一种散体矸石真三轴水力耦合压缩试验系统及试验方法技术方案

一种散体矸石真三轴水力耦合压缩试验系统及试验方法，用于岩土工程及煤矿开采试验领域。主要由试验装置框架、液压伺服系统、数据管理系统和内封闭渗流压缩系统四部分组成，所述液压伺服系统主要包括加载油缸、恒速恒压计量泵和进、出油管；所述数据管理系统主要包括位移传感器、数据线、按钮控制台、计算机、压力传感器、流量计、渗压计和轮辐式称重传感器；所述内封闭渗流压缩系统主要包括电控截止阀、高压水泵、储水槽、传力板、承压板、进水管、环形喷洒头、滑动滚针、排水管和热缩袋。该系统可自主设置水平加载应力和竖直加载应力，在水力耦合作用下模拟出现场散体矸石真实受力情况，对矿井深部的安全开采和采空区地压管理具有重要作用。用。用。

【技术实现步骤摘要】
一种散体矸石真三轴水力耦合压缩试验系统及试验方法


[0001]本专利技术为一种散体矸石真三轴水力耦合压缩试验系统及试验方法，用于岩土工程及煤矿开采试验领域。

技术介绍

[0002]煤矿开采之后，在地下形成了规模不等的大量采空区，这些采空区不但对安全生产带来重大隐患，还给地表建筑物和人民生命财产带来巨大的潜在威胁。另外，由于煤矿开采需掘进大量岩石巷道，排放出的大量矸石露天堆放，使矿区环境受到极大破坏，严重影响到地表植被的生长与发育，而且煤矸石堆放不稳定，容易出现矸石山滑塌和溃坝事故。利用采出矸石作为充填材料，对地下采空区进行充填不但可以控制采空区上部的地表沉降，能有效地保护地表建筑物和井下作业人员的安全，而且还能同时解决煤矸石对耕地占用和对环境的污染问题，在深部矿井开采中还可以做到废石不出井，直接充填采空区，可以明显降低充填成本，特别是矸石运输成本。但是矸石作为一种无粘性的散体材料，在上覆岩层的压力作用下会产生移动挤压两侧岩体或煤柱，同时井下深部还需要考虑高水平应力的压缩环境和地下水渗流影响。因此，通过对散体矸石进行三轴水力耦合压缩试验，了解其压缩规律对深井矸石充填开采安全生产具有重要意义，除此之外，根据不同粒径级配散体矸石的三向压缩变形特性，选择最优级配比的煤矸石对采空区进行充填，可以有效地控制地表沉降，达到最佳沉降控制效果。
[0003]目前已有的真三轴试验设备主要适用于研究岩石试件的压缩变形特性，针对散体矸石仅能利用单轴侧限压缩方法进行假三轴压缩试验，但是假三轴试验与现场应力状况并不相符，试验结果与现场情况存在偏差并且在采空区中含有渗流水，水流对散体矸石的力学性质也具有一定影响；因此，研制一种散体矸石真三轴水力耦合压缩试验系统可帮助我们真实模拟出水力耦合作用下现场散体矸石受力情况，使试验结果更加贴近现场实际情况，对矿井深部的安全开采和采空区地压管理具有重要作用。

技术实现思路

[0004]针对现有技术设备中存在的问题，本专利技术提供一种散体矸石真三轴水力耦合压缩试验系统及试验方法，目的是利用该系统对散体矸石进行真三轴水力耦合压缩试验，通过试验研究不同粒径级和不同岩性散体矸石的压缩规律与压缩变形特性。
[0005]解决上述问题所采用的技术方案是本专利技术主要由试验装置框架、液压伺服系统、数据管理系统和内封闭渗流压缩系统四部分组成；所述试验装置框架呈圆柱状，主要由试验装置框架顶板、试验装置支撑柱和试验装置框架底板等部分组成；框架顶板和底板分别通过固定销钉与支撑柱相连接，竖直放置于地面；所述液压伺服系统主要由加载油缸、恒速恒压计量泵和进、出油管等部分组成；所述加载油缸主要油缸衬套、油缸活塞、油缸封盖、反力缸筒、密封法兰、连接板、蓄能器和电控伺服阀等部分组成；所述油缸衬套内为油缸活塞与密封法兰，油缸衬套外为油缸封盖与反力缸筒，油缸封盖通过固定螺栓固定于反力缸筒
上方，反力缸筒固定于连接板上，连接板嵌置于试验装置支撑柱中；所述恒速恒压计量泵通过进、出油管与蓄能器相连，蓄能器固定于反力缸筒外端通过耐高温、高压油管、电控伺服阀与加载油缸相连，电控伺服阀位于进、出油管上，通过数据线与按钮控制台相连；所述数据管理系统主要由位移传感器、数据线、按钮控制台、计算机、压力传感器、流量计、渗压计和轮辐式称重传感器等部分组成；所述位移传感器与承压板正对布置于油缸活塞中，压力传感器上方与连接板相连，下方与传力板相连，轮辐式称重传感器下方与试验装置框架底板相连，上方与传力板相连；所述流量计位于试验装置进水管内，渗压计布置于散体矸石中；位移传感器、压力传感器、轮辐式称重传感器、流量计和渗压计均通过数据线与按钮控制台和计算机相连；所述内封闭渗流压缩系统主要由电控截止阀、高压水泵、储水槽、传力板、刚柔复合承压顶板、进水管、环形喷洒头、刚性承压立板、滑动滚针、排水管、刚性承压底板和热缩袋等部分组成；所述进水管布置于试验装置上方传力板内，一端与高压水泵相连，另一端贯通刚柔复合承压顶板和热缩袋，进水管下端布置有环形喷洒头，排水管布置于试验装置下方传力板内，一端与水槽相连，另一端贯通刚性承压底板和热缩袋；所述电控截止阀布置于进水管内并通过数据线与按钮控制台连接；所述刚性承压立板与传力板相连，热缩袋沿刚性承压板铺设，散体矸石均匀布置于热缩袋内，形成封闭空间。
[0006]进一步地，所述加载油缸在试验装置的水平方向装有四个，在试验装置竖直方向装有一个位于装置上方，试验装置下方无加载油缸，每一个加载油缸由一个单独的恒速恒压计量泵提供油源。
[0007]进一步地，所述恒速恒压计量泵具有恒压模式、恒速模式、手动模式和位置模式共四种加载模式。
[0008]进一步地，所述进水管与排水管均为橡胶材质且进水管有较长部分悬挂于试验装置内，进水管在装置上方传力板内均匀布置三个，排水管在装置下方传力板内均匀布置三个。
[0009]进一步地，所述刚性承压立板接头处为内错式布置，在刚性承压立板和刚性承压底板内设置有滑动滚针。
[0010]进一步地，所述热缩袋内壁涂有防水材料。
[0011]一种散体矸石真三轴水力耦合压缩试验方法，采用了上述的散体矸石真三轴水力耦合压缩试验系统，包括如下步骤：步骤一：将散体矸石逐层均匀放至刚性承压立板中间，放置散体矸石前沿刚性承压底板和刚性承压立板铺设热缩袋。
[0012]步骤二：散体矸石充填完成后，利用热缩枪对热缩袋进行加热，使热缩袋收缩包裹住散体矸石、进水管和排水管，形成密闭空间。
[0013]步骤三：启动位移传感器、压力传感器、流量计、渗压计和轮辐式称重传感器等测量仪器，利用计算机将各测量仪器数值调零。
[0014]步骤四：利用按钮控制台打开油管上的电控伺服阀，利用加载油缸对矸石进行预加载，预加载采用分步依次循环加载，三个方向所分步数相等，以防止试件被压坏，并更准确模拟实际工况，预先将上下前后左右六个方向的力加载至预定载荷值的2%~5%，检查系统是否存在故障与异常情况。
[0015]步骤五：预加载完成后，利用按钮控制台打开进水管上的电控截止阀，利用高压水
泵为散体矸石提供一个恒定水压。
[0016]步骤六：利用流量计测量流进散体矸石的水流量，利用渗压计测量散体矸石内渗透压力，测量数据通过数据线传输至计算机。
[0017]步骤七：利用计算机选定水平加载油缸所对应的恒速恒压计量泵，并根据试验目的从恒压模式、恒速模式、手动模式和位置模式中选定一种工作模式，通过加压油缸作用于刚性承压立板对散体矸石进行水平方向加载。
[0018]步骤八：水平加载过程中，利用位移传感器记录刚性承压立板位移量，利用压力传感器记录矸石水平受力情况，数据经数据线传输至计算机。
[0019]步骤九：水平加载完成后，利用计算机选定竖直加载油缸所对应的恒速恒压计量泵，并根据试验目的从恒压模式、恒速模式、手动模式和位置模式中选定一种工作模式，通过加压油缸作用于刚柔复合承压顶板对散体矸石进行竖直方向加载。
[0020]步骤十：竖直加载过程中，利用轮辐式称重传感器记录矸石竖本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种散体矸石真三轴水力耦合压缩试验系统及试验方法，其特征在于：该系统主要由试验装置框架（1）、液压伺服系统、数据管理系统和内封闭渗流压缩系统四部分组成；所述试验装置框架（1）呈圆柱状，主要包括试验装置框架顶板（1
‑
1）、试验装置支撑柱（1
‑
2）和试验装置框架底板（1
‑
3）；框架顶板和底板分别通过固定销钉（4）与试验装置支撑柱（1
‑
2）相连接；所述液压伺服系统主要包括加载油缸（2）、恒速恒压计量泵（11）和进、出油管（12）；所述加载油缸（2）由油缸衬套（2
‑
1）、油缸活塞（2
‑
2）、油缸封盖（2
‑
3）、反力缸筒（2
‑
5）、密封法兰（2
‑
6）、连接板（2
‑
7）、蓄能器（2
‑
8）和电控伺服阀（2
‑
9）等部分组成；所述油缸衬套（2
‑
1）内为油缸活塞（2
‑
2）与密封法兰（2
‑
6），油缸衬套（2
‑
1）外为油缸封盖（2
‑
3）与反力缸筒（2
‑
5），油缸封盖（2
‑
3）通过固定螺栓（2
‑
4）固定于反力缸筒（2
‑
5）上方，加载油缸（2）固定于连接板（2
‑
7）上，连接板（2
‑
7）嵌置于试验装置支撑柱（1
‑
2）内；所述数据管理系统包括位移传感器（3）、数据线（8）、按钮控制台（9）、计算机（10）、压力传感器（13）、流量计（14）、渗压计（16）和轮辐式称重传感器（17）；所述位移传感器（3）与承压板正对布置于油缸活塞中；所述压力传感器（13）上方与连接板（2
‑
7）相连，下方与传力（15
‑
1）板相连；所述流量计（14）位于试验装置进水管（15
‑
3）内；所述渗压计（16）布置于散体矸石（15
‑
10）中；所述轮辐式称重传感器（17）下方与试验装置框架底板（1
‑
3）相连，上方与传力板（15
‑
1）相连；所述位移传感器（3）、压力传感器（13）、流量计（14）、渗压计（16）和轮辐式称重传感器（17）均通过数据线（8）与按钮控制台（9）和计算机（10）相连；所述内封闭渗流压缩系统主要由电控截止阀（5）、高压水泵（6）、储水槽（7）、传力板（15
‑
1）、刚柔复合承压顶板（15
‑
2）、进水管（15
‑
3）、环形喷洒头（15
‑
4）、刚性承压立板（15
‑
5）、滑动滚针（15
‑
6）、排水管（15
‑
7）、刚性承压底板（15
‑
8）和热缩袋（15
‑
9）等部分组成；所述进水管（15
‑
3）布置于试验装置上方传力板（15
‑
1）内，一端与高压水泵（6）相连，另一端贯通刚柔复合承压顶板（15
‑
2）和热缩袋（15
‑
9）；所述排水管（15
‑
7）布置于试验装置下方传力板（15
‑
1）内，一端与储水槽（7）相连，另一端贯通刚性承压底板（15
‑
8）和热缩袋（15
‑
9）；所述刚性承压立板（15
‑
5）与传力板（15
‑
1）相连；所述热缩袋（15
‑
9）沿刚性承压板铺设，散体矸石（15
‑
10）均匀布置于热缩袋（15
‑
9）内，形成封闭空间。2.根据权利要求1所述的一种散体矸石真三轴水力耦合压缩试验系统及试验方法，其特征在于：所述加载油缸（2）在试验装置的水平方向布置四个，在试验装置竖直方向布置一个，位于装置上方。3.根据权利要求1所述的一种散体矸石真三轴水力耦合压缩试验系统及试验方法，其特征在于：每一个加载油缸（2）由一个单独的恒速恒压计量泵（11）提供油...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪北方，蒋嘉祺，张晶，武力，
申请(专利权)人：辽宁工程技术大学，
类型：发明
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