煤系岩石残余碎胀系数测量方法及系统

摘要

本发明提供了一种系岩石残余碎胀系数测量方法及系统。本发明所提供的煤系岩石残余碎胀系数测量方法，其特征在于，包括：步骤1.测量原始体积V

说明书

技术领域

本发明属于岩石力学与采矿领域，具体涉及煤系岩石残余碎胀系数测量方法及系统。

技术背景

岩石破碎后，体积会增大。这种性质被称为岩石的碎胀性。岩石碎胀系数，是指岩石破碎后处于松散状态下的体积与岩石破碎前处于整体状态下的原始体积之比。

破碎后的岩石，在压力作用下体积会减小。这种性质被称为岩石的压实性。岩石残余碎胀系数，是指岩石破碎后在不同压力作用下的体积与破碎前的原始体积之比。

从上述定义概念可以看出：岩石碎胀系数，可以看作岩石残余碎胀系数的特例——压力为0时的残余碎胀系数；测量岩石碎胀系数、残余碎胀系数，可等效为测量岩石体积(破碎前的原始体积，破碎后的体积)。

(一)破碎前的原始体积测量。现有的岩石碎胀系数与残余碎胀系数测量装置，普遍采用排水法(将岩石直接或蜡封后放进水中)测量岩石原始体积，存在2个突出问题：①不能实现岩石原始体积无损测量(不损害、污染待测岩石)；②适用范围有限(不适用不规则形状、亲水膨胀性岩石)。

(二)破碎后的体积测量。岩石破碎后的体积，随压力、破碎块度变化而变化；岩石残余碎胀系数，主要由压力、破碎块度(颗粒级配、颗粒形状)2个指标决定。这在岩石力学与采矿领域已逐渐成为共识。为此，测量破碎后的体积，关键在于2点：①如何破碎与分选；②如何借助加载系统施加压力。

需要说明的是，现有的岩石碎胀系数与残余碎胀系数测量装置，均将“破碎与分选”模糊描述为“将岩石破碎”，对如何具体实现破碎与分选避之不谈。这主要在于，岩石破碎与分选“看起来容易实施起来难”：①岩石不同于常规材料，很难按照人们的意愿实现破碎(如何保证破碎块度符合要求)；②如何确定颗粒级配(粒径大小及占比)、颗粒形状等与岩石残余碎胀系数之间的数学关系。

由于我国大陆板块历经多次剧烈构造运动，所以我国深部围岩具有两大显著特点：高应力(环境)，低强度(岩性)。

高应力(环境)与低强度(岩性)之间的突出矛盾，导致深部围岩大变形灾害严重。相关研究表明：大变形，通常由岩石破裂后的碎胀而导致。为此，准确获取不同类型岩石的碎胀系数，有助于弄清大变形孕育发展过程。

含煤岩系(简称煤系)，是一套在成因上有共生关系并含有煤层(煤线)的沉积岩系。与普通岩浆岩、变质岩相比，煤系岩石松散软弱。这导致煤系岩石切削加工、运输难度大：难于加工成圆形、方形等标准岩样；长距离运输，易导致其破碎。

因此，与普通岩石相比，煤系岩石碎胀系数更难以准确测定：①从工程现场采集的岩石形状复杂，很难用直尺、游标卡尺等测量工具直接获取其几何尺寸参数，进而通过换算计算出其原始体积；②通过排水法虽然能测量岩石原始体积，但会造成岩石污染(浸水)，进而影响下一步试验(破碎后的体积测量)，最终影响测量精度。

综上，现有的煤系岩石碎胀系数与压缩系数测量装置，存在6个突出问题：①不能实现岩石原始体积无损测量(损害、污染岩石)；②适用范围有限，不适用不规则形状、亲水膨胀性岩石；③破碎与分选系统功能有限，不能满足破碎与分选要求；④加载系统为传统压力机，“个头大”、造价高、“大材小用”，不适宜大范围推广；⑤测量误差大(有损测量会导致岩石原始体积测不准)；⑥操作麻烦(费时费力)。

为此，有必要发明一种无损、破碎与分选效果好、加载系统简单、测量精度高、方便快捷、适宜大范围广的煤系岩石残余碎胀系数测量装置，并给出压力、破碎块度(颗粒级配、颗粒形状)与岩石残余碎胀系数之间关系的确定方法。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种系岩石残余碎胀系数测量方法及系统，能够适用于不规则形状、亲水膨胀性岩石，实现岩石原始体积无损测量，提高破碎与分选效果，简化加载系统，提高测量精度。

本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：

<方法>

本发明提供一种煤系岩石残余碎胀系数测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1.测量原始体积V_原始

确定待测岩石的抽真空参数，并用抽气泵将装有待测岩石的真空压缩袋抽成真空，然后将装有待测岩石的真空压缩袋放入装有V₁液体的测量容器中，并记录测量容器稳定后的体积刻度值V₂；对空的真空压缩袋抽真空，将抽真空后的真空压缩袋放入测量容器中，并分别记录放入前后测量容器上的体积刻度值V_bag1与V_bag2；待测岩石的体积V_原始＝V₂-V₁-(V_bag2-V_bag1)；

步骤2.破碎与分选

将待测岩石从真空压缩袋中取出，放入捣碎筒中；通过线绳将落锤固定在固定架上，并提升到一定高度；松开细绳，使落锤落入捣碎筒内，以实现破碎岩石；重复上述破碎操作，直至待测岩石的破碎块度满足试验要求；

将破碎后的待测岩石碎块依次放入粗分样筛、中分样筛、细分样筛中，进行分选；

步骤3.测量破碎后的体积V_后i

将待测岩石碎块放入施压圆筒内；通过液压油泵驱动安装在机架上的分离式液压千斤顶向下伸出一定高度H_伸出i，进而抵推荷载传递柱将下压力传递给施压圆筒中的待测岩石碎块，对待测岩石碎块施加应力压力σ_i；

计算破碎后的体积V_后i＝(H_机架-H_伸出i-H_千斤顶-H_传递柱)S，式中：H_机架为机架的总高度；H_千斤顶为分离式液压千斤顶的固定高度；H_传递柱为荷载传递柱的高度；S为施压圆筒的横截面积；

步骤4.计算岩石残余碎胀系数K_i

优选地，本发明提供的煤系岩石残余碎胀系数测量方法还可以具有以下特征：在步骤1中，岩石抽真空参数为真空度达到一定程度后的抽气量，岩石坚硬程度、松散破碎程度不同，所能承受的最大压力也不同，为此，针对不同岩石，需要给出不同的抽气量，本方案中提出如下公式计算得到抽气量值：

Q＝f(α,β)＝alnα+be^-β+c，

式中，Q-抽气量；f(α,β)-抽气量函数；α-岩石坚硬程度系数；β-岩石松散破碎程度系数；a、b、c为敏感系数，可通过如下n组试验求得：

n的最小取值为3，即通过至少3组试验数据可确定敏感系数值。

优选地，本发明提供的煤系岩石残余碎胀系数测量方法还可以具有以下特征：其中，a、b的取值满足以下关系：

c的值，通过至少1组试验确定。

优选地，本发明提供的煤系岩石残余碎胀系数测量方法还可以具有以下特征：其中，待测岩石敏感系数c值的确定方法为：首先，根据待测岩石选择a和b取值相同的标定用岩石；然后，将标定用岩石放入真空压缩袋中，用抽气泵对其抽气，当真空度达到0.001个大气压时，停止抽气，记录此时的抽气量Q₁；将真空压缩袋放进测量容器中，获取其体积V₁；从测量容器中取出真空压缩袋，小幅度增加抽气量Q_恒,随后重新将其放进测量容器中，获取其体积V₂，V₂对应的抽气量Q₂＝Q₁+Q_恒；重复前述步骤，获取Q_j与V_j、Q_j+1与V_j+1，当时，认为抽气量趋于稳定，将此时对应的Q_j作为标定用岩石的无损抽气量Q；最后，将α、β、Q联立，即可求得c；不同形状或者种类的待测岩石在a和b取值相同的情况下，仅需采用上述方法确定一次c值。

优选地，本发明提供的煤系岩石残余碎胀系数测量方法还可以包括：步骤5.确定岩石压力、破碎块度与岩石残余碎胀系数之间的函数关系：

式中，l、m、n、p分别为相关系数，通过4组试验数据可求得。

优选地，本发明提供的煤系岩石残余碎胀系数测量方法还可以具有以下特征：待测岩石为任意形状的岩石，规则形状或者不规则形状都可以。

<系统>

进一步，本发明还提供一种煤系岩石残余碎胀系数测量系统，其特征在于，包括：体积测量装置，具有：用于包裹待测岩石的真空压缩袋，对真空压缩袋进行抽气的抽气泵，和测量容器；破碎与分选装置，具有破碎单元和分选单元；破碎单元包含：固定架，通过线绳悬吊在固定架上的落锤，和与落锤相匹配并且设置在落锤正下方、向上开口的捣碎筒；分选单元包含孔径不同的多个分样筛；以及加载装置，具有：机架，放置在机架顶部并且施力端朝向上方的分离式液压千斤顶，与该分离式液压千斤顶相连、驱动施力端向上顶出的液压油泵，位于分离式液压千斤顶正下方、用于盛放待测岩石破碎块的施压圆筒，和位于分离式液压千斤顶的底端与施压圆筒内的待测岩石破碎块之间、用于传递向下压力的荷载传递柱。

优选地，本发明提供的煤系岩石残余碎胀系数测量系统还可以具有以下特征：荷载传递柱的上部为与分离式液压千斤顶的底端相匹配的圆柱体，下部为与施压圆筒相匹配的圆盘体。

优选地，本发明提供的煤系岩石残余碎胀系数测量系统还可以具有以下特征：加载装置还包括：液压油表，安装在液压油泵上，测量施加压力σ_i值。

优选地，本发明提供的煤系岩石残余碎胀系数测量系统还可以具有以下特征：真空压缩袋为透明袋体，测量容器为透明容器，且容器壁上标有体积刻度。

发明的作用与效果

与现有技术相比，本发明提供的煤系岩石残余碎胀系数测量方法及系统具有如下优点：①适用范围广(适用亲水膨胀性岩石，并且适用各种不规则形状岩石；)②可实现岩石原始体积无损测量；③破碎与分选系统功能强大；④加载系统简单，适宜大范围推广；⑤测量精度高；⑥方便快捷；⑦给出了压力、破碎块度(颗粒级配、颗粒形状)与岩石残余碎胀系数之间关系的确定方法。

附图说明

图1为本发明实施例中涉及的煤系岩石残余碎胀系数测量系统的结构示意图，其中图1(a)为体积测量装置的结构示意图，图1(b)为破碎与分选装置的结构示意图，图1(c)为破碎与分选装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中涉及的煤系岩石残余碎胀系数测量方法的流程图；

图中：100-煤系岩石残余碎胀系数测量系统；10-体积测量装置；11-真空压缩袋；12-抽气泵；13-测量容器；13a-体积刻度；S-待测岩石；SP-待测岩石破碎块；20-破碎与分选装置；21-破碎单元，211-固定架，212-落锤，213-线绳，214-捣碎筒；22-分选单元，22a-粗分样筛，22b-中分样筛，22c-细分样筛；30-加载装置，31-机架，32-分离式液压千斤顶，33-液压油泵，34-液压油表，35-施压圆筒，36-荷载传递柱。

具体实施方式

以下结合附图对本发明涉及的煤系岩石残余碎胀系数测量方法及系统的具体实施方案进行详细地说明。

<实施例>

如图1所示，本实施例所提供的煤系岩石残余碎胀系数测量系统100包括体积测量装置10、破碎与分选装置20以及加载装置30。

如图1(a)所示，本实施例所提供的体积测量装置10包括真空压缩袋11、抽气泵12以及测量容器13。真空压缩袋11为透明袋体，用于包裹待测岩石S。抽气泵12用于对真空压缩袋11进行抽气。测量容器13内部盛装液体，本实施例中采用的测量容器13为透明容器，并且容器壁上标有体积刻度13a，本实施例中采用的液体为水。

如图1(b)所示，破碎与分选装置20包括破碎单元21和分选单元22。破碎单元21包含固定架211、落锤212、线绳213、捣碎筒214以及多个分样筛22。落锤212通过线绳213悬吊在固定架211上。捣碎筒214向上开口，并且设置在落锤212正下方，捣碎筒214的几何尺寸大于落锤212的几何尺寸，以保证松开线绳213后落锤212可顺畅进入捣碎筒214。分选单元22包含孔径不同的多个分样筛22，本实施例中，分选单元22包含三种分样筛，分别为：粗分样筛22a、中分样筛22b、和细分样筛22c。

如图1(c)所示，加载装置30包括机架31、分离式液压千斤顶32、液压油泵33、液压油表34、施压圆筒35以及荷载传递柱36。分离式液压千斤顶32安装在机架31的顶部，并且其施力端朝向下方；本实施例中，施压圆筒35为刚性件，以防止其承受压力后产生明显变形，进而影响测量精度。液压油泵33与该分离式液压千斤顶32相连，用于驱动分离式液压千斤顶32的施力端朝向机架31的顶部顶出进而使得分离式液压千斤顶32底端向下移动并施加向下的载荷(反作用力)。液压油表34安装在液压油泵33上，测量施加压力σ_i值。施压圆筒35位于分离式液压千斤顶32正下方，用于盛放待测岩石破碎块SP。荷载传递柱36位于分离式液压千斤顶32的底端与施压圆筒35内的待测岩石破碎块SP之间，用于传递下压力；本实施例中，荷载传递柱36的上部为与分离式液压千斤顶32的底端相匹配的小直径圆柱体，下部为与施压圆筒35相匹配的大直径圆盘体，并且圆盘体的直径略小于施压圆筒35的内径，以保证其能在施压圆筒内运动，且与施压圆筒内壁结合较为紧密；另外，整个荷载传递柱36均为刚性件，以防止其承受压力后产生明显变形，进而影响测量精度。

以上为煤系岩石残余碎胀系数测量系统100的详细结构，如图2所示，基于上述结构采用该测量系统100进行测量的方法具体包括如下步骤：

步骤1.测量原始体积V_原始

步骤1-1.确定待测岩石S的抽真空参数(抽气量函数)，并用抽气泵12将装有待测岩石S的真空压缩袋11抽成真空。

抽真空时，需要控制好抽气量(抽气时间、抽气速度)。如果抽的“轻”，可能会造成试验误差过高；如果抽的“重”，可能会损害岩石(违背无损测量初衷)。

岩石坚硬程度、松散破碎程度不同，所能承受的最大压力也不同。为此，针对不同岩石，需要给出不同的抽气量(抽气时间、抽气速度)。

Q＝f(α,β)＝alnα+be^-β+c，

式中，Q-抽气量，v-抽气速度，t-抽气时间，f(α,β)-抽气量函数，α-岩石坚硬程度系数，β-岩石松散破碎程度系数，a、b、c分别为敏感系数。

再通过1组有效试验数据，便可确定c。a、b、c等3个常数确定后，便可根据f(α_i,β_i)得出任意(α_i,β_i)对应的岩石抽真空参数Q_i＝v_it_i。

具体来说，首先，根据待测岩石S选择a和b取值相同的标定用岩石。

其次，将标定用岩石放入真空压缩袋11中，用抽气泵12对其抽气，当真空度达到0.001个大气压时，停止抽气，记录此时的抽气量Q₁；将真空压缩袋11放进测量容器13中，获取其体积V₁(对应Q₁)；从测量容器13中取出真空压缩袋11，小幅度增加抽气量Q_恒(可取)，随后重新将其放进测量容器13中，获取其体积V₂，V₂对应的抽气量Q₂＝Q₁+Q_恒；重复前述步骤，获取Q_j与V_j、Q_j+1与V_j+1，当时，认为抽气量趋于稳定，将此时对应的Q_j作为标定用岩石的无损抽气量Q。

最后，将α、β、Q联立，即可求得c。

步骤1-2.往几何尺寸大小适当的测量容器13中加入适量的液体，并记录测量容器13上的体积刻度值V₁。

步骤1-3.将装有待测岩石S的真空压缩袋11放入测量容器13中，并记录测量容器13稳定后的体积刻度值V₂。

步骤1-4.从测量容器13中取出装有待测岩石S的真空压缩袋11，并将其打开，随后从中取出待测岩石S。

步骤1-5.测量空的(未装有待测岩石S)真空压缩袋11体积V_bag。对空的(未装有待测岩石S)真空压缩袋11抽真空；将抽真空后的真空压缩袋11放入测量容器13中，并分别记录放入前后测量容器13上的体积刻度值V_bag1与V_bag2；从测量容器13中取出真空压缩袋11。

步骤1-6.将上述步骤中使用到的岩石、真空压缩袋11、抽气泵12、测量容器13等物品妥善归置，完成试验操作环节。

步骤1-7.计算待测岩石S的体积V_原始

V_原始＝V₂-V₁-V_bag＝V₂-V₁-(V_bag2-V_bag1)。

步骤2.破碎与分选

步骤2-1.破碎：将待测岩石S从真空压缩袋11中取出，放入捣碎筒214中；通过线绳213将落锤212固定在固定架211上，并提升到一定高度；松开细绳213，使落锤212落入捣碎筒214内，以实现破碎岩石；重复上述破碎操作，直至待测岩石S的破碎块度满足试验要求；

步骤2-2.分选：将破碎后的待测岩石碎块SP依次放入粗分样筛22a、中分样筛22b、细分样筛22c中，进行分选。

步骤3.测量破碎后的体积V_后i

步骤3-1.将待测岩石碎块SP放入施压圆筒35内；通过液压油泵33驱动分离式液压千斤顶32向下伸出一定高度H_伸出i，进而抵推荷载传递柱36将下压力传递给施压圆筒35中的待测岩石碎块SP，对待测岩石碎块SP施加应力压力σ_i；

计算破碎后的体积V_后i＝(H_机架-H_伸出i-H_千斤顶-H_传递柱)S，式中：H_机架为机架31的总高度；H_千斤顶为分离式液压千斤顶32的固定高度；H_传递柱为荷载传递柱36的高度；S为施压圆筒35的横截面积；H_伸出i数值，可通过直尺量取；不同H_伸出i对应的σ_i数值通过液压油表34读取。

步骤4.计算岩石残余碎胀系数K_i

步骤5.确定岩石压力、破碎块度与岩石残余碎胀系数之间的函数关系：

式中，l、m、n、p分别为相关系数，通过4组试验数据可求得。通过该函数表达式，可降低拟合公式的盲目性。

以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的煤系岩石残余碎胀系数测量方法及系统并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。