一种充填体-岩柱系统力学作用机理试验方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及充填体-岩柱系统力学机理测试领域，具体涉及一种充填体-岩柱系统 力学作用机理试验方法。
【背景技术】
[0002] 充填体充入井下空区后，与岩体或矿柱共同协调作用形成充填体-岩柱系统控制 空区矿岩变形，Blight等人分别采用不同的手段和方法对充填体支撑岩体的力学作用机理 进行了力学试验研究，查剑峰等人为揭示煤矸石充填作用机理进行了类似的试验研究。为 描述低刚度的充填体与矿柱的相互作用机理，Blight采用高约100mm，内径203mm的钢桶，桶 内中央位置放置圆柱形岩石试件，四周按试验要求充填砂子等不同的充填材料，进行单轴 压缩试验，分析研究有、无充填料包围条件下的岩石强度以及不同充填材料包围条件下岩 石强度的变化，如图1所示，以此揭示充填体与岩体的相互作用机理。
[0003] 试验对有充填材料包围状态下的岩柱强度变化特性进行了很好的揭示，对实验过 程中岩柱、充填体各自受力变化、同一时刻二者受力特征以及整个试验过程岩柱和充填体 承载规律未能给以系统的揭示。
[0004] 充填体在充填空区内受四周围岩的约束，同时起到支撑顶板，减小围岩破坏变形， 减缓地表下沉的作用。对于充填体而言，一般情况下是以水泥为胶凝材料的多组分、多相复 合材料介质，其宏观力学性能与内部自身细观结构有着十分密切的关系。因此对于充填体 与岩体的统一系统而言，如能测定充填体内部以及岩石试件的加载变化关系，并将二者变 化规律与宏观受力相结合进行综合分析，将能进一步对充填体-岩体作用机理及承载规律 研究提供更为直观的实验依据和理论支撑。
[0005] 充填料浆充入井下空区后，与岩体或矿柱共同协调作用形成充填体-岩柱系统控 制空区矿岩变形。充填体在充填空区内受四周围岩的约束，同时起到支撑顶板，减小围岩破 坏变形，减缓地表下沉的作用。充填后空区的矿岩与充填体相互作用过程是一个十分复杂 的力学过程，研究充填体与岩柱相互作用机理有重要的意义。
[0006] 因此，如何提供一种试验方法，能够测定在充填体-岩柱系统加载过程中充填体受 力特征、岩柱变形规律以及充填体-岩柱系统宏观受力特征的相互关系，对研究充填体岩体 作用机理有着重要的意义。
【发明内容】
[0007] 本发明旨在提供一种充填体-岩柱系统力学作用机理试验方法，该试验方法在充 填体包围条件下岩柱加载过程中能系统地获得充填体内部变形破坏规律、岩柱破坏特性及 压缩时间关系特性。
[0008] 为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
[0009] -种充填体-岩柱系统力学作用机理试验方法，包括如下步骤：
[0010] S1、岩柱试件制备：加工制备规格为050mm,高度100mm的灰岩试件作为试验岩 (矿)柱的代用材料，进行常规单轴抗压强度试验和充填体-岩柱系统有侧限条件单轴加载 试验；
[0011] S2、自制弹性模块的加工制备:根据根据试验要求按设计的浓度和灰砂比制备充 填料衆，在20mm X 10mm X 5mm的小型塑料模具内加入充填料衆并刮平表面，在恒温恒湿养护 箱内按试验要求养护28天，制成作为粘贴应变片的表内介质的自制弹性模块；
[0012] S3、电阻应变片的粘贴与防水、防潮处理:将电阻应变片进行电阻测试后，用棉花 棒蘸丙酮将自制弹性模块欲贴片处清洗干净，采用防水防潮的914胶将测试正常的电阻应 变片按设定的方向粘贴在设计位置，然后用玻璃纸（或塑料袋)垫着用拇指压住至少一分 钟，压紧前注意左右挤压一会，以使气泡逸出，待应变片粘牢且914胶晾干后；
[0013] 蘸少许调好的914胶滴在应变片附近，将导线线脚等可能漏电的地方都包裹住，以 防短路，30~40min后，待914胶不粘手时，在弹性模块四周均匀地涂一薄层熔化好的防潮剂 涂液，涂层厚度小于0.5mm，将处理好的应变片试件静置一天以上时间即可埋置使用，埋置 前须进行电阻测试；
[0014] S4、岩柱试件应变片粘贴与防水处理:岩柱表面应变片沿轴向和垂直轴向粘贴2 组，共4片，用于常规单轴压缩试验的岩柱试件，其表面应变片用502胶粘贴，不做防水处理； 用于充填体-岩柱系统有侧限条件压缩试验的岩柱试件，其应变片需要进行防水处理，其粘 贴方法、防潮处理措施与步骤S3相同；
[0015] S5、将处理好的岩柱试件置于方形侧限钢板模具中间位置，将按设计制备好的充 填料浆充入钢板模具中，并将提前处理好的与充填料浆配比相配套的电阻应变片模块按照 实验装置设计的方向和位置埋入充填体内，待充填料浆充满钢板模具后，刮平表面，并将应 变片连接的导线按要求引领好，并作以标记，最后将制好试件放入恒温恒湿养护箱养护28 天；
[0016] S6、充填体-岩柱系统试件按设计龄期进行养护后，由养护箱内取出，按试验要求 将内埋应变片引出导线与应变仪连接，连接前须再次检测电阻值，以确保试验顺利进行；
[0017] S7、试验系统连接完成后，检查连接线路，按试验要求在WAW2000型液压伺服万能 试验机上分组进行有侧限条件下单轴压缩加载试验。
[0018] 其中，所述防潮剂由以下质量百分数的原料制备所得：白蜡50~60%，凡士林30~ 20%，甘油10~15%，纯松香10~5%。
[0019] 其中，试验采用HDYJ33A静态电阻应变仪和HDYZ22型转换箱监测试验过程中试件 系统的应变变化。
[0020] 本发明具有以下有益效果：
[0021] 对前期试验进行了改进，系统的揭示胶结充填体包围条件下岩柱强度变化特征规 律的同时，对充填体内部变形破坏规律、岩柱破坏特性以及压缩时间关系特性进行系统的 试验分析。
【附图说明】
[0022] 图1为现有技术中Blight充填体作用机理钢桶试验模型。
[0023]图2为本发明实施例中Y-2号试件单轴抗压强度应力应变关系曲线。
[0024]图3为本发明实施例中充填体-岩柱系统有侧限单轴加载试验力-位移关系曲线；
[0025] 图中，（a)充填体灰砂比1:6，浓度65% ; (b)充填体灰砂比1:6，浓度75% ; (c)充填 体灰砂比1:10，浓度65% ; (d)充填体灰砂比1:10，浓度75%。
[0026] 图4为本发明实施例中（灰砂比1:6、浓度75%)岩柱轴向应变过程曲线。
[0027]图5为本发明实施例(灰砂比1:6、浓度75 % )充填体轴向应变过程曲线。
[0028]图6为本发明实施例所使用的充填体岩体系统作用机理试验模型。
【具体实施方式】
[0029]为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步 详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发 明。
[0030] 本发明实施例所使用的充填体岩体系统作用机理试验模型如图6所示，加载模型 材料为45#钢，侧面由4块钢板组合而成，下面加装固定底座，钢板相互铰合并用螺栓连接， 45 #钢弹性模量2lOGPa，泊松比0.23。模型内腔空间尺寸为（长X宽X高）200mm X 200mm X 100mm。模型在满足试验要求的基础上，由圆筒改为正方形组合式便于试验完成后试件的卸 料工作，同时易于对加载后试件的分析观察，提高了实验便捷度和实验效率。在模型顶部加 装厚度为8mm的45 #钢方形垫板，保证实验过程中均匀受载，模型四周侧面钢板内部打磨光 滑，以减小摩擦，降低实验误差。
[0031] 实施例
[0032] S1、岩柱试件制备:按照表1所示的灰砂配比加工制备规格为05 Omm,高度100mm的 灰岩试件作为试验岩(矿)柱的代用材料，进行常规单轴抗压强度试验和充填体-岩柱系统 有侧限条件单轴加载试验;此次试验共制取岩石试件20件，一次标号Υ-1、Υ_2.......Υ-20。
[0033] 表1充填体-岩柱系统试验分组情况表
[0034]
[0035] S2、自制弹性模块的加工制备：按照实验设计的充填料浆浓度和灰砂配比制备料 衆，在20_ X 10_ X 5mm的小型塑料模具内加入充填料衆并刮平表面，在恒温恒湿养护箱内 按试验要求养护28天，得作为粘贴应变片的表内介质的自制弹性模块；
[0036] S3、电阻应变片的粘贴与防水、防潮处理:将电阻应变片进行电阻测试后，用棉花 棒蘸丙酮将自制弹性模块欲贴片处清洗干净，采用防水防潮的914胶将测试正常的电阻应 变片按设定的方向粘贴在设计位置，然后用玻璃纸（或塑料袋)垫着用拇指压住至少一分 钟，压紧前注意左右挤压一会，以使气泡逸出，待应变片粘牢且914胶晾干后；
[0037]蘸少许调好的914胶滴在应变片附近，将导线线脚等可能漏电的地方都包裹住，以 防短路，30~40min后，待914胶不粘手时，在弹性模块四周均匀地涂一薄层熔化好的防潮剂 涂液，涂层厚度小于0.5mm，将处理好的应变片试件静置一天以上时间即可埋置使用，埋置 前须进行电阻测试；
[0038] S4、岩柱试件应变片粘贴与防水处理:岩柱表面应变片沿轴向和垂直轴向粘贴2 组，共4片，用于常规单轴压缩试验的岩柱试件，其表面应变片用502胶粘贴，不做防水处理； 用于充填体-岩柱系统有侧限条件压缩试验的岩柱试件，其应变片需要