充填体与围岩复合岩体常规试验试样制作模具及制作方法

摘要

本发明涉及矿山充填体与围岩复合岩体力学性能测试领域，具体是充填体与围岩复合岩体常规试验试样制作模具及制作方法。底座上装有模板，模板由两个半圆形结构组成，突耳通过固定螺栓与反力架连接，反力架置于模板上方，反力架上装有固定顶丝，上压板由多个分体式结构组成。根据复合岩体的类型确定施加固定围岩上平面的上压板以及与之匹配的固定顶丝的个数；制作充填料浆浇筑到装有围岩的圆形孔腔中；施加分体结构中未使用到的上压板与固定顶丝封闭复合岩体试样；将复合岩体试样放置养护室24小时拆模，拆模后充填体养护；养护试件打磨成标准试件。本发明避免了传统的现场钻孔与切割取样对试样造成的损伤，降低了制作成本。

权利要求

1.一种充填体与围岩复合岩体常规试验试样制作模具，包括底座，模板，上压板，反力架，其特征在于：底座呈圆形结构，底座上装有模板，模板由两个半圆形结构组成，模板上部对称设置有两个突耳，突耳通过固定螺栓与反力架连接，反力架置于模板上方，反力架上装有固定顶丝，固定顶丝的下方设置有置于模板腔体内的上压板，上压板由四块分体式结构构成圆形结构；每个半圆形结构的两弧形端分别设置有连接座耳，连接座耳的高度与半圆形结构的高度等高，连接座耳上设置有安装孔；模板下部对称设置有两个安装突耳，两个安装突耳分别位于两个半圆形结构上，并且两个安装突耳对称设置，两个安装突耳分别通过螺栓与底座连接；上压板的四块分体式结构由第一分体结构、第二分体结构、第三分体结构和第四分体结构顺序排布组成，其中：第一分体结构与第四分体结构相同，该第一分体结构和第四分体结构为圆弧-直线段构成的半圆弧结构；第二分体结构与第三分体结构相同，第二分体结构和第三分体结构为圆弧-直线段-圆弧-直线段构成的结构。

2.根据权利要求1所述的充填体与围岩复合岩体常规试验试样制作模具，其特征在于：反力架上设置有四个顶丝安装孔。

3.一种如权利要求1至2中任意一项所述的充填体与围岩复合岩体常规试验试样制作模具的试样制作方法，按如下步骤进行：步骤A：根据复合岩体试样中围岩的尺寸加工围岩；

步骤B：通过连接螺丝将底板与两个半圆形结构构成的模板组合在一起，并将加工好的围岩放入由模板组成的圆形孔腔中；

步骤C：通过固定螺栓连接模板与反力架；

步骤D：根据复合岩体的类型确定是否需要施加固定围岩上平面的上压板以及与之匹配的固定顶丝的个数；

步骤E：根据复合岩体中充填体的配比和浓度要求制作充填料浆，并浇筑到装有围岩的模板组成的圆形孔腔中；

步骤F：施加分体结构中未使用到的上压板与固定顶丝封闭复合岩体试样；

步骤G：将封闭复合岩体试样放置养护室24小时后拆模，拆模后的充填体继续在养护室养护到指定时间；

步骤H：将养护到指定时间后的试件进行打磨制成标准试件。

4.根据权利要求3所述的试样制作方法，其特征在于：围岩与充填体的胶结面倾角为0°或15°或30°或45°或60°或75°或90°。

说明书

充填体与围岩复合岩体常规试验试样制作模具及制作方法

技术领域

[0001] 本发明涉及矿山充填体与围岩复合岩体力学性能测试领域，具体是一种充填体与围岩复合岩体常规试验试样制作模具及制作方法。

背景技术

[0002] 充填体与围岩相互作用机理是研究充填体料被充入采空区后形成充填体与围岩相互作用的力学机理，国内外学者针对充填体与围岩相互作用机理做了大量的研究工作，提出了3种采场充填体支护机理。表面支护作用，通过对采场边界块体的位移施加运动约束，防止在低应力条件下近场岩体在空间上渐进破坏。局部支护作用，由邻近的采矿活动引起的采场帮壁岩体的位移，发挥出被动抗力的作用。总体支护作用，如果充填体受到适当的约束，它在矿山结构中可以起一种总体支护构件的作用。目前国内外主要参考岩土力学的研究方法和成果，进行了充填体力学特性的研究，没有充分考虑矿床赋存条件和采场围岩性质，充填体与围岩相互作用机理有待进一步完善。全尾砂胶结充填是将选场尾砂浆加入适量的水泥和水合成高浓度的均质胶结充填料，沿充填钻孔、充填管向地下采空区输送浆体，浆体在采空区中逐渐形成具有一定强度和整体性的充填体与四周围岩胶结耦合在一起，因此充填体与围岩属于三轴受力环境下的一体两介质复合岩体。国内外学者主要针对近水平层状煤岩和盐岩所构成的复合岩体变形破坏特征进行了相似试验、数值模拟和力学试验研究，考虑接触面产状的复合岩体力学特性研究较少。通过力学试验充填体与围岩相互作用机理研究是一种有效的方法，但是目前多采现场钻孔取样进行力学试验，此方法具有对试样扰动与损伤大，采集不同倾角接触面的试样时，人力损耗和时间的浪费大，制作成本高。

发明内容

[0003] 本发明的目的在于提供一种制作不同接触面角度的充填体与围岩复合岩体三轴试验试样制作模具以及试样的制备方法，完善矿山充填体室内力学试验研究方法。

[0004] 为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

[0005] 一种充填体与围岩复合岩体常规试验模具，包括底座，模板，上压板，反力架，底座呈圆形结构，底座上装有模板，模板由两个半圆形结构组成，模板上部对称设置有两个突耳，突耳通过固定螺栓与反力架连接，反力架置于模板上方，反力架上装有固定顶丝，固定顶丝的下方设置有置于模板腔体内的上压板，上压板由多个分体式结构组成。

[0006] 上述试验模具的本发明与现有技术相比，避免了传统的现场钻孔与切割取样对试样造成的损伤，同时与现场取样相比，会大大降低试样制作的人力损耗和时间的浪费，降低了制作成本。

[0007] 试验模具的优选方案是：

[0008] 上压板由四块分体式结构构成。

[0009] 每个半圆形结构的两弧形端分别设置有连接座耳，连接座耳的高度与半圆形结构的高度等高，连接座耳上设置有安装孔。

[0010] 模板下部对称设置有两个安装突耳，两个安装突耳分别位于两个半圆形结构上，并且两个安装突耳对称设置，两个安装突耳分别通过螺栓与底座连接。

[0011] 上压板的四块分体式结构由第一分体结构、第二分体结构、第三分体结构和第四分体结构顺序排布组成，其中：第一分体结构与第四分体结构相同，该第一分体结构和第四分体结构为圆弧-直线段构成的半圆弧结构；第二分体结构与第三分体结构相同，第二分体结构和第三分体结构为圆弧-直线段-圆弧-直线段构成的结构。

[0012] 反力架上设置有四个顶丝安装孔。

[0013] 一种充填体与围岩复合岩体常规试验模具的试样制作方法，采用如下技术方案：

[0014] 步骤A：根据复合岩体试样中围岩的尺寸加工围岩；

[0015] 步骤B：通过连接螺丝将底板与两个半圆形结构构成的模板组合在一起，并将加工好的围岩放入由模板组成的圆形孔腔中；

[0016] 步骤C：通过固定螺栓连接模板与反力架；

[0017] 步骤D：根据复合岩体的类型确定是否需要施加固定围岩上平面的上压板以及与之匹配的固定顶丝的个数；

[0018] 步骤E：根据复合岩体中充填体的配比和浓度要求制作充填料浆，并浇筑到装有围岩的模板组成的圆形孔腔中；

[0019] 步骤F：施加分体结构中未使用到的上压板与固定顶丝封闭复合岩体试样；

[0020] 步骤G：将封闭复合岩体试样放置养护室24小时后拆模，拆模后的充填体继续在养护室养护到指定时间；

[0021] 步骤H：将养护到指定时间后的试件进行打磨制成标准试件。

[0022] 试样制作方法的优选方案是：

[0023] 围岩与充填体的胶结面倾角为0°或15°或30°或45°或60°或75°或90°。

附图说明

[0024] 图1-1为本发明模具结构示意图。

[0025] 图1-2为图1的侧视图。

[0026] 图1-3为图1的俯视图。

[0027] 图2-1为本发明底座结构示意图。

[0028] 图2-2为图2-1的侧视图。

[0029] 图2-3为图2-1的俯视图。

[0030] 图3-1为本发明模板结构示意图。

[0031] 图3-2为3-1的侧视图。

[0032] 图3-3为3-1的俯视图。

[0033] 图4为固定螺栓结构示意图。

[0034] 图5-1为反力架结构示意图。

[0035] 图5-2为图5-1的侧视图。

[0036] 图5-3为图5-3的俯视图。

[0037] 图6为固定顶丝结构示意图。

[0038] 图7-1为上压板结构示意图。

[0039] 图7-2为图7-1的侧视图。

[0040] 图7-3为图7-1的俯视图。

[0041] 图8-1为0°胶结面倾角复合岩体典型标准试样。

[0042] 图8-2为15°胶结面倾角复合岩体典型标准试样。

[0043] 图8-3为30°胶结面倾角复合岩体典型标准试样。

[0044] 图8-4为45°胶结面倾角复合岩体典型标准试样。

[0045] 图8-5为60°胶结面倾角复合岩体典型标准试样。

[0046] 图8-6为75°胶结面倾角复合岩体典型标准试样。

[0047] 图8-7为90°胶结面倾角复合岩体典型标准试样。

具体实施方式

[0048] 下面结合附图及实施例详述本发明：

[0049] 图中：底座1；螺丝孔槽1-1；模板2；安装座耳螺丝孔2-1；螺丝孔2-2；固定螺栓3；螺栓杆3-1；螺栓螺母3-2；反力架4；突耳连接螺丝孔4-1；连接螺丝孔4-2；固定顶丝5；上压板6，第一分体结构601、第二分体结构602、第三分体结构603、第四分体结构604；上压板螺丝孔槽6-2；连接螺丝7；底板连接螺丝8、突耳9、连接座耳10、安装突耳11。

[0050] 如图1 8-7中所示，本发明的一种充填体与围岩复合岩体三轴试验试样制作模具，~由底座1、模板2、固定螺栓3、反力架4、固定顶丝5、上压板6和连接螺丝7、突耳9、连接座耳10和安装突耳10等组成。

[0051] 模板2由两个半圆形结构组成，模板2上部对称设置有两个突耳9，突耳9通过固定螺栓3与反力架4连接，反力架4置于模板2的上方，反力架4上装有固定顶丝5，固定顶丝5的下方设置有置于模板腔体内的上压板6，上压板6由多个分体式结构组成。

[0052] 上压板6的直径与模板2腔体直径相等，上压板6由四块分体式结构构成或由两块分体式构成；每个半圆形结构模板2的两弧形端分别设置有连接座耳10，连接座耳10的高度与半圆形结构模板2的高度等高，连接座耳10上设置有安装孔。

[0053] 模板2下部对称设置有两个安装突耳11，两个安装突耳11分别位于两个半圆形结构上，并且两个安装突耳11对称设置，两个安装突耳11分别通过螺栓与底座1连接，安装突耳11与连接座耳10呈相隔90度的弧度角设置在模板2的外圆周上。

[0054] 上压板6的四块分体式结构由第一分体结构601、第二分体结构602、第三分体结构603和第四分体结构604顺序排布组成，其中：第一分体结构601与第四分体结构604相同，第一分体结构601和第四分体结构604为圆弧-直线段构成的半圆弧结构；第二分体结构602与第三分体结构603相同，第二分体结构602和第三分体结构603为圆弧-直线段-圆弧-直线段构成的结构；上压板6分体式结构最好等分构成或对称分布，利于施加力的过程中，压力能够均匀分布，这样最后形成的标准试样内部组织能够分布均匀，便于后续试验。

[0055] 反力架4上设置有四个顶丝安装孔。

[0056] 底座1为圆形，半径为37mm，对称设置两个螺丝孔槽1-1；模具2由具有两个相同尺寸的半圆形结构组成，每个半圆形结构的模板布置12个螺丝孔2-2和两个突耳9，半圆形构的模板2圆弧部分内部半径为25mm，高度为110mm；模板2两个半圆形结构模板通过连接螺丝7组合成圆形孔腔，底板连接螺丝8穿过模板2下部的安装座耳螺丝孔2-1与底板1的螺丝孔槽1-1，将模板2与底板1组合在一起；上压板6由4块组成半径为25mm的圆形，每块上设置1个螺丝孔槽6-2，用于定位固定顶丝5；反力架4设置6个螺丝孔，两端2个为连接螺丝孔4-1；固定螺栓杆3-1穿过反力架4两端的螺丝孔和模板2上部的突耳螺丝孔，通过螺母3-2将反力架
4与模板2组合在一起；固定顶丝5设置4个，通过反力架4中间对应的4个螺丝孔4-2旋转前进固定4块上压板6。

[0057] 本实施例试样制作模具，整体可采用金属或强度高的非金属材料制成。

[0058] 使用方法的实施例1：

[0059] 如图8-1至8-5所示，当胶结面为0至60°时，根据复合岩体试样围岩部分的尺寸加工围岩；通过连接螺丝7、底板连接螺丝8将底板1与两个半圆形结构构成的模板2组合在一起，并将加工好的围岩放入由模板2组成的圆形孔腔中；通过固定螺栓3连接摸板2与反力架4；由于围岩的最大高度未形成在圆形孔腔中的上平面结构，因此，无需施加上压板6，根据复合岩体充填体部分的配比和浓度要求制作充填料浆并浇筑到模板2组成的圆形孔腔中；
施加由四个分体结构组成的上压板6，上压板6通过与固定顶丝5的共同作用一起封闭复合岩体试样；将封闭复合岩体试样放置养护室24小时后拆模，拆模后的充填体继续在养护室养护到指时间，例如5小时；将养护到指定时间后的试件进行打磨制成标准试件。

[0060] 使用方法的实施例2：

[0061] 如图8-6至8-7所示，当胶结面为75°至90°时（或小于75°而大于60°，只要能够根据底面与高度的比例大小出现上平面即可），根据复合岩体试样围岩部分的尺寸加工围岩；通过连接螺丝7、底板连接螺丝8将底板1与两个半圆形结构构成的模板2组合在一起，并将加工好的围岩放入由模板2组成的圆形孔腔中；通过固定螺栓3连接摸板2与反力架4；由于围岩的最大高度已在在圆形孔腔中形成上平面结构；

[0062] 当胶结面为75°时，因此，需要施加上压板6，需要施加上压板6中最右边的一部分即可，也就是第四分体结构604，（是指图7-3中所示的结构），需要一个固定顶丝5起固定作用即可；然后，根据复合岩体充填体部分的配比和浓度要求制作充填料浆并浇筑到模板2组成的圆形孔腔的其余空余部分中，直至于整个空腔的最顶端相平齐；然后上压板6中其他未使用的三部分上压板6，该三部分上压板6分别通过其他三件固定顶丝5进行固定，全部上压板6通过与固定顶丝5的共同作用一起封闭复合岩体试样；将封闭复合岩体试样放置养护室24小时后拆模，拆模后的充填体继续在养护室养护到指时间，例如5.5小时；将养护到指定时间后的试件进行打磨制成标准试件。

[0063] 如果当胶结面为90°时，则需要施加上压板6中右边两块，也就是第三分体结构603和第四分体结构604（是指图7-3中所示的结构），需要两个固定顶丝5起固定作用即可；然后，根据复合岩体充填体部分的配比和浓度要求制作充填料浆并浇筑到模板2组成的圆形孔腔的其余一半空余部分中，直至于整个空腔的最顶端相平齐；然后上压板6中其他未使用的两部分上压板6，该两部分上压板6分别通过其他两件固定顶丝5进行固定，全部上压板6通过与固定顶丝5的共同作用一起封闭复合岩体试样；将封闭复合岩体试样放置养护室24小时后拆模，拆模后的充填体继续在养护室养护到指时间，例如4.5小时；将养护到指定时间后的试件进行打磨制成标准试件。