一種含水矸石壓縮試驗裝置及其試驗方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種矸石壓縮試驗裝置及其試驗方法。
【背景技術(shù)】
[0002]為了實現(xiàn)綠色開采，保證煤炭開采與環(huán)境保護協(xié)調(diào)發(fā)展，采礦學(xué)者及工程技術(shù)人員提出了充填開采技術(shù)，即將矸石、粉煤灰、膏體等充填材料隨著采煤工作面的推進充填至工作面后方采空區(qū)的開采技術(shù)。采用矸石充填開采技術(shù)可控制巖層移動和地表沉陷，做到矸石不升井，減少地面矸石山，節(jié)約大量土地，有效抑制煤層及頂?shù)装鍎恿ΜF(xiàn)象，保護礦區(qū)生態(tài)，實現(xiàn)安全生產(chǎn)。在矸石充填開采技術(shù)中，矸石是一種散體材料，作為永久支撐體直接充入采空區(qū)中，在覆巖的壓力下，矸石被壓實硬化，對覆巖起支撐作用。因此，研究矸石的壓實變形特性對于充填的成功與否有著重要的意義。
[0003]由于礦井涌水、通風(fēng)降塵散水、煤層注水等原因造成井下充填矸石總是賦存于一定的含水環(huán)境中，含水情況下矸石的壓實變形特性與自然狀態(tài)的矸石存在著顯著差別，水的作用可使矸石的強度、變形破壞等力學(xué)特性發(fā)生變化，減弱矸石對覆巖的支撐作用。矸石在壓實過程中的壓縮量和受力大小是分析矸石壓縮特性的重要參數(shù)，由于矸石是散體材料，應(yīng)力無法像剛體一樣較好的從頂部傳遞到底部，造成矸石在受壓過程中不同高度位置的壓縮量及受力大小不同，并且采空區(qū)不同高度位置矸石的含水量也是不盡相同的。因此，掌握不同高度位置矸石含水的壓實變形特性以及不同高度位置矸石的壓縮量及受力大小，可為采空區(qū)充填工程提供試驗依據(jù)及指導(dǎo)，對控制地表沉陷具有重要意義。
[0004]中國專利申請CN203053782U公開了一種矸石充填試驗壓縮模具，主要針對松散矸石進行壓縮試驗，其功能單一，沒有考慮不同含水量下矸石的壓縮特性，以及如何測定不同高度位置矸石的壓縮量及受力大小。
[0005]中國專利申請CN100337107C公開了一種破碎巖體多相耦合蠕變試驗方法及其裝置，適用于破碎巖體的壓縮蠕變、固一液耦合及固一氣耦合滲透試驗；中國專利申請CN2532480Y公開了一種破碎巖石及非固結(jié)多孔材料滲透試驗附加裝置，可用來進行破碎巖石的滲透試驗和壓縮試驗。上述技術(shù)中，雖然可以進行不同含水量破碎煤巖的壓縮試驗，但試驗過程中水賦存于整個試樣矸石中，沒有考慮到不同高度位置矸石的含水量是不同的，也無法測定不同高度位置矸石的壓縮量及受力大小。
[0006]另一方面，現(xiàn)有技術(shù)中的矸石壓縮試驗方法，不能滿足在進行矸石壓縮試驗的同時，研究不同高度位置矸石的含水量對壓縮過程的影響，并實時測定矸石不同高度位置的壓縮量及受力大小。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是，為解決測定矸石不同高度位置的壓縮量及受力大小，提供一種操作簡便、適于實驗室內(nèi)的一種含水矸石壓縮試驗裝置及其試驗方法。
[0008]本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是:
[0009]—種含水矸石壓縮試驗裝置，其特征在于，它包括一個盛裝矸石的鋼筒、鋼筒內(nèi)的壓盤、鋼筒底部的滲水板、放置鋼筒的滲水底座和出水底座以及備用的若干注水筒；其中，
[0010]所述的鋼筒在整個高度上劃分為多層，鋼筒筒體的每層高度線上設(shè)有對稱布置的進水螺孔；
[0011 ] 所述的注水筒上帶有體積刻度，注水筒的底面連接有帶控制進水量閥門的注水導(dǎo)管，注水導(dǎo)管的出水端設(shè)有與鋼筒的進水螺孔相配合的外螺紋，通過外螺紋使注水導(dǎo)管可連接在鋼筒進水螺孔上；
[0012]所述的鋼筒每層內(nèi)的矸石中都埋設(shè)有壓力傳感器；所述的鋼筒的筒體頂部固定有拉線位移傳感器，拉線位移傳感器的數(shù)量與鋼筒劃分層數(shù)相等，拉線位移傳感器的拉頭分別布置在鋼筒的每層矸石內(nèi)，拉頭用拉線與拉線位移傳感器連接；
[0013]所述的壓盤上設(shè)有與拉線位移傳感器和壓力傳感器總數(shù)量相同的導(dǎo)孔；所述的滲水底座是一個凹槽型底座，凹槽內(nèi)設(shè)有若干滲水孔；
[0014]所述的出水底座用于放置滲水底座，出水底座上設(shè)有出水凹槽和出水通道。
[0015]進一步，所述的鋼筒上設(shè)有20個進水螺孔，20個進水螺孔平均分布在五個高度上，每個高度的四個進水螺孔對稱布置。
[0016]進一步，所述的拉線位移傳感器固定在支架上，支架是在螺紋桿上設(shè)有伸縮桿和卡箍，螺紋桿安裝在鋼筒的支架螺孔上，位移傳感器卡緊在卡箍上，用伸縮桿來調(diào)節(jié)拉線位移傳感器的位置。
[0017]進一步，所述的壓盤是一個凸臺型圓柱鋼，凸臺的大直徑與鋼筒的內(nèi)徑匹配。
[0018]上述含水矸石壓縮測試裝置的試驗方法，包括如下步驟:
[0019]第一步:試驗不同高度位置矸石的壓縮量及受力大小關(guān)系
[0020]第1.1步，在實驗室內(nèi)組裝不同高度位置矸石含水壓縮試驗裝置，首先將滲水底座放置在出水底座上；
[0021]第1.2步，在滲水底座凹槽中放置上滲水板，再放置上鋼筒，并采用密封圈使鋼筒外壁與底座凹槽的接觸縫隙進行密封處理；
[0022]第1.3步，在鋼筒中鋪設(shè)試樣矸石，在鋪設(shè)矸石的同時，將拉線位移傳感器的拉頭和壓力傳感器埋設(shè)至各個高度層的位置；
[0023]第1.4步，待矸石鋪至最高層時，將壓盤放置于鋼筒中，使拉線位移傳感器的拉線和壓力傳感器的導(dǎo)線從壓盤的導(dǎo)孔中穿出，并保證壓盤處于水平狀態(tài)，保證拉線位移傳感器的拉線處于導(dǎo)孔的軸線上；
[0024]第1.5步，在鋼筒上固定安裝上拉線位移傳感器，連接上拉線位移傳感器的拉線；將拉線位移傳感器和壓力傳感器的信號線連接在實驗室數(shù)據(jù)采集儀上；
[0025]第1.6步，將組裝好的上述裝置放置于試驗機下壓板之上，調(diào)節(jié)試驗機的上壓板壓與壓盤頂面接觸，即可進行加載試驗；加載時通過數(shù)據(jù)采集儀記錄試驗機、拉線位移傳感器和壓力傳感器的數(shù)據(jù)，記錄的數(shù)據(jù)可傳輸給計算機實時顯示；待試驗結(jié)束時，停止加載，將記錄的數(shù)據(jù)保存進行處理，從而得到加載過程中各個高度層受力大小與壓縮率關(guān)系；
[0026]第1.7步:取下矸石壓縮裝置，卸下拉線位移傳感器，緩慢取出壓盤，并進行排水、矸石清理和取出壓力傳感器，待下次用；
[0027]第二步:試驗不同高度位置矸石的含水量對壓縮過程的影響
[0028]第2.1步，確定試驗方案，包括試驗的層號以及該層的加水量；
[0029]第2.2步，按照第1.1步-1.5步組裝實驗裝置；要求試驗的矸石與第一步的矸石是同批次；
[0030]第2.3步，根據(jù)試驗方案確定的試驗層高度和加水量，將注水筒的注水導(dǎo)管螺紋連接在該層的進水螺孔上，并進行密封處理；將其余高度的進水螺孔進行封堵密封；
[0031]第2.4步，將組裝好的試驗裝置放置于試驗機下壓板之上，通過注水筒向矸石中注水，達到試驗方案設(shè)定的水量后關(guān)閉注水導(dǎo)管閥門；然后按照第1.6步開始加載試驗，得到該試驗方案中矸石的壓縮率與受力大小的關(guān)系；要求加載力情況與第一步試驗相同；
[0032]第2.5步，將第2.4步得到的試驗結(jié)果與第1.6步試驗結(jié)果相比較，從而可以得到該試驗方案中涉及的層號矸石的含水量對壓縮過程的影響；試驗結(jié)束，取下矸石壓縮裝置，卸下注水筒和拉線位移傳感器，緩慢取出壓盤，并進行排水、矸石清理和取出壓力傳感器，待下次用；
[0033]第2.6步，以此類推，多次試驗，得到不同高度位置矸石的含水量對壓縮過程的影響。
[0034]本發(fā)明的有益效果:
[0035]1、可在實驗室內(nèi)進行不同高度位置矸石含水的壓縮試驗，通過調(diào)節(jié)注水筒的安裝高度來控制不同高度位置矸石的進水量，改變傳統(tǒng)的含水矸石壓縮試驗試樣全部濕潤方法；可同步實現(xiàn)矸石進水與矸石壓縮試驗，能夠獲得不同高度位置壓縮矸石的壓縮量和受力大小。
[0036]2、當試樣矸石達到飽和后，多余的水可向外流出，避免了矸石達到飽和后仍然浸泡于水中以及液體壓力對矸石變形特性的影響，進而保證含水矸石壓縮特性試驗的可靠性。
[0037]3、通過伸縮桿來調(diào)節(jié)拉線位移傳感器的位置，進一步保證了整個實驗裝置結(jié)構(gòu)上的合理性與實用性。
[0038]4、整個實驗裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、操作簡便等特點，可為采空區(qū)充填工程提供試驗依據(jù)及指導(dǎo)，對控制地表沉陷具有重要科學(xué)意義。
[0039]5、應(yīng)用廣泛，除了可用于矸石充填開采等地下工程問題，還可用于巖土邊坡穩(wěn)定性分析、碎石地基處理和路基變形計算等建筑、交通工程領(lǐng)域。
【附圖說明】
[0040]圖1為本發(fā)明的矸石壓縮試驗裝置示意圖；
[0041]圖2為本發(fā)明的鋼筒筒身主視圖；
[0042]圖3為圖2的俯視圖；
[0043]圖4為本發(fā)明滲水底座主視圖；
[0044]圖5為本發(fā)明出水底座主視圖；
[0045]圖6為本發(fā)明的位移傳感器支架主視圖；
[0046]圖7為圖6的俯視圖。
[0047]圖中，1-壓盤、2-位移傳感器支架、3-鋼筒、4-注水筒、5-滲水底座、6_出水底座、7-滲水板、8-試驗機下壓板、9-試驗機上壓板、10-壓力傳感器、11-數(shù)據(jù)采集儀、12-計算機、101-導(dǎo)孔、201-螺紋桿、202-彈簧、203-卡箍、204-拉線位移傳感器、205-拉線、206-拉頭、207-伸縮桿、301-進水螺孔、302-支架螺孔、401-注水導(dǎo)管、402-閥門、501-底座凹槽、502-滲水孔、601-出水凹槽、602-出水通道。
【具體實施方式】
[0048]下面參照附圖進一步說明實施例。
[0049]如圖1所示，一種不同高度位置矸石含水壓縮試驗裝置，它包括一個盛裝矸石的鋼筒3、鋼筒3內(nèi)的壓盤1、鋼筒3底部的滲水板7、放置鋼筒3的滲水底座5和出水底座6以及備用的若干注水筒4 ;其中，
[0050]所述的鋼筒3在整個高度上劃分為五層，鋼筒3筒體每層的高度線上設(shè)有對稱布置的進水螺孔301，鋼筒3頂面設(shè)有支架螺孔302，如圖2、3