CN108398319A - 超高水充填材料蠕变试验装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超高水充填材料蠕变试验装置及其使用方法，本发明提供的技术方案能验证超高水充填材料不同环境压缩条件下长时蠕变性能，为实际工程项目的充填开采理论提供试验依据。本发明运用杠杆加载原理，利用配重箱对超高水充填材料试样进行长期加载，模拟煤矿井下充填区域上覆岩层自重对超高水充填体长的加载效应，通过调整配重箱的配重进行模拟不同埋深处上覆岩层的加载效应，在密闭型和半密闭型的两种缸体可进行模拟不同围岩条件充填体的压缩变形特征，为超高水充填材料配比设计提供实验依据。该试验装置具有加载条件可调，无需能源消耗即可达到模块长期稳定加载特点。本发明试验装置的使用方法工艺简单、操作方便。

Description

超高水充填材料蠕变试验装置及其使用方法

技术领域

本发明属于煤矿充填开采技术领域，具体涉及一种超高水充填材料蠕变试验装置及其使用方法。

背景技术

超高水材料是一种双组份无机材料，作为充填材料一般各组分按照6～8∶1水灰比分别搅拌制浆，通过双管路自流输送，三通和混合管混合后灌注入采空区；浆液质量浓度为8.8％～14.2％，单立方材料消耗量小，作为充填材料具备速凝、早强、可远距离输送、成本低等突出优势，较为适合作为矿山充填开采材料。而该材料与一般混凝土相比水灰比较大，胶结体内部存在较多的游离水，在长期受压状态下，该材料在游离水渗出后强度如何变化，尤其是矿山地下空间的密闭和半密闭性区域，观察体积变化和受载破坏情况对矿业领域井下充填能否成功起到关键的作用，但由于煤岩体地质条件的复杂性，充填工程的隐蔽性，现场观测难度需要大量财力和物力。而室内缺乏有效试验装置及手段来验证现场超高水充填材料充填理论。

因此，急需研发一种超高水充填材料蠕变试验装置及方法，试验结论为建筑物、公(铁)路和水体下(三下)充填开采理论提供依据。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中室内缺乏有效试验装置及手段来验证现场超高水充填材料充填理论的问题缺陷，而提出一种超高水充填材料蠕变试验装置及其使用方法。本发明提供的技术方案所得出的试验结论为建筑物、公(铁)路和水体下(三下)充填开采理论提供依据。本发明利用杠杆加载原理，通过配载不同加载块体对超高水充填材料试样施加不同压力，达到模拟井下充填区域上覆岩层自重对高水充填体长期作用情况，利用千分表读数来测得超高水材料试样在密闭和半密闭两种环境压缩变形与时间的关系。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种超高水充填材料蠕变试验装置，所述试验装置包括：支撑架，所述支撑架起支撑作用；加载机构，所述加载机构设置在所述支撑架的上端部，所述超高水充填材料位于所述加载机构的内部；在所述支撑架的上部固定设置有底座，所述加载机构放置在所述底座上；加载杆，所述加载杆横向设置在所述加载机构的上方，且所述加载机构的上端部与所述加载杆接触；且所述加载杆通过第一可调螺栓与所述支撑架铰链接；配重箱，所述配重箱位于所述加载杆的下方，且所述配重箱通过第二可调螺栓与所述加载杆铰链接；所述第一可调螺栓和所述第二可调螺栓分别位于所述加载杆的两端部，所述加载机构位于所述第一可调螺栓和所述第二可调螺栓之间；变形测量装置，所述变形测量装置固定在所述支撑架的上端部，且所述变形测量装置与所述加载机构的上部连接，用于测量所述超高水充填材料的蠕变量。

如上所述的试验装置，优选，所述加载机构包括：加载缸，所述加载缸为一筒体结构，所述超高水充填材料位于所述加载缸的内部；加载柱塞，所述加载柱塞的一部分竖直插入至所述加载缸内部，且所述加载柱塞下端部的端面与所述加载缸内的所述超高水充填材料的上表面接触，所述加载柱塞上端部位于所述加载缸的外部上方位置，且所述加载柱塞上端部的端面与所述加载杆接触；垫板，所述垫板位于所述加载缸的底部，且与所述超高水充填材料的下表面接触。

如上所述的试验装置，优选，所述加载机构为半密闭型加载机构或者密闭型加载机构；所述半密闭型加载机构为：所述超高水充填材料的上表面与所述加载柱塞的接触位置采用密封圈进行密封；所述垫板为透水板；所述加载缸的下端和所述垫板位于蓄水盒内，所述蓄水盒用于收集所述超高水充填材料流出的水分，从而达到透水、密封空气作用；所述密闭型加载机构为：所述超高水充填材料的上表面、下表面分别与所述加载柱塞和所述垫板的接触位置处均采用密封圈进行密封，从而达到完全密封空气、不透水作用。

如上所述的试验装置，优选，还包括：在所述加载缸的外周上套设有一导向筒，在所述蓄水盒的底面设置有一底座；优选地，所述加载机构的材质均由不锈钢制成。

如上所述的试验装置，优选，所述变形测量装置为千分表装置；优选地，所述变形测量装置与所述加载机构的变形测量装置接触位置位于所述加载柱塞的上部。

如上所述的试验装置，优选，所述加载机构与所述第一可调螺栓之间的距离值小于所述加载机构与所述第二可调螺栓之间的距离值。

如上所述的试验装置，优选，在所述加载杆上和所述支撑架的上端部均设置有通孔，所述第一可调螺栓竖直的插入所述加载杆和所述支撑架上对应设置的两个通孔内，用于将所述加载杆和所述支撑架铰链接，所述加载杆能以所述加载机构为支点进行转动，通过调整所述第一可调螺栓的长度以保持所述加载杆处于水平状态；优选地，所述第一可调螺栓的下部采用螺母旋拧，用于调节所述加载杆和所述支撑架之间的距离，即用于调整所述第一可调螺栓的长度值的大小；再优选地，在所述加载杆设置的用于所述第一可调螺栓穿入的通孔的开口处设置成铣槽，便于所述第一可调螺栓的端部稳定的卡入在所述铣槽内。

如上所述的试验装置，优选，在所述加载杆上和所述配重箱的上端部均设置有通孔，所述第二可调螺栓竖直的插入所述加载杆和所述配重箱上对应设置的两个通孔内，用于将所述加载杆和所述配重箱铰链接，可进行不同加载配重；优选地，所述配重箱上的通孔设置在所述配重箱的上端部的中间位置处；优选地，所述第二可调螺栓的下部采用螺母旋拧，用于调节所述加载杆和所述配重箱之间的距离，即用于调整所述第二可调螺栓的长度值的大小；再优选地，在所述加载杆设置的用于所述第二可调螺栓穿入的通孔的开口处设置成铣槽，便于所述第二可调螺栓的端部稳定的卡入在所述铣槽内。

如上所述的试验装置，优选，还包括：在所述加载柱塞上端部与所述加载杆之间还设置有一根钢筋，即所述加载柱塞通过所述钢筋与所述加载杆之间为线接触；优选地，在所述加载杆上且在所述钢筋与所述加载杆接触位置处设置有铣槽，所述钢筋的端部位于该铣槽内，便于所述钢筋与所述加载杆线接触的稳定性更强。

一种如上所述试验装置的使用方法，所述使用方法包括如下步骤：

步骤一，根据现场煤层埋深估算超高水充填材料所受应力；利用杠杆加载原理，将估算出的超高水充填材料所受应力减去加载杆对超高水充填材料的应力之后，再计算确定配重箱的设计配重；

步骤二，按照所述超高水充填材料的配合比来制备所述超高水充填材料，将制备完成的所述超高水充填材料倒入所述加载机构的加载缸中，然后自然养护到不同龄期；

步骤三，当步骤二中所述超高水充填材料养护到期时，在所述加载缸内放入所述加载柱塞并与所述超高水充填材料接触；之后安装所述变形测量装置并读取初读数；

步骤四，安装加载杆和配重箱，并调节第一可调螺栓和第二可调螺栓的螺杆长度，用于调整加载杆处于水平状态；

然后对所述配重箱分级施加一定配重，同时读取所述变形测量装置上的读数，直到配重达到步骤一中的设计配重时，而后根据超高水充填材料压缩变形情况来确定加载杆调整情况和所述变形测量装置读数间隔时间。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有如下有益效果：

1、本发明提供的技术方案能验证超高水充填材料不同环境压缩条件下长时蠕变性能，为建筑物、公(铁)路和水体下(三下)充填开采理论提供试验依据。

2、本发明运用杠杆加载原理，利用配重箱对超高水充填材料试样进行长期加载，模拟煤矿井下充填区域上覆岩层自重对超高水充填体长的加载效应，通过调整配重箱的配重进行模拟不同埋深处上覆岩层的加载效应，在密闭型和半密闭型的两种缸体可进行模拟不同围岩条件充填体的压缩变形特征，为超高水充填材料配比设计提供实验依据。该试验装置具有加载条件可调，无需能源消耗(无需消耗水和电)即可达到模块长期稳定加载特点。

3、本发明利用变形测量装置(千分表)读数来测得超高水材料试样在密闭和半密闭两种环境压缩变形与时间的关系。

4、本发明提供的该试验装置的使用方法工艺简单、操作方便。

附图说明

图1为本发明实施例中超高水充填材料蠕变试验装置组装结构示意图。

图2为本发明实施例中可调螺栓与加载杆连接处的结构示意图。

图3为本发明实施例中半密闭型加载机构的结构示意图；

图4为本发明实施例中密闭型加载机构的结构示意图；

图5为本发明实施例中设置有套筒和底座的加载机构示意图。

图中：1-支撑架；2-加载机构；3-加载杆；4-配重箱；5-变形测量装置；6-第一可调螺栓；7-钢筋；8-第二可调螺栓；9-螺母；10-变形测量装置接触位置；11-半密闭型加载机构；12-密闭型加载机构；13-加载柱塞；14-加载缸；15-密封圈；16-蓄水盒；17-垫块；18-套筒；19-底座；20-超高水充填材料；21-铣槽。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1-图4所示，本发明的具体实施例提供一种超高水充填材料蠕变试验装置，该试验装置包括：支撑架1，支撑架1起支撑作用；加载机构2，加载机构2设置在支撑架1的上端部，超高水充填材料20位于加载机构2的内部；加载杆3，加载杆3横向设置在加载机构2的上方，且加载机构2的上端部与加载杆3接触；且加载杆3通过第一可调螺栓6与支撑架1铰链接；配重箱4，配重箱4位于加载杆3的下方，且配重箱4通过第二可调螺栓8与加载杆3铰链接；第一可调螺栓6和第二可调螺栓8分别位于加载杆3的两端部，加载机构2位于第一可调螺栓6和第二可调螺栓8之间；变形测量装置5，变形测量装置5固定在支撑架1的上端部，且变形测量装置5与加载机构2的上部连接，用于测量超高水充填材料蠕变量。

在本发明的具体实施例中加载机构2包括：加载缸14，加载缸14为一筒体结构，超高水充填材料20位于加载缸14的内部。加载柱塞13，加载柱塞13的一部分插入至加载缸14内部，且加载柱塞13下端部的端面与加载缸14内的超高水充填材料20的上表面接触，加载柱塞13上端部位于加载缸14的外部上方位置，且加载柱塞13上端部的端面与加载杆3接触。垫块17，垫块17位于加载缸14底部，且与超高水充填材料20的下表面接触。

本发明中加载机构2为半密闭型加载机构11或者密闭型加载机构12。即加载缸14分为密闭和半密闭两种环境类型；密闭型充填材料试样上、下部加载缸14与加载柱塞13、垫块17间装有密封圈15，达到完全密封空气作用；半密闭型充填材料试样上部加载缸14与加载柱塞13装有密封圈15，而下部装有透水板(垫块17为透水板)和蓄水盒16，达到透水、密封空气作用。具体内容如下：

在本发明中，如图3所示，当加载机构2为半密闭型加载机构11时，其结构为：超高水充填材料20的上表面与加载柱塞13的接触位置采用密封圈15进行密封；垫块17为透水板；加载缸14的下端位于蓄水盒16内，蓄水盒16用于收集超高水充填材料20流出的水分，从而达到透水、密封空气作用。半密闭型加载机构11具体是指：加载缸14，加载缸14为一筒体结构，超高水充填材料20位于加载缸14的内部；加载柱塞13，加载柱塞13的一部分竖直插入至加载缸14内部，且加载柱塞13下端部的端面与加载缸14内的超高水充填材料20的上表面接触，加载柱塞13上端部位于加载缸14的上方，且加载柱塞13上端部的端面与加载杆3接触；优选地，变形测量装置5与加载机构2的变形测量装置接触位置10位于加载柱塞13的上部；且加载柱塞13与超高水充填材料20接触位置采用密封圈15进行密封。垫块17，垫块17位于加载缸14内部，且与超高水充填材料20的下表面接触；优选地，垫块17为透水板。蓄水盒16，加载缸14的下端位于蓄水盒16内，便于收集超高水充填材料20流出的水分。

如图4所示，当加载机构2为密闭型加载机构12时，其结构为：超高水充填材料20的上表面、下表面分别与加载柱塞13和垫块17的接触位置均采用密封圈15进行密封，从而达到完全密封空气、不透水作用。密闭型加载机构12具体是指：加载缸14，加载缸14为一筒体结构，超高水充填材料20位于加载缸14的内部。加载柱塞13，加载柱塞13的一部分插入至加载缸14内部，且加载柱塞13下端部的端面与加载缸14内的超高水充填材料20的上表面接触，加载柱塞13上端部位于加载缸14的上方，且加载柱塞13上端部的端面与加载杆3接触；优选地，变形测量装置5与加载机构2的变形测量装置接触位置10位于加载柱塞13的上部；且加载柱塞13与超高水充填材料20的接触位置采用密封圈15进行密封。垫块17，垫块17位于加载缸14内部，且与超高水充填材料20的下表面接触；垫块17与超高水充填材料20的接触位置采用密封圈15进行密封。

在本发明的一个具体实施例中，密闭型加载机构12中的垫块17优选为不透水板。

在本发明的另一个具体实施例中，加载缸14优选为一体成型的U型筒，且不需要设置垫块17、不需要在垫块17与超高水充填材料20之间设置密封圈15也能达到完全密封空气、不透水作用。

在本发明中，在支撑架1上设置有底座19，加载机构2能顺利放置在该底座19上，对加载缸14起到定位和固定的作用。进一步优选地，为了使加载缸14有更好的导向作用，在加载缸14外部还设置加套筒18。具体是指在加载缸14的外周上套设有一导向筒，在蓄水盒16的底面设置有一底座19。优选地，加载机构2的材质均由不锈钢制成。本发明中的底座19起到固定加载缸14的作用，这是由于试验要求加载缸14是可以自由移动的，以便能更好的往加载缸14内部加充填块体；套筒18的作用一方面防止加载缸14在受力过程中倾倒，另一方面是在受力中更好的导向作用使加载缸14内部实验块体受力均匀。因此，本发明中的套筒18和底座19能起到对加载缸14进行定位和固定的作用。

在本发明中，如图5所示，还包括：在加载柱塞13上端部与加载杆3之间还设置有一根钢筋7，即加载柱塞13通过钢筋7与加载杆3之间为线接触。优选地，在加载杆3上且在钢筋7与加载杆3接触位置处设置有铣槽21，钢筋7的端部位于该铣槽21内，便于钢筋7与加载杆3线接触的稳定性更强。本发明中选用钢筋7能满足试验过程对材料强度的要求，且选材方便。钢筋7与加载杆3是通过一个凹槽接触(具体是指在加载杆3顶部平面铣出一个与钢筋7直径匹配的长槽)，要求可移动，不是将钢筋7焊接在铣槽21内部。此外，也可考虑将加载柱塞13的上部设计成尖头形状进而卡设在加载杆3上的铣槽21内，但考虑到尖头形状受力面积太小从而应力集中，可能会在加载过程中因加载力臂(工字钢)的暂时倾斜而使加载柱塞13倾斜，从而造成实验块体受力不均，但采用钢筋7长面接触受力则不会出现问题。因此，本发明优选采用钢筋7设置在加载柱塞13和加载杆3之间。

在本发明中，变形测量装置5优选为千分表装置。变形测量装置5为千分表及其加持装置(优选为磁性千分表座)组成，通过测量试样的下沉量读数完成对该充填材料的蠕变量监测，用于测量超高水充填材料20试样在一定载荷作用下变形量与时间的关系。优选地，变形测量装置5与加载机构2的变形测量装置接触位置10位于加载柱塞13的上部。在本发明中千分表的测量杆与加载机构2连接，从而测其变形。优选地，在加载柱塞13的上部还设置有一横杆，千分表的测量杆与该横杆接触，其千分表的测量过程为：在填充块体变形后，加载柱塞13将会下沉，进而加载柱塞13上设置的横杆将压动干分表的测量杆杆头移动，从而读取变形移动数据。

在本发明中，加载缸14布置在支撑架1和加载杆3的可调螺栓连接处右侧一定力臂长度处，加载缸14上的加载柱通过一根钢筋7与加载杆3线接触来完成对加载缸14的施力；配重箱4位于加载杆3右侧距可调螺栓一定力臂长度处。可调整第一可调螺栓6和第二可调螺栓8的长度，保持力臂比值(10∶1)基本不变。通过调整配重箱4的不同配重，可以满足不同应力条件下高水充填材料压缩蠕变变形特征试验。具体是指：

加载机构2与第一可调螺栓6之间的距离值小于加载机构2与第二可调螺栓8之间的距离值。

在加载杆3上和支撑架1的上端部均设置有通孔，第一可调螺栓6竖直的插入加载杆3和支撑架1上对应设置的两个通孔内，用于将加载杆3和支撑架1铰链接，加载杆3能以加载机构2为支点进行转动，通过调整第一可调螺栓6的长度以保持加载杆3处于水平状态。在本发明中加载机构2是与加载杆3线接触(通过钢筋线接触)，当加载缸14内部充填块体变形后，配重箱4所在加载杆的一端将会下沉，然后通过调整第一可调螺栓6使其加载杆3重新平衡，在此过程中，便是加载杆3以加载机构2上的线接触进行转动的过程。

进一步优选地，第一可调螺栓6的下部采用螺母9旋拧，用于调节加载杆3和支撑架1之间的距离，即用于调整第一可调螺栓6的长度值的大小。再优选地，在加载杆3设置的用于第一可调螺栓6穿入的通孔的开口处设置成铣槽21，便于第一可调螺栓6的端部稳定的卡入在铣槽21内。

在加载杆3上和配重箱4的上端部均设置有通孔，第二可调螺栓8竖直的插入加载杆3和配重箱4上对应设置的两个通孔内，用于将加载杆3和配重箱4铰链接，可进行不同加载配重。优选地，配重箱4上的通孔设置在配重箱4的上端部的中间位置处，更利于平衡。优选地，第二可调螺栓8的下部采用螺母9旋拧，用于调节加载杆3和配重箱4之间的距离，即用于调整第二可调螺栓8的长度值的大小。再优选地，在加载杆3设置的用于第二可调螺栓8穿入的通孔的开口处设置成铣槽21，便于第二可调螺栓8的端部稳定的卡入在铣槽21内。优选地，配重箱4由钢板制成。再优选地，为了是施加的力更加均匀，配重箱4的形状为正方形结构。

在本发明中，可调螺栓为第一可调螺栓6和第二可调螺栓8，此处的可调螺栓的螺栓上部是可以晃动的，从而为加载杆3杆体失衡提供空间；螺栓下部旋拧上螺母是可以手动调动的，通过手动调动螺母可调节螺栓长度，同时还能使加载杆3杆体处于平衡状态。

更优选地，可调螺栓上部与加载杆3之间为铰链接，是可以晃动的，可调螺栓上部的结构具体是指：一螺帽竖直设置在螺栓端部，一钢筋或销穿过螺帽，从而将可调螺栓与加载杆3之间的连接为铰链接。再优选地，螺帽通过焊接固定在可调螺栓的上端部，从而使钢筋或销插入到螺帽中。

本发明中支撑架1的材质为16#槽钢，本发明选用该槽钢材料是由于本发明基于杠杆原理基础下设置的试验装置，其必须满足抗弯强度要求，槽钢抗弯抗折性较好，经过多次计算配重和力臂比，最终确定选用此型号的槽钢。支撑架1的为L型结构支撑架1，L型结构支撑架1由立柱和底座两部分组成；底座的左端部与立柱的下端部连接，加载机构2和变形测量装置5均设置在立柱的上端部。支撑架1为一体成型结构，或者支撑架1由立柱和底座焊接在一起组成L型结构支撑架1。

优选地，在本发明中支撑架1是由16#槽钢焊接成，由立柱和底座两部分组成，立柱与上部加载杆3通过第一可调螺栓6连接。

由于工字型钢的抗弯抗折性能显著，能满足本发明中试验过程中对强度的要求，而普通直板刚才容易受力弯曲，影响试验数值测量的精确度，故本发明中的加载杆3的结构为一根工字型钢。并在第一可调螺栓6、第二可调螺栓8和加载机构2分别与加载杆3接触的位置设置铣槽21，该铣槽21的设置使施力和受力更加稳定，测试出的数值更加精确，如图2所示。本发明中，工字型钢为普通结构的工字型钢，即由一个腹板和两个翼缘组成，本发明中加载杆3上设置的铣槽21均设置在工字型钢的翼缘上。该加载杆3与支撑架1之间用可调螺栓铰连，能够以加载柱塞13为支点转动，调整可调螺栓的长度以保持加载杆3基本处于水平状态。

本发明通过变形测量装置5测量试样的下沉量读数完成对该充填材料的蠕变量监测，用于测量超高水充填材料20试样在一定载荷作用下变形量与时间的关系。通过调整配重箱4的不同配重(在增加配重块体时，加载缸13内部充填块体开始受力变形，加载柱塞13下沉从而带动千分表测头移动，千分表前后差值便为充填材料的变形值)，可以满足不同应力条件下高水充填材料压缩蠕变变形特征试验。

此外，为了更好的理解本发明的试验装置，本发明还提供该试验装置的使用方法，具体步骤如下：

步骤一，根据现场煤层埋深估算超高水充填材料20所受应力；利用杠杆加载原理，估算出超高水充填材料20所受应力减去加载杆3对超高水充填材料20的应力之后，再计算确定配重箱4的设计配重；由于加载杆3为工字钢且其有一定的重量，对充填块体材料有一定的应力，为了能更加精确的测试出充填块体材料的变形，本发明采用用估算出的充填材料的所受应力值减去加载杆3对超高水充填材料20的应力后的得到的数值才是配重箱4实际所需配重。

步骤二，按照超高水充填材料20的配合比来制备超高水充填材料20。分别称量各个组分的重量，并将A料和B料干料充分搅拌混合均匀，按水灰比设计称量加水量，添加到A料和B料中，并分别搅拌均匀，混合液再次搅拌均匀后倒入加载缸14中，然后自然养护到不同龄期(针对不同龄期的试块均需要测试量，进行分析研究充填块体材料的变形破坏情况)；

步骤三，当步骤二中超高水充填材料20养护到期时，在加载缸14内放入加载柱塞13并与超高水充填材料20接触；之后安装变形测量装置5并读取初读数；

步骤四，安装加载杆3和配重箱4，并调节第一可调螺栓6和第二可调螺栓8的螺杆长度，用于调整加载杆3处于水平状态；

然后对配重箱4分级施加一定配重，同时读取变形测量装置5上的读数，直到配重达到步骤一中的设计配重时，而后根据超高水充填材料20压缩变形情况来确定加载杆3调整情况和变形测量装置5读数间隔时间。

在本发明中对配重箱4进行分级施加一定配重，此处的分级施重具体是指是一个加配重块的过程，从开始加到设计配重完毕有一定时差，同时也可以对比于实验室加载仪器对实验块体按一定速率对其加压的过程；同时此分级施重过程也便于观察块体是否破坏，若受到严重破坏，需要重新设计材料配比。

在本发明中分级施重直到达到设计配重时，而后根据超高水充填材料20压缩变形情况来确定加载杆3调整情况和变形测量装置5读数间隔时间，具体是指：由于充填块体材料(超高水充填材料)一直在受力产生蠕变，加载杆3杆体是一个不断失衡的过程，所以在该实验过程中需要对失衡的加载杆3杆体不断进行调整，直到该充填块体材料不发生变形为止，只有加载杆3杆体平衡才能保证充填块体材料受力的大小(受力值恒定)，但该充填块体材料蠕变过程中变化速率会有变化，如前期变化明显后期变化缓慢，所以要根据情况来进行调整加载杆3的平衡情况。此外，通过测得该充填块体材料实验块体变形值和变化破坏情况来确定煤矿井下在该实验模拟的条件下所需的充填材料的配比，确定该充填块体材料的强度，以及掌握充填块体材料在不破坏情况下的极限变形值，进而确定该充填块体材料及配比是否满足井下充填工程要求。

综上所述，本发明还具有如下技术效果：

(1)本发明的试验装置能够进行超高水充填材料20在密闭和半密闭环境下蠕变试验。

(2)本发明运用杠杆加载原理，试验装置制作简易，使用方便。

(3)本发明的试验装置在试验时不需要水、电等资源消耗，可实现高水充填材料在密闭和半密闭环境下进行0～15MMa蠕变试验。

(4)本发明在第一可调螺栓6、第二可调螺栓8和加载机构2分别与加载杆3接触的位置设置铣槽21，该铣槽21的设置使施力和受力更加稳定，测试出的数值更加精确。该加载杆3与支撑架1之间用可调螺栓铰连，能够以加载柱塞13为支点转动，调整可调螺栓的长度以保持加载杆3基本处于水平状态。

(5)本发明通过变形测量装置5测量试样的下沉量读数完成对该充填材料的蠕变量监测，用于测量超高水充填材料20试样在一定载荷作用下变形量与时间的关系。通过调整配重箱4的不同配重，可以满足不同应力条件下超高水充填材料压缩蠕变变形特征试验。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均在本发明待批权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超高水充填材料蠕变试验装置，其特征在于，所述试验装置包括：

支撑架，所述支撑架起支撑作用；

加载机构，所述加载机构设置在所述支撑架的上端部，所述超高水充填材料位于所述加载机构的内部；在所述支撑架的上部固定设置有底座，所述加载机构放置在所述底座上；

加载杆，所述加载杆横向设置在所述加载机构的上方，且所述加载机构的上端部与所述加载杆接触；且所述加载杆通过第一可调螺栓与所述支撑架铰链接；

配重箱，所述配重箱位于所述加载杆的下方，且所述配重箱通过第二可调螺栓与所述加载杆铰链接；所述第一可调螺栓和所述第二可调螺栓分别位于所述加载杆的两端部，所述加载机构位于所述第一可调螺栓和所述第二可调螺栓之间；

变形测量装置，所述变形测量装置固定在所述支撑架的上端部，且所述变形测量装置与所述加载机构的上部连接，用于测量所述超高水充填材料的蠕变量。

2.如权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述加载机构包括：

加载缸，所述加载缸为一筒体结构，所述超高水充填材料位于所述加载缸的内部；

加载柱塞，所述加载柱塞的一部分竖直插入至所述加载缸内部，且所述加载柱塞下端部的端面与所述加载缸内的所述超高水充填材料的上表面接触，所述加载柱塞上端部位于所述加载缸的外部上方位置，且所述加载柱塞上端部的端面与所述加载杆接触；

垫板，所述垫板位于所述加载缸的底部，且与所述超高水充填材料的下表面接触。

3.如权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述加载机构为半密闭型加载机构或者密闭型加载机构；

所述半密闭型加载机构为：所述超高水充填材料的上表面与所述加载柱塞的接触位置采用密封圈进行密封；所述垫板为透水板；所述加载缸的下端和所述垫板位于蓄水盒内，所述蓄水盒用于收集所述超高水充填材料流出的水分，从而达到透水、密封空气作用；

所述密闭型加载机构为：所述超高水充填材料的上表面、下表面分别与所述加载柱塞和所述垫板的接触位置处均采用密封圈进行密封，从而达到完全密封空气、不透水作用。

4.如权利要求3所述的试验装置，其特征在于，还包括：

在所述加载缸的外周上套设有一导向筒，在所述蓄水盒的底面设置有一底座；

优选地，所述加载机构的材质均由不锈钢制成。

5.如权利要求2所述的试验装置，其特征在于，所述变形测量装置为千分表装置；

优选地，所述变形测量装置与所述加载机构的变形测量装置接触位置位于所述加载柱塞的上部。

6.如权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述加载机构与所述第一可调螺栓之间的距离值小于所述加载机构与所述第二可调螺栓之间的距离值。

7.如权利要求1所述的试验装置，其特征在于，在所述加载杆上和所述支撑架的上端部均设置有通孔，所述第一可调螺栓竖直的插入所述加载杆和所述支撑架上对应设置的两个通孔内，用于将所述加载杆和所述支撑架铰链接，所述加载杆能以所述加载机构为支点进行转动，通过调整所述第一可调螺栓的长度以保持所述加载杆处于水平状态；

优选地，所述第一可调螺栓的下部采用螺母旋拧，用于调节所述加载杆和所述支撑架之间的距离，即用于调整所述第一可调螺栓的长度值的大小；

再优选地，在所述加载杆设置的用于所述第一可调螺栓穿入的通孔的开口处设置成铣槽，便于所述第一可调螺栓的端部稳定的卡入在所述铣槽内。

8.如权利要求1所述的试验装置，其特征在于，在所述加载杆上和所述配重箱的上端部均设置有通孔，所述第二可调螺栓竖直的插入所述加载杆和所述配重箱上对应设置的两个通孔内，用于将所述加载杆和所述配重箱铰链接，可进行不同加载配重；

优选地，所述配重箱上的通孔设置在所述配重箱的上端部的中间位置处；

优选地，所述第二可调螺栓的下部采用螺母旋拧，用于调节所述加载杆和所述配重箱之间的距离，即用于调整所述第二可调螺栓的长度值的大小；

再优选地，在所述加载杆设置的用于所述第二可调螺栓穿入的通孔的开口处设置成铣槽，便于所述第二可调螺栓的端部稳定的卡入在所述铣槽内。

9.如权利要求1所述的试验装置，其特征在于，还包括：

在所述加载柱塞上端部与所述加载杆之间还设置有一根钢筋，即所述加载柱塞通过所述钢筋与所述加载杆之间为线接触；

优选地，在所述加载杆上且在所述钢筋与所述加载杆接触位置处设置有铣槽，所述钢筋的端部位于该铣槽内，便于所述钢筋与所述加载杆线接触的稳定性更强。

10.一种如权利要求1-9任一所述试验装置的使用方法，其特征在于，所述使用方法包括如下步骤：

步骤一，根据现场煤层埋深估算超高水充填材料所受应力；利用杠杆加载原理，将估算出的超高水充填材料所受应力减去加载杆对超高水充填材料的应力之后，再计算确定配重箱的设计配重；

步骤二，按照所述超高水充填材料的配合比来制备所述超高水充填材料，将制备完成的所述超高水充填材料倒入所述加载机构的加载缸中，然后自然养护到不同龄期；

步骤三，当步骤二中所述超高水充填材料养护到期时，在所述加载缸内放入所述加载柱塞并与所述超高水充填材料接触；之后安装所述变形测量装置并读取初读数；

步骤四，安装加载杆和配重箱，并调节第一可调螺栓和第二可调螺栓的螺杆长度，用于调整加载杆处于水平状态；

然后对所述配重箱分级施加一定配重，同时读取所述变形测量装置上的读数，直到配重达到步骤一中的设计配重时，而后根据超高水充填材料压缩变形情况来确定加载杆调整情况和所述变形测量装置读数间隔时间。