一种测试岩石试样在碎石被动约束下力学性能的装置及方法，属于金属矿开采和矿山岩体力学技术领域，装置包括圆筒状薄壁、上环形浮动板、下环形浮动板、约束环、环形底座、环形顶板、上柱塞和下柱塞；约束环内壁设有凸台与圆筒状薄壁的外表面相配合；圆筒状薄壁外表面粘贴有应变片；方法为：（1）将岩石试样放置在上柱塞和下柱塞之间；（2）放置碎石散体；（3）锁紧约束环；（4）对碎石散体预加载荷；（5）将传感器调零；（6）对上柱塞加压至岩石试件碎裂；圆筒状薄壁变形。本发明专利技术对于评价干式充填效果、指导矿山充填体强度设计、精细控制采场围岩的冒落过程有着重要的理论意义。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于金属矿开采和矿山岩体力学
，具体涉及到一种测试岩石试样在碎石被动约束下力学性能的装置及方法。。
技术介绍
在金属矿开采过程中，都涉及到崩落矿岩散体和围岩的相互作用问题。例如干式充填采矿中充填散体与围岩相互作用、崩落法采矿中通过采场崩落矿石的放出控制围岩冒落、浅孔留矿法大放矿时上下盘围岩片帮冒落造成的矿石贫化等都是散体支撑围岩或散体流出卸荷作用下围岩稳定性问题。矿岩散体或充填散体对围岩的这种作用，与地应力形成的围压作用不同。围压作用是一种主动施加到围岩上的载荷，而矿岩散体或充填散体的支撑作用是一种被动荷载，其产生是由于围岩发生变形挤压矿岩散体，矿岩散体由于变形压密而对围岩产生的反作用力。因此，这是一种相互作用过程，岩体变形破裂的扩容程度由散体密实度决定，如果岩体的变形以及破裂扩容受到矿岩散体或充填散体抑制，则会阻碍围岩进一步的破裂，换句话说即岩体强度受其扩容空间的限制；而矿岩散体或充填散体对围岩的反作用力又受散体颗粒尺寸、内摩擦角、内聚力和密实程度的影响。系统研究岩石在矿岩散体的被动侧限约束下力学特性对于评价干式充填效果、精细控制采场围岩的冒落有着重要的理论意义。目前很少有人在试验中考虑这种矿岩散体或充填散体和围岩的相互作用。以往的研究主要侧重于矿岩散体或充填散体的力学性质。国外学者G.Mandl（1977）、J.F.Carr（1968）、A.Kudrolli(1997)、J.SMID（2006）研究不同的实验装置研究散体的剪切特性和流动性。M.Fall（2007）通过单轴和三轴压缩试验研究水、尾矿废料、水泥等散体材料制成的充填体力学性质。宋卫东（2016）设计一种钢制方形模具，将处理好的岩柱试件置于方形侧限钢板模具中间位置，将配好的充填料浆充入钢板模具中，进行充填体对岩柱的侧限压缩实验。国内吴爱祥（1991）研制了一种研究散体动特性的动态直剪仪,并装配了先进的测试系统,研究振动场中松散矿石的动态特性；林国祥（2009）设计了一种新型的散体物料的剪切试验装置，该装置通过对物料直接施压后进行双面剪切以测定材料的剪切力学性能；或者把排土场散体物料看成类似土体的材料，利用土力学的实验方法研究排土场散体物料的剪切力学性能。尽管人们已经认识到矿岩散体或充填散体与围岩相互作用对安全采矿的重要性，但是相关的研究较少，主要是实验过程中散体产生的反作用力受岩石破坏模式影响，具有局部性，难以全面测量评价这种相互作用。因此，在岩石与散体相互作用、岩石在被动侧限条件下的力学特性方面还鲜有文献报道，更没有相关的试验装置和试验方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种测试岩石试样在碎石被动约束下力学性能的装置及方法，通过设置薄壁圆筒和约束环用于放置碎石散体，通过设置上下柱塞用于放置岩石，并设置传感器；通过上下柱塞压碎岩石，测量岩石破裂扩容导致散体挤压膨胀时的膨胀力，评价干式填充效果。本专利技术的测试岩石试样在碎石被动约束下力学性能的装置包括圆筒状薄壁、上环形浮动板、下环形浮动板、约束环、环形底座、环形顶板、上柱塞和下柱塞；多个螺杆从上到下依次穿过环形顶板、约束环和环形底座的圆孔，并且每个螺杆的上端设有螺母，下端穿过环形底座的圆孔，螺杆头固定在底座内，螺母位于环形顶板的上表面；约束环内壁设有至少三个凸台，每个凸台的顶面均与圆筒状薄壁的外表面相配合；圆筒状薄壁的上下两端分别套在上环形浮动板和下环形浮动板外；环形顶板和上环形浮动板之间设有上部载荷传感器，环形底座和下环形浮动板之间设有下部载荷传感器；环形顶板和上环形浮动板套在上柱塞外，环形底座和下环形浮动板套在下柱塞外；圆筒状薄壁外表面粘贴有应变片；应变片以及上部载荷传感器和下部载荷传感器均与多通道静态应变仪装配在一起。上述的圆筒状薄壁由三个形状相同的弧形板围成，弧形板的材质为65Mn钢。上述的约束环的外壁上设有凹槽，凹槽内插有锁紧块，锁紧块的位置与凸台的位置相对应；约束环的数量至少一个。上述装置中，环形顶板和上环形浮动板之间的上部载荷传感器数量至少三个。上述装置中，环形底座和下环形浮动板之间的下部载荷传感器数量至少三个。上述的上环形浮动板均与上柱塞滑动密封连接；下环形浮动板均与下柱塞滑动密封连接。上述的环形顶板与上柱塞滑动密封连接，或者与套在上柱塞外的定心环滑动密封连接；环形底座与下柱塞密封连接，或者与套在下柱塞外的定心环密封连接。上述的上柱塞和下柱塞为相同直径的圆柱体，两者的轴线重合；上柱塞的底面位于上环形浮动板的下方，下柱塞的顶面位于下环形浮动板的上方。上述的上环形浮动板、下环形浮动板和圆筒状薄壁内的空间，以及上柱塞和下柱塞外部的空间用于放置碎石散体；上柱塞和下柱塞之间的空间用于放置岩石试样。上述装置中，环形顶板、上环形浮动板、约束环、下环形浮动板和环形底座上设有至少六个圆孔用于穿过螺杆。上述的上部载荷传感器和下部载荷传感器分别固定在环形顶板和环形底座上，分别用于测量岩石试样破裂扩容导致碎石散体挤压膨胀时的上向膨胀力和下向膨胀力。上述装置中，圆筒状薄壁受压变形时，圆筒状薄壁在约束环的相邻两个凸台之间的空隙内产生挠度变形，应变片用于测量碎石散体受挤压时水平的环向膨胀变形，间接得到环向膨胀力。上述装置中，多通道静态应变仪的输出端与计算机连接，下柱塞和环形底座放置在试验机的加载平台上，上柱塞与试验机的压头相对应；上环形浮动板与压头之间设有位移传感器，位移传感器与多通道静态应变仪装配在一起。本专利技术的测试岩石试样在碎石被动约束下力学性能的方法是采用上述装置，按以下步骤进行：1、将与上柱塞相同直径的圆柱体岩石试样放置在上柱塞和下柱塞之间；2、在圆筒状薄壁内的空间放置碎石散体，碎石散体包裹在圆柱体岩石试样、上柱塞和下柱塞外；3、通过锁紧块将约束环锁紧，使凸台与圆筒状薄壁紧密接触；4、通过螺母调节螺杆，使上环形浮动板和下环形浮动板对碎石散体预加载荷，通过上部载荷传感器和下部载荷传感器将预加载荷的信号传输给多通道静态应变仪；5、将底座放置在试验机的加载平台上，调整试验机的压头使其与上柱塞完全接触，将位移传感器、上部载荷传感器和下部载荷传感器调零；6、通过试验机的压头对上柱塞加压，直至岩石试样碎裂；此时圆筒状薄壁受压变形，圆筒状薄壁在约束环的相邻两个凸台之间的空隙内产生挠度变形，应变片测量碎石散体受挤压时水平的环向膨胀变形，并将信号传输给多通道静态应变仪；通过位移传感器测量位移；通过上部载荷传感器和下部载荷传感器将载荷信号传输给多通道静态应变仪；对测量获得的数据的记录和储存，研究被动侧限条件下岩石试样的变形强度特征，以及碎石散体特征对岩石试样力学性能的影响。上述方法中，步骤5完成后，圆筒状薄壁处于的弯曲度作为正常弯曲度；步骤6完成后，圆筒状薄壁处于的弯曲度作为受载后趋直弯曲度，此时圆筒状薄壁与约束环之间有间隙，该间隙称为预留变形空间。本专利技术的装置及方法的特点和有益效果是：1、本专利技术装置适用于测定岩石试样在碎石被动侧限约束下的力学性能，利用岩本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种测试岩石试样在碎石被动约束下力学性能的装置，其特征在于包括圆筒状薄壁、上环形浮动板、下环形浮动板、约束环、环形底座、环形顶板、上柱塞和下柱塞；多个螺杆从上到下依次穿过环形顶板、约束环和环形底座的圆孔，并且每个螺杆的上端设有螺母，下端穿过环形底座的圆孔，螺杆头固定在底座内，螺母位于环形顶板的上表面；约束环内壁设有至少三个凸台，每个凸台的顶面均与圆筒状薄壁的外表面相配合；圆筒状薄壁的上下两端分别套在上环形浮动板和下环形浮动板外；环形顶板和上环形浮动板之间设有上部载荷传感器，环形底座和下环形浮动板之间设有下部载荷传感器；环形顶板和上环形浮动板套在上柱塞外，环形底座和下环形浮动板套在下柱塞外；圆筒状薄壁外表面粘贴有应变片；应变片以及上部载荷传感器和下部载荷传感器均与多通道静态应变仪装配在一起。
【技术特征摘要】
1.一种测试岩石试样在碎石被动约束下力学性能的装置，其特征在于包括圆筒状薄壁、上环形浮动板、下环形浮动板、约束环、环形底座、环形顶板、上柱塞和下柱塞；多个螺杆从上到下依次穿过环形顶板、约束环和环形底座的圆孔，并且每个螺杆的上端设有螺母，下端穿过环形底座的圆孔，螺杆头固定在底座内，螺母位于环形顶板的上表面；约束环内壁设有至少三个凸台，每个凸台的顶面均与圆筒状薄壁的外表面相配合；圆筒状薄壁的上下两端分别套在上环形浮动板和下环形浮动板外；环形顶板和上环形浮动板之间设有上部载荷传感器，环形底座和下环形浮动板之间设有下部载荷传感器；环形顶板和上环形浮动板套在上柱塞外，环形底座和下环形浮动板套在下柱塞外；圆筒状薄壁外表面粘贴有应变片；应变片以及上部载荷传感器和下部载荷传感器均与多通道静态应变仪装配在一起。
2.根据权利要求1所述的测试岩石试样在碎石被动约束下力学性能的装置，其特征在于所述的圆筒状薄壁由三个形状相同的弧形板围成，弧形板的材质为65Mn钢。
3.根据权利要求1所述的测试岩石试样在碎石被动约束下力学性能的装置，其特征在于所述的约束环的外壁上设有凹槽，凹槽内插有锁紧块，锁紧块的位置与凸台的位置相对应；约束环的数量至少一个。
4.根据权利要求1所述的测试岩石试样在碎石被动约束下力学性能的装置，其特征在于所述的上环形浮动板、下环形浮动板和圆筒状薄壁内的空间，以及上柱塞和下柱塞外部的空间用于放置碎石散体；上柱塞和下柱塞之间的空间用于放置岩石试样。
5.根据权利要求1所述的测试岩石试样在碎石被动约束下力学性能的装置，其特征在于所述的部载荷传感器和下部载荷传感器分别固定在环形顶板和环形底座上，分别用于测量岩石试样破裂扩容导致碎石散体挤压膨胀时的上向膨胀力和下向膨胀力。
6.根据权利要求1所述的测试岩石试样在碎石被动约束...
【专利技术属性】
技术研发人员：朱万成，于庆磊，徐曾和，杨天鸿，刘洪磊，李帅，牛雷雷，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21
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