[发明专利]基于单轴试验机改造的充填体双轴加载系统及使用方法

说明书

本发明提供一种基于单轴试验机改造的充填体双轴加载系统及使用方法，属于充填体力学性能研究技术领域。该系统包括单轴试验机、加载垫块、单轴试验机数据采集及处理系统、反力挡板、反力挡板固定装置、压头、压力室、滚珠丝扛、压力传感器、位移传感器、数据采集器、连接线、电脑和试件。在试件左侧设置反力挡板和压头，右侧由压头、滚珠丝扛、联轴器、减速机和电机构成侧向加压系统，同时配备压力传感器、位移传感器、数据采集器和电脑进行侧向的压力和位移测量。该系统以商业化的单轴试验机为基础，试验数据可信度高，加工简单、制作成本较低、操作简单、使用灵活性高，可广泛应用于采用充填采矿法的矿山。

技术领域

本发明涉及充填体力学性能研究技术领域，特别是指一种基于单轴试验机改造的充填体双轴加载系统及使用方法。

背景技术

随着我国工业化进程的快速推进，矿产资源的需求量不断增大，浅部资源殆尽，深部开采成为矿山发展的必然趋势。空场法和崩落法将无法适用于深部环境面临的高地压、高井温、高井深和强扰动这一系列问题，充填采矿法可以最大限度使用地表尾砂，有效控制地压，被国内外的矿山广泛采用。

任何一种充填采矿法的最终目的均是采用充填料固化封闭采空区，以保证安全开采，并回收更多的矿产资源。因此，充填体的强度设计成为了矿山安全、高效、经济开采的关键，充填体的力学强度决定着充填体对围岩的支撑能力以及整个采场的稳定。传统的方法均通过单轴试验系统对一定龄期的充填体试样进行强度测试，主要体现充填体的自立强度。合理的充填体强度应该以矿区岩石条件为基础，考虑到充填体与围岩的共同作用。按照之前的研究结果发现，如果按照单轴强度准则设计的话，忽略了其他方向的应力对充填体力学性能的影响，结构会偏于保守，增加了充填成本。

为此，本发明针对单轴强度测试系统对充填体强度表征的局限，以原有单轴试验机为基础，提出一种基于单轴试验机改造的充填体双轴加载系统及使用方法。该装置对充填体的强度测试更接近充填体在采空区的实际受力情况，改变了原有仅靠单轴强度表征充填体强度的局面，对于充填体的力学行为研究具有重要的科学价值。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于单轴试验机改造的充填体双轴加载系统及使用方法。

该系统包括单轴试验机、加载垫块、单轴试验机数据采集及处理系统、反力挡板、反力挡板固定装置、压头、压力室、滚珠丝扛、压力传感器、位移传感器、数据采集器、连接线、电脑、联轴器、减速机和电机；左右两个压头之间为压力室，压力室内放置试件，试件上方和单轴试验机之间设置加载垫块，单轴试验机连接单轴试验机数据采集及处理系统，试件左侧压头外部设置反力挡板，反力挡板通过反力挡板固定装置固定，构成反力系统；试件右侧压头外部依次设置滚珠丝扛、联轴器、减速机和电机，且右侧的压头和滚珠丝扛、联轴器、减速机、电机构成侧向加压系统，滚珠丝杠处设置压力传感器，减速机上方设置位移传感器，压力传感器和位移传感器通过连接线与数据采集器相连，数据采集器连接电脑。

其中，单轴试验机为现有商用压力机，能够对混凝土、充填体材料的单轴抗压强度进行测量，并获取应力-应变曲线及峰值强度数据，单轴试验机试验力范围为0～100KN。

加载垫块用于使试件尺寸适合轴向加压要求。

压力传感器安装在右侧的压头和滚珠丝杠之间，实现压力测量。

位移传感器上的连杆与右侧的压头相连。

单轴试验机数据采集及处理系统用于轴向数据的采集。

轴向压力系统和侧向压力系统为两个独立控制的系统。

在试件制备中，制备材料包括尾砂、水和胶凝材料，尾砂可根据不同实验条件和要求选用不同类型的矿山尾砂，胶凝材料可使用水泥、胶固粉等。

应用该加载系统的方法，包括步骤如下：