CN110412240A - 充填体与围岩相互作用规律三维相似模拟试验装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了充填体与围岩相互作用规律三维相似模拟试验装置与方法，其装置包括通过底座、箱体钢板墙、隔离带钢板、填装区模板设置成围岩相似材料填装区、矿体相似材料填装区、充填体相似材料填装区；上述不同的区的顶部分别放置钢板配载、标准圆柱形铁块配载；箱体钢板墙、填装区模板、隔离带钢板均为层状结构，层与层之间相互连接；实验方法包括组装试验装置、回填和夯实相似材料、养护、填装区模板拆除、固定应变和应力监测元件并与计算机连接。本发明模拟一步胶结充填体揭露过程中，充填体与围岩的相互作用规律，考虑了矿体的赋存条件和胶结面的粗糙度，装置结构简单，实验操作方便，可为完善充填体与围岩相互作用机理提供相关依据。

Description

充填体与围岩相互作用规律三维相似模拟试验装置与方法

技术领域

本发明涉及充填采矿过程中充填体与围岩相互作用机理分析领域，确切地说是充填体与围岩相互作用规律三维相似模拟试验装置与方法。

背景技术

为了加快实现矿业发展新模式，绿色、安全开采技术地推广与实施领域愈加广泛，高效充填采矿工艺理论成为矿业开发研究的重点。阶段空场嗣后充填采矿法是充填法与空场法的有机结合，是高效安全采矿方法的典范。在国内外金属矿山获得了广泛应用，代表了大规模高效绿色采矿地发展方向。但是充填体与围岩相互作用机理，主要表现为充填体与围岩胶结面的力学特性，充填体在围岩限制作用下的力学特性和拱效应等问题需要进一步完善，以促进充填采矿法更好的应用和发展。

阶段空场嗣后充填采矿法一般将矿体划分为连续矿房、矿柱采场，采用＂隔一采一＂的两步骤回采方式，具体地：首先回采一步骤矿柱采场，出矿完毕后进行胶结充填，目的是竖直人工矿柱在改善地压环境的同时，为后续二步矿房采场回采提供安全保护。一步骤矿柱采场胶结充填体达到预期强度后，依次回采相邻的二步骤矿房采场，出矿完毕后一般使用非胶结充填以降低充填成本。

一步骤矿柱采场回采充填后，充填体处于矿岩体包裹的三维力学状态。二步骤回采矿房时，充填体处于临空面逐渐扩大的二维卸荷受力状态，随后对二步采空区进行非胶结充填后，充填体处于矿岩体和尾砂包裹的三维受力状态。根据阶段空场嗣后充填采矿法的开采过程受力分析可知，一步骤矿柱采场胶结充填体揭露过程是采充过程力学环境最不利的工序。因此厘清一步骤矿柱采场胶结充填体揭露过程中充填体与围岩的相互作用机理，是研究充填体稳定性评价和强度优化设计的关键环节。

国内外学者针对充填体与围岩相互作用机理做了大量力学作用理论和试验方法研究工作。对于复杂力学路径的岩土工程力学分析，物理模拟试验一直是有效的研究方法之一。目前主要有钢筒物理模型，平面物理双轴加载物理模型，和实验室单轴、双轴、三轴压缩力学试验。现有的理论和试验方法较多的将矿柱、充填体与围岩的相互作用分开来讨论，很少有考虑充填开采过程中的应力路径、充填体与围岩接触面产状因素和粗糙程度，不能客观表征充填体与围岩在采充环境下的力学行为。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种充填体与围岩相互作用规律三维相似模拟试验装置，该装置及方法为三维尺度物理试验模拟一步胶结充填体揭露过程中充填体与围岩的相互作用规律，同时考虑了矿体的赋存条件和胶结面的粗糙度，操作简单，设计新颖合理。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术手段：

一种充填体与围岩相互作用规律三维相似模拟试验装置，包括底座，设置在底座上的充填体和围岩相似材料填装区箱体钢板墙、隔离带钢板，所述的底座、充填体和围岩相似材料填装区箱体钢板墙、隔离带钢板、充填体相似材料填装区模板将三维相似模拟试验装置分为2个围岩相似材料填装区、2个矿体相似材料填装区、1个充填体相似材料填装区；围岩相似材料填装区、矿体相似材料填装区及充填体相似材料填装区的顶部分别放置钢板配载、标准圆柱形铁块配载，钢板配载的上表面放置标准圆柱形铁块配载；箱体钢板墙、充填体相似材料填装区模板、隔离带钢板均为层状结构，层与层之间相互连接。

充填体相似材料填装区模板的每块钢板与矿体和围岩相似材料接触面通过粗糙度系数进行设计。矿体采用爆破开挖时,形成的开挖面是不光滑的,采用粗糙系数进行模拟以便进行更好地实验研究。

本发明为三维尺度物理试验模拟一步胶结充填体揭露过程中充填体与围岩的相互作用规律，同时考虑了矿体的赋存条件和胶结面的粗糙度，操作简单，设计新颖合理。

进一步的优选技术方案如下：

所述的充填体相似材料填装区模板由4层组成，每层有4块钢板和4个横支撑，每层之间通过销钉连接，最下一层通过销钉固定在底座上；所述的隔离带钢板层数与层高与充填体相似材料填装区模板相同。

所述的底座由4块钢板拼接而成。方便安装及拆卸后的存放。

所述的充填体和围岩相似材料填装区箱体钢板墙安装在间隔设置的反力架上，反力架3的底端与底座连接固定。

通过设置反力架，使箱体钢板墙受到稳定与牢固的支撑。

充填体与围岩相互作用规律三维相似模拟试验装置的实验方法，试验时装置组装依次为：

（1）将底座放置在高程误差小于1%的区域；

（2）在底座上安装固定安装充填体和围岩相似材料填装区箱体钢板墙下层的4块钢板；

（3）安装底层的充填体相似材料填装区模板；

（4）通过填装区模板固定底层的隔离带钢板；

（5）按相应高度回填和夯实矿体和围岩相似材料；

（6）再依次在上述安装好的底层上分别安装箱体钢板墙、充填体相似材料填装区模板、矿体和围岩相似材料隔离带钢板；

（7）继续回填和夯实矿体和围岩相似材料至设计高度；

（8）按设计在矿体和围岩相似材料顶部放置钢板配载和标准圆柱形铁块配载。

充填体与围岩相互作用规律三维相似模拟试验方法，包含以下步骤：

（1）确定矿体、围岩、充填体的相似材料与配比；

（2）组装充填体与围岩相互作用规律三维相似模拟试验装置并回填和夯实相似材料；

（3）养护到设计时间，进行充填体相似材料填装区模板4的拆除；

（4）在充填体相似材料填装区模板拆除后揭露的矿体和围岩相似材料表面按设计要求固定应变和应力监测元件并与计算机连接；

（5）回填充填体相似材料，并在相似材料设计位置放置应变和应力监测元件并与计算机连接；

（6）养护到设计时间，拆除设计矿体开挖区域顶部的配载；

（7）按设计开挖尺寸进行矿体相似材料开挖，同时进行应力应变数据采集；

（8）处理应变片与应变传感器数据，分析矿体开采过程中，一步充填体与围岩接触面、充填体内部的应力场分布与应变规律。

本发明的充填体与围岩相互作用规律三维相似模拟试验装置与方法，基于相似理论，通过物理试验模拟二步采场开挖，一步胶结充填体揭露过程中，充填体与围岩的相互作用规律，同时考虑了矿体的赋存条件和胶结面的粗糙度。操作简单，设计新颖合理。通过提取和分析一步胶结充填体中布置的应变与应力敏感元件数据，结合相关理论知识，可为完善充填体与围岩相互作用机理提供相关依据。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明装置底座俯视图。

图3为充填体相似材料填装区模板结构示意图。

图4为图3中的模板的结构示意图。

图5为充填体和围岩相似材料填装区箱体钢板墙短边侧视图。

图6为充填体和围岩相似材料填装区箱体钢板墙长边侧视图。

图7为钢板配载和圆柱钢块配载俯视图。

图8为本发明试验步骤示意图。

附图标记说明：底座1；底座钢板1-1、1-2、1-3、1-4；销钉安装方孔1-2-1；箱体钢板墙2；箱体短边钢板2-1；箱体长边钢板2-2；箱体钢板固定螺丝孔2-1-1；箱体钢板固定反力架3；充填体相似材料填装区模板4；垂直矿体方向模板4-1；沿矿体方向模板4-2；根据粗糙度设计的模板表面4-1-1；模板横支撑4-1-2；模板连接销钉4-1-3；矿体和围岩相似材料隔离带钢板5；围岩相似材料填装区域6；矿体相似材料填装区域7；充填体相似材料填装区域8；钢板配载9；开挖矿体区域顶部配载9-1；标准圆柱形铁块配载10，开挖矿体区域11。

具体实施方式

下面结合实施例，进一步说明本发明。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述，如图1-7中所示，本发明的一种充填体与围岩相互作用规律三维相似模拟试验装置，包括由4块钢板组成的模型底座1，通过螺丝固定在底座1上的14个反力架3，通过螺丝固定在反力架3上的8块充填体和围岩相似材料填装区箱体钢板墙2，16块充填体相似材料填装区模板4，16块矿体和围岩相似材料隔离带钢板5，9块钢板配载9和放置在钢板配载上的标准圆柱形铁块配载10。

箱体钢板墙2、隔离带钢板5、充填体相似材料填装区模板4将三维相似模拟试验装置分为2个围岩相似材料填装区6、2个矿体相似材料填装区7、一个充填体相似材料填装区8。

充填体和围岩相似材料填装区箱体钢板墙2由上下各4块钢板组成；充填体相似材料填装区模板4由4层组成，每层有4块钢板和4个横支撑4-1-2，每层之间通过销钉4-1-3连接，最下一次通过销钉4-1-3固定在底座1设计位置，每块钢板与矿体和围岩相似材料接触面通过粗糙度系数进行设计；矿体和围岩相似材料隔离带钢板5由4层组成，被充填体相似材料填装区模板4隔开。

在试验时装置组装依次为，将组成底座1的四块钢板要试验时要放置在高程误差小于1%的区域，安装14个反力架3，安装充填体和围岩相似材料填装区箱体钢板墙2下层4块钢板，安装底层的充填体相似材料填装区模板4，通过矿体7和围岩6相似材料和充填体相似材料填装区模板4固定底层的矿体和围岩相似材料隔离带钢板5，按相应高度回填和夯实矿体7和围岩6相似材料，依次安装箱体钢板墙2、充填体相似材料填装区模板4、矿体和围岩相似材料隔离带钢板5，继续回填和夯实矿体7和围岩6相似材料至设计高度，按设计在矿体和围岩相似材料顶部放置钢板配载9和标准圆柱形铁块配载10。

充填体与围岩相互作用规律三维相似模拟试验装置的实验方法，试验时装置组装依次为：

（1）将底座1放置在高程误差小于1%的区域；

（2）在底座上安装固定安装充填体和围岩相似材料填装区箱体钢板墙2下层的4块钢板；

（3）安装底层的充填体相似材料填装区模板4；

（4）通过填装区模板4固定底层的隔离带钢板5；

（5）按相应高度回填和夯实矿体和围岩相似材料；

（6）再依次在上述安装好的底层上分别安装箱体钢板墙2、充填体相似材料填装区模板4、矿体和围岩相似材料隔离带钢板5；

（7）继续回填和夯实矿体和围岩相似材料至设计高度；

（8）按设计在矿体和围岩相似材料顶部放置钢板配载和标准圆柱形铁块配载。

参见图8（A为装置组装，B为相似材料填装与施加配载，C为充填体相似材料填装区模板拆除，D为充填体相似材料填装，E为拆除设计矿体开挖区域顶部配载并进行矿体相似材料开挖）可知；充填体与围岩相互作用规律三维相似模拟试验方法，包含以下步骤：

（1）确定矿体、围岩、充填体的相似材料与配比；

（2）组装充填体与围岩相互作用规律三维相似模拟试验装置并回填和夯实相似材料；

（3）养护到设计时间，进行充填体相似材料填装区模板4的拆除；

（4）在充填体相似材料填装区模板拆除后揭露的矿体和围岩相似材料表面按设计要求固定应变和应力监测元件并与计算机连接；

（5）回填充填体相似材料，并在相似材料设计位置放置应变和应力监测元件并与计算机连接；

（6）养护到设计时间，拆除设计矿体开挖区域顶部的配载；

（7）按设计开挖尺寸进行矿体相似材料开挖，同时进行应力应变数据采集；

（8）处理应变片与应变传感器数据，分析矿体开采过程中，一步充填体与围岩接触面、充填体内部的应力场分布与应变规律。

本发明的充填体与围岩相互作用规律三维相似模拟试验装置与方法，基于相似理论，通过物理试验模拟二步采场开挖，一步胶结充填体揭露过程中，充填体与围岩的相互作用规律，同时考虑了矿体的赋存条件和胶结面的粗糙度。操作简单，设计新颖合理。通过提取和分析一步胶结充填体中布置的应变与应力敏感元件数据，结合相关理论知识，可为完善充填体与围岩相互作用机理提供相关依据。

以上所述仅为本发明较佳可行的实施例而已，并非因此局限本发明的权利范围，凡运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变化，均包含于本发明的权利范围之内。

Claims (6)

1.一种充填体与围岩相互作用规律三维相似模拟试验装置，包括底座，设置在底座上的充填体和围岩相似材料填装区箱体钢板墙、隔离带钢板，其特征在于：所述的底座、充填体和围岩相似材料填装区箱体钢板墙、隔离带钢板、充填体相似材料填装区模板将三维相似模拟试验装置分为2个围岩相似材料填装区、2个矿体相似材料填装区、1个充填体相似材料填装区；围岩相似材料填装区、矿体相似材料填装区及充填体相似材料填装区的顶部分别放置钢板配载、标准圆柱形铁块配载，钢板配载的上表面放置标准圆柱形铁块配载；箱体钢板墙、充填体相似材料填装区模板、隔离带钢板均为层状结构，层与层之间相互连接。

2.根据权利要求1所述的充填体与围岩相互作用规律三维相似模拟试验装置，其特征在于：所述的充填体相似材料填装区模板由4层组成，每层有4块钢板和4个横支撑，每层之间通过销钉连接，最下一层通过销钉固定在底座上；所述的隔离带钢板层数与层高与充填体相似材料填装区模板相同。

3.根据权利要求1所述的充填体与围岩相互作用规律三维相似模拟试验装置，其特征在于：所述的底座由4块钢板拼接而成。

4.根据权利要求1所述的充填体与围岩相互作用规律三维相似模拟试验装置，其特征在于：所述的充填体和围岩相似材料填装区箱体钢板墙安装在间隔设置的反力架上，反力架的底端与底座连接固定。

5.根据权利要求1所述的充填体与围岩相互作用规律三维相似模拟试验装置的实验方法，其特征在于，试验时装置组装依次为：

（1）将底座放置在高程误差小于1%的区域；

（2）在底座上安装固定安装充填体和围岩相似材料填装区箱体钢板墙下层的块钢板；

（3）安装底层的充填体相似材料填装区模板；

（4）通过填装区模板固定底层的隔离带钢板；

（5）按相应高度回填和夯实矿体和围岩相似材料；

（6）再依次在上述安装好的底层上分别安装箱体钢板墙、充填体相似材料填装区模板、矿体和围岩相似材料隔离带钢板；

（7）继续回填和夯实矿体和围岩相似材料至设计高度；

（8）按设计在矿体和围岩相似材料顶部放置钢板配载和标准圆柱形铁块配载。

6.根据权利要求1所述的充填体与围岩相互作用规律三维相似模拟试验方法，其特征在于包含以下步骤：

（1）确定矿体、围岩、充填体的相似材料与配比；

（2）组装充填体与围岩相互作用规律三维相似模拟试验装置并回填和夯实相似材料；

（3）养护到设计时间，进行充填体相似材料填装区模板4的拆除；

（4）在充填体相似材料填装区模板拆除后揭露的矿体和围岩相似材料表面按设计要求固定应变和应力监测元件并与计算机连接；

（5）回填充填体相似材料，并在相似材料设计位置放置应变和应力监测元件并与计算机连接；

（6）养护到设计时间，拆除设计矿体开挖区域顶部的配载；

（7）按设计开挖尺寸进行矿体相似材料开挖，同时进行应力应变数据采集；

（8）处理应变片与应变传感器数据，分析矿体开采过程中，一步充填体与围岩接触面、充填体内部的应力场分布与应变规律。