本發(fā)明屬于采礦技術(shù)研究領(lǐng)域，具體是涉及一種以巖石力學(xué)理論為基礎(chǔ)，根據(jù)階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法開(kāi)采工藝建立基于礦柱開(kāi)挖過(guò)程的充填體-礦柱力學(xué)系統(tǒng)開(kāi)挖承載實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停靡簤核欧囼?yàn)機(jī)平臺(tái)并結(jié)合應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，研究礦柱開(kāi)挖過(guò)程充填體承載機(jī)制的試驗(yàn)儀器和試驗(yàn)方法。

技術(shù)背景

21世紀(jì)以來(lái)，環(huán)境保護(hù)意識(shí)進(jìn)一步得到加強(qiáng)，充填采礦法越來(lái)越受到采礦界的重視，已成為地下采礦技術(shù)發(fā)展的主要趨勢(shì)之一。充填采礦法是利用充填體控制圍巖移動(dòng)變形，從而有效管理地壓，實(shí)現(xiàn)礦山安全、高效開(kāi)采。隨著充填開(kāi)采技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)械化、大規(guī)模開(kāi)采的階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法在黑色冶金礦山得到廣泛應(yīng)用。

利用階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法開(kāi)采厚大礦體時(shí)，通常需將礦塊垂直礦體走向布置，形成“礦房-礦柱-礦房-礦柱”的間隔開(kāi)采格局，礦房利用階段空?qǐng)霾傻V法開(kāi)采后再進(jìn)行嗣后膠結(jié)充填，回采礦柱時(shí)以充填體作為人工礦柱支撐采場(chǎng)應(yīng)力實(shí)現(xiàn)安全回采。這一開(kāi)采過(guò)程中，礦柱回采是在充填體的保護(hù)作用下進(jìn)行的，膠結(jié)充填體起到人工礦柱的作用，膠結(jié)礦柱作為應(yīng)力轉(zhuǎn)移的承載體，必須具有足夠的強(qiáng)度來(lái)支撐采場(chǎng)；礦柱回采過(guò)程是充填體暴露面積不斷擴(kuò)大，充填體-礦柱系統(tǒng)不斷卸荷且持續(xù)承載的力學(xué)過(guò)程，隨充填體的暴露面積的逐步增大充填體應(yīng)力場(chǎng)亦隨之變化，內(nèi)部產(chǎn)生裂隙甚至?xí)a(chǎn)生宏觀裂紋，極易出現(xiàn)破壞垮塌危害。因此研究高大采場(chǎng)充填體在礦柱回采過(guò)程中應(yīng)力場(chǎng)演化規(guī)律和自身承載破壞機(jī)制對(duì)于合理選擇采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和開(kāi)采順序，以及對(duì)于維持地下充填采場(chǎng)穩(wěn)定性、安全合理的進(jìn)行礦山開(kāi)采也具有重要意義。

目前針對(duì)階段空?qǐng)鏊煤蟪涮铋_(kāi)采過(guò)程開(kāi)展的相關(guān)技術(shù)研究主要集中于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、數(shù)值模擬、相似模擬實(shí)驗(yàn)等技術(shù)手段?，F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集受現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)、水文、其他環(huán)境因素影響嚴(yán)重，而且周期長(zhǎng)，試驗(yàn)可重復(fù)性較差；相似模擬實(shí)驗(yàn)研究受相似比以及相似實(shí)驗(yàn)平臺(tái)條件限制(多為二維相似模擬實(shí)驗(yàn))較大，周期長(zhǎng)、成本高；數(shù)值模擬分析受模擬軟件自身力學(xué)模型限制影響較大。

本發(fā)明就是針對(duì)以上問(wèn)題提出的，提出了一種以巖石力學(xué)理論為基礎(chǔ)，根據(jù)階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法開(kāi)采工藝建立基于礦柱開(kāi)挖過(guò)程的充填體-礦柱力學(xué)系統(tǒng)開(kāi)挖承載實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，利用液壓伺服試?yàn)機(jī)平臺(tái)并結(jié)合應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，研究礦柱開(kāi)挖過(guò)程充填體承載機(jī)制的試驗(yàn)儀器和試驗(yàn)方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在探尋充填體在礦柱開(kāi)挖過(guò)程中不斷卸荷、承載的應(yīng)力場(chǎng)演化規(guī)律和充填體破壞機(jī)制，為階段空?qǐng)鏊煤蟪涮铋_(kāi)采提供理論支撐，更好地指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)采。

根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種研究礦柱開(kāi)挖過(guò)程充填體承載機(jī)制的試驗(yàn)儀器，所述儀器包括：巖石試驗(yàn)機(jī)，試件，模具，靜態(tài)應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng),聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，微機(jī)電腦，導(dǎo)線，其中

所述的巖石試驗(yàn)機(jī)負(fù)責(zé)提供豎直方向荷載；

所述的試件由礦柱和充填體組成，其中所述的礦柱由多片規(guī)整的礦石試塊組合而成；

所述的模具由鋼板組成，所述的鋼板之間通過(guò)嵌套和螺栓緊固連接，正面和背面鋼板外側(cè)設(shè)置加強(qiáng)肋板，通過(guò)螺栓與底部鋼板連接，限制鋼板變形，兩側(cè)端部鋼板插入正面和背面鋼板的卡槽中，通過(guò)螺栓與底部鋼板連接，限制鋼板位移變形；

所述的靜態(tài)應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括應(yīng)變儀和應(yīng)變片，其中所述的應(yīng)變片置于所述的礦柱及所述的充填體上；

所述的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括聲發(fā)射儀和探頭，其中所述的探頭置于所述的模具的外壁；

所述的微機(jī)電腦是所述的試驗(yàn)儀器的中央控制器及結(jié)果的顯示輸出裝置，負(fù)責(zé)控制所述的巖石試驗(yàn)機(jī)的應(yīng)力加載及所述的靜態(tài)應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及所述的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量、數(shù)據(jù)采集，并顯示輸出所述的靜態(tài)應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及所述的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量的數(shù)據(jù)、圖像，以及巖石試驗(yàn)機(jī)加載的力學(xué)曲線；

所述的導(dǎo)線負(fù)責(zé)傳輸信息，所述的探頭與所述的聲發(fā)射儀通過(guò)所述的導(dǎo)線連接，所述的聲發(fā)射儀與所述的微機(jī)電腦通過(guò)所述的導(dǎo)線連接，所述的應(yīng)變片與所述的應(yīng)變儀通過(guò)所述的導(dǎo)線連接，所述的應(yīng)變儀與所述的微機(jī)電腦通過(guò)所述的導(dǎo)線連接；

所述的試件置于所述的模具之中，在所述模具的限制下所述的試件四周水平位移固定；

所述的模具正面鋼板中央設(shè)有“凸”字形缺口，所述的礦柱與缺口位置對(duì)齊，所述的缺口由“凸”字形鋼板封堵，并由內(nèi)六角螺栓緊固；

所述的礦柱是由若干片規(guī)整的礦石試塊縱向排列組合而成；

所述的應(yīng)變片貼于所述的礦柱和所述的充填體的中央位置，所述的應(yīng)變片表面涂有914膠，對(duì)應(yīng)變片起到固定、防水及防潮作用；

所述的試件表面與所述的模具內(nèi)壁均勻涂有凡士林，使所述的試件與所述的模具獲得更好的耦合，利于試驗(yàn)過(guò)程中聲發(fā)射信號(hào)的監(jiān)測(cè)；

根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，還提供了一種研究礦柱開(kāi)挖過(guò)程充填體承載機(jī)制的試驗(yàn)方法：

步驟一：調(diào)試巖石試驗(yàn)機(jī)，使其達(dá)到預(yù)加載荷，并在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中保持加載應(yīng)力不變；

步驟二：調(diào)試靜態(tài)應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用萬(wàn)能表對(duì)應(yīng)變片的電阻及應(yīng)變儀的電阻進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)所有應(yīng)變片進(jìn)行數(shù)據(jù)平衡處理；

步驟三：調(diào)試聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，記錄探頭位置坐標(biāo)，原點(diǎn)為模具的內(nèi)左角，所有探頭距中心距離相差不大；

步驟四：當(dāng)加載應(yīng)力達(dá)到預(yù)值時(shí)，同時(shí)開(kāi)啟靜態(tài)應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，開(kāi)始監(jiān)測(cè)并記錄充填體-礦柱未開(kāi)采時(shí)的應(yīng)變變化和聲發(fā)射情況；

步驟五：松開(kāi)內(nèi)六角螺栓，撤掉“凸”字形鋼板進(jìn)行礦柱開(kāi)挖，迅速敲擊礦石試塊四角邊緣，將礦石試塊擊碎并將碎片清出，完成本次礦柱開(kāi)挖，監(jiān)測(cè)并記錄聲發(fā)射以及應(yīng)變情況，為模擬真實(shí)采礦過(guò)程即“爆破崩礦-出礦-爆破崩礦-出礦”，要求礦柱開(kāi)挖過(guò)程迅速,礦石試塊擊碎后需等待10分鐘再進(jìn)行下一次礦柱開(kāi)挖，靜態(tài)應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)始終保持監(jiān)測(cè)、記錄狀態(tài)；

步驟六：重復(fù)“步驟五”，直至礦柱開(kāi)挖完畢；

步驟七：結(jié)果輸出，將靜態(tài)應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果以數(shù)值、圖像的形式輸出，并對(duì)開(kāi)挖礦柱兩側(cè)充填體的破壞情況進(jìn)行拍照，以方便后期試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.通過(guò)力學(xué)試驗(yàn)的方法建立了階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法礦柱開(kāi)挖過(guò)程中充填體承載力學(xué)模型，為礦柱回采過(guò)程的安全性分析提供了理論支撐，更好地指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)采；

2.利用靜態(tài)應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)中礦柱開(kāi)挖整個(gè)過(guò)程中礦柱、充填體的聲發(fā)射以及應(yīng)變情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了礦柱開(kāi)挖過(guò)程中礦柱承載規(guī)律及充填體卸荷及承載規(guī)律研究；

3.本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了對(duì)礦柱開(kāi)挖過(guò)程中“充填體-礦柱-充填體”力學(xué)系統(tǒng)應(yīng)力場(chǎng)演化機(jī)制的研究。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明試驗(yàn)儀器整體結(jié)構(gòu)示意圖

圖2為模具和試件結(jié)構(gòu)示意圖

圖3為礦石試塊示意圖

圖4為礦柱開(kāi)采過(guò)程充填體卸荷承載力學(xué)模型

圖5為本發(fā)明試驗(yàn)方法步驟流程圖

標(biāo)號(hào)說(shuō)明：

1：巖石試驗(yàn)機(jī)

2：試件，2-1：充填體，2-2：礦柱，2-3礦石試塊

3：模具，3-1：鋼板，3-2：“凸”字形鋼板，3-3：內(nèi)六角螺栓，3-4：肋板，3-5：卡槽

4-1：應(yīng)變儀，4-2應(yīng)變片

5-1：聲發(fā)射儀，5-2：探頭

6：微機(jī)電腦

7：導(dǎo)線

具體實(shí)施方式

本發(fā)明涉及一種以巖石力學(xué)理論為基礎(chǔ)，根據(jù)階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法開(kāi)采工藝建立基于礦柱開(kāi)挖過(guò)程的充填體-礦柱力學(xué)系統(tǒng)開(kāi)挖承載實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，利用液壓伺服試?yàn)機(jī)平臺(tái)并結(jié)合應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，研究礦柱開(kāi)挖過(guò)程充填體承載機(jī)制的試驗(yàn)儀器和試驗(yàn)方法。

下面結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖1～4對(duì)研究礦柱開(kāi)挖過(guò)程充填體承載機(jī)制試驗(yàn)儀器的重要部分做進(jìn)一步介紹：

巖石試驗(yàn)機(jī)1負(fù)責(zé)豎直方向提供載荷施加在試件2頂部上，荷載大小根據(jù)模擬現(xiàn)場(chǎng)的開(kāi)采環(huán)境重力場(chǎng)大小而定；試件2由“充填體-礦柱-充填體”組成，兩側(cè)充填體2-1按實(shí)驗(yàn)要求制作、養(yǎng)護(hù)，各面磨平后與礦柱2-2緊密結(jié)合在一起，中間礦柱2-2部分，為方便開(kāi)挖，由多片規(guī)整礦石試塊2-3縱向排列組合而成；組裝時(shí)，試件2置于底部鋼板3-1之上，鋼板之間通過(guò)嵌套和螺栓緊固連接，使試件2除開(kāi)挖面外四周水平位移固定，正、背面鋼板3-1外側(cè)設(shè)置加強(qiáng)肋板3-4，通過(guò)螺栓與底部鋼板連接，限制鋼板變形，兩側(cè)端部鋼板插入正、背面鋼板的卡槽3-5中，通過(guò)螺栓與底部鋼板連接，限制鋼板位移變形，模具3側(cè)壁中央活動(dòng)“凸”字形鋼板3-2與礦柱2-2平行并在縱向處于同一直線，方便礦柱2-2開(kāi)挖；試件2表面及模具3內(nèi)壁需要均勻涂抹一層凡士林，目的是使2與模具3更好的耦合，利于試驗(yàn)過(guò)程中聲發(fā)射信號(hào)監(jiān)測(cè)；應(yīng)變片4-2均勻粘貼在充填體2-1與礦柱2-2中央表面處，使應(yīng)變儀4-1全面地監(jiān)測(cè)充填體2-1與礦柱2-2在開(kāi)挖過(guò)程中的應(yīng)變變化，礦柱2-2開(kāi)挖順序是由外向內(nèi)的；探頭5-2放置在模具3外側(cè)壁上，每個(gè)側(cè)壁放置2個(gè)，能夠全面地采集充填體2-1與礦柱2-2在開(kāi)挖過(guò)程中的聲發(fā)射信號(hào)，放置原則為所有探頭5-2距中心距離相差不大，以模具3內(nèi)壁左內(nèi)角為原點(diǎn)，記錄探頭5-2的位置；導(dǎo)線7與應(yīng)變片4-2焊接處及應(yīng)變片4-2表面涂抹914膠，起到應(yīng)變片固定和防水、防潮作用。

礦柱開(kāi)挖過(guò)程，由應(yīng)變儀4-1記錄預(yù)先粘貼在充填體2-1與礦柱2-2表面應(yīng)變片4-2的應(yīng)變變化，同時(shí)由聲發(fā)射系統(tǒng)的聲發(fā)射儀5-1采集記錄開(kāi)挖過(guò)程充填體2-1與礦柱2-2的聲發(fā)射信號(hào)，以分析力學(xué)模型實(shí)驗(yàn)過(guò)程細(xì)-宏觀破壞規(guī)律，由此揭示“充填體-礦柱-充填體”組合系統(tǒng)在礦柱2-2開(kāi)挖條件下，充填體2-1卸荷承載力學(xué)機(jī)制。

下面結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖5對(duì)研究礦柱開(kāi)挖過(guò)程充填體承載機(jī)制試驗(yàn)方法的步驟進(jìn)一步介紹：

步驟一：調(diào)試巖石試驗(yàn)機(jī)，使其達(dá)到預(yù)加載荷，并在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中保持加載應(yīng)力不變；

步驟二：調(diào)試靜態(tài)應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用萬(wàn)能表對(duì)應(yīng)變片的電阻及應(yīng)變儀的電阻進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)所有應(yīng)變片進(jìn)行數(shù)據(jù)平衡處理，根據(jù)出現(xiàn)異常的現(xiàn)象及時(shí)排查：1、電阻值小——檢查導(dǎo)線是否有短路的地方，2、沒(méi)有電阻值——檢查導(dǎo)線與應(yīng)變儀連接的地方是否接觸不良；

步驟三：調(diào)試聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，記錄探頭位置坐標(biāo)，原點(diǎn)為模具的內(nèi)左角，所有探頭距中心距離相差不大；

步驟四：當(dāng)加載應(yīng)力達(dá)到預(yù)值時(shí)，同時(shí)開(kāi)啟靜態(tài)應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，開(kāi)始監(jiān)測(cè)并記錄充填體-礦柱未開(kāi)采時(shí)的應(yīng)變變化和聲發(fā)射情況；

步驟五：松開(kāi)內(nèi)六角螺栓，撤掉“凸”字形鋼板進(jìn)行礦柱開(kāi)挖，迅速敲擊礦石試塊四角邊緣，將礦石試塊擊碎并將碎片清出，完成本次礦柱開(kāi)挖，監(jiān)測(cè)并記錄聲發(fā)射以及應(yīng)變情況，為模擬真實(shí)采礦過(guò)程即“爆破崩礦-出礦-爆破崩礦-出礦”，要求礦柱開(kāi)挖過(guò)程迅速,礦石試塊擊碎后需等待10分鐘再進(jìn)行下一次礦柱開(kāi)挖，靜態(tài)應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)始終保持監(jiān)測(cè)、記錄狀態(tài)；

步驟六：重復(fù)“步驟五”，直至礦柱開(kāi)挖完畢；

步驟七：結(jié)果輸出，將靜態(tài)應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果以數(shù)值、圖像的形式輸出，并對(duì)開(kāi)挖礦柱兩側(cè)充填體的破壞情況進(jìn)行拍照，以方便后期試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。

具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：

應(yīng)變片數(shù)據(jù)分析：

左側(cè)充填體上應(yīng)變片自下至上的順序?yàn)?、2、3、4，右側(cè)充填體上應(yīng)變片自下至上的順序?yàn)?、6、7、8。

表1靜態(tài)應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)得礦柱開(kāi)挖過(guò)程中的應(yīng)變變化

從上表可以看出，左側(cè)充填體的所有應(yīng)變片均有變化，4號(hào)應(yīng)變片的應(yīng)變最大，這是由于4號(hào)應(yīng)變片距頂部較近，承受應(yīng)力最大，表現(xiàn)為應(yīng)變最明顯；右側(cè)充填體的5號(hào)應(yīng)變片位于底部，承受應(yīng)力最大，表現(xiàn)為應(yīng)變最明顯，并且右側(cè)充填體的應(yīng)變變化是由上至下逐漸增大的。

第一次開(kāi)挖，由于開(kāi)挖時(shí)充填體已經(jīng)開(kāi)始承受應(yīng)力，則應(yīng)變片的應(yīng)變開(kāi)始增加，同時(shí)由于施加載荷在充填體的承受范圍之內(nèi)，應(yīng)變變化較小。第二次開(kāi)挖，充填體仍具有較好的承載能力，應(yīng)變繼續(xù)增加但變化較小。第三次開(kāi)挖，充填體產(chǎn)生更大的暴露面，承受應(yīng)力的能力降低，應(yīng)變?cè)黾虞^大。在礦柱回采過(guò)程中，充填體持續(xù)承受頂板應(yīng)力，在側(cè)面出現(xiàn)暴露面后應(yīng)變會(huì)發(fā)生突然增大的現(xiàn)象，表明充填體具有支護(hù)作用，保護(hù)礦柱回采的安全。

聲發(fā)射數(shù)據(jù)分析：

在模具的正面、左面、背面、右面的鋼板外壁各安裝兩個(gè)探頭，編號(hào)依次為1-8號(hào)，每個(gè)面的左下角探頭編號(hào)為單數(shù)，右上角探頭編號(hào)為偶數(shù)，呈對(duì)角線分布，每個(gè)探頭分別與聲發(fā)射儀編號(hào)一致的通道相連接，現(xiàn)抽取每個(gè)面上的一個(gè)探頭進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

表2通道1和通道4聲發(fā)射特征參數(shù)值

表3通道5和通道8聲發(fā)射特征參數(shù)值

表2、3可以看出，在不同回采階段前期都會(huì)有聲發(fā)射信號(hào)突然增加的現(xiàn)象，表明此時(shí)模型承受應(yīng)力增加，充填體發(fā)生一定的破壞。隨著礦柱回采進(jìn)行，充填體產(chǎn)生暴露面增大，受到的應(yīng)力增加，易出現(xiàn)裂紋裂隙的演化，表現(xiàn)為聲發(fā)射特征信號(hào)隨著回采步驟的增加而逐漸增大。