CN107917836A - 充填材料力学实验标准试件的制备装置及利用该装置制作标准试件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种充填材料力学实验标准试件制备装置及利用该装置制备标准试件的方法。该装置包括压实筒、传力杆和活塞，压实筒包括筒本体、外围部和底座，筒本体由两个第一半壳组成，外围部通过包围筒本体从而将两个第一半壳连接为一个整体；制备方法包括：根据相似充填材料胶结料含量曲线配制相似充填材料；利用所述制备装置在MTS模拟的特定地质条件压力下流变24小时，并将相似充填材料压缩成与标准试件直径一致的圆柱体，利用机械切割形成标准试件。本发明中的制备装置具有结构简单，可承受更大的拉压力、取出试件时不破坏试件完整性等优点，通过本发明中的制备方法可以获得与现场充填材料力学性能接近的充填材料标准试件。
Description
技术领域
本发明涉及一种岩土工程、采矿工程实验装置，特别涉及一种充填材料力学实验标准试件制备装置及利用该装置制作充填材料标准试件的方法。
背景技术
近年来，煤炭开采带来的环境污染和生态破坏问题日益突出，充填采煤作为“绿色开采”的一项重要组成技术得到快速的应用及发展。作为一种新兴的采煤工艺，充填采煤的采场矿山压力和覆岩移动规律成为新的研究方向。地层岩石的物理力学特性为岩土工程、采矿工程科研技术领域研究提供基础数据。岩石力学实验中，通过对标准岩石试件进行拉、压、剪等测试得出理论研究和数值模拟分析所需力学参数。然而作为固体充填采煤技术“置换”理论及控制覆岩移动、地表变形的重要载体，目前对于固体充填材料的抗拉强度、内摩擦角、粘聚力和泊松比等力学参数通常只能依靠钻取岩样的方式分析获得。但由于固体充填材料的强度低、粘结性差，存在固体充填材料取样困难，标准试件制作难度大的问题。
现有技术(如CN103940669A)中也出现了利用简单的整体式圆柱形钢筒和压力机对充填材料进行简单的压力测试，得出其散体状态下的应力—应变曲线的技术。但该技术存在如下缺陷：首先，该技术是对圆柱形钢筒内的充填材料(而不将压实后的试件从钢筒内取出)进行压实并通过压实前后的体积变化获得应力—应变曲线，该方法并没有获得充填材料的标准试件，进而也无法测量充填材料的抗拉强度、内摩擦角、粘聚力和泊松比等力学参数；其次，由于其圆柱形钢筒是整体式结构，充填材料的经受法向压力后与钢筒内壁紧密接触，导致试件需要取出十分困难；第三，在获得充填材料力学实验标准试件时，如果需要加载较大的法向压力，上述圆柱形钢筒由于结构单一，无法承受在较大的法向压力以及由于充填材料压缩所带来的环向拉力。
另外，申请人未检索到现有技术中存在利用压实筒等实验设备来制备模拟现场实际工况的充填材料力学实验标准试件的方法。
发明内容
发明所要解决的技术问题
本发明的目的是克服现有技术中的不足之处，提供一种可配合现有MTS试验压力机对充填材料力学实验标准试件进行制备的装置及利用该装置制作充填材料标准试件方法。
用于解决技术问题的方案
为实现上述目的，本发明提供一种充填材料力学实验标准试件制备装置，其特征在于：包括压实筒、传力杆和活塞；所述压实筒包括筒本体、外围部和底座；所述筒本体由两个第一半壳组成；所述外围部通过包围所述筒本体从而将两个所述第一半壳连接为一个整体；所述活塞设置在所述筒本体内；所述传力杆的下端与所述活塞的上端连接；所述筒本体与所述底座连接。由于采用上述技术方案，本发明相比于现有技术，带来如下技术效果：第一，由于筒本体采用分体式结构，筒本体的制造方式相比于整体式结构更加多样化，例如：可以采用模压成型、浇筑成型等多种方式；第二，由于筒本体内的充填材料在压实过程中会产生径向位移，这会导致充填材料与筒内壁紧密接触，因此整体式的筒本体必然会导致试件取出十分困难，而本发明采用分体式结构后则很容易就可以取出制备好的试样；第三，对于由充填材料制备的试件，即使经过了压实步骤，试件本身的强度也是很弱的，因此，采用分体式结构的压实筒，在试件取出时，可以最大程度的降低外力对试件的动力扰动，从而防止试件被破坏；第四，现有技术中的筒本体由于外侧没有设置外围部，因此，在充填材料压实过程中，压实所造成的环向拉力和法向压力均由筒本体承担，当需要制备埋深较大(例如1500m)地层压力条件下的充填材料标准试件时，普通的压实筒无法承受较大的法向压力和环向拉力；而本发明由于在筒本体外侧设置有外围部，外围部可以在很大程度上分担环向拉力和法向压力，因此可以提高压实筒的整体强度。
进一步地，所述外围部由两个第二半壳组成；每个第二半壳包括一个容纳部和位于所述容纳部两侧的翼缘部，所述容纳部用于包围所述第一半壳，两个所述第二半壳的翼缘部相对设置且机械连接，从而将两个所述第一半壳连接成一个整体。由于翼缘部的设置，在充填材料压实过程中，筒本体受到的环向拉力的大部分可以从筒本体的圆周范围内转移至圆周范围以外的组合螺栓上，从而可以进一步提高压实筒的受力性能。
进一步地，为了防止标准试件在制备完成从试验机平台取下时受到扰动损伤，从而最大限度的保证所取下试样的完整性，本发明中的底座包括紧固上盘、紧固下盘；所述紧固上盘的上侧部与所述筒本体的下侧部连接；所述紧固上盘的下侧部与紧固下盘的上侧部连接。
进一步地，所述紧固上盘为中央开口的环状结构，所述底座还包括承台，所述承台的下侧部连接于所述紧固下盘的上侧部，且所述承台与所述紧固上盘的下侧部的卡槽卡合，从而覆盖所述紧固上盘的所述中央开口。通过承台的设置，能够将紧固上盘上的紧固螺栓所受的下部充填材料径向剪力向筒本体上部转移，从而转变为翼缘部上的组合螺栓承受，提高了压实筒整体承载能力。
进一步地，为了防止制备装置放置在MTS试验系统的试验机上时发生倾斜，以及在受压过程中紧固螺栓的底部与试验机表面发生应力集中，所述底座还包括支座；所述支座与所述紧固下盘的下侧部连接。
进一步地，所述紧固上盘的上侧部与所述筒本体的下侧部之间以焊接的方式连接，和/或所述紧固上盘为中央开口的环状结构，由对称的两个半环组成，每个所述半环分别与所述筒本体的所述第一半壳焊接。
进一步地，所述底座具有贯穿的排水孔。通过设置排水孔，可以便于在压实充填材料过程中，充填材料内部的水分从压实筒中排出。
进一步地，所述传力杆为中空圆筒；所述活塞设有与所述传力杆的下侧部的内壁相配合的凸缘。
进一步地，所述活塞的凸缘与所述传力杆的下侧部的内壁之间螺纹连接。
进一步地，所述筒本体与所述容纳部焊接，和/或所述紧固上盘和所述紧固下盘之间通过螺栓连接。其中，筒本体与容纳部焊接设置，可以将筒本体与外围部形成为一个整体，更有利于承受法向压力和径向拉力。
进一步地，两个所述第二半壳的相对设置的翼缘部之间通过螺栓连接。
进一步地，所述底座的高度大于所述紧固螺栓突出于所述紧固下盘下侧部的高度。
进一步地，所述充填材料力学实验标准试件制备装置与MTS岩石力学试验系统和切割机配合使用。
本发明还公开了一种制备充填材料力学实验标准试件的方法，该方法使用上述充填材料力学实验标准试件制备装置来制备所述填材料力学实验标准试件。
进一步地，所述方法包括如下步骤：
1)根据相似充填材料胶结料含量曲线配制相似充填材料；
2)利用所述的充填材料力学实验标准试件制备装置在MTS岩石力学试验系统所模拟的特定地质条件压力下流变24h，并将相似充填材料压缩成与标准试件直径一致的圆柱体试块；
3)利用机械切割形成标准试件。
进一步地，所述步骤1)还包括：选取充填采煤完毕稳定时间达1年以上，且充填材料相同、埋深相差50m以上的五个充填采煤工作面作为样本，通过对充填层取岩芯进行力学实验，得出相应埋深充填材料固结体力学特性参数，并将其作为参照标准；
用多级标准砂石筛对选取的充填材料进行分级，得出原粒径级配，并按照原粒径级配配制实验用充填材料骨料，并通过添加占总质量不同百分比的胶结材料制作一组相似充填材料；利用所述充填材料力学实验标准试件制备装置模拟参照样本中不同埋深采矿地层压力，流变24小时制得标准试件；
对制得的标准试件进行力学实验得出相应力学特性参数，并与相应所述埋深充填材料固结体力学特性参数进行对照，确定不同埋深条件下制作标准试件应选取的胶结材料含量；
根据以上实验数据拟合不同采深下相似充填材料胶结料含量方程，并绘制方程曲线，以此曲线作为充填材料力学实验标准试件材料配比依据；
将拟充填分层开采的采煤工作面地质条件带入相似充填材料胶结料含量方程，配制相似充填材料。
进一步地，所述步骤2)还包括：将所述充填材料力学实验标准试件制备装置内壁涂隔离层，并把相似充填材料倒入压实筒内，高度200mm左右；用拉杆将活塞平放至压实筒中，并放入传力杆；将带有充填材料、活塞和传力杆的压实筒放在MTS岩石力学试验系统的试验机上，根据模拟的采矿地质条件设定试验压力流变24小时进行压实，试验机的压力经由传力杆和活塞传导作用在充填材料上，使之形成与现场采场环境相似条件下的直径50mm的圆柱体；
岩石力学试验机试验结束，将制备装置取下，并将传力杆和活塞取出，卸掉压实筒上的螺栓，拆卸压实筒，并取出圆柱体试块。
进一步地，所述步骤3)还包括：用切割机将圆柱体试块切割制作成高100mm的充填材料力学测试标准试件。
有益效果：第一，本发明的充填材料力学实验测试标准试件制备装置通过特定的结构，不仅便于试件的取出，而且使得装置本身能承受较大的环向拉力和法向压力；第二，本发明前期在现场仅需少量的取样充填材料，当后期需要对充填材料进行试验时，无需再次取样，可直接结合本发明中的方法即可制备相应的充填材料试件；第三，利用MTS岩石力学实验系统在加载和控制精度方面的优越性能，通过模拟程度较高的模拟方法来相似模拟特定地质条件压力下的充填材料固结体，从而获得与现场充填材料力学性能接近的充填材料标准试件。
附图说明：
图1是本发明充填材料力学实验标准试件制备装置结构示意图正视图；
图2是本发明充填材料力学实验标准试件制备装置压实筒结构示意图正视图；
图3是本发明充填材料力学实验标准试件制备装置压实筒结构示意图侧视图；
图4是本发明充填材料力学实验标准试件制备装置压实筒结构示意图俯视图；
图5是本发明充填材料力学实验标准试件制备装置传力杆结构示意图正视图；
图6是本发明充填材料力学实验标准试件制备装置活塞结构示意图正视图；
图中：1-传力杆，2-外围部，3-筒本体，4-活塞，5-组合螺栓，6-承台，7-紧固上盘，8-支座，9-紧固下盘，10-紧固螺栓。
具体实施方式
以下参照附图说明本发明的具体实施方式。
如图1-4所示，本发明的充填材料力学实验标准试件制备装置包括压实筒、传力杆1和活塞4；所述压实筒包括筒本体3、外围部2和底座；所述筒本体3由两个第一半壳组成；所述外围部2由两个第二半壳组成；每个第二半壳包括一个容纳部和位于所述容纳部两侧的翼缘部，所述容纳部用于包围所述第一半壳，两个所述第二半壳的翼缘部相对设置且通过组合螺栓5连接，从而将两个所述第一半壳连接成一个整体。活塞4设置在所述筒本体3内，传力杆1的下端与活塞4的上端连接。上述充填材料力学实验标准试件制备装置与MTS岩石力学试验系统和切割机配合使用。
通过将筒本体3设置成由两个第一半壳组成的分体式结构，可以避免试件在取出压实筒时受到外界力的破坏。另外，由于设置在筒本体3外侧的外围部2的翼缘部相对于筒本体3沿径向方向向外伸出，因此在充填材料压实过程中，筒本体3受到的环向拉力的大部分可以从筒本体的圆周范围内转移至圆周范围以外的组合螺栓5上，从而可以进一步提高压实筒的受力性能。
为了防止标准试件在制备完成从试验机平台取下时受到扰动损伤，从而最大限度的保证所取下试样的完整性，本发明的充填材料力学实验标准试件制备装置还设置有底座，底座包括紧固上盘7、紧固下盘9；所述紧固上盘7为中央开口的环状结构，由对称的两个半环组成，每个所述半环分别与所述筒本体3的第一半壳焊接；紧固下盘9为实心圆盘结构；所述紧固上盘7的下侧部与紧固下盘9上侧部通过紧固螺栓10连接。
底座还包括承台6，所述承台6的下侧部连接于所述紧固下盘9的上侧部，且所述承台6与所述紧固上盘7的下侧部的卡槽卡合，从而覆盖所述紧固上盘7的中央开口。通过承台的设置，能够将紧固上盘7上的紧固螺栓10所受的下部充填材料径向剪力向筒本体3上部转移，从而转变为翼缘部上的组合螺栓5承受，提高了压实筒整体承载能力。
如图1-3所示，紧固螺栓10突出于紧固下盘9的下表面，为了防止制备装置放置在MTS试验系统的试验机上时发生倾斜，以及在受压过程中紧固螺栓10的底部与试验机表面发生应力集中，本发明在底座上还设置有支座8，所述支座8与所述紧固下盘9的下侧部连接，底座的高度大于紧固螺栓突出于紧固下盘9下表面的高度。
底座上的承台6、支座8和紧固下盘9具有贯穿的排水孔，以便在压实充填材料过程中，充填材料内部的水分从压实筒中排出。
筒本体3与容纳部焊接，从而将筒本体与外围部形成为一个整体，有利于压实筒更好地承受法向压力和径向拉力。
如图5-6所示，本发明的传力杆1为中空圆筒；活塞4设有与传力杆1的下侧部的内壁相配合的凸缘，活塞4的凸缘与传力杆1的下侧部的内壁之间通过螺纹连接。
筒本体3为空心圆柱结构，内径为50mm，壁厚为8-12mm、优选为10mm。
为了获得与现场充填材料力学性能接近的力学实验测试标准试件，本发明还公开一种根据上述制备装置来制备充填材料标准试件的方法，其主要制作方法及步骤如下：
步骤(1)根据相似充填材料胶结料含量曲线配制相似充填材料：选取充填采煤完毕稳定时间达1年以上，且充填材料相同、埋深相差50m以上的五个充填采煤工作面作为样本，通过对充填层取岩芯进行力学实验，得出相应埋深充填材料固结体力学特性参数，并将其作为参照标准；
用多级标准砂石筛对选取的充填材料进行分级，得出原粒径级配，并按照原粒径级配配制实验用充填材料骨料，添加占总质量不同百分比的胶结材料制作一组相似充填材料，并利用充填材料力学实验标准试件制备装置模拟参照样本中不同埋深采矿地层压力，流变24小时制得标准试件；
对制得的标准试件进行力学实验得出相应力学特性参数，并与相应埋深充填材料固结体的力学特性参数进行对照，确定不同埋深条件下制作标准试件应选取的胶结材料含量；
根据以上实验数据拟合不同采深下相似充填材料胶结料含量方程，并绘制方程曲线，以此作为充填材料力学实验标准试件材料配比依据；
将拟充填分层开采的采煤工作面地质条件带入胶结料含量方程，并依据配比制作相似充填材料。
步骤(2)利用充填材料力学实验标准试件制备装置在MTS模拟的特定地质条件压力下流变24小时，并将相似充填材料压缩成与标准试件直径一致的圆柱体试块：将充填材料力学实验测试标准试件制备装置内壁涂隔离层，并把相似充填材料倒入压实筒内，高度200mm左右；用拉杆将活塞4平放至压实筒中，并放入传力杆1；将带有充填材料、活塞4和传力杆1的压实筒放在MTS岩石力学试验系统的试验机上，根据模拟的采矿地质条件设定试验压力流变24小时进行压实，MTS试验机的压力经由传力杆和活塞传导作用在充填材料上，使之形成与现场采场环境相似条件下的直径50mm的圆柱体；
MTS试验机试验结束，将压实装置取下，并将传力杆1和活塞4取出，卸掉压实筒上的螺栓，拆卸压实筒，并取出圆柱体试块。
步骤(3)利用机械切割形成标准试件：用切割机将圆柱体试块切割制作成高100mm的充填材料力学测试标准试件。
尽管已经参照示例性实施方式说明了本发明，但是应当理解，本发明不限于所公开的示例性实施方式。权利要求书的范围应符合最宽泛的解释，以包含所有的这些变型、等同结构和功能。
Claims (17)
1.一种充填材料力学实验标准试件制备装置，其特征在于：包括压实筒、传力杆(1)和活塞(4)；所述压实筒包括筒本体(3)、外围部(2)和底座；所述筒本体(3)由两个第一半壳组成；所述外围部(2)通过包围所述筒本体(3)从而将两个所述第一半壳连接为一个整体；所述活塞(4)设置在所述筒本体(3)内；所述传力杆(1)与所述活塞(4)连接；所述筒本体(3)与所述底座连接。
2.根据权利要求1所述的充填材料力学实验标准试件制备装置，其特征在于：所述外围部(2)由两个第二半壳组成；每个第二半壳包括一个容纳部和位于所述容纳部两侧的翼缘部，所述容纳部用于包围所述第一半壳，两个所述第二半壳的翼缘部相对设置且机械连接，从而将两个所述第一半壳连接成一个整体。
3.根据权利要求2所述的充填材料力学实验标准试件制备装置，其特征在于：所述底座包括紧固上盘(7)、紧固下盘(9)；所述紧固上盘(7)的上侧部与所述筒本体(3)的下侧部连接；所述紧固上盘(7)的下侧部与紧固下盘(9)的上侧部连接。
4.根据权利要求3所述的充填材料力学实验标准试件制备装置，其特征在于：所述紧固上盘(7)为中央开口的环状结构，所述底座还包括承台(6)，所述承台(6)的下侧部连接于所述紧固下盘(9)的上侧部，且所述承台(6)与所述紧固上盘(7)的下侧部的卡槽卡合，从而覆盖所述紧固上盘(7)的所述中央开口。
5.根据权利要求3所述的充填材料力学实验标准试件制备装置，其特征在于：所述底座还包括支座(8)；所述支座(8)与所述紧固下盘(9)的下侧部连接。
6.根据权利要求3所述的充填材料力学实验标准试件制备装置，其特征在于：所述紧固上盘(7)的上侧部与所述筒本体(3)的下侧部之间以焊接的方式连接，和/或
所述紧固上盘(7)为中央开口的环状结构，由对称的两个半环组成，每个所述半环分别与所述筒本体(3)的所述第一半壳焊接。
7.根据权利要求1所述的充填材料力学实验标准试件制备装置，其特征在于：所述底座具有贯穿的排水孔。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的充填材料力学实验标准试件制备装置，其特征在于：所述传力杆(1)为中空圆筒；所述活塞(4)设有与所述传力杆(1)的下侧部的内壁相配合的凸缘。
9.根据权利要求8所述的充填材料力学实验标准试件制备装置，其特征在于：所述活塞(4)的所述凸缘与所述传力杆(1)的下侧部的内壁之间螺纹连接。
10.根据权利要求5所述的充填材料力学实验标准试件制备装置，其特征在于，所述筒本体(3)与所述容纳部焊接，和/或所述紧固上盘(7)和所述紧固下盘(9)之间通过紧固螺栓(10)连接。
11.根据权利要求2所述的充填材料力学实验标准试件制备装置，其特征在于，两个所述第二半壳的相对设置的所述翼缘部之间通过组合螺栓(5)连接。
12.根据权利要求10所述的充填材料力学实验标准试件制备装置，所述支座(8)的高度大于所述紧固螺栓(10)突出于所述紧固下盘(9)下侧部的高度。
13.一种制备充填材料力学实验标准试件的方法，其特征在于，该方法使用权利要求1至12任一项所述的充填材料力学实验标准试件制备装置来制备所述充填材料力学实验标准试件。
14.根据权利要求13所述的制备充填材料力学实验标准试件的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)根据相似充填材料胶结料含量曲线配制相似充填材料；
2)利用权利要求1至12中任一项所述的充填材料力学实验标准试件制备装置在MTS岩石力学试验系统所模拟的特定地质条件压力下流变24小时，并将相似充填材料压缩成与标准试件直径一致的圆柱体试块；
3)利用机械切割形成标准试件。
15.根据权利要求14所述的制备充填材料力学实验标准试件的方法，其特征在于：所述步骤1)还包括：选取充填采煤完毕稳定时间达1年以上，且充填材料相同、埋深相差50m以上的五个充填采煤工作面作为样本，通过对充填层取岩芯进行力学实验，得出相应埋深充填材料固结体力学特性参数，并将其作为参照标准；
用多级标准砂石筛对选取的充填材料进行分级，得出原粒径级配，并按照原粒径级配配制实验用充填材料骨料，并通过添加占总质量不同百分比的胶结材料制作一组相似充填材料；利用充填材料力学实验标准试件制备装置模拟参照样本中不同埋深采矿地层压力，流变24小时制得标准试件；
对制得的标准试件进行力学实验得出相应力学特性参数，并与相应埋深充填材料固结体力学特性参数进行对照，确定不同埋深条件下制作标准试件应选取的胶结材料含量；
根据以上实验数据拟合不同采深下相似充填材料胶结料含量方程，并绘制方程曲线，以此曲线作为充填材料力学实验标准试件材料配比依据；
将拟充填分层开采的采煤工作面地质条件带入相似充填材料胶结料含量方程，配制相似充填材料。
16.根据权利要求14所述的制备充填材料力学实验标准试件的方法，其特征在于：所述步骤2)还包括：将充填材料力学实验标准试件制备装置内壁涂隔离层，并把相似充填材料倒入压实筒内，高度200mm左右；用拉杆将活塞平放至压实筒中，并放入传力杆；将带有充填材料、活塞和传力杆的压实筒放在MTS岩石力学试验系统的试验机上，根据模拟的采矿地质条件设定试验压力流变24小时进行压实，所述试验机的压力经由传力杆和活塞传导作用在充填材料上，使之形成与现场采场环境相似条件下的直径50mm的圆柱体；
岩石力学试验机试验结束，将制备装置取下，并将传力杆和活塞取出，卸掉压实筒上的螺栓，拆卸压实筒，并取出圆柱体试块。
17.根据权利要求14所述的制备充填材料力学实验标准试件的方法，其特征在于，所述步骤3)还包括：用切割机将圆柱体试块切割制作成高100mm的充填材料力学测试标准试件。
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