CN109709278B - 一种模拟原位环境充填体强度形成过程的试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于充填采矿技术领域，具体涉及一种模拟原位环境充填体强度形成过程的试验装置及方法。本发明的技术方案如下：一种模拟原位环境充填体强度形成过程的试验装置，包括孔压计、基质吸力计、湿度传感器、光纤光栅应变传感器、光纤光栅温度传感器、光纤光栅传感解调仪、激光位移计、恒热器和成型结构，所述成型结构包括底座、木质外壳、下滤板、圆柱形腔体、上盖、塑料软管、聚氨酯保温泡沫、支架和下料漏斗。本发明能够独立完成充填体的凝结过程试验，监测充填体内部应变、湿度、温度应变、应力和渗透压的试验，能够分析大体积充填体内部的温度和应变等的变化，为研究工作的进一步深入提供了必要手段。

Description

一种模拟原位环境充填体强度形成过程的试验装置及方法

技术领域

本发明属于充填采矿技术领域，具体涉及一种模拟原位环境充填体强度形成过程的试验装置及方法。

背景技术

随着可再生矿产资源的日益短缺及矿山开采过程中引发的环境问题，矿山充填被视为能够减缓或消除环境危害效应的一种采矿方法。在充填采矿法中(二步骤开采)或采空区充填中，为了达到充填体在采场中的支撑作用，通常会保守的选择较高的充填体强度，尤其是二步骤开采法中充填体作为自立型人工矿柱时，而充填体强度的实现是通过添加一定含量的胶结剂实现的，常用的胶结剂是普通硅酸盐水泥，水泥含量越高，充填体的强度越大。胶结剂含量的增大，由此产生的充填成本往往在整个矿山初期投资中占有很大的比重。一直以来，充填体的成本是制约充填采矿法发展的重要因素。故需研究以最优的方式实现充填所满足的功能需求，减少水泥用量，从而达到降低充填成本的目的，即实现针对采场特定环境进行精准充填。为了既能实现充填体满足地下采场内的各种充填功能需求，又能较大化的节约充填体中胶结剂的使用量，众多学者在研究如何降低水泥含量和使用各种额外的添加剂替代水泥，例如粉煤灰、矿渣以及各类减水剂和缓凝剂，取得了很多有益的研究成果，很大程度上降低了充填中胶结剂的使用量，降低了矿山的充填成本，且在一定程度上保证了防止地表下沉和采空区塌陷，实现了矿山的绿色开采。

在研究胶结剂使用量过程中，充填体的单轴抗压强度因其简单、方便，一直以来是量化充填体强度性能的一个重要指标。长期以来，国内外学者都致力于研究如何能够定量及准确的得到原位充填采场内部充填体的强度分布形式。前人在室内进行了大量的充填体单轴压缩实验，得到了充填体单轴抗压强度随着养护时间、水灰比、胶结剂含量等的变化规律。但是由于地下采场受地质条件的影响，处于一个固定的湿度、温度环境中，充填体充入采场后会发生沉降固结作用，水化作用进而形成强度。而水化作用通常会产生大量的水化热，与此同时，水化作用及其深部开采的过高的围岩温度会在充填体内部产生自干燥效应(孔隙内部水分受水化作用的影响逐渐减少，引起毛细吸力作用增强)，进而引发充填体发生自收缩变形，这与强度的形成机理有直接的关联性，因为自收缩变形与骨架的刚度有关，刚度越大，所需一定量自收缩变形的吸力越大，骨架刚度的大小直接与充填体的强度相关，骨架的刚度随着水化作用的增大而增大。因其地下采场尺寸不同，充填体内部的应力分布及其强度分布比较受众多因素的影响，是一种综合影响的结果，其结果也较复杂。这将导致仅通过室内标准件养护得到的单轴抗压强度与实际产生较大的偏差。尽管前人对大型充填体试件的沉降固结作用进行了分析，但是少有学者考虑不同充填体尺寸下，考虑自重效应、沉降固结作用和养护温度耦合作用下，水化热不同导致的强度分布不同。

因此，根据矿山充填作用的不同，为了实现合理的、经济的选取充填体的强度。本领域技术人员迫切需要通过一种较方便且价格低廉、可靠的监测手段，建立室内和原位采场之间，充填体强度的转换关系，旨在通过室内试验就可定量合理的得到原位充填体所需的强度。但是，现阶段缺乏考虑不同充填体尺寸下，原位充填采场环境效应下，尤其是考虑充填体自重成拱效应、沉降固结作用与围岩体岩温耦合作用下的试验装置来满足上述目的。

发明内容

本发明提供一种模拟原位环境充填体强度形成过程的试验装置及方法，不但能够独立完成充填体的凝结过程试验，而且能够完成凝结过程中监测充填体内部应变、湿度、温度应变、应力和渗透压的试验，同时在试验过程中满足考虑不同的环境温度条件来模拟不同的岩温条件，不同充填采场尺寸的条件，能够分析大体积充填体内部的温度和应变等的变化，为研究工作的进一步深入提供了必要手段。

本发明的技术方案如下：

一种模拟原位环境充填体强度形成过程的试验装置，包括孔压计、基质吸力计、湿度传感器、光纤光栅应变传感器、光纤光栅温度传感器、光纤光栅传感解调仪、激光位移计、恒热器和成型结构，所述成型结构包括底座、木质外壳、下滤板、圆柱形腔体、上盖、塑料软管、聚氨酯保温泡沫、支架和下料漏斗，木质外壳设置在所述底座上，下滤板设置在木质外壳内，圆柱形腔体放置在下滤板上，所述上盖设有圆孔，所述上盖安装在木质外壳的上端，塑料软管缠绕在圆柱形腔体外部，聚氨酯保温泡沫填充在木质外壳与圆柱形腔体之间，所述支架设置在所述上盖上，下料漏斗放置在所述支架上；圆柱形腔体上设有多个安装孔，孔压计、基质吸力计、湿度传感器、光纤光栅应变传感器及光纤光栅温度传感器安装在所述安装孔处，光纤光栅应变传感器及光纤光栅温度传感器通过导线与光纤光栅传感解调仪连接，塑料软管与所述恒热器连通，激光位移计用于对充填体的沉降量进行实时监测。

所述的模拟原位环境充填体强度形成过程的试验装置，其优选方案为，所述圆柱形腔体由铝塑板或者PVC板制备。

所述的模拟原位环境充填体强度形成过程的试验装置，其优选方案为，所述安装孔设置在圆柱形腔体的不同高度处，每个高度处均匀分布四个所述安装孔。

所述的模拟原位环境充填体强度形成过程的试验装置，其优选方案为，所述木质外壳的下部设有操作孔。

所述的模拟原位环境充填体强度形成过程的试验装置，其优选方案为，孔压计、基质吸力计、湿度传感器、光纤光栅传感解调仪、激光位移计和恒热器通过导线与计算机连接。

一种模拟原位环境充填体强度形成过程的试验方法，利用上述的模拟原位环境充填体强度形成过程的试验装置，包括如下步骤：

步骤一：确定所需充填体材料的灰砂比及浓度；计算出尾砂、胶结剂和水的用量；

步骤二：制备充填体材料，将尾砂、胶结剂倒入搅拌机，充分混合后添加所需水，搅拌机搅拌10-15min，充分混合均匀；

步骤三：将恒热器设定至所需温度；

步骤四：依据几何相似准则，根据地下采场的充填率，选择合适尺寸的下料漏斗；

步骤五：根据地下采场的排水率，选定下滤板的渗水率；

步骤六：将充填体材料通过下料漏斗充入圆柱形腔体中，填满圆柱形腔体之后，卸下下料漏斗，在充填体的上表面放置一个圆形薄铁片，将激光位移计安设在所述上盖上，将激光打射在圆形薄铁片上，进行充填体沉降量的实时监测；同时，利用充填体材料在室内制备Ф50*100mm圆柱型标准件，放置在设有聚氨酯保温泡沫材料的箱子内进行养护，在到达对应的龄期时，将圆柱型标准件取出进行单轴压缩试验，以便进行对比实验；

步骤七：通过不同直径尺寸的圆柱形腔体，制备出不同规格的充填体，模拟不同大小的地下采场下充填体内部的沉降固结数据，从而得到不同尺寸地下采场内充填体的强度规律；

步骤八：光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器的信号传递给光纤光栅传感解调仪，光纤光栅传感解调仪、激光位移计、孔压计、基质吸力计及湿度传感器的信号传递给计算机；

步骤九：待充填体达到养护时间之后，拆开成型结构，得到充填体试件，按照100mm高度对充填体试件用岩石切割机进行切割，然后在切割后的充填体试件的轴向中心位置进行取芯，得到不同位置的充填体标准件，进行力学性能实验测试，用以分析不同高度处受到沉降差异及其应力成拱效应而引起充填体强度的分布不均匀性；

步骤十：依据采集的数据，分析充填体在不同尺寸大小的充填腔内的温度、收缩应变、湿度的变化，分析沉降固结过程对充填体内部强度的影响规律。

本发明的有益效果为：

1、本发明的实验设备，具有操作简单，造价低廉，同时可进行多种方案充填体的模拟实验，其监测方法可直接应用到现场进行原位监测充填体的强度形成过程，该监测方法较常规土压力盒、基质吸力传感器，监测进行长距离多点同时测量，具有更高的分辨率，能够避免电磁等其它因素的干扰，监测结果稳定；结合相关理论知识，可以为充填体支护机理以及充填体与围岩相互作用提供相关依据。

2、可实现模拟不同采场尺寸下充填体内部的力学行为监测。

3、可实现模拟不同围岩体温度下充填体内部力学行为的监测。

4、可实现模拟自重应力成拱作用和围岩体岩温耦合下，监测充填体的沉降凝结硬化，即强度的形成过程。

5、本发明与现有技术相比，不但能够独立完成充填体的沉降凝结硬化过程试验，而且能够充分模拟考虑原位采场环境下充填体充入后受自重影响应力成拱作用下的强度形成过程，并通过光纤光栅连续监测手段得到表征强度形成过程参数的演化规律，进而建立室内和原位采场强度之间的关系，为研究工作的进一步深入提供了必要手段。

6、聚氨酯保温泡沫材料安设在腔体内及塑料软管周边，实现隔热处理，避免设备内部的温度与环境温度进行热交换。

7、为了实现充填体以恒定速率充入，在设备的上部加设一个下料漏斗。

附图说明

图1为成型结构的结构示意图；

图2为成型结构的内部截面图；

图3为模拟原位环境充填体强度形成过程的试验装置连接关系图。

图中，1—下料漏斗，2—支架，3—塑料软管，4—上盖，5—圆柱形腔体，6—聚氨酯保温泡沫，7—木质外壳，8—下滤板，9—操作孔，10—底座，11—光纤光栅应变传感器，12—光纤光栅温度传感器，13—光纤光栅传感解调仪，14—计算机。

具体实施方式

如图1-3所示，一种模拟原位环境充填体强度形成过程的试验装置，包括孔压计、基质吸力计、湿度传感器、光纤光栅应变传感器11、光纤光栅温度传感器12、光纤光栅传感解调仪13、激光位移计、恒热器和成型结构，所述成型结构包括底座10、木质外壳7、下滤板8、圆柱形腔体5、上盖4、塑料软管3、聚氨酯保温泡沫6、支架2和下料漏斗1，木质外壳7设置在所述底座10上，下滤板8设置在木质外壳7内，圆柱形腔体5放置在下滤板8上，所述上盖4设有圆孔，所述上盖4安装在木质外壳7的上端，塑料软管3缠绕在圆柱形腔体5外部，聚氨酯保温泡沫6填充在木质外壳7与圆柱形腔体5之间，所述支架2设置在所述上盖4上，下料漏斗1放置在所述支架2上；圆柱形腔体5上设有多个安装孔，所述安装孔设置在圆柱形腔体5的不同高度处，每个高度处均匀分布四个所述安装孔，孔压计、基质吸力计、湿度传感器、光纤光栅应变传感器11及光纤光栅温度传感器12安装在所述安装孔处，光纤光栅应变传感器11及光纤光栅温度传感器12通过导线与光纤光栅传感解调仪13连接，塑料软管3与所述恒热器连通，激光位移计用于对充填体的沉降量进行实时监测；所述圆柱形腔体5由PVC板制备；所述木质外壳7的下部设有操作孔9；孔压计、基质吸力计、湿度传感器、光纤光栅传感解调仪13、激光位移计和恒热器通过导线与计算机14连接；基质吸力计所用的基质吸力传感器型号：MPS-6；孔压计型号：CYY99；光纤光栅传感调解仪型号：SI255；激光位移计型号：CD33-30NV；湿度传感器型号：5TE；恒热器为恒温循环水浴槽HX-101。

一种模拟原位环境充填体强度形成过程的试验方法，利用上述的模拟原位环境充填体强度形成过程的试验装置，包括如下步骤：

步骤一：充填体材料的固体浓度80％，胶结剂含量5％，20μm以下的尾砂细颗粒需达到15％以上；依据公式：

计算出尾砂、胶结剂和水的用量；

步骤二：制备充填体材料，将尾砂、胶结剂倒入搅拌机，充分混合后添加所需水，搅拌机搅拌10-15min，充分混合均匀；

步骤三：将恒热器设定至所需温度；

步骤四：依据几何相似准则，根据地下采场的充填率，选择合适尺寸的下料漏斗1；

步骤五：根据地下采场的排水率，选定下滤板8的渗水率；

步骤六：将充填体材料通过下料漏斗充入圆柱形腔体5中，填满圆柱形腔体5之后，卸下下料漏斗1，在充填体的上表面放置一个圆形薄铁片，将激光位移计安设在所述上盖4上，将激光打射在圆形薄铁片上，进行充填体沉降量的实时监测；同时，利用充填体材料在室内制备Ф50*100mm圆柱型标准件，放置在设有聚氨酯保温泡沫材料的箱子内进行养护，在到达对应的龄期时，将圆柱型标准件取出进行单轴压缩试验，以便进行对比实验；

步骤七：通过不同直径尺寸的圆柱形腔体5，制备出不同规格的充填体，模拟不同大小的地下采场下充填体内部的沉降固结数据，从而得到不同尺寸地下采场内充填体的强度规律；

步骤八：光纤光栅应变传感器11和光纤光栅温度传感器12的信号传递给光纤光栅传感解调仪13，光纤光栅传感解调仪13、激光位移计、孔压计、基质吸力计及湿度传感器的信号传递给计算机14；

步骤九：待充填体达到养护时间(3天、7天、14天、28天)之后，拆开成型结构，得到充填体试件，按照100mm高度对充填体试件用岩石切割机进行切割，然后在切割后的充填体试件的轴向中心位置进行取芯，得到不同位置的充填体标准件，进行力学性能实验测试，用以分析不同高度处受到沉降差异及其应力成拱效应而引起充填体强度的分布不均匀性；

步骤十：依据采集的数据，分析充填体在不同尺寸大小的充填腔内的温度、收缩应变、湿度的变化，分析沉降固结过程对充填体内部强度的影响规律。

Claims (3)

1.一种模拟原位环境充填体强度形成过程的试验方法，其特征在于，利用模拟原位环境充填体强度形成过程的试验装置，所述模拟原位环境充填体强度形成过程的试验装置包括孔压计、基质吸力计、湿度传感器、光纤光栅应变传感器、光纤光栅温度传感器、光纤光栅传感解调仪、激光位移计、恒热器和成型结构，所述成型结构包括底座、木质外壳、下滤板、圆柱形腔体、上盖、塑料软管、聚氨酯保温泡沫、支架和下料漏斗，木质外壳设置在所述底座上，下滤板设置在木质外壳内，圆柱形腔体放置在下滤板上，所述上盖设有圆孔，所述上盖安装在木质外壳的上端，塑料软管缠绕在圆柱形腔体外部，聚氨酯保温泡沫填充在木质外壳与圆柱形腔体之间，所述支架设置在所述上盖上，下料漏斗放置在所述支架上；圆柱形腔体上设有多个安装孔，所述安装孔设置在圆柱形腔体的不同高度处，每个高度处均匀分布四个所述安装孔；孔压计、基质吸力计、湿度传感器、光纤光栅应变传感器及光纤光栅温度传感器安装在所述安装孔处，光纤光栅应变传感器及光纤光栅温度传感器通过导线与光纤光栅传感解调仪连接，塑料软管与所述恒热器连通，激光位移计用于对充填体的沉降量进行实时监测；孔压计、基质吸力计、湿度传感器、光纤光栅传感解调仪、激光位移计和恒热器通过导线与计算机连接；包括如下步骤：

步骤一：确定所需充填体材料的灰砂比及浓度；计算出尾砂、胶结剂和水的用量；

步骤二：制备充填体材料，将尾砂、胶结剂倒入搅拌机，充分混合后添加所需水，搅拌机搅拌10-15 min，充分混合均匀；

步骤三：将恒热器设定至所需温度；

步骤四：依据几何相似准则，根据地下采场的充填率，选择合适尺寸的下料漏斗；

步骤五：根据地下采场的排水率，选定下滤板的渗水率；

步骤六：将充填体材料通过下料漏斗充入圆柱形腔体中，填满圆柱形腔体之后，卸下下料漏斗，在充填体的上表面放置一个圆形薄铁片，将激光位移计安设在所述上盖上，将激光打射在圆形薄铁片上，进行充填体沉降量的实时监测；同时，利用充填体材料在室内制备Ф50*100mm圆柱型标准件，放置在设有聚氨酯保温泡沫材料的箱子内进行养护，在到达对应的龄期时，将圆柱型标准件取出进行单轴压缩试验，以便进行对比实验；

步骤七：通过不同直径尺寸的圆柱形腔体，制备出不同规格的充填体，模拟不同大小的地下采场下充填体内部的沉降固结数据，从而得到不同尺寸地下采场内充填体的强度规律；

步骤八：光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器的信号传递给光纤光栅传感解调仪，光纤光栅传感解调仪、激光位移计、孔压计、基质吸力计及湿度传感器的信号传递给计算机；

步骤九：待充填体达到养护时间之后，拆开成型结构，得到充填体试件，按照100 mm高度对充填体试件用岩石切割机进行切割，然后在切割后的充填体试件的轴向中心位置进行取芯，得到不同位置的充填体标准件，进行力学性能实验测试，用以分析不同高度处受到沉降差异及其应力成拱效应而引起充填体强度的分布不均匀性；

步骤十：依据采集的数据，分析充填体在不同尺寸大小的充填腔内的温度、收缩应变、湿度的变化，分析沉降固结过程对充填体内部强度的影响规律。

2.根据权利要求1所述的模拟原位环境充填体强度形成过程的试验方法，其特征在于，所述圆柱形腔体由铝塑板或者PVC板制备。

3.根据权利要求1所述的模拟原位环境充填体强度形成过程的试验方法，其特征在于，所述木质外壳的下部设有操作孔。

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