CN116660059A - 一种爆破荷载下分层胶结充填体试件破坏试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种爆破荷载下分层胶结充填体试件破坏试验装置及方法，属于胶结充填体性能测试技术领域，用于解决现有技术中没有一套完整的试验设备用于快速的制作出不同角度的分层胶结充填体，以及探究不同承载压力下分层胶结充填体受到爆破载荷应力冲击破坏后裂纹扩展规律的问题；包括：爆破冲击模拟机构、加载机构、试件浇筑机构和检测机构。爆破冲击模拟机构中的冲击锤在牵引机构的牵引下沿着导轨向着试件加速冲击，模拟侧面爆破应力波的冲击，同时加载机构全程对试件施加纵向载荷，模拟出分层胶结充填体纵向承载。试件浇筑机构能够浇筑出不同层状结构的试件模拟出分层胶结充填体。检测机构最后在检测试件在受到载荷破坏后裂纹扩展情况。

Description

一种爆破荷载下分层胶结充填体试件破坏试验装置及方法

技术领域

本发明属于胶结充填体性能测试技术领域，尤其是涉及一种爆破荷载下分层胶结充填体试件破坏试验装置及方法。

背景技术

在金属矿山开采过程中，分段嗣后充填法是一种常用的二步回采方法。它涉及使用胶结充填体来填充开采空间，以提高地下矿石的回收率和支撑地表的稳定性。然而，进行二步回采时，胶结充填体不可避免受到邻近爆破荷载的影响。特别是多次浇筑形成的分层胶结充填体受到横向传播而来载荷冲击破坏，展现出和一次成型胶结充填体不同的裂纹扩展方式。因此，研究胶结充填体在受到爆破载荷冲击下的裂纹产生和扩展规律对于提高采矿的安全性具有重要意义。

目前研究方向主要集中在胶结充填体抗压、抗剪等常规力学性能研究，还没有一套完整的试验设备用于快速的制作出不同角度的分层胶结充填体，以及探究不同承载压力下分层胶结充填体受到爆破载荷应力冲击破坏后裂纹扩展规律。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种爆破荷载下分层胶结充填体试件破坏试验装置及方法，用于解决现有技术中没有一套完整的试验设备用于快速的制作出不同角度的分层胶结充填体，以及探究不同承载压力下分层胶结充填体受到爆破载荷应力冲击破坏后裂纹扩展规律的问题。

为了实现上述目的，本发明提供的一种爆破荷载下分层胶结充填体试件破坏试验装置，包括：爆破冲击模拟机构、加载机构、试件浇筑机构和检测机构，爆破冲击模拟机构包括导轨、冲击锤、滑块和牵引组件，滑块和导轨滑动配合，冲击锤固定安装在滑块上，牵引机构用于牵引滑块在导轨上滑动。

加载机构用于对试件进行纵向加载，加载机构包括底座、支撑架和纵向伸缩件，底座布置在导轨的一端，支撑架和底座固定连接，纵向伸缩件固定安装在支撑架上。

试件浇筑机构包括侧模板、顶模板、调节组件，四块侧模板在底座上围成一个顶部开口的模框，调节组件固定安装在纵向伸缩件的伸缩端，顶模板设置在模框的顶部，调节组件用于调节顶模板的偏转角度，检测机构用于检测试件损伤情况。

在矿山开采中，分层胶结充填体起到支撑作用，因此主要会受到纵向载荷压力，进行二次回采的时候，爆破过程中载荷从分层胶结充填体的侧面传导而来，瞬时从侧面传来巨大的应力波冲击；爆破冲击模拟机构中的冲击锤在牵引机构的牵引下沿着导轨向着试件加速冲击而来，最后撞到试件上，模拟侧面爆破应力波的冲击，同时加载机构全程对试件施加纵向载荷，模拟出分层胶结充填体纵向承载。试件浇筑机构能够浇筑出不同层状结构的试件，模拟出分层胶结充填体。检测机构最后在检测试件在受到载荷破坏后裂纹扩展情况。整个装置模拟分层胶结充填体的结构、受力情况以及临近爆破冲击情形，更加真实的揭露了分层胶结充填体在爆破载荷冲击下情况裂纹扩展规律。

可选地，调节组件包括压板和角度调节伸缩件，压板转动安装在纵向伸缩件的伸缩端，纵向伸缩件的伸缩方向和压板垂直，顶模板一侧和压板互相铰接，角度调节伸缩件安装在压板上，角度调节伸缩件的伸缩端和顶模板铰接。

在制作试件时，通过角度调节伸缩件改变顶模板的角度，充填料浆形成的试件层形成不同的倾角，从而揭示出爆破应力波传导方向和分层胶结充填体的层与层的连接面不平行时应力破坏规律。

可选地，牵引组件包括牵引绳、定滑轮、第一收线盘和牵引电机，定滑块转动安装在导轨的靠近底座的一端，第一收线盘转动安装在导轨的另一端，牵引电机和第一收线盘传动连接，牵引绳一端和滑块固定连接，牵引绳另一端从定滑轮绕过并最终和第一收线盘固定连接。 结构简单，牵引电机不同的转速下，滑块能够获得不同的速度，从而产生在撞击时，产生不同冲击力。

牵引组件还包括回位绳、回位电机和第二收线盘，回位绳一端和滑块固定连接，另一端和第二收线盘固定连接，第二收线盘和导轨远离底座一端转动连接，回位电机通过离合器和第二收线盘传动连接，在爆破试验时，离合器断开，牵引电机带动第一收线盘转动，将牵引绳加速缠绕在第一收线盘上，由于收线盘在绕行过程中，线圈外径不断变大，能够对滑块起到加速作用。当爆破模拟结束后，离合器合拢，回位电机带动第二收线盘旋转，第二收线盘通过回位绳将冲击锤拉回原位。冲击锤通过导轨长距离加速，能够获得很大的动能，形成巨大冲击力，很好模拟出爆破载荷冲击破坏场景。

可选地，支撑架包括四根立柱，四根立柱形成垂直固定在底座上形成一个矩形框架；模框位于矩形框架内部，矩形框架正对导轨的侧面为爆破面，矩形框架其余三个侧面为加载面，在所加载面上布置若干加强横梁，加强横梁上固定安装有若干横向伸缩件，横向伸缩件的伸缩端正对侧模板。由于设置有横向伸缩件，能够对试件提供侧向压力。同时便于拆卸侧面的侧模板。

可选地，侧模板上设置有若干拆卸环；立柱上开设有滑槽，滑槽中设置滑动梁，滑动梁布置在矩形框架的爆破面，滑动梁上固定安装有横向伸缩件。拆卸侧模板时，将拆卸环固定在横向伸缩件上，横向伸缩件收缩就将侧模板从试件上分离。

可选地，所述检测机构包括应力传感器、应变传感器和裂纹探测仪，所述冲击锤上设置有所述应力传感器，若干所述应变传感器设置在所述试件内部，所述裂纹探测仪用于探测所述试件内部裂纹扩展情况。在浇筑试件时，在试件内部布置若干应变传感器,尤其是在不同层与层之间的位置。通过应变传感器精确探测试件内部受到冲击破坏后层与层之间变形，以及之间裂纹扩展情况。

本发明提供的一种爆破荷载下分层胶结充填体试件破坏试验方法，包括如下步骤：

S01、利用充填料浆制作试件；

S02、模拟侧面爆破时，应力波侧面冲击胶结充填体；

S03、拆卸掉试件周围的顶模板和所有侧模板；

S04、检测爆破胶结充填体的内部形变。

可选地，步骤S01包括如下步骤：

S011、通过控制角度调节伸缩件的伸缩来改变顶模板相对于压板的角度，纵向伸缩件缓慢向下运动，直到顶模板伸入到模框内部指定位置；

S012、通过注浆孔向模框中注入充填料浆，直到顶模板和模框围成的注浆空间中填满充填料浆；

S013、静置一段时间，直到充填料浆完全凝固，纵向伸缩件往上运动，顶模板下部再次形成新的注浆空间；

S014、向步骤S013中形成的注浆空间继续注入充填料浆；

S015、重复步骤S013和S014，直到试件达到规定的层数和高度。

可选地，步骤S02包括如下步骤：

S021、纵向加载伸缩件向试件进行纵向加压，横向伸缩件向试件进行横向加压；

S022、将爆破面上方向的侧模板和滑动梁上的横向伸缩件固定连接，通过滑动梁上的横向伸缩件带动下使得侧模板和试件分离，取下分离后侧模板，移动滑动梁到恰当位置，使其不干扰冲击锤运动；

S022、牵引机构牵引冲击锤向着试件加速运动，直到冲击锤撞击到试件上。

可选地，步骤S03包括如下步骤：

用绳索或者链条将拆卸环和加强横梁上的横向伸缩件固定，横向伸缩件收缩带动侧模板脱离试件，纵向伸缩件向上运动，使得顶模板脱离试件。

浇筑试件时通过角度调节伸缩件，能够制作出不同倾角的分层试件，很好模拟各种状态的胶结充填体。横向伸缩件对试件施加侧向载荷，纵向伸缩件施加纵向载荷，还原了胶结充填体的受力情况，冲击锤还原爆破载荷破坏场景，对于研究胶结充填体在爆破荷载破坏过程、以及破坏机理具有重要意义。

附图说明

图1为本发明实施例的爆破荷载下分层胶结充填体试件破坏试验装置的立体结构示意图；

图2为本发明实施例图1中局部A的放大图；

图3为本发明实施例图1中局部B的放大图;

图4为本发明实施例的加载机构的立体结构示意图；

图5为本发明实施例的牵引组件的立体局部结构图；

图6为本发明实施例的爆破荷载下分层胶结充填体试件破坏试验装置爆破试验状态图；

图7为本发明实施例的试件立体结构图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路，软件或方法。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。

请参阅图1-图3，本发明提供一种爆破荷载下分层胶结充填体试件破坏试验装置的实施例，包括: 爆破冲击模拟机构、加载机构、试件浇筑机构和检测机构，爆破冲击模拟机构包括导轨1、冲击锤2、滑块3和牵引组件4，滑块3和导轨1滑动配合，冲击锤2固定安装在滑块3上，牵引机构用于牵引滑块3在导轨1上滑动。

加载机构用于对试件15进行纵向加载，加载机构包括底座5、支撑架6和纵向伸缩件7，底座5布置在导轨1的一端，支撑架6和底座5固定连接，纵向伸缩件7顶固定安装在支撑架6上，纵向伸缩件7可以为千斤顶、液压缸或者电动推杆。通过加载机构对试件15的加载模拟出分层胶结充填体收到不同承载情形。

试件浇筑机构包括侧模板8、顶模板11、调节组件，四块侧模板8在底座5上围成一个顶部开口的模框，调节组件固定安装在纵向伸缩件7的伸缩端，顶模板11设置在模框的顶部，调节组件用于调节顶模板11的偏转角度，检测机构用于检测试件15损伤情况。通过试件浇筑机构能够快速的制作出不同角度的分层胶结充填体试件。

在矿山开采中，分层胶结充填体起到支撑作用，因此主要会受到纵向载荷压力，进行二次回采的时候，爆破过程中载荷从分层胶结充填体的侧面传导而来，瞬时从侧面传来巨大的应力波冲击；爆破冲击模拟机构中的冲击锤2在牵引机构的牵引下沿着导轨1向着试件15加速冲击而来，最后撞到试件15上，模拟侧面爆破应力波的冲击，同时加载机构全程对试件15施加纵向载荷，模拟出分层胶结充填体纵向承载。试件浇筑机构能够浇筑出不同层状结构的试件15，模拟出分层胶结充填体。检测机构最后在检测试件15在受到载荷破坏后裂纹扩展情况。整个装置模拟分层胶结充填体的结构、受力情况以及临近爆破冲击情形，更加真实的揭露了分层胶结充填体在爆破载荷冲击下情况裂纹扩展规律。

本实施例中，请参阅图1-图7，调节组件包括压板9和角度调节伸缩件10，压板9转动安装在纵向伸缩件7的伸缩端，纵向伸缩件7的伸缩方向和压板9垂直，顶模板11一侧和压板9互相铰接，角度调节伸缩件10安装在压板9上，角度调节伸缩件10的伸缩端和顶模板11铰接；角度调节伸缩件10为千斤顶、液压缸或者电动推杆。

在制作试件15时，通过角度调节伸缩件10改变顶模板11的角度，充填料浆形成的试件15层形成不同的倾角，从而揭示出爆破应力波传导方向和分层胶结充填体的层与层的连接面不平行时应力破坏规律。

本实施例中，请参阅图1-图7，牵引组件4包括牵引绳401、定滑轮402、第一收线盘404和牵引电机403，定滑块3转动安装在导轨1的靠近底座5的一端，第一收线盘404转动安装在导轨1的另一端，牵引电机403和第一收线盘404传动连接，牵引绳401一端和滑块3固定连接，牵引绳401另一端从定滑轮402绕过并最终和第一收线盘404固定连接。结构简单，牵引电机403不同的转速下，滑块3能够获得不同的速度，从而产生在撞击时，产生不同冲击力。

牵引组件4还包括回位绳410、回位电机406和第二收线盘405，回位绳410一端和滑块3固定连接，另一端和第二收线盘405固定连接，第二收线盘405和导轨1远离底座5一端转动连接，回位电机406通过离合器和第二收线盘405传动连接，在爆破试验时，离合器断开，牵引电机403带动第一收线盘404转动，将牵引绳401加速缠绕在第一收线盘404上，由于收线盘在绕行过程中，线圈外径不断变大，能够对滑块3起到加速作用。当爆破模拟结束后，离合器合拢，回位电机406带动第二收线盘405旋转，第二收线盘405通过回位绳410将冲击锤2拉回原位。冲击锤2通过导轨1长距离加速，能够获得很大的动能，形成巨大冲击力，很好模拟出爆破载荷冲击破坏场景。

本实施例中，请参阅图1和4，支撑架6包括四根立柱，四根立柱形成垂直固定在底座5上形成一个矩形框架；模框位于矩形框架内部，矩形框架正对导轨1的侧面为爆破面，矩形框架其余三个侧面为加载面，在所加载面上布置若干加强横梁14，加强横梁14上固定安装有若干横向伸缩件12，横向伸缩件12的伸缩端正对侧模板8。由于设置有横向伸缩件12，能够对试件15提供侧向压力。横向伸缩件12为液压缸或者电动推杆；同时便于拆卸侧面的侧模板8。

本实施例中，请参阅图4，侧模板8上设置有若干拆卸环801；立柱上开设有滑槽601，滑槽601中设置滑动梁13，滑动梁13布置在矩形框架的爆破面，滑动梁13上固定安装有横向伸缩件12。拆卸侧模板8时，将拆卸环801固定在横向伸缩件12上，横向伸缩件12收缩就将侧模板8从试件15上分离。

本实施例中，请参阅图6，检测机构包括应力传感器、应变传感器和裂纹探测仪，冲击锤2上设置有所述应力传感器，用来检测冲击应力大小。若干应变传感器设置在试件15内部，裂纹探测仪用于探测试件15内部裂纹扩展情况。在浇筑试件15时，在试件15内部布置若干应变传感器,尤其是在不同层与层之间的位置。通过应变传感器精确探测试件15内部受到冲击破坏后层与层之间变形，以及之间裂纹扩展情况。

本发明提供的一种爆破荷载下分层胶结充填体试件15应力破坏模拟方法，包括如下步骤：

S01、利用充填料浆制作试件15；

S02、模拟侧面爆破时，应力波侧面冲击胶结充填体；

S03、拆卸掉试件15周围的顶模板11和所有侧模板8；

S04、检测爆破胶结充填体的内部形变。

本实施例中，请参阅图1-图7，步骤S01包括如下步骤：

S011、通过控制角度调节伸缩件10的伸缩来改变顶模板11相对于压板9的角度，纵向伸缩件7缓慢向下运动，直到顶模板11伸入到模框内部指定位置；

S012、通过注浆孔向模框中注入充填料浆，直到顶模板11和模框围成的注浆空间中填满充填料浆；

S013、静置一段时间，直到充填料浆完全凝固，纵向伸缩件7往上运动，顶模板11下部再次形成新的注浆空间；

S014、向步骤S013中形成的注浆空间继续注入充填料浆；

S015、重复步骤S013和S014，直到试件15达到规定的层数和高度。

通过角度调节伸缩件10调节顶模板的角度能够快速浇筑出不同角度的分层胶结充填体。

本实施例中，请参阅图1-图7，步骤S02包括如下步骤：

S021、纵向加载伸缩件向试件15进行纵向加压，横向伸缩件12向试件15进行横向加压；

S022、将爆破面上方向的侧模板8和滑动梁13上的横向伸缩件12固定连接，通过滑动梁13上的横向伸缩件12带动下使得侧模板8和试件15分离，取下分离后侧模板8，移动滑动梁13到恰当位置，使其不干扰冲击锤2运动；

S022、牵引机构牵引冲击锤2向着试件15加速运动，直到冲击锤2撞击到试件15上。

本实施例中，请参阅图1-图7，步骤S03包括如下步骤：

用绳索或者链条将拆卸环801和加强横梁14上的横向伸缩件12固定，横向伸缩件12收缩带动侧模板8脱离试件15，纵向伸缩件7向上运动，使得顶模板11脱离试件15。

浇筑试件15时通过角度调节伸缩件10，能够制作出不同倾角的分层试件15，很好模拟各种状态和角度的胶结充填体。横向伸缩件12对试件15施加侧向载荷，纵向伸缩件7施加纵向载荷，还原了胶结充填体的受力情况，冲击锤2还原爆破载荷破坏场景，对于研究胶结充填体在爆破荷载破坏过程、以及破坏机理具有重要意义。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种爆破荷载下分层胶结充填体试件破坏试验装置，其特征在于，包括：

爆破冲击模拟机构，

所述爆破冲击模拟机构包括导轨、冲击锤、滑块和牵引组件，所述滑块和所述导轨滑动配合，所述冲击锤固定安装在所述滑块上，所述牵引机构用于牵引所述滑块在所述导轨上滑动；

加载机构，

所述加载机构用于对试件进行纵向加载，所述加载机构包括底座、支撑架和纵向伸缩件，所述底座布置在所述导轨的一端，所述支撑架和所述底座固定连接，所述纵向伸缩件固定安装在所述支撑架上；

试件浇筑机构，

所述试件浇筑机构包括侧模板、顶模板、调节组件，四块所述侧模板在所述底座上围成一个顶部开口的模框，所述调节组件固定安装在所述纵向伸缩件的伸缩端，所述顶模板设置在所述模框的顶部，所述调节组件用于调节所述顶模板的偏转角度；

检测机构，

所述检测机构用于检测爆破荷载的冲击应力大小和所述试件损伤情况。

2.根据权利要求1所述的爆破荷载下分层胶结充填体试件破坏试验装置，其特征在于：所述调节组件包括压板和角度调节伸缩件，所述压板转动安装在所述纵向伸缩件的伸缩端，所述纵向伸缩件的伸缩方向和所述压板垂直，所述顶模板一侧和所述压板互相铰接，所述角度调节伸缩件安装在所述压板上，所述角度调节伸缩件的伸缩端和所述顶模板铰接。

3.根据权利要求1所述的爆破荷载下分层胶结充填体试件破坏试验装置，其特征在于：所述牵引组件包括牵引绳、定滑轮、第一收线盘和牵引电机，所述定滑块转动安装在所述导轨的靠近所述底座的一端，所述第一收线盘转动安装在所述导轨的另一端，所述牵引电机和所述第一收线盘传动连接，所述牵引绳一端和所述滑块固定连接，所述牵引绳另一端从所述定滑轮绕过并最终和所述第一收线盘固定连接。

4.根据权利要求1所述的爆破荷载下分层胶结充填体试件破坏试验装置，其特征在于：所述支撑架包括四根立柱，四根立柱形成垂直固定在所述底座上形成一个矩形框架；所述模框位于所述矩形框架内部，所述矩形框架正对所述导轨的侧面为爆破面，所述矩形框架其余三个侧面为加载面，在所加载面上布置若干加强横梁，所述加强横梁上固定安装有若干横向伸缩件，所述横向伸缩件的伸缩端正对所述侧模板。

5.根据权利要求4所述的爆破荷载下分层胶结充填体试件破坏试验装置，其特征在于：所述侧模板上设置有若干拆卸环；所述立柱上开设有滑槽，所述滑槽中设置滑动梁，所述滑动梁布置在所述矩形框架的爆破面，所述滑动梁上固定安装有所述横向伸缩件。

6.根据权利要求1所述的爆破荷载下分层胶结充填体试件破坏试验装置，其特征在于：所述检测机构包括应力传感器、应变传感器和裂纹探测仪，所述冲击锤上设置有所述应力传感器，若干所述应变传感器设置在所述试件内部，所述裂纹探测仪用于探测所述试件内部裂纹扩展情况。

7.一种爆破荷载下分层胶结充填体试件破坏试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

S01、利用充填料浆制作试件；

S02、模拟侧面爆破时，应力波侧面冲击胶结充填体；

S03、拆卸掉所述试件周围的顶模板和所有侧模板；

S04、检测爆破胶结充填体的内部形变。

8.根据权利要求7所述的爆破荷载下分层胶结充填体试件破坏试验方法，其特征在于，所述S01包括如下步骤：

S011、通过控制角度调节伸缩件的伸缩来改变顶模板相对于压板的角度，纵向伸缩件缓慢向下运动，直到所述顶模板伸入到模框内部指定位置；

S012、通过注浆孔向所述模框中注入充填料浆，直到所述顶模板和所述模框围成的注浆空间中填满充填料浆；

S013、静置一段时间，直到充填料浆完全凝固，所述纵向伸缩件往上运动，所述顶模板下部再次形成新的注浆空间；

S014、向步骤S013中形成的注浆空间继续注入充填料浆；

S015、重复步骤S013和S014，直到试件达到规定的层数和高度。

9.根据权利要求7所述的爆破荷载下分层胶结充填体试件破坏试验方法，其特征在于，所述S02包括如下步骤：

S021、纵向加载伸缩件向试件进行纵向加压，横向伸缩件向所述试件进行横向加压；

S022、将爆破面上方向的侧模板和滑动梁上的横向伸缩件固定连接，通过所述滑动梁上的所述横向伸缩件带动下使得所述侧模板和所述试件分离，取下分离后侧模板，移动所述滑动梁到恰当位置，使其不干扰冲击锤运动；

S022、牵引机构牵引所述冲击锤向着所述试件加速运动，直到所述冲击锤撞击到所述试件上。

10.根据权利要求7所述的爆破荷载下分层胶结充填体试件破坏试验方法，其特征在于，所述S03包括如下步骤：

用绳索或者链条将拆卸环和加强横梁上的横向伸缩件固定，所述横向伸缩件收缩带动侧模板脱离所述试件，纵向伸缩件向上运动，使得顶模板脱离所述试件。