一种围岩体时效变形与充填体硬化过程相互作用的监测装置及分析方法

1.本发明涉及围岩体监测技术领域，具体为一种围岩体时效变形与充填体硬化过程相互作用的监测装置及分析方法。


背景技术：

2.金属矿山开采过程中会产生大量采空区和尾矿。据统计，我国矿山固体废弃物总量已超过250亿吨，约有1.2万个尾矿库，尾矿库总量超过100亿吨，并以每年6亿吨的速度增长。将尾砂、废石等矿山废弃物制备成充填体回填至采空区，可为地下采矿提供安全作业平台并管控地压，消除采空区坍塌等灾害，达到“一充治三废，一废治两害”的目的。因此，发展智能、绿色、经济的充填采矿技术是解决矿山生态环境问题的关键突破口。充填体特性的发挥主要依赖于和围岩体的相互作用。这种相互作用主要由两方面因素决定：(1)采场胶结充填体硬化过程的时间效应，除了胶结剂水化反应等的影响，还受制于深部围岩温度和时效变形共同作用，会改变充填体硬化过程的微观结构演化；另外，在交界面产生的摩擦作用会在充填体内部形成应力成拱结构，也会影响充填体的微观结构演化和硬化进程。(2)深部围岩体自身流变效应具有的时间依赖性，尤其是深部高应力、高温、破碎岩体和暴露空间较大的采场，该变形过程往往持续时间较长。
3.深部开采是保障我国金属矿产资源可持续开发与供给的最主要途径。浅部开采时，地应力范围约为10～20mpa，井温一般小于30℃；深部开采时，开采深度超过千米甚至更深，原岩应力可达到40～80mpa，工作面温度高达30～60℃。此种环境下的岩石流变特征显著，其变形具有很强的时间依赖性，这是与浅部开采的主要区别之一。而胶结充填体的硬化过程受应力、温度养护的影响较大，并且体现出明显的体积变形特性，该过程具有显著的时间效应，其硬化过程在深部围岩强流变和高温作用下会如何变化？这种变化反之对围岩的变形产生何种影响，面对时效特征都如此显著的两体相互作用问题，以往不考虑时间效应的相互作用力学模型及分析已显得不能适用。
4.因此，根据矿山充填作用的不同和深部矿山充填的特点，为了实现合理的、经济的、精准的根据围岩体条件配置充填体类型和指定充填方案，本领域技术人员迫切需要通过一种较方便、可同步分析围岩体时效变形和充填体硬化过程的相互作用力学特性，且能够同时分析充填体充入采场的过程，例如关键的充填参数、充填速率、充填时机等问题。进而得到根据围岩体条件精准的配置充填体类型和实现根据围岩条件指定合理的充填方法，达到按需分配充填体类型，进而实现充填体的精准化，实现采场的个性化充填，这能够极大的提高矿山的充填效率和节省充填成本。但是，现阶段缺乏对围岩体时效变形和充填膏体硬化过程实现上述力学作用过程分析和监测功能的试验装置来达到上述目的。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种围岩体时效变形与充填体硬化过程相互作用的监测
装置及分析方法，不但能够完成充填采场开挖后围岩体在各级预应力作用下的蠕变变形全场变形监测，而且能够同时分析充填体充入采场后其硬化过程对围岩体蠕变变形的影响过程，且能够得到这种影响对围岩体全场变形的影响范围，且能够分析围岩体时效变形挤压充填体在应力养护过程中，充填体在采场内部的变形特性和强度分布特征，同时在试验过程中可监测充填体内部的温度变化分析充填体的水化热变化情况，也可分析充填体与围岩体之间的热传递过程，这为研究工作的进一步深入提供了必要手段。
6.为实现上述目的，发明提供如下技术方案：一种围岩体时效变形与充填体硬化过程相互作用的监测装置，包括槽钢、钢支架与浇筑箱体、高强度透明材料板、采空区塑料泡沫充填体、围岩体、矿柱、分布式光纤传感线、漏斗、超声波传感器、温度和应变光纤传感器、可承压和防水式应力盒、钢管、铁块、计算机、光纤光栅解调仪、应力盒数据采集仪、超声波波形采集仪、连接线、收敛变形计、限位安装顺槽，所述槽钢上承载有钢支架与浇筑箱体，所述钢支架与浇筑箱体内浇筑有围岩体，所述钢支架与浇筑箱体的一侧面上安装有高强度透明材料板，所述围岩体内部贴合高强度透明材料板处设置有两个采空区塑料泡沫充填体，所述钢支架与浇筑箱体内位于围岩体的上方设置有铁块，所述采空区塑料泡沫充填体的上部设置有钢管，所述钢管的上端延伸到铁块之上设置有漏斗，所述围岩体内设置有矩阵排列的可承压和防水式应力盒，所述采空区塑料泡沫充填体的内底面上设置有温度和应变光纤传感器，所述采空区塑料泡沫充填体的底部侧面上设置有超声波传感器。
7.优选的，所述围岩体内布设有分布式光纤传感线。
8.优选的，所述钢支架与浇筑箱体的内侧面上设置有收敛变形计。
9.优选的，所述围岩体内的采空区塑料泡沫充填体去除后浇筑成矿柱。
10.优选的，所述温度和应变光纤传感器通过连接线连接有光纤光栅解调仪，所述可承压和防水式应力盒通过连接线连接有应力盒数据采集仪，所述超声波传感器通过连接线连接有超声波波形采集仪，所述光纤光栅解调仪、应力盒数据采集仪和超声波波形采集仪分别连接有计算机。
11.优选的，所述钢支架与浇筑箱体的支架上设置有用于便捷拆卸或组装侧护板的限位安装顺槽。
12.该围岩体时效变形与充填体硬化过程相互作用的监测分析方法，具体包括以下步骤：
13.步骤一：根据所要研究具体矿山采空区尺寸大小，根据相似准则中的量纲分析原理确定物理模型中充填采场和矿柱的相对尺寸大小，确定采空区塑料泡沫充填体的尺寸大小；
14.步骤二：制备50*100mm的圆柱体试样进行单轴加载和单轴拉伸试验，确定所要模拟的岩体单轴抗拉和抗压强度；
15.步骤三：确定所需充填体材料的固体浓度，胶结剂含量，20um以下的尾砂细颗粒需达到15％以上；依据公式：达到15％以上；依据公式：计算出尾砂、胶结剂和水的用量；制备充填膏体
材料，将尾砂、胶结剂倒入搅拌机，充分混合后添加所需水，搅拌机搅拌10-15min，充分混合均匀；
16.步骤四：根据步骤二确定的围岩体相似材料的强度大小，选择其强度的50％、70％、80％、90％四个应力梯度作为构筑不同预应力条件下围岩体；预应力通过在模型的顶部放置恒定重量的铁块进行施加；预应力作用下围岩体变形时间范围的选择需保证大于尾砂胶结充填体宏观强度获得近稳定对应的养护龄期为27～29天；
17.步骤五：将数根槽钢1和钢支架与浇筑箱体2依次按照顺序装配成型结构，躺着平放形成一个方形的密闭方形槽，对将要安装高强度有机玻璃板的一侧朝上；
18.步骤六：根据前述设计出的采空区和矿柱的尺寸，将预先根据采空区大小定制的塑料泡沫块放置在模型的中心位置，形成采空区塑料泡沫充填体；
19.步骤七：：将制备好的围岩体相似材料浇筑在模具中，当浇筑液面高度达到模型厚度的一半时，将可承压和防水式应力盒依次按照顺序布设放置，并将引线手动从此时模型的底部穿出，以备连接应力盒数据采集仪；将充填恒速蠕变泵的管路接入采空区顶板位置，而后继续灌入料浆，使得料浆充满整个模型；
20.步骤八：将浇筑好的模型用塑料膜包住，进行养护，达到养护28天后，用吊车将模型立起来，而后将采空区塑料泡沫充填体的塑料泡沫块抠除，并在采空区中布设收敛变形计、超声波传感器和温度和应变光纤传感器，并将引线引出；在模型的正面喷洒散斑，架设dic全场应变测量装置连接光纤光栅解调仪，而后将高强度有机玻璃板安装；
21.步骤九：按照预应力梯度计算出预先准备好的铁块数量，并将铁块放置在模型的顶部，实现恒定的预应力加载，并加载大于24小时的时长，与此同时，将各个监测仪器连接至数据采集仪开始工作；
22.步骤十：当围岩体蠕变变形达到大于24小时的时长后，首先进行给定漏斗的定量分析，得到选定漏斗下料的恒定速率大小，通过几何相似等相似准则，得到实现地下采场不同充填率的模拟，而后通过前述钢管，基于漏斗模拟灌入充填料浆的延迟时间差异及充填速率，与此同时监测记录各个数据采集仪的数据变化；
23.步骤十一：整理监测数据，分析围岩体时效变形规律及其与尾砂胶结充填体硬化过程的相互作用，分析尾砂胶结充填体硬化过程对围岩体时效变形的影响。
24.优选的，步骤一的具体实施步骤为：
25.在模型几何尺寸设计中，保持原型与模型的几何相似是模型试验的基本条件，即其中的o代表原型，m代表模型；
26.在考虑场地条件和工作量后，决定选择几何相似比为c
l
＝x，即采空区、矿柱模型长度及高度均在原型尺寸上缩小x倍；
27.材料的相似物理量可以考虑材料的单轴抗压强度、弹性模量和密度，此处密度相似比取惯用的密度比1.7；
28.根据和c
σ
＝ce＝c
lcρ
可得材料的单轴抗压强度、弹性模量相似比。
29.优选的，步骤二中所述圆柱体试样的制备材料及处理为：
30.根据前人研究经验，相似材料的来源为，准备选取石膏和碳酸钙为胶结材料，河砂
和重晶石为骨料；其中的石膏为高强石膏粉，碳酸钙为重质碳酸钙，河砂为级配粒径小于1mm的细河砂，重晶石粒径为0.5～1mm；按相似材料配比称量制作模型试验体所需的重质碳酸钙、水、石膏、砂和重晶石；为了使相似材料均质性最大化先将各类干料放入搅拌机内搅拌，待各类材料均匀搅拌后，分多次加入适量的水继续搅拌，直至材料到达均质要求。
31.优选的，步骤三中所述尾砂细颗粒通过激光粒度扫描仪确定。
32.与现有技术相比，发明的有益效果是：
33.1、本发明的实验设备，具有操作简单，造价低廉，同时可进行多种方案充填膏体硬化过程与围岩体时效变形相互作用过程的试验。例如单个采空区充填体与围岩体相互作用试验、上下采空区充填体与围岩体相互作用试验、二步骤开采中充填体与围岩体相互作用试验等。
34.2、本发明可实现模拟充填采场开挖后围岩体在各级预应力作用下的蠕变变形全场内部变形和表面变形同步监测分析。
35.3、本发明可实现模拟充填采场开挖充填后后围岩体在各级预应力作用下的蠕变变形受到充填体硬化过程影响下的全场内部变形和表面变形同步监测分析。
36.4、本发明可实现模拟围岩体蠕变变形影响对充填体硬化过程的影响分析，实现围岩体蠕变变形影响下充填体内部超声波特性、温度变化和内部应变变化的监测分析。
37.5、本发明可实现模拟分析充填体充入采场后其内部温度场与围岩体温度场的热交换过程分析。
38.6、可本发明实现根据围岩体变形条件精准的配置能够最好的控制围岩变形量的充填体类型和充填方案。
39.7、本发明不但能够方便的实现不同埋深下的围岩体时效变形与充填体硬化过程的相互作用过程试验，而且能够充分考虑充填体充入采场的充填过程和充填方案，而且结合多种监测手段，能够全面的获取充填体与围岩体相互作用过程的多源信息响应，进而能够帮助深入理解充填体充入采场后围岩体的相互作用机理，进而得到根据围岩体条件精准的配置充填体类型和实现根据围岩条件指定合理的充填方法，达到按需分配充填体类型，进而实现充填体的精准化，实现采场的个性化充填，这能够极大的提高矿山的充填效率和节省充填成本。
附图说明
40.图1为一种围岩体时效变形与充填体硬化过程相互作用的监测装置的结构示意图一；
41.图2为一种围岩体时效变形与充填体硬化过程相互作用的监测装置的内部设置示意图；
42.图3为一种围岩体时效变形与充填体硬化过程相互作用的监测装置的结构示意图二。
43.图中：1-槽钢；2-钢支架与浇筑箱体；3-高强度透明材料板；4-采空区塑料泡沫充填体；5-围岩体；6-矿柱；7-分布式光纤传感线；8-漏斗；9-超声波传感器；10-温度和应变光纤传感器；11-可承压和防水式应力盒；12-钢管；13-铁块；14-计算机；15-光纤光栅解调仪；16-应力盒数据采集仪；17-超声波波形采集仪；18-连接线；19-收敛变形计；20-限位安装顺
槽。
具体实施方式
44.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
45.请参阅图1至图3所示，发明提供一种技术方案：一种围岩体时效变形与充填体硬化过程相互作用的监测装置，包括槽钢1、钢支架与浇筑箱体2、高强度透明材料板3、采空区塑料泡沫充填体4、围岩体5、矿柱6、分布式光纤传感线7、漏斗8、超声波传感器9、温度和应变光纤传感器10、可承压和防水式应力盒11、钢管12、铁块13、计算机14、光纤光栅解调仪15、应力盒数据采集仪16、超声波波形采集仪17、连接线18、收敛变形计19、限位安装顺槽20，所述槽钢1上承载有钢支架与浇筑箱体2，所述钢支架与浇筑箱体2内浇筑有围岩体5，所述钢支架与浇筑箱体2的一侧面上安装有高强度透明材料板3，所述围岩体5内部贴合高强度透明材料板3处设置有两个采空区塑料泡沫充填体4，所述钢支架与浇筑箱体2内位于围岩体5的上方设置有铁块13，所述采空区塑料泡沫充填体4的上部设置有钢管12，所述钢管12的上端延伸到铁块13之上设置有漏斗8，所述围岩体5内设置有矩阵排列的可承压和防水式应力盒11，所述采空区塑料泡沫充填体4的内底面上设置有温度和应变光纤传感器10，所述采空区塑料泡沫充填体4的底部侧面上设置有超声波传感器9。
46.本实施例中，所述围岩体5内布设有分布式光纤传感线7。
47.本实施例中，所述钢支架与浇筑箱体2的内侧面上设置有收敛变形计19。
48.本实施例中，所述围岩体5内的采空区塑料泡沫充填体4去除后浇筑成矿柱6。
49.本实施例中，所述温度和应变光纤传感器10通过连接线18连接有光纤光栅解调仪15，所述可承压和防水式应力盒11通过连接线18连接有应力盒数据采集仪16，所述超声波传感器9通过连接线18连接有超声波波形采集仪17，所述光纤光栅解调仪15、应力盒数据采集仪16和超声波波形采集仪17分别连接有计算机14。
50.本实施例中，所述钢支架与浇筑箱体2的支架上设置有用于便捷拆卸或组装侧护板的限位安装顺槽20。
51.该围岩体时效变形与充填体硬化过程相互作用的监测分析方法，具体包括以下步骤：
52.步骤一：根据所要研究具体矿山采空区尺寸大小，根据相似准则中的量纲分析原理确定物理模型中充填采场和矿柱的相对尺寸大小，确定采空区塑料泡沫充填体4的尺寸大小；
53.步骤二：制备50*100mm的圆柱体试样进行单轴加载和单轴拉伸试验，确定所要模拟的岩体单轴抗拉和抗压强度；
54.步骤三：确定所需充填体材料的固体浓度，胶结剂含量，20um以下的尾砂细颗粒需达到15％以上；依据公式：
计算出尾砂、胶结剂和水的用量；制备充填膏体材料，将尾砂、胶结剂倒入搅拌机，充分混合后添加所需水，搅拌机搅拌10-15min，充分混合均匀；
55.步骤四：根据步骤二确定的围岩体相似材料的强度大小，选择其强度的50％、70％、80％、90％四个应力梯度作为构筑不同预应力条件下围岩体；预应力通过在模型的顶部放置恒定重量的铁块13进行施加；预应力作用下围岩体变形时间范围的选择需保证大于尾砂胶结充填体宏观强度获得近稳定对应的养护龄期为27～29天；
56.步骤五：将数根槽钢1和钢支架与浇筑箱体2依次按照顺序装配成型结构，躺着平放形成一个方形的密闭方形槽，对将要安装高强度有机玻璃板的一侧朝上；
57.步骤六：根据前述设计出的采空区和矿柱的尺寸，将预先根据采空区大小定制的塑料泡沫块放置在模型的中心位置，形成采空区塑料泡沫充填体4；
58.步骤七：：将制备好的围岩体相似材料浇筑在模具中，当浇筑液面高度达到模型厚度的一半时，将可承压和防水式应力盒11依次按照顺序布设放置，并将引线手动从此时模型的底部穿出，以备连接应力盒数据采集仪16；将充填恒速蠕变泵的管路接入采空区顶板位置，而后继续灌入料浆，使得料浆充满整个模型；
59.步骤八：将浇筑好的模型用塑料膜包住，进行养护，达到养护28天后，用吊车将模型立起来，而后将采空区塑料泡沫充填体4的塑料泡沫块抠除，并在采空区中布设收敛变形计19、超声波传感器9和温度和应变光纤传感器10，并将引线引出；在模型的正面喷洒散斑，架设dic全场应变测量装置连接光纤光栅解调仪15，而后将高强度有机玻璃板安装；
60.步骤九：按照预应力梯度计算出预先准备好的铁块13数量，并将铁块13放置在模型的顶部，实现恒定的预应力加载，并加载大于24小时的时长，与此同时，将各个监测仪器连接至数据采集仪开始工作；
61.步骤十：当围岩体蠕变变形达到大于24小时的时长后，首先进行给定漏斗的定量分析，得到选定漏斗下料的恒定速率大小，通过几何相似等相似准则，得到实现地下采场不同充填率的模拟，而后通过前述钢管12，基于漏斗8模拟灌入充填料浆的延迟时间差异及充填速率，与此同时监测记录各个数据采集仪的数据变化；
62.步骤十一：整理监测数据，分析围岩体时效变形规律及其与尾砂胶结充填体硬化过程的相互作用，分析尾砂胶结充填体硬化过程对围岩体时效变形的影响。
63.本实施例中，步骤一的具体实施步骤为：
64.在模型几何尺寸设计中，保持原型与模型的几何相似是模型试验的基本条件，即其中的o代表原型，m代表模型；
65.在考虑场地条件和工作量后，决定选择几何相似比为c
l
＝x，即采空区、矿柱模型长度及高度均在原型尺寸上缩小x倍；
66.材料的相似物理量可以考虑材料的单轴抗压强度、弹性模量和密度，此处密度相似比取惯用的密度比1.7；
67.根据和c
σ
＝ce＝c
lcρ
可得材料的单轴抗压强度、弹性模量相似比。
68.本实施例中，步骤二中所述圆柱体试样的制备材料及处理为：
69.根据前人研究经验，相似材料的来源为，准备选取石膏和碳酸钙为胶结材料，河砂和重晶石为骨料；其中的石膏为高强石膏粉，碳酸钙为重质碳酸钙，河砂为级配粒径小于1mm的细河砂，重晶石粒径为0.5～1mm；按相似材料配比称量制作模型试验体所需的重质碳酸钙、水、石膏、砂和重晶石；为了使相似材料均质性最大化先将各类干料放入搅拌机内搅拌，待各类材料均匀搅拌后，分多次加入适量的水继续搅拌，直至材料到达均质要求。
70.本实施例中，步骤三中所述尾砂细颗粒通过激光粒度扫描仪确定。
71.工作原理：本发明的实验设备，具有操作简单，造价低廉，同时可进行多种方案充填膏体硬化过程与围岩体时效变形相互作用过程的试验。例如单个采空区充填体与围岩体相互作用试验、上下采空区充填体与围岩体相互作用试验、二步骤开采中充填体与围岩体相互作用试验等。本发明可实现模拟充填采场开挖后围岩体在各级预应力作用下的蠕变变形全场内部变形和表面变形同步监测分析。本发明可实现模拟充填采场开挖充填后后围岩体在各级预应力作用下的蠕变变形受到充填体硬化过程影响下的全场内部变形和表面变形同步监测分析。本发明可实现模拟围岩体蠕变变形影响对充填体硬化过程的影响分析，实现围岩体蠕变变形影响下充填体内部超声波特性、温度变化和内部应变变化的监测分析。本发明可实现模拟分析充填体充入采场后其内部温度场与围岩体温度场的热交换过程分析。可本发明实现根据围岩体变形条件精准的配置能够最好的控制围岩变形量的充填体类型和充填方案。本发明不但能够方便的实现不同埋深下的围岩体时效变形与充填体硬化过程的相互作用过程试验，而且能够充分考虑充填体充入采场的充填过程和充填方案，而且结合多种监测手段，能够全面的获取充填体与围岩体相互作用过程的多源信息响应，进而能够帮助深入理解充填体充入采场后围岩体的相互作用机理，进而得到根据围岩体条件精准的配置充填体类型和实现根据围岩条件指定合理的充填方法，达到按需分配充填体类型，进而实现充填体的精准化，实现采场的个性化充填，这能够极大的提高矿山的充填效率和节省充填成本。
72.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。