一种围岩体时效变形与充填体硬化过程相互作用的监测装置及分析方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种围岩体时效变形与充填体硬化过程相互作用的监测装置及分析方法，包括：步骤一：确定采空区尺寸大小；步骤二：确定所要模拟的岩体单轴抗拉和抗压强度；步骤三：确定充填体材料的固体浓度；步骤四：根据步骤二确定的围岩体相似材料的强度大小；步骤五：将数根槽钢和钢支架装配成型结构；步骤六：将定制的塑料泡沫块放置在模型的中心位置；步骤七：灌入料浆，使得料浆充满整个模型；步骤八：进行养护；步骤九：监测记录各个数据采集仪的数据变化；步骤十一：整理监测数据。该发明专利技术的技术效果为不但能够完成变形监测，而且能够分析变形的影响过程，且能够得到变形的影响范围、变形特性、强度分布特征、水化热变化情况和热传递过程。传递过程。传递过程。

【技术实现步骤摘要】
一种围岩体时效变形与充填体硬化过程相互作用的监测装置及分析方法


[0001]本专利技术涉及围岩体监测
，具体为一种围岩体时效变形与充填体硬化过程相互作用的监测装置及分析方法。

技术介绍

[0002]金属矿山开采过程中会产生大量采空区和尾矿。据统计，我国矿山固体废弃物总量已超过250亿吨，约有1.2万个尾矿库，尾矿库总量超过100亿吨，并以每年6亿吨的速度增长。将尾砂、废石等矿山废弃物制备成充填体回填至采空区，可为地下采矿提供安全作业平台并管控地压，消除采空区坍塌等灾害，达到“一充治三废，一废治两害”的目的。因此，发展智能、绿色、经济的充填采矿技术是解决矿山生态环境问题的关键突破口。充填体特性的发挥主要依赖于和围岩体的相互作用。这种相互作用主要由两方面因素决定：(1)采场胶结充填体硬化过程的时间效应，除了胶结剂水化反应等的影响，还受制于深部围岩温度和时效变形共同作用，会改变充填体硬化过程的微观结构演化；另外，在交界面产生的摩擦作用会在充填体内部形成应力成拱结构，也会影响充填体的微观结构演化和硬化进程。(2)深部围岩体自身流变效应具有的时间依赖性，尤其是深部高应力、高温、破碎岩体和暴露空间较大的采场，该变形过程往往持续时间较长。
[0003]深部开采是保障我国金属矿产资源可持续开发与供给的最主要途径。浅部开采时，地应力范围约为10～20MPa，井温一般小于30℃；深部开采时，开采深度超过千米甚至更深，原岩应力可达到40～80MPa，工作面温度高达30～60℃。此种环境下的岩石流变特征显著，其变形具有很强的时间依赖性，这是与浅部开采的主要区别之一。而胶结充填体的硬化过程受应力、温度养护的影响较大，并且体现出明显的体积变形特性，该过程具有显著的时间效应，其硬化过程在深部围岩强流变和高温作用下会如何变化？这种变化反之对围岩的变形产生何种影响，面对时效特征都如此显著的两体相互作用问题，以往不考虑时间效应的相互作用力学模型及分析已显得不能适用。
[0004]因此，根据矿山充填作用的不同和深部矿山充填的特点，为了实现合理的、经济的、精准的根据围岩体条件配置充填体类型和指定充填方案，本领域技术人员迫切需要通过一种较方便、可同步分析围岩体时效变形和充填体硬化过程的相互作用力学特性，且能够同时分析充填体充入采场的过程，例如关键的充填参数、充填速率、充填时机等问题。进而得到根据围岩体条件精准的配置充填体类型和实现根据围岩条件指定合理的充填方法，达到按需分配充填体类型，进而实现充填体的精准化，实现采场的个性化充填，这能够极大的提高矿山的充填效率和节省充填成本。但是，现阶段缺乏对围岩体时效变形和充填膏体硬化过程实现上述力学作用过程分析和监测功能的试验装置来达到上述目的。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种围岩体时效变形与充填体硬化过程相互作用的监测
装置及分析方法，不但能够完成充填采场开挖后围岩体在各级预应力作用下的蠕变变形全场变形监测，而且能够同时分析充填体充入采场后其硬化过程对围岩体蠕变变形的影响过程，且能够得到这种影响对围岩体全场变形的影响范围，且能够分析围岩体时效变形挤压充填体在应力养护过程中，充填体在采场内部的变形特性和强度分布特征，同时在试验过程中可监测充填体内部的温度变化分析充填体的水化热变化情况，也可分析充填体与围岩体之间的热传递过程，这为研究工作的进一步深入提供了必要手段。
[0006]为实现上述目的，专利技术提供如下技术方案：一种围岩体时效变形与充填体硬化过程相互作用的监测装置，包括槽钢、钢支架与浇筑箱体、高强度透明材料板、采空区塑料泡沫充填体、围岩体、矿柱、分布式光纤传感线、漏斗、超声波传感器、温度和应变光纤传感器、可承压和防水式应力盒、钢管、铁块、计算机、光纤光栅解调仪、应力盒数据采集仪、超声波波形采集仪、连接线、收敛变形计、限位安装顺槽，所述槽钢上承载有钢支架与浇筑箱体，所述钢支架与浇筑箱体内浇筑有围岩体，所述钢支架与浇筑箱体的一侧面上安装有高强度透明材料板，所述围岩体内部贴合高强度透明材料板处设置有两个采空区塑料泡沫充填体，所述钢支架与浇筑箱体内位于围岩体的上方设置有铁块，所述采空区塑料泡沫充填体的上部设置有钢管，所述钢管的上端延伸到铁块之上设置有漏斗，所述围岩体内设置有矩阵排列的可承压和防水式应力盒，所述采空区塑料泡沫充填体的内底面上设置有温度和应变光纤传感器，所述采空区塑料泡沫充填体的底部侧面上设置有超声波传感器。
[0007]优选的，所述围岩体内布设有分布式光纤传感线。
[0008]优选的，所述钢支架与浇筑箱体的内侧面上设置有收敛变形计。
[0009]优选的，所述围岩体内的采空区塑料泡沫充填体去除后浇筑成矿柱。
[0010]优选的，所述温度和应变光纤传感器通过连接线连接有光纤光栅解调仪，所述可承压和防水式应力盒通过连接线连接有应力盒数据采集仪，所述超声波传感器通过连接线连接有超声波波形采集仪，所述光纤光栅解调仪、应力盒数据采集仪和超声波波形采集仪分别连接有计算机。
[0011]优选的，所述钢支架与浇筑箱体的支架上设置有用于便捷拆卸或组装侧护板的限位安装顺槽。
[0012]该围岩体时效变形与充填体硬化过程相互作用的监测分析方法，具体包括以下步骤：
[0013]步骤一：根据所要研究具体矿山采空区尺寸大小，根据相似准则中的量纲分析原理确定物理模型中充填采场和矿柱的相对尺寸大小，确定采空区塑料泡沫充填体的尺寸大小；
[0014]步骤二：制备50*100mm的圆柱体试样进行单轴加载和单轴拉伸试验，确定所要模拟的岩体单轴抗拉和抗压强度；
[0015]步骤三：确定所需充填体材料的固体浓度，胶结剂含量，20um以下的尾砂细颗粒需达到15％以上；依据公式：达到15％以上；依据公式：计算出尾砂、胶结剂和水的用量；制备充填膏体
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；
[0016]步骤四：根据步骤二确定的围岩体相似材料的强度大小，选择其强度的50％、70％、80％、90％四个应力梯度作为构筑不同预应力条件下围岩体；预应力通过在模型的顶部放置恒定重量的铁块进行施加；预应力作用下围岩体变形时间范围的选择需保证大于尾砂胶结充填体宏观强度获得近稳定对应的养护龄期为27～29天；
[0017]步骤五：将数根槽钢1和钢支架与浇筑箱体2依次按照顺序装配成型结构，躺着平放形成一个方形的密闭方形槽，对将要安装高强度有机玻璃板的一侧朝上；
[0018]步骤六：根据前述设计出的采空区和矿柱的尺寸，将预先根据采空区大小定制的塑料泡沫块放置在模型的中心位置，形成采空区塑料泡沫充填体；
[0019]步骤七：：将制备好的围岩体相似材料浇筑在模具中，当浇筑液面高度达到模型厚度的一半时，将可承压和防水式应力盒依次按照顺序布设放置，并将引线手动从此时模型的底部穿出，以备连接应力盒数据采集仪；将充填恒速蠕变泵的管路接入采空区顶板位置，而后继续灌入料浆，使得本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种围岩体时效变形与充填体硬化过程相互作用的监测装置，其特征在于：包括槽钢(1)、钢支架与浇筑箱体(2)、高强度透明材料板(3)、采空区塑料泡沫充填体(4)、围岩体(5)、矿柱(6)、分布式光纤传感线(7)、漏斗(8)、超声波传感器(9)、温度和应变光纤传感器(10)、可承压和防水式应力盒(11)、钢管(12)、铁块(13)、计算机(14)、光纤光栅解调仪(15)、应力盒数据采集仪(16)、超声波波形采集仪(17)、连接线(18)、收敛变形计(19)、限位安装顺槽(20)，所述槽钢(1)上承载有钢支架与浇筑箱体(2)，所述钢支架与浇筑箱体(2)内浇筑有围岩体(5)，所述钢支架与浇筑箱体(2)的一侧面上安装有高强度透明材料板(3)，所述围岩体(5)内部贴合高强度透明材料板(3)处设置有两个采空区塑料泡沫充填体(4)，所述钢支架与浇筑箱体(2)内位于围岩体(5)的上方设置有铁块(13)，所述采空区塑料泡沫充填体(4)的上部设置有钢管(12)，所述钢管(12)的上端延伸到铁块(13)之上设置有漏斗(8)，所述围岩体(5)内设置有矩阵排列的可承压和防水式应力盒(11)，所述采空区塑料泡沫充填体(4)的内底面上设置有温度和应变光纤传感器(10)，所述采空区塑料泡沫充填体(4)的底部侧面上设置有超声波传感器(9)。2.如权利要求1所述的一种围岩体时效变形与充填体硬化过程相互作用的监测装置，其特征在于：所述围岩体(5)内布设有分布式光纤传感线(7)。3.如权利要求1所述的一种围岩体时效变形与充填体硬化过程相互作用的监测装置，其特征在于：所述钢支架与浇筑箱体(2)的内侧面上设置有收敛变形计(19)。4.如权利要求1所述的一种围岩体时效变形与充填体硬化过程相互作用的监测装置，其特征在于：所述围岩体(5)内的采空区塑料泡沫充填体(4)去除后浇筑成矿柱(6)。5.如权利要求1所述的一种围岩体时效变形与充填体硬化过程相互作用的监测装置，其特征在于：所述温度和应变光纤传感器(10)通过连接线(18)连接有光纤光栅解调仪(15)，所述可承压和防水式应力盒(11)通过连接线(18)连接有应力盒数据采集仪(16)，所述超声波传感器(9)通过连接线(18)连接有超声波波形采集仪(17)，所述光纤光栅解调仪(15)、应力盒数据采集仪(16)和超声波波形采集仪(17)分别连接有计算机(14)。6.如权利要求1所述的一种围岩体时效变形与充填体硬化过程相互作用的监测装置，其特征在于：所述钢支架与浇筑箱体(2)的支架上设置有用于便捷拆卸或组装侧护板的限位安装顺槽(20)。7.一种围岩体时效变形与充填体硬化过程相互作用的监测分析方法，其特征在于：利用上述权利要求1
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6中的任意一项实现对围岩体时效变形与充填体硬化过程相互作用的监测分析方法，具体包括以下步骤：步骤一：根据所要研究具体矿山采空区尺寸大小，根据相似准则中的量纲分析原理确定物理模型中充填采场和矿柱的相对尺寸大小，确定采空区塑料泡沫充填体(4)的尺寸大小；步骤二：制备50*100mm的圆柱体试样进行单轴加载和单轴拉伸试验，确定所要模拟的岩体单轴抗拉和抗压强度；步骤三：确定所需充填体材料的固体浓度，胶结剂含量，20um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；制备充填膏体材料，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
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15min，充分混合均匀；步骤四：根据步骤二确定的围岩体相似材料的强度大小，选择其强度的50％、70％、80％、90％四个应力梯度作为...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫保旭，来兴平，张云，单鹏飞，张楠，
申请(专利权)人：西安科技大学，
类型：发明
国别省市：