[发明专利]测试岩石试样在碎石被动约束下力学性能的装置及方法

说明书

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。

技术领域

本发明属于金属矿开采和矿山岩体力学技术领域，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。。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。