本发明公开了一种变角度散体充填材料试验装置，该装置主要包括变角结构、压实箱体、底座三个部分。变角结构包括由导杆、齿插板、承压变角板构成的主动角度设定装置，以及由变角压头和夹持套块组成的从动角度施压装置两部分。底座下部与主动角度设定装置铰接，上部承载压实箱体，通过改变承压变角板在导杆上的位置来实现角度变换，并相应设置变角压头的角度，使变角压头始终与压实箱体贴合。本发明结构简单、操作方便，能够模拟不同倾角下的煤层在充填开采时矸石、风积沙、黄土等散体充填材料的承压力学特性。
1.一种变角度散体充填材料试验装置，其特征在于，包括变角结构（1）、压实箱体（2）、底座（3）三个部分，所述变角结构包括主动角度设定装置（101）和从动角度施压装置（102）；
所述主动角度设定装置（101）由导杆（4）、齿插板（5）、承压变角板（6）构成，所述从动角度施压装置（102）由夹持套块（7）、变角压头（8）组成；
所述导杆（4）由主导杆、副导杆两个相同的杆状构件平行设置组成，所述杆状构件一端有圆形穿销孔（9），中部有矩形断面的镂空，镂空处上下平面设有直齿条（10）；
所述齿插板（5）为一长方体板，其中一端中部开口，开口宽度与承压变角板（6）宽度相同，未开口端与导杆（4）同宽且上下表面设有与导杆（4）的直齿条（10）啮合的直齿条；
所述承压变角板（6）由下方的承压板（11）和上方的变角杆（12）通过螺栓（13）连接而成，所述变角杆（12）为截面呈直角半圆拱形的杆状构件，且螺栓（13）的中心与变角杆（12）的半圆部分圆心同轴；所述承压板（11）为顶部呈弧形凹槽的长方体板，弧形凹槽与变角杆（12）的半圆同直径，变角杆（12）的半圆部分贴合弧形凹槽旋转；所述承压板（11）的底部两端匹配插入齿插板（5）的开口中，通过导杆（4）与齿插板（5）的直齿条啮合将所述承压变角板（6）固定在两个导杆（4）之间；
所述底座（3）为顶角带圆形穿销孔的“L”形直角板，底座（3）的顶角与导杆（4）铰接在一起，二者共同围绕销子作定轴转动；
所述压实箱体（2）由上部开口的箱体及顶盖板组成，贴合放置在底座（3）上面；
所述夹持套块（7）由中间去除1/4内切圆柱的长方体与圆柱形顶盖组成；所述变角压头（8）呈扇形且半径不大于所述内切圆柱的半径，变角压头（8）位于夹持套块（7）内部，两者对应开设有若干个方形穿销孔（14），方形销子（15）穿过对应的方形穿销孔（14）将两者固定在压实箱体（2）的顶盖板上。
2.根据权利要求1所述的一种变角度散体充填材料试验装置，其特征在于，所述变角压头（8）为角度为135°的扇形体构件，所述扇形体右侧表面分布有0°45°角度标注，分度值为~
5°，扇形体上左侧开设有6个方形穿销孔（14），所述穿销孔（14）大小相同、平行于半径方向且中心都在同一个圆弧上，穿销孔从左至右角度分别为10°、20°、30°、40°、50°、85°。
3.根据权利要求1或2所述的一种变角度散体充填材料试验装置，其特征在于，所述夹持套块（7）的长方体上分布有6个方形穿销孔，所述方形穿销孔大小相同、平行于半径方向且中心都在同一个圆弧上，穿销孔从左至右角度分别为5°、45°、55°、65°、75°、85°。
4.根据权利要求1所述的一种变角度散体充填材料试验装置，其特征在于，所述压实箱体（2）为长方体，有效装料空间长×宽×高为250 mm×200 mm×200 mm。
5.根据权利要求1所述的一种变角度散体充填材料试验装置，其特征在于，所述压实箱体（2）与顶盖板均采用厚20 mm的Q235钢板的制成；压实箱体（2）内部放置包括矸石、风积沙、黄土在内的散体充填材料。
6.根据权利要求1至3任一所述的变角度散体充填材料试验装置的试验方法，其特征在于，对散体充填材料进行压实力学特性试验，模拟倾斜煤层充填开采后散体充填材料的承压力学性能，具体的试验步骤是：（1）将底座（3）与导杆（4）铰接在一起，放置在万能试验机试验台上，两个承压变角板（6）放置在两个导杆（4）之间，移动两个承压变角板（6）的位置，调整底座（3）的倾斜角度至待模拟地层倾角，从导杆（4）外侧插入齿插板（5），固定住两个承压变角板（6）；
（2）将压实箱体（2）放置在底座（3）上，紧靠底座（3）的下侧防止滑动，将散体充填材料装入箱体并预压平整，盖好顶盖板；
（3）将夹持套块（7）安装在万能试验机压头上，变角压头（8）放置在夹持套块（7）开口中间，对变角压头（8）进行旋转，使其下端与压实箱体（2）的顶盖板贴合，用方形销子（15）对变角压头（8）进行固定；
（4）启动万能试验机，设定试验机加载压力与加载速率，对试验材料进行压实，实时监测与记录加载过程中的压力与位移；
（5）加载结束后，停止万能试验机，升起立柱，拆除顶盖板，更换试验材料，重复上述步骤进行下一组试验。
一种变角度散体充填材料试验装置
技术领域
[0001] 本发明属于岩石力学试验技术领域，具体涉及一种变角度散体充填材料试验装置，尤其涉及一种倾斜煤层充填开采环境下的散体充填材料承压力学特性试验装置。
背景技术
[0002] 采矿作业带来的地表沉陷、含水层破断、矸石山堆积、大气污染、土地资源破坏等问题，对绿色环保新时代下的生态要求造成了严重挑战。充填开采技术不仅能够将地面堆积的矸石山、建筑垃圾、粉煤灰等物质用作充填材料充填到地下，还能有效解决地表沉陷、含水层破断等问题。可以说，充填开采既解决了大气污染、土地占用问题，又避免了地表沉陷与岩层破坏，是实现绿色开采、生态建设的重要技术途径。
[0003] 充填体的承压性能是充填开采控制岩层移动与地表沉陷的关键因素。承压性能越好，压缩率越小，对岩层移动与地表的沉陷变形控制越好。现有的充填材料承压性能测试试验装置进行的是水平条件下的钢筒压实试验，具有一定的参考价值，但实际煤层赋存多为有一定角度的倾斜状态，经过充填开采后的散体充填材料处于倾斜受压条件。为研究倾斜煤层充填开采后散体充填材料的承压力学性能，需要研究一种变角度的散体充填材料试验装置。
发明内容
[0004] 发明目的：针对现有试验装置中存在的缺陷，本发明设计了一种操作简单、结构灵活、能够真实模拟倾斜煤层充填开采后散体充填材料的承压力学性能的试验装置。以此来获得更加实际的散体充填材料承压力学性能，对充填开采控制岩层移动与地表沉陷提供试验支持，弥补现有技术的不足。
[0005] 技术方案：为达到上述要求，本发明一种变角度散体充填材料试验装置，主要包括变角结构、压实箱体、底座三个部分。所述变角结构包括主动角度设定装置和从动角度施压装置；所述主动角度设定装置由导杆、齿插板、承压变角板构成；所述从动角度施压装置由夹持套块、变角压头组成。底座下部与主动角度设定装置铰接，上部承载压实箱体，通过改变承压变角板在导杆上的位置来实现角度变换，并相应设置变角压头的角度，使变角压头始终与压实箱体贴合。
[0006] 所述导杆由主导杆、副导杆两个相同的杆状构件平行设置组成，所述杆状构件一端有圆形穿销孔，中部有矩形断面的镂空，镂空处上下平面设有直齿条；
[0007] 所述齿插板为一长方体板，其中一端中部开口，开口宽度与承压变角板宽度相同，未开口端与导杆同宽且上下表面设有与导杆的直齿条啮合的直齿条；
[0008] 所述承压变角板由上方的承压板和下方的变角杆通过螺栓连接而成，所述变角杆为截面呈直角半圆拱形的杆状构件，且螺栓的中心与变角杆的半圆部分圆心同轴；所述承压板为顶部呈弧形凹槽的长方体板，弧形凹槽与变角杆的半圆同直径，变角杆的半圆部分贴合弧形凹槽旋转；所述承压板的底部两端匹配插入齿插板的开口中，通过导杆与齿插板的直齿条啮合将所述承压变角板固定在两个导杆之间；
[0009] 所述底座为顶角带圆形穿销孔的“L”形直角板，底座的顶角与导杆铰接在一起，二者共同围绕销子作定轴转动；
[0010] 所述压实箱体由上部开口的箱体及顶盖板组成，贴合放置在底座上面；
[0011] 所述夹持套块由中间去除1/4内切圆柱的长方体与圆柱形顶盖组成；所述变角压头呈扇形且半径不大于所述内切圆柱的半径，变角压头位于夹持套块内部，两者对应开设有若干个方形穿销孔，方形销子穿过对应的方形穿销孔将两者固定在压实箱体的顶盖板上。
[0012] 进一步的，所述变角压头为角度为135°的扇形体构件，所述扇形体右侧表面分布有0°～45°角度标注，分度值为5°，扇形体上左侧开设有6个方形穿销孔，所述穿销孔大小相同、平行于半径方向且中心都在同一个圆弧上，穿销孔从左至右角度分别为10°、20°、30°、40°、50°、85°。
[0013] 进一步的，所述夹持套块的长方体上分布有6个方形穿销孔，所述方形穿销孔大小相同、平行于半径方向且中心都在同一个圆弧上，穿销孔从左至右角度分别为5°、45°、55°、65°、75°、85°。
[0014] 进一步的，所述压实箱体为长方体，有效装料空间长×宽×高为250mm×200mm×200mm。
[0015] 进一步的，所述压实箱体与顶盖板均采用厚20mm的Q235钢板的制成；压实箱体内部放置矸石、风积沙、黄土等散体充填材料。
[0016] 进一步的，本发明一种变角度散体充填材料试验装置可以对散体充填材料进行压实力学特性试验，模拟倾斜煤层充填开采后散体充填材料的承压力学性能，具体的试验步骤是：
[0017] (1)将底座与导杆铰接在一起，放置在万能试验机试验台上，两个承压变角板放置在两个导杆之间，移动两个承压变角板的位置，调整底座的倾斜角度至待模拟地层倾角，从导杆外侧插入齿插板，固定住两个承压变角板；
[0018] (2)将压实箱体放置在底座上，紧靠底座的下侧防止滑动，将散体充填材料装入箱体并预压平整，盖好顶盖板；
[0019] (3)将夹持套块安装在万能试验机压头上，变角压头放置在夹持套块开口中间，对变角压头进行旋转，使其下端与压实箱体的顶盖板贴合，用方形销子对变角压头进行固定；
[0020] (4)启动万能试验机，设定试验机加载压力与加载速率，对试验材料进行压实，实时监测与记录加载过程中的压力与位移；
[0021] (5)加载结束后，停止万能试验机，升起立柱，拆除顶盖板，更换试验材料，重复上述步骤进行下一组试验。
[0022] 实施效果：本发明设计的一种变角度散体充填材料试验装置，与现有技术相比，存在以下优点：
[0023] (1)本发明试验装置能够对散体充填材料进行倾斜状态下的承压性能测试，改变了只能进行水平条件下压实试验的现状，更加符合工程实际；
[0024] (2)本发明试验装置能够进行多角度变换，可以测试散体充填材料在不同倾斜状态下的承压力学性能；
[0025] (3)本发明结构简单，仅在现有压实箱体基础上增加顶底结构即可实现角度变化，且该结构能够承受较大的压实力，角度变化精度高；
附图说明
[0026] 图1是本发明试验装置立体图；
[0027] 图2是本发明主动角度设定装置立体图；
[0028] 图3是本发明从动角度施压装置立体图；
[0029] 图4是本发明导杆示意图；
[0030] 图5是齿插板立体图；
[0031] 图6是承压变角板立体图；
[0032] 图7是夹持套块正视图；
[0033] 图8是变角压头正视图；
[0034] 图中：1、变角结构，101、主动角度设定装置，102、从动角度施压装置，2、压实箱体，3、底座，4、导杆，5、齿插板，6、承压变角板，7、夹持套块，8、变角压头，9、圆形穿销孔，10、直齿条，11、承压板，12、变角杆，13、螺栓，14、方形穿销孔，15、方形销子，16、顶盖。
具体实施方式
[0035] 下面结合附图对本发明做详细的阐述。
[0036] 一种变角度散体充填材料试验装置，如图1所示，包括变角结构1、压实箱体2、底座3三个部分。
[0037] 所述变角结构1由两部分组成，分别是主动角度设定装置101和从动角度施压装置102；所述主动角度设定装置101由导杆4、齿插板5、承压变角板6构成，导杆4由主导杆、副导杆平行设置组成，如图2所示；所述从动角度施压装置102由夹持套块7、变角压头8组成，如图3所示。
[0038] 所述导杆4由主导杆、副导杆两个相同的杆状构件平行设置组成，如图4所示，所述杆状构件一端有圆形穿销孔9，中部有矩形断面的镂空，镂空处上下平面设有直齿条10。
[0039] 所述齿插板5为一长方体板，如图5所示，其中一端中部开口，开口宽度与承压变角板6宽度相同，未开口端与导杆4同宽且上下表面设有与导杆4的直齿条10啮合的直齿条。
[0040] 所述承压变角板6由上方的承压板11和下方的变角杆12通过螺栓13连接而成，如图6所示，所述变角杆12为截面呈直角半圆拱形的杆状构件，且螺栓13的中心与变角杆12的半圆部分圆心同轴；所述承压板11为顶部呈弧形凹槽的长方体板，弧形凹槽与变角杆12的半圆同直径，变角杆12的半圆部分贴合弧形凹槽旋转；所述承压板11的底部两端匹配插入齿插板5的开口中，通过导杆4与齿插板5的直齿条啮合将所述承压变角板6固定在两个导杆4之间。
[0041] 所述压实箱体2为长方体，由上部开口的箱体及顶盖板组成，放置在底座3上面，压实箱体2有效装料空间长×宽×高为250mm×200mm×200mm。所述压实箱体与顶盖板均采用厚20mm的Q235钢板的制成。顶盖板长宽方向上留有2～3mm的安放缝隙，以便于减少压缩时的摩擦。内部可放置散体充填材料如矸石、风积沙、黄土等。
[0042] 所述底座3为顶角带圆形穿销孔的“L”形直角板，底座3的顶角与导杆4铰接在一起，二者共同围绕销子作定轴转动。
[0043] 如图3、7所示，所述夹持套块7由中间去除1/4内切圆柱的长方体与圆柱形顶盖组成，长方体上分布有6个方形穿销孔，所述方形穿销孔大小相同、平行于半径方向且中心都在同一个圆弧上，穿销孔从左至右角度分别为5°、45°、55°、65°、75°、85°。
[0044] 如图3、8所示，所述变角压头8为角度为135°的扇形体构件，且半径不大于所述内切圆柱的半径，所述扇形体右侧表面分布有0°～45°角度标注，分度值为5°，扇形体上左侧开设有6个方形穿销孔14，所述穿销孔14大小相同、平行于半径方向且中心都在同一个圆弧上，穿销孔从左至右角度分别为10°、20°、30°、40°、50°、85°。
[0045] 所述变角压头8位于夹持套块7内部，方形销子15穿过对应的方形穿销孔14将两者固定在压实箱体2的顶盖板上，通过调整夹持套块7与变角压头8上的穿销孔的对应关系，可实现0°～45°之间每5°一个梯度的角度变化，因此本发明可模拟倾角为0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°的倾斜煤层充填开采后散体充填材料的承压力学性能。
[0046] 本发明一种变角度散体充填材料试验装置可以对散体充填材料进行压实力学特性试验，模拟倾斜煤层充填开采后散体充填材料的承压力学性能，具体的试验步骤是：
[0047] (1)将底座3与导杆4通过圆形穿销孔9铰接在一起，放置在万能试验机试验台上，两个承压变角板6放置在两个导杆4之间，移动两个承压变角板6的位置，调整底座3的倾斜角度至待模拟地层倾角，从导杆4外侧插入齿插板5，固定住两个承压变角板6；
[0048] (2)将压实箱体2放置在底座3上，紧靠底座3的下侧防止滑动，将散体充填材料分2～4次装入箱体并预压平整，盖好顶盖板；
[0049] (3)将夹持套块7安装在万能试验机压头上，变角压头8放置在夹持套块7开口中间，对变角压头8进行旋转，使其下端与压实箱体2的顶盖板贴合，用方形销子15对变角压头8进行固定；
[0050] (4)检查各部分的接触情况，确保承压性能良好。启动万能试验机，设定试验机加载压力与加载速率，对试验材料进行压实，实时监测与记录加载过程中的压力与位移；
[0051] (5)加载结束后，停止万能试验机，升起立柱，拆除顶盖板，更换试验材料，重复上述步骤进行下一组试验。
