精度：1N；

轴向变形测量精度：0.01mm；

静态载荷：0~500KN；

试样尺寸：直径Φ100mm×200mm、Φ150mm×300mm和Φ200mm×400mm

加载速率：0.1KN/s；

被动侧限约束的试验结果获得的应力-应变曲线如图5所示；由图5可知，被动侧限约束下的岩石试样具有较高的残余强度和较大变形能力；由于岩石是脆性材料，本身的极限变形很小，因此在峰值应力前的应力－应变曲线反映的岩石试样本身的力学性质；但在峰值应力后，岩石试样沿破裂面滑移产生了较大的变形，挤压碎石散体产生相互作用，岩石的破裂扩容空间受到限制，其承载能力呈阶梯下降，并稳定于某一水平。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明；因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内；

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种测试岩石试样在碎石被动约束下力学性能的装置，其特征在于包括圆筒状薄壁、上环形浮动板、下环形浮动板、约束环、环形底座、环形顶板、上柱塞和下柱塞；多个螺杆从上到下依次穿过环形顶板、约束环和环形底座的圆孔，并且每个螺杆的上端设有螺母，下端穿过环形底座的圆孔，螺杆头固定在底座内，螺母位于环形顶板的上表面；约束环内壁设有至少三个凸台，每个凸台的顶面均与圆筒状薄壁的外表面相配合；圆筒状薄壁的上下两端分别套在上环形浮动板和下环形浮动板外；环形顶板和上环形浮动板之间设有上部载荷传感器，环形底座和下环形浮动板之间设有下部载荷传感器；环形顶板和上环形浮动板套在上柱塞外，环形底座和下环形浮动板套在下柱塞外；圆筒状薄壁外表面粘贴有应变片；应变片以及上部载荷传感器和下部载荷传感器均与多通道静态应变仪装配在一起；所述的约束环的外壁上设有凹槽，凹槽内插有锁紧块，锁紧块的位置与凸台的位置相对应；约束环的数量至少一个；所述的多通道静态应变仪的输出端与计算机连接，下柱塞和环形底座放置在试验机的加载平台上，上柱塞与试验机的压头相对应；上环形浮动板与压头之间设有位移传感器，位移传感器与多通道静态应变仪装配在一起。

2.根据权利要求1所述的测试岩石试样在碎石被动约束下力学性能的装置，其特征在于所述的圆筒状薄壁由三个形状相同的弧形板围成，弧形板的材质为65Mn钢。

3.根据权利要求1所述的测试岩石试样在碎石被动约束下力学性能的装置，其特征在于所述的上环形浮动板、下环形浮动板和圆筒状薄壁内的空间，以及上柱塞和下柱塞外部的空间用于放置碎石散体；上柱塞和下柱塞之间的空间用于放置岩石试样。

4.根据权利要求1所述的测试岩石试样在碎石被动约束下力学性能的装置，其特征在于所述的上部载荷传感器和下部载荷传感器分别固定在环形顶板和环形底座上，分别用于测量岩石试样破裂扩容导致碎石散体挤压膨胀时的上向膨胀力和下向膨胀力。

5.一种测试岩石试样在碎石被动约束下力学性能的方法，其特征在于采用权利要求1所述的装置，按以下步骤进行：

（1）将与上柱塞相同直径的圆柱体岩石试样放置在上柱塞和下柱塞之间；

（2）在圆筒状薄壁内的空间放置碎石散体，碎石散体包裹在圆柱体岩石试样、上柱塞和下柱塞外；

（3）通过锁紧块将约束环锁紧，使凸台与圆筒状薄壁紧密接触；

（4）通过螺母调节螺杆，使上环形浮动板和下环形浮动板对碎石散体预加载荷，通过上部载荷传感器和下部载荷传感器将预加载荷的信号传输给多通道静态应变仪；

（5）将底座放置在试验机的加载平台上，调整试验机的压头使其与上柱塞完全接触，将位移传感器、上部载荷传感器和下部载荷传感器调零；

（6）通过试验机的压头对上柱塞加压，直至岩石试样碎裂；此时圆筒状薄壁受压变形，圆筒状薄壁在约束环的相邻两个凸台之间的空隙内产生挠度变形，应变片测量碎石散体受挤压时水平的环向膨胀变形，并将信号传输给多通道静态应变仪；通过位移传感器测量位移；通过上部载荷传感器和下部载荷传感器将载荷信号传输给多通道静态应变仪；对测量获得的数据的记录和储存，研究被动侧限条件下岩石试样的变形强度特征，以及碎石散体特征对岩石试样力学性能的影响。

6.根据权利要求5所述的测试岩石试样在碎石被动约束下力学性能的方法，其特征在于步骤（5）完成后，圆筒状薄壁处于的弯曲度作为正常弯曲度；步骤（6）完成后，圆筒状薄壁处于的弯曲度作为受载后趋直弯曲度，此时圆筒状薄壁与约束环之间有间隙，该间隙称为预留变形空间。