CN106066386B - 一种碎胀系数的测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种岩石碎胀系数的测量方法，包括向一容器中注入液体，记录液位的高度h1；将一岩石浸没于所述容器的液体中，记录液位的高度h2，根据h1、h2及所述容器的横截面积，计算得到所述岩石的体积VS；将所述岩石自所述容器中取出、破碎成多个岩石碎块，将所述多个岩石碎块紧密地叠置于已排空液体的所述容器中，记录所述多个岩石碎块在所述容器中的高度h3，根据h3及所述容器的横截面积，计算得到所述多个岩石碎块的总体积VB；通过公式：碎胀系数k＝VB/VS计算得到所述岩石的碎胀系数。本发明的碎胀系数的测量方法，计算简单，操作方便，测量速度快，成本低，具有较大的实施价值和社会经济效益。

Description

一种碎胀系数的测量方法
技术领域
本发明涉及采矿业的安全控制技术，尤其涉及一种岩石碎胀系数的测量方法。
背景技术
矿层开采后，直接顶板岩石垮落破碎，破碎以后的岩石体积将比整体状态下增大，这种性质称为岩石的碎胀性。岩石的碎胀性可用岩石破碎后处于松散状态下的体积与岩石破碎前处于整体状态下的体积之比来表示，该值称为碎胀系数。
岩石破碎后的体积不易计算，而研究破碎岩石的碎胀与压实特性对分析开采沉陷、采空地表残余沉降以及采空区上覆岩层稳定性等规律有着重要的意义。因此，需要掌握破碎岩石的残余破碎系数的变化规律，以此来分析开采后覆盖岩的沉降量，以及开采稳定后的参与沉降量大小等。
现有技术通常采用压力和碎胀系数之间的力学经验公式，通过测量顶板压力，反算获得碎胀系数。如经验公式σd表示每平方米所承受顶板压力(t/m2)、h表示煤层厚度(m)、τ碎胀系数、ρ顶板岩石重力密度(t/m3)、α煤层倾角(°)。化简可得通过测量获得σd，计算可得碎胀系数τ。现有技术中仅能基于经验公式计算得到碎胀系数，但由于不同矿区岩石成分各异，而且地层深度、含水率等多种客观条件也不尽相同，因此，现有技术算得的碎胀系数一般都与实际情况出入较大，后续进行沉降量计算时，依据上述方法得到的碎胀系数进行计算，偏差更大，这将直接危害矿区安全。
吸水率是指石材在标准大气压力下吸水的能力，以石材所吸收的水分来量测，并以百分数表示之。吸水率是由其中空隙的数量和大小、颗粒相互排列的方式。吸水率愈大，则其工程性质就愈差。研究岩石的吸水率以及吸水状态下碎胀系数变化情况，同样具有非常重要的现实意义及应用价值。
发明内容
本发明的一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种可准确测得碎胀系数的测量方法。
提供一种岩石碎胀系数的测量方法，包括向一容器中注入液体，记录液位的高度h1；将一岩石浸没于所述容器的液体中，记录液位的高度h2，根据h1、h2及所述容器的横截面积，计算得到所述岩石的体积VS；将所述岩石自所述容器中取出、破碎成多个岩石碎块，将所述多个岩石碎块紧密地叠置于已排空液体的所述容器中，记录所述多个岩石碎块在所述容器中的高度h3，根据h3及所述容器的横截面积，计算得到所述多个岩石碎块的总体积VB；通过公式：碎胀系数k＝VB/VS计算得到所述岩石的碎胀系数。
根据本发明的一实施方式，所述液体为水。
根据本发明的另一实施方式，在所述容器上标示有刻度。
根据本发明的另一实施方式，还包括向所述容器中的多个岩石碎块施加压力σi，在所述压力σi的作用下，所述多个岩石碎块在所述容器中的高度变为hi，根据hi及所述容器的横截面积，计算得到所述多个岩石碎块的总体积VBi；计算得到在压力σi作用下所述岩石的碎胀系数ki＝VBi/VS。
根据本发明的另一实施方式，还包括通过测定不同压力σi值作用下的碎胀系数，绘制压力与碎胀系数的变化曲线。
另一方面，本发明实施例提供一种岩石碎胀系数的测量方法，在相连通的第一容器和第二容器中进行测量，该方法包括：
向所述第一容器和第二容器中注入液体，使液位高于所述第一容器和所述第二容器的连通处之上，记录所述第一容器和第二容器的液位高度K0的值；
将一岩石放入所述第一容器的液体中，所述第一容器、第二容器的液位高度上升为K1，通过K0、K1及所述第一容器、第二容器的横截面积可计算出所述岩石的体积VS＝(K1-K0)×(S1+S2)，其中S1表示所述第一容器的横截面积，S2表示所述第二容器的横截面积；
将所述岩石自所述第一容器中取出后破碎，形成多个岩石碎块，将所述多个岩石碎块重新放入所述第一容器的液体中，将一活塞设置于所述第一容器，保持所述第一容器、第二容器处于密封状态，给所述活塞施加一压力，使其沿所述第一容器下滑，随着所述活塞的下滑，所述第一容器内的液体通过所述连通处流入所述第二容器，直至所述活塞停止移动，记录所述第一容器的液位高度K2、第二容器的液位高度K3，可计算出在所述压力的作用下，多个岩石碎块的总体积VB1＝(K2×S1+K3×S2)－K0×(S1+S2)；
根据k1＝VB1/VS计算出岩石的碎胀系数k1的数值。
根据本发明的一实施方式，其中还包括通过测定不同压力值作用下的碎胀系数，绘制压力与碎胀系数的变化曲线。
本发明的碎胀系数的测量方法，原理简洁明了，计算简单，操作方便，测量速度快，成本低，便于进行工程推广，结合工程实际，可有效降低成本，提高生产效率及安全性，为巷道支护及井下开采提供可靠的数据依据，具有较大的实施价值和社会经济效益。
附图说明
图1至图3为本发明一实施方式的岩石碎胀系数的测量方法的过程示意图；
图4为本发明一实施方式的在一定压力作用下测量岩石碎胀系数的装置的结构示意图；
图5为本发明一实施方式的岩石碎胀系数的测量方法测得的压力与碎胀系数的变化曲线。
具体实施方式
体现本发明特征与优点的典型实施方式将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施方式上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。
如图1至3所示，本发明一实施方式的岩石碎胀系数的测量方法，包括，测量岩石10的体积VS；将岩石10破碎成多个岩石碎块11后，测量多个岩石碎块11的总体积VB，通过公式：碎胀系数k＝VB/VS计算得到岩石10的碎胀系数。
具体地，VS、VB可通过如下方法测得：
如图1、2所示，向容器20中注入液体30，记录液体30的液位高度h1。之后将岩石10浸没于容器20的液体30中，液体30的液位高度上升为h2，容器20的横截面积为S，由此可得岩石10的体积VS＝(h2-h1)S。本发明对用于碎胀系数测量方法的液体的种类没有限定，该液体优选为水。
如图3所示，通过h1、h2及S获得岩石10的体积后，可将容器20中的液体排出，将岩石10自容器20中取出，破碎成多个岩石碎块11后，重新放入空的容器20中，并将多个岩石碎块11紧密地叠置于容器20中，尽量减小岩石碎块11之间的缝隙，如此多个岩石碎块11在容器20中堆叠的高度为h3，进而可得多个岩石碎块11的总体积VB＝h3×S。
进一步地，还可通过向容器20中的多个岩石碎块11施加压力，测得不同应力σi下相应的碎胀系数ki。
例如，向多个岩石碎块11施加压力σ1时(例如σ1＝1MPa)，由于受压力的作用，岩石碎块11之间的缝隙变小，多个岩石碎块11在容器20中的总高度降为hB1，此时多个岩石碎块11的总体积VB1＝hB1×S，进而根据碎胀系数k＝VB/VS计算得到，在σ1的作用下，岩石10的碎胀系数k1＝VB1/VS。同理，当向多个岩石碎块11施加压力σ2时，可测得相应的碎胀系数k2的值，如此通过不断变换压力的数值，可得到不同压力下的碎胀系数的值，并能绘制出压力与碎胀系数之间的变化曲线。
图4所示为本发明一实施方式的用于在一定压力下测定岩石碎胀系数的装置，包括第一容器40、第二容器50、增压部件以及动力部件。其中，第一容器40与第二容器50相连通；增压部件设置于第一容器40；动力部件可驱动增压部件作用于第一容器40，以调整第一容器40和第二容器50内的气压。
在本发明的一实施例中，增压部件可以是活塞41，可通过推动活塞41压缩第一容器40内气体体积的方式向第一容器40中的岩石碎块施压。在本发明的另一实施例中，增压部件可以是例如空气压缩机，可通过向第一容器40内补充气体，增加单位体积内气体的量的方式增大第一容器40内气体的压强。
第一容器40可以为一端开口的圆筒，第二容器50可以为长方体的容器。第一容器40和第二容器50可通过连通管42相连通，连通管42可以为一独立的部件，也可以与第一容器40、第二容器50一体成型。连通管42与第一容器40底部之间的距离可以为第一容器40高度的0～1/4。或者，第一容器40与第二容器50可具有共用的侧壁，在该侧壁上开设有通孔，第一容器40和第二容器50可通过该通孔相连通。
在第一容器40和第二容器50的侧壁上还可设置有沿容器高度方向分布的刻度，以测量第一容器40和第二容器50内液体或固体的高度，并通过该高度计算出容器内液体的体积。第一容器40和第二容器50可为透明材质制作，以读取到两容器内液体高度的数值。或者第一容器40和第二容器50大体上也可为非透明材质制成，可分别在第一容器40和第二容器50上设置由透明材质制得的观测窗，并在该观测窗上设置刻度，以读取到第一容器40、第二容器50内液体高度的数值。
活塞41可设置于第一容器40上端的开口，并可在动力部件的作用下，自该上端口沿第一容器40的侧壁向第一容器40内移动，以向第一容器40加压，第一容器40和第二容器50保持连通，且处于密封状态。驱动活塞41移动的动力部件可以是例如液压缸，该动力部件作用于活塞41的活塞杆。为使第一容器40和第二容器50保持密封状态，第二容器50可以仅具有一与第一容器40相连通的开口。进一步地，活塞41可通过内螺纹密封圈44、外螺纹密封圈45可滑动地设置于第一容器40内，以保证其与第一容器40的密封连接。
为便于第一容器40、第二容器50内的液体排出，优选地，在第一容器40、第二容器50分别设置第一出液口43、第二出液口51。第一出液口43、第二出液口51优选为开设于第一容器40、第二容器50的底部。
第一容器40、第二容器50的底部可设置于底板60上，以便于碎胀系数测量装置的使用及转移，底板60可以为长方形板。在底板60上围绕第一容器40可均匀设置四根圆柱状的固定支架61，还可在底板60上设置用于保护第一容器40和第二容器50的外壳。
作业时，先通过第一容器40上端的开口向相连通的第一容器40和第二容器50中注入液体，使第一容器40和第二容器50的液位高度为K0，K0位于第一容器40和第二容器50的连通处之上，可通过第一容器40和第二容器50上的刻度读取K0的值；
将岩石放入第一容器40的液体中，使得第一容器40、第二容器50的液位上升至K1，通过K0、K1及第一容器40、第二容器50的横截面积可计算出岩石40的体积VS＝(K1-K0)×(S1+S2)，其中S1表示第一容器40的横截面积，S2表示第二容器50的横截面积。
之后，通过第一容器40上端的开口将岩石自第一容器40中取出后破碎，形成多个岩石碎块，将多个岩石碎块重新放入第一容器40的液体中，并将活塞41设置于第一容器40的上端口，保持第一容器40、第二容器50处于密封状态，给活塞41施加外力σ1，使其沿第一容器40下滑，随着活塞41的下滑，第一容器40内的液体不断通过连通管42流入第二容器50，直至第一容器40内的大部分液体均流入第二容器50，仅岩石碎块的缝隙中残存有少量液体。此时，由于受压力的作用，岩石碎块之间的缝隙变小。记录第一容器40的液位高度K2、第二容器50的液位高度K3，可计算出在压力σ1的作用下，多个岩石碎块的总体积VB1＝(K2×S1+K3×S2)－K0×(S1+S2)。此时，第一容器40内的大部分液体已流入第二容器50，仅岩石碎块的间隙中仍有液体存在，岩石碎块受到来自液体的压力，以及活塞41对岩石碎块的物理压力，以两种复合压力模拟矿区中岩石碎块的受压。
进一步根据k1＝VB1/VS计算出，在σ1的作用下岩石的碎胀系数k1的数值。重复上述步骤，可测出不同压力作用下的岩石的碎胀系数的数值，并做出压力-碎胀系数曲线，具体参见图5。该曲线绘制成后，可根据曲线直接得到不同压力下对应的岩石碎胀系数的值。
上述实施例中，基于连通器原理的多功能碎胀系数测量设备，可利用连通器两端液位的变化获得岩石破碎前后的体积变化，同时通过增加压力，获得不同压力作用下的体积变化，最终得到碎胀系数的变化范围。
根据本发明的一实施方式，可用于本发明的碎胀系数测量方法的液体优选为水，通过采用水作为中间媒介，根据不同时间下岩石吸水前后的水位变化，还可获得关于时间t的岩石吸水率变化情况。
本发明的碎胀系数的测量方法，原理简洁明了，计算简单，操作方便，测量速度快，成本低，便于进行工程推广，结合工程实际，可有效降低成本，提高生产效率及安全性，为巷道支护及井下开采提供可靠的数据依据，具有较大的实施价值和社会经济效益。
本发明的碎胀系数的测量方法，还可测定不同压力下岩石的碎胀系数，并能够绘制出压力与碎胀系数的变化曲线，进一步通过该曲线计算出不同压力下对应的岩石碎胀系数的值。
除非特别限定，本发明所用术语均为本领域技术人员通常理解的含义。
本发明所描述的实施方式仅出于示例性目的，并非用以限制本发明的保护范围，本领域技术人员可在本发明的范围内作出各种其他替换、改变和改进，因而，本发明不限于上述实施方式，而仅由权利要求限定。

Claims (4)

1.一种岩石碎胀系数的测量方法，在相连通的第一容器和第二容器中进行测量，该方法包括：
向所述第一容器和第二容器中注入液体，使液位高于所述第一容器和所述第二容器的连通处之上，记录所述第一容器和第二容器的液位高度K0的值；
将一岩石放入所述第一容器的液体中，所述第一容器、第二容器的液位高度上升为K1，通过K0、K1及所述第一容器、第二容器的横截面积可计算出所述岩石的体积VS＝(K1-K0)×(S1+S2)，其中S1表示所述第一容器的横截面积，S2表示所述第二容器的横截面积；
将所述岩石自所述第一容器中取出后破碎，形成多个岩石碎块，将所述多个岩石碎块重新放入所述第一容器的液体中，将一活塞设置于所述第一容器，保持所述第一容器、第二容器处于密封状态，给所述活塞施加一压力，使其沿所述第一容器下滑，随着所述活塞的下滑，所述第一容器内的液体通过所述连通处流入所述第二容器，直至所述活塞停止移动，记录所述第一容器的液位高度K2、第二容器的液位高度K3，可计算出在所述压力的作用下，多个岩石碎块的总体积VB1＝(K2×S1+K3×S2)－K0×(S1+S2)；
根据k1＝VB1/VS计算出岩石的碎胀系数k1的数值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述液体为水。
3.根据权利要求1所述的方法，其中在所述第一容器和所述第二容器上设置有刻度。
4.根据权利要求1所述的方法，其中还包括通过测定不同压力值作用下的碎胀系数，绘制压力与碎胀系数的变化曲线。
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