一种固体充填材料压缩试验装置的制作方法

1.本实用新型涉及固体充填材料力学性质测试技术领域，尤其涉及一种固体充填材料压缩试验装置。


背景技术：

2.传统大规模的垮落法采煤，对煤炭资源造成了很大的损失、给矿区及周边地区生态环境造成了很大的破坏，主要表现为：(一)煤炭损失严重：建筑物下、水体下、铁路下等“三下”压煤损失严重，据不完全统计，目前已探明的损失量高达142亿吨；同时区段间也有一定的煤柱损失。(二)矿山固体废弃物排放量大：煤矿在开采煤炭时产生了大量的矸石固体废弃物，其排放量约占煤炭产量的10％～15％，一般的处理方法是直接外排堆存在地表，形成矸石山；矿山固体废弃物地面排放会造成环境污染与危害、侵占良田以及会导致次生灾害。(三)矿山开采带来严重的环境破坏：主要表现为土地资源破坏严重、地下水大量流失、地表塌陷。
3.鉴于垮落法开采引起的上述问题，目前最好的解决方法即为充填开采，而充填开采中应用最多、材料来源最为广泛的为固体充填开采。在固体充填开采工艺中，固体充填材料的力学性质在充填效果中起着关键性作用，目前对充填材料的力学性质测试基本上都是采用侧限压缩试验，即利用具有一定刚度的钢筒作为装料装置，如图1所示；再利用电液伺服压力机通过活塞对固体充填材料进行压缩，测试其应力
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应变曲线，分析材料的力学性质。这种装置操作简便，在一定程度上可以很好地反应固体充填材料力学性质。
4.本技术的实用新型人在实现本实用新型创造的过程中发现：当前为研究固体填充材料力学性质开展的侧限压缩试验，并不能较为真实地模拟实际充填过程中充填材料所表现出的力学行为(即实际受力状态)，致使现有的侧限压缩试验结果并不能较为准确地反映出固体充填材料在实际充填开采中的力学性质。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本实用新型实施例提供一种能较为真实地模拟实际充填过程中充填材料实际受力状态的固体充填材料压缩试验装置，基于该实验装置进行侧限压缩实验得到的实验结果，可较准确地反映出固体充填材料在实际充填开采中的力学性质。
6.第一方面，本实用新型实施例提供一种固体充填材料压缩试验装置，包括：模型箱，所述模型箱包括底板，在所述底板上围设有第一侧板、第二侧板、第三侧板及第四侧板，所述第一侧板、第二侧板、第三侧板及第四侧板围设的空间形成填料空间，用于模拟采空区，所述第一侧板与第三侧板相对，分别用于模拟采煤工作面上、下顺槽，所述第二侧板与第四侧板相对，所述第二侧板用于模拟开切眼煤壁，所述第四侧板两端分别活动连接于所述第一侧板与第三侧板上，且在与第二侧板的连线方向上可移动，在所述第四侧板上设有施压部件，在所述施压部件的推动下，所述第四侧板朝向所述第二侧板方向移动，以用于模拟实际充填过程中固体填充材料受到的来自液压支架上的夯实机构的侧向夯实力；
7.所述第一侧板与第三侧板顶部架设有多根与所述第四侧板平行设置的卸料板，所述卸料板上具有向所述填料空间中填料的填料口，所述卸料板用于模拟实际充填过程中液压支架后顶梁上悬挂的底卸式输送机。
8.可选地，所述第一侧板的顶端沿长度方向等间距设有多个第一凹槽部，在所述第二侧板的顶端沿长度方向等间距设有多个第二凹槽部，且所述第一凹槽部与所述第二凹槽部对应设置，所述卸料板一端设于所述第一凹槽部中，另一端设于所述第二凹槽部中。
9.可选地，所述第一凹槽部与第二凹槽部为半圆状凹槽，所述卸料板的两端具有半圆形搭接部，所述卸料板的两端通过所述半圆形搭接部搭接于所述半圆状凹槽中。
10.可选地，所述卸料板是由金属薄板制成的截面为圆弧状的钣金件。
11.可选地，所述施压部件为千斤顶。
12.本实用新型实施例提供的固体充填材料压缩试验装置，考虑到实际充填开采中的充填步距和侧向压力对充填材料的力学影响，通过将第四侧板可移动地设置，并在第四侧板上设置施压部件，以用于在实验过程中模拟实际充填过程中固体填充材料受到的来自液压支架上的夯实机构的侧向夯实力；并且在所述第一侧板与第三侧板顶部架设置多根与所述第四侧板平行设置的卸料板，所述卸料板上具有向所述填料空间中填料的填料口，所述卸料板用于在实验过程中模拟实际充填过程中液压支架后顶梁上悬挂的底卸式输送机，通过设置多个卸料板以在实验过程中模拟实际充填过程中采空区采用不同的填充步距对固体填充材料的力学影响环境。由此，本实用新型可以较为真实地模拟实际充填过程中充填材料实际受力状态，进而基于该实验装置进行侧限压缩实验得到的实验结果，可较准确地反映出固体充填材料在实际充填开采中的力学性质。
附图说明
13.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
14.图1为为现有固体充填材料力学侧限压缩试验所用的钢筒示意图；
15.图2为本实用新型一实施例固体充填材料压缩试验装置结构示意图；
16.图3为本实用新型一实施例固体充填材料压缩试验流程示意图。
具体实施方式
17.下面结合附图对本实用新型实施例进行详细描述。
18.应当明确，为了更加清楚说明本实用新型，在以下的具体实施例中描述了众多技术细节，本领域技术人员应当理解，没有其中的某些细节，本实用新型同样可以实施。另外，为了凸显本实用新型的主旨，涉及的一些本领域技术人员所熟知的方法、手段、零部件及其应用等未作详细描述，但是，这并不影响本实用新型的实施。本文所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。
19.目前对充填材料的力学性质测试或实验，基本上都是采用如图1所示的侧限压缩实验装置开展侧限压缩试验，利用电液伺服压力机将力通过传力杆2及端部的活塞3对钢筒1中填充的固体充填材料4进行压缩，测试其应力
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应变曲线，分析材料的力学性质。这种装置操作简便，在一定程度上可以很好地反应充填材料力学性质。但是在实际充填的过程中，充填材料在充填区域会受到支架夯实机构的侧向夯实力，而且，在充填的过程中，不同的充填步距，也对充填效果产生影响。因此在不同的充填步距和侧向压力条件下，充填材料可能会表现出不同的力学行为。而现有的侧限压缩试验装置，没有考虑到实际充填过程中固体填充材料受到的来自支架夯实机构的侧向压力，也没有考虑到充填步距的影响。由于现有的侧限压缩试验装置，不能够较为真实地模拟实际充填过程中充填材料实际受力状态，因此基于现有的侧限压缩试验装置开展的试验结果与充填体实际的变形和受力过程存在一定的偏差。
20.为解决现有的侧限压缩实验装置中存在的上述技术问题，参看图2所示，本实用新型实施例提供的固体充填材料压缩试验装置，适用于对充填开采中的固体填充材料的力学性能进行实验研究及分析；所述装置包括：模型箱，所述模型箱包括底板，在所述底板上围设有第一侧板10、第二侧板20、第三侧板30及第四侧板40，所述第一侧板10、第二侧板20、第三侧板30及第四侧板40围设的空间形成填料空间50，用于模拟采空区，所述第一侧板10与第三侧板30相对，分别用于模拟采煤工作面上、下顺槽，所述第二侧板20与第四侧板40相对，所述第二侧板20用于模拟开切眼煤壁，所述第四侧板40两端分别活动连接于所述第一侧板10与第三侧板30上，且在与第二侧板20的连线方向上可移动，在所述第四侧板40上设有施压部件41，在所述施压部件41的推动下，所述第四侧板40朝向所述第二侧板20方向移动，以用于模拟实际充填过程中固体填充材料受到的来自液压支架上的夯实机构的侧向夯实力。
21.所述第一侧板10与第三侧板30顶部架设有多根与所述第四侧板40平行设置的卸料板60，所述卸料板60上具有向所述填料空间中填料的填料口，所述卸料板60用于模拟实际充填过程中液压支架后顶梁上悬挂的底卸式输送机，进而在实验过程中，利用所述卸料板60调整卸料位置点，以模拟实际充填过程中不同的填充步距对固体填充材料的力学影响环境。
22.本实用新型实施例提供的固体充填材料压缩试验装置，考虑到实际充填开采中的充填步距和侧向压力对充填材料的力学影响，通过将第四侧板40可移动地设置，并在第四侧板40上设置施压部件41，以用于在实验过程中模拟实际充填过程中固体填充材料受到的来自液压支架上的夯实机构的侧向夯实力；并且在所述第一侧板10与第三侧板30顶部架设置多根与所述第四侧板40平行设置的卸料板60，所述卸料板60上具有向所述填料空间中填料的填料口，所述卸料板60用于在实验过程中模拟实际充填过程中液压支架后顶梁上悬挂的底卸式输送机，通过设置多个卸料板60以在实验过程中模拟实际充填过程中采空区采用不同的填充步距对固体填充材料的力学影响环境。由此，本实用新型可以较为真实地模拟实际充填过程中充填材料实际受力状态，进而基于该实验装置得到的实验结果，可较准确地反映出固体充填材料在实际充填开采中的力学性质。
23.其中，在一些卸料板60的实现方式中，所述第一侧板10的顶端沿长度方向等间距设有多个第一凹槽部11，在所述第二侧板20的顶端沿长度方向等间距设有多个第二凹槽部
21，且所述第一凹槽部11与所述第二凹槽部21对应设置，所述卸料板60一端设于所述第一凹槽部11中，另一端设于所述第二凹槽部21中。
24.具体地，所述第一凹槽部11与第二凹槽部21为半圆状凹槽，所述卸料板60的两端具有半圆形搭接部，所述卸料板60的两端通过所述半圆形搭接部搭接于所述半圆状凹槽中。
25.所述卸料板是由金属薄板制成的截面为圆弧状的钣金件。其中，金属薄板是指厚度为0.2
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3mm的金属板。所述金属板包括铁板、钢板及工程塑料板等。
26.所述施压部件41为千斤顶。
27.为了帮助理解本实用新型实施例提供的技术方案与技术效果，现结合图2及图3，对基于本实施例提供的固体充填材料压缩试验装置开展的实验方法进行展开叙述。所述方法包括步骤：
28.s10、根据实际充填开采中液压支架上的夯实机构与液压支架底座的铰接点与底卸式输送机中心之间的水平距离，调整第四侧板40到第一根卸料板60的填料口中心线的距离a
m
。
29.其中，第一根卸料板60是以第二侧板20为参照物向第四侧板40方向计数，即第一根卸料板60靠近第二侧板侧。
30.本实施例中，通过根据实际充填开采中液压支架上的夯实机构与液压支架底座的铰接点与底卸式输送机中心之间的水平距离，调整第四侧板40到第一根卸料板60的填料口中心线的距离，可以较真实地模拟实际充填开采中支架上夯实机构与底座的铰接位置与底卸式输送机中心的水平距离，为实验结果能够较准确地反映真实的固体填充材料在实际充填开采中的力学性能或行为提供实验环境或条件。
31.s20、通过所述第一根卸料板60上的填料口向所述填料空间中填充料，用于模拟“采一充一”的充填开采模式。
32.其中，“采一充一”为充填开采中的技术术语，指的是开采第二条支巷时进行第一条支巷采后形成的采空区的填充；类似地，本文中提到的“采二充一”及“采n充一”也为充填开采中的技术术语，就不再赘述。
33.s30、当所述填料空间填满料时，利用所述施压部件41朝向第二侧板20方向推动第四侧板40，以模拟液压支架上的夯实机构的侧向夯实过程。
34.本实施例中，在实验装置的结构上及实验方法上考虑到充填步距和侧向压力对充填材料的影响，使得测得的充填材料的力学性质更接近于井下充填的实际情况，进而得到的实验结果可较为准确地反映实际充填开采中固体填充材料的力学性能及行为。
35.s40、在完成夯实后，利用电液伺服压力机对充填材料进行压缩，监测压缩的充填料体积变化率及应变
‑
应力曲线。
36.其中，电液伺服压力机为材料拉伸、压缩实验中常用的设备，为现有技术，为凸显实用新型主旨，就不再对其结构及功能进行详细描述。
37.本实用新型实施例中，由于充分考虑了侧向压力及填充步距对实际开采过程中固体填充材料的力学影响，基于前述各施例中的固体充填材料压缩试验装置，提供了一种能较为真实地模拟实际充填过程中充填材料实际受力状态的固体充填材料压缩试验方法，基于该实验方法得到的实验结果，可较为准确地反映出固体充填材料在实际充填开采中的力
学性质。
38.在一些实施例中，所述方法还包括：改变实验过程中填料的位置，从第n根卸料板60上的填料口向所述填料空间中填充料，用于模拟“采n充一”的充填开采模式；所述n≥1，且n为整数。
39.基于不同的填料位置，分别重复步骤s30及s40，监测得到每次改变填充料位置后，压缩的充填料体积变化率及应变
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应力曲线，以模拟实际充填过程中不同的填充步距对固体填充材料的力学影响环境。
40.根据每次得到的压缩的充填料体积变化率及应变
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应力曲线，分析不同的填充步距对固体填充材料的力学影响。
41.本实施例中，通过改变实验过程中填料的位置，可以测得实际不同充填步距条件下，固体充填材料的受力状态，根据该实施例提供的每次实验结果进行比较分析，可较为真实地了解充填步距对充填材料的影响规律，为充填开采工程实践提供理论指导。例如，从第一根卸料板处进行填料得到一次压缩的充填料体积变化率及应变
‑
应力曲线，从第二根卸料板处进行填料得到一次压缩的充填料体积变化率及应变
‑
应力曲线，从第三根卸料板处进行填料得到一次压缩的充填料体积变化率及应变
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应力曲线
……
，如此得到多个实验数据，将每次实验数据进行比较分析，根据分析结果了解充填步距对充填材料的影响规律。其中，图2中，示意的d
m
为第四侧板40到第三根卸料板60的填料口中心线的距离。
42.可以理解的是，填料点位置的数量可以根据需要设置多个，即对应卸料板可以设置多根，图2中示意出的三个填料点位置是为了帮助理解，不能视为对本实施例填料点位置(或卸料板)数量的限定。
43.进一步地，理论上讲，充填步距越小，充填效果越好，但相应的充填效率越低；反之，充填步距越大，充填效果越差；而充填效率越高。本实施例中，通过测试不同充填步距条件下的填充材料的力学性能(反映充填效果)和充填效率，结合实际工作面顶板控制所需的充实率，可以确定出合理的充填步距，为充填开采工程实践提供较为精准的理论指导。
44.在另一些实施例中，所述方法还包括：每次实验中，改变施压部件41的推力大小，具体为侧向推力大小，以模拟不同的侧向夯实力的夯实过程。
45.监测得到每次改变推力大小后，压缩的充填料体积变化率及应变
‑
应力曲线，以模拟实际充填过程中不同的侧向夯实力对固体填充材料的力学影响环境。
46.根据每次得到的压缩的充填料体积变化率及应变
‑
应力曲线，分析不同的侧向夯实力对固体填充材料的力学影响。
47.本实施例中，通过改变实验过程中的侧向推力大小，可以测得用于反映实际工况中不同的侧向夯实力条件下，固体充填材料的受力状态，根据该实施例提供的每次实验结果进行比较分析，可较为真实地了解侧向压力对充填材料的影响规律，为充填开采工程实践提供理论指导。类似于前述改变填料位置，得到多个实验数据，在该实施例中通过改变推力大小，每次得到一组实验数据，根据不同的推力大小，可以得到多组实验数据，将得到的多组实验数据分别进行比较，即可分析出侧向压力对充填材料的影响规律。
48.在又一些实施例中，每次实验中，改变施压部件41的推力大小及填料的位置，监测得到每次改变推力大小及填料位置后，压缩的充填料体积变化率及应变
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应力曲线，以模拟实际充填过程中不同的侧向夯实力及不同的填充步距对固体填充材料的力学影响环境；
49.根据每次得到的压缩的充填料体积变化率及应变
‑
应力曲线，分析不同的侧向夯实力及填充步距对固体填充材料的力学影响。
50.本实施例中，通过改变实验过程中的侧向推力大小及卸料位置点，可以测得用于反映实际工况中不同的侧向夯实力及不同的填充步距条件下，固体充填材料的受力状态，根据该实施例提供的每次实验结果进行比较分析，可较为真实地综合了解不同的侧向夯实力及不同的填充步距整体对充填材料的影响规律，为充填开采工程实践提供理论指导。具体地，在步骤s10之前，所述方法还包括：制作所述固体充填材料压缩试验装置；
51.具体为：根据采煤工作面的实际采高和充填液压支架的关键参数，确定合理的模型相似比α
l
；所述关键参数包括液压支架上的夯实机构与液压支架底座的铰接点与底卸式输送机中心之间的水平距离。
52.基于所述模型相似比确定模型箱尺寸；其中，基于所述模型相似比及公式
53.确定出模型箱尺寸。
54.取3块高度相等的高强度厚钢板，分别为第一侧板10、第二侧板20及第三侧板30，固定连接于底板上形成三面固定连接的箱体，用来模拟实际采煤工作面中三面封闭的采空区空间；其中，第一侧板10、第三侧板30分别与第二侧板20呈90
°
夹角连接，且第一侧板10与第三侧板30相对，即第一侧板10与第三侧板30平行；所述第一侧板10与第三侧板30分别用于模拟采煤工作面上、下顺槽，所述第二侧板20用于模拟开切眼煤壁。
55.一些可实现方式中，第一侧板10、第二侧板20及第三侧板30采用螺栓固定连接，或者焊接固定。
56.在所述箱体中、与所述第二侧面相对的一面，嵌入一块可沿与第二侧板20的连线方向移动的第四侧板40，用来模拟工作面可移动的充填液压支架的夯实机构；所述第二侧板20与第四侧板40为同等材质且等高的高强度钢板；
57.在所述第四侧板40的外侧安装千斤顶，用来向第四侧板40施加侧向压力，以模拟实际充填过程中固体填充材料受到的来自液压支架上的夯实机构的侧向夯实力；
58.在所述第一侧板10顶端沿长度方向等间距开设多个第一凹槽部11，在所述第二侧板20的顶端沿长度方向等间距开设多个第二凹槽部21；其中，第一凹槽部11与第二凹槽部21在一些实施例中为半圆槽，其半径相同，所述间距b
m
用来模拟采煤工作面采煤机的截深；
59.制作与所述第四侧板40等长的卸料板60，在所述卸料板60中心开设填料口，将所述卸料板60一端搭接于所述第一凹槽部11中，另一端搭接于所述第二凹槽部21中，用于模拟液压支架后顶梁上悬挂的底卸式输送机。
60.具体地，制作一根与第四侧板40等长的中间带有一条凹槽的铁片，用作所述卸料板60，使其两端搭接在第一侧板10与第三侧板30的半圆槽内，该铁片用来模拟充填液压支架后顶梁上悬挂的底卸式输送机，铁片中间的凹槽用来模拟输送机的卸料槽。
61.在一些实施例中，改变卸料位置的方式除了设置多根卸料板60之外，还可以用一根实现，每次根据模拟的充填步距改变卸料板60的位置即可，例如：卸料板60放在靠近第二侧板20的第一组第一凹部与第二凹部上，代表“采一充一”，放在距离第二侧板20的第二组第一凹部与第二凹部上，代表“采二充一
”……
，以此类推。
62.本实用新型实施例提供的固体充填材料压缩试验装置，基于在工程实践中科学地
发现了充填步距和侧向压力对充填材料力学性质的影响，并在考虑该实际充填因素对固体充填材料力学性能的影响的基础上，创造性地发明了考虑充填步距和侧向压力的固体充填材料压缩试验装置，并基于该装置开展实验方法，在一定程度上可以解决现有的侧限压缩试验测得的充填材料的力学性质与实际力学性质有偏差的问题，提高了侧限压缩实验结果的准确性及实际参考价值。
63.以上仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。