一种碎胀系数测量装置、方法及吸水率的测量方法

摘要

本发明提供了一种碎胀系数测量装置、方法及吸水率的测量方法。该碎胀系数测量装置包括第一容器；第二容器，与所述第一容器相连通；增压部件，设置于所述第一容器；以及动力部件，可驱动所述增压部件作用于所述第一容器，以调整所述第一容器和第二容器内的气压。本发明的碎胀系数测量装置及方法具有以下优点：原理简洁明了，计算简单，操作方便，测量速度快，成本低，便于进行工程推广，结合工程实际，可有效降低成本，提高生产效率及安全性，为巷道支护及井下开采提供可靠的数据依据，具有较大的实施价值和社会经济效益。

说明书

技术领域

本发明涉及采矿业的安全控制技术，具体为一种基于连通器原理的多功能碎胀系数测量装置、方法及吸水率的测量方法。

背景技术

矿层开采后，直接顶板岩石垮落破碎，破碎以后的岩石体积将比整体状态下增大，这种性质称为岩石的碎胀性。岩石的碎胀性可用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体积之比来表示，该值称为碎胀系数。

岩石破碎后的体积不易计算，而研究破碎岩石的碎胀与压实特性对分析开采沉陷、采空地表残余沉降以及采空区上覆岩层稳定性等规律有着重要的意义。因此，需要掌握破碎岩石的残余破碎系数的变化规律，以此来分析开采后覆盖岩的沉降量，以及开采稳定后的参与沉降量大小等。

现有技术通常采用压力和碎胀系数之间的力学经验公式，通过测量顶板压力，反算获得碎胀系数。如经验公式σ_d表示每平方米所承受顶板压力(t/m²)、K表示煤层厚度(m)、τ碎胀系数、ρ顶板岩石重力密度(t/m³)、α煤层倾角(°)。化简可得通过测量获得σ_d，计算可得碎胀系数τ。现有技术中仅能基于经验公式计算得到碎胀系数，但由于不同矿区岩石成分各异，而且地层深度、含水率等多种客观条件也不尽相同，因此，现有技术算得的碎胀系数一般都与实际情况出入较大，后续进行沉降量计算时，依据上述方法得到的碎胀系数进行计算，偏差更大，这将直接危害矿区安全。

吸水率是指石材在标准大气压力下吸水的能力，以石材所吸收的水分来量测，并以百分数表示之。吸水率是由其中空隙的数量和大小、颗粒相互排列的方式。吸水率愈大，则其工程性质就愈差。研究岩石的吸水率以及吸水状态下碎胀系数变化情况，同样具有非常重要的现实意义及应用价值。

发明内容

本发明的一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种可准确测得碎胀系数的碎胀系数测量装置、方法及吸水率的测量方法。

本发明实施例提供一种碎胀系数测量装置，包括，第一容器；第二容器，与所述第一容器相连通；增压部件，设置于所述第一容器；以及动力部件，可驱动所述增压部件作用于所述第一容器，以调整所述第一容器和第二容器内的压力。

根据本发明的一实施方式，所述增压部件为活塞。

根据本发明的另一实施方式，所述第一容器和所述第二容器的连通处与所述第一容器底部的距离为所述第一容器高度的0～1/4。

根据本发明的另一实施方式，所述第一容器和所述第二容器通过一连通管相连通，所述连通管与所述第一容器底部的距离为所述第一容器高度的0～1/4。

根据本发明的另一实施方式，在所述第一容器、第二容器的底部分别设置有第一出液口、第二出液口，在所述第一出液口、第二出液口均设置有过滤网。

根据本发明的另一实施方式，在所述第一容器及所述第二容器上均设置有刻度，所述刻度分别沿所述第一容器及所述第二容器的高度方向设置。

根据本发明的另一实施方式，所述第一容器、所述第二容器由透明材质制得；或者在所述第一容器、所述第二容器上开设有透明的观测窗。

本发明还提供了一种碎胀系数测量方法，包括：

向相连通的第一容器和第二容器中注入液体，使液位处于所述第一容器的初始位，所述初始位高度为K₀，所述初始位位于所述第一容器和所述第二容器的连通处之上；

将一岩石放入所述第一容器的液体中，所述第一容器、第二容器的液位高度上升为K₁，通过K₀、K₁及所述第一容器、第二容器的横截面积可计算出所述岩石的体积V₀；假设所述第一容器中仅剩V₀体积的所述岩石，所述液体均流至所述第二容器，通过K₀、V₀及所述第一容器、第二容器的横截面积可计算出所述第二容器的液位高度K₃；

将所述岩石自所述第一容器中取出后破碎，形成多个岩石碎块，将所述多个岩石碎块重新放入所述第一容器的液体中，将一活塞设置于所述第一容器，保持所述第一容器、第二容器处于密封状态，给所述活塞施加外力，使其沿所述第一容器下滑，随着所述活塞的下滑，所述第一容器内的液体通过所述连通处流入所述第二容器，直至所述活塞停止移动，测得所述第二容器内液体的液位高度为K₂；

将所述岩石自所述第一容器中取出后破碎，形成多个岩石碎块，将所述多个岩石碎块重新放入所述第一容器的液体中，将一活塞设置于所述第一容器，保持所述第一容器、第二容器处于密封状态，使所述活塞在重力的作用下沿所述第一容器下滑，随着所述活塞的下滑，所述第一容器内的液体通过所述连通处流入所述第二容器，直至所述活塞停止移动，测得所述第二容器内液体的液位高度为K₂′；

通过K₃-K₂、V₀及所述第二容器的横截面积可计算出所述岩石破碎后的体积V₁；通过K₃-K₂′、V₀及所述第二容器的横截面积可计算出所述岩石破碎后的体积V₁′；

通过碎胀系数＝岩石碎块总体积/岩石体积计算得到岩石的碎胀系数的数值范围V₁/V₀～V₁′/V₀。

本发明进一步提供了一种吸水率的测量方法，包括，

(1)向相连通的第一容器和第二容器中注入水，使水位处于第一容器的初始位，初始位位于所述第一容器和所述第二容器的连通处之上；

(2)将一岩石放入所述第一容器的水中，使所述第一容器、第二容器的水位超过所述初始位；

(3)保持所述第一容器、第二容器处于密封状态，通过施加压力P₀于活塞向所述第一容器加压，使所述第一容器的水位退至所述初始位，所述第二容器的水位升至第一液位；

(4)每隔时间△t记录一次水位变化，通过计算获得所述岩石吸水率和△t的变化曲线。

根据本发明的一实施方式，所述吸水率的测量方法还包括，

(5)将施加于所述活塞的压力增加至P，并记录所述第一容器、第二容器中的水位变化，之后每隔时间△t记录一次水位变化，计算获得压力及吸水作用下岩石吸水率的变化情况；

(6)将施加于所述活塞的压力增加至P+△P，重复步骤(5)的操作；

(7)不断增大施加于所述活塞的压力，并重复步骤(5)的操作，直至压力达到系统设计最大压力值；利用所获得的不同压力及吸水作用下岩石吸水率的变化数据，计算获得压力及吸水率共同作用下的岩石吸水率变化情况。

本发明的碎胀系数测量装置及方法具有以下优点：原理简洁明了，计算简单，操作方便，测量速度快，成本低，便于进行工程推广，结合工程实际，可有效降低成本，提高生产效率及安全性，为巷道支护及井下开采提供可靠的数据依据，具有较大的实施价值和社会经济效益。

附图说明

图1为本发明一实施方式的碎胀系数测量装置的结构示意图；

图2至图5为本发明一实施方式的碎胀系数测量装置用于碎胀系数测量的示意图。

具体实施方式

体现本发明特征与优点的典型实施方式将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施方式上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。

如图1至5所示，本发明一实施方式的碎胀系数测量装置，包括第一容器10、第二容器20、增压部件以及动力部件。其中，第一容器10与第二容器20相连通；增压部件设置于第一容器10；动力部件可驱动增压部件作用于第一容器10，以调整第一容器10和第二容器20内的气压。

在本发明的一实施方式中，增压部件可以是活塞11，可通过推动活塞11压缩第一容器10内气体体积的方式增大容器内气体的压强。在本发明的另一实施方式中，增压部件可以是例如空气压缩机，可通过向第一容器10内补充气体，增加单位体积内气体的量的方式增大第一容器10内气体的压强。

第一容器10可以为一端开口的圆筒，第二容器20可以为长方体的容器。第一容器10和第二容器20可通过连通管12相连通，连通管12可以为一独立的部件，也可以与第一容器10、第二容器20一体成型。连通管12与第一容器10底部之间的距离可以为第一容器10高度的0～1/4。或者，第一容器10与第二容器20可具有共用的侧壁，在该侧壁上开设有通孔，第一容器10和第二容器20可通过该通孔相连通。

在第一容器10和第二容器20的侧壁上还可设置有沿容器高度方向分布的刻度，以测量第一容器10和第二容器20内液体的高度，并通过该高度计算出容器内液体的体积。第一容器10和第二容器20可为透明材质制作，以读取到两容器内液体高度的数值。或者第一容器10和第二容器20大体上也可为非透明材质制成，可分别在第一容器10和第二容器20上设置由透明材质制得的观测窗，并在该观测窗上设置刻度，以读取到第一容器10、第二容器20内液体高度的数值。

活塞11可设置于第一容器10上端的开口，并可在动力部件的作用下，自该上端口沿第一容器10的侧壁向第一容器10内移动，以向第一容器10加压，第一容器10和第二容器20保持连通，且处于密封状态。驱动活塞11移动的动力部件可以是例如液压缸，该动力部件作用于活塞11的活塞杆。为使第一容器10和第二容器20保持密封状态，第二容器20可以仅具有一与第一容器10相连通的开口。进一步地，活塞11可通过内螺纹密封圈14、外螺纹密封圈15可滑动地设置于第一容器10内，以保证其与第一容器10的密封连接。

为便于第一容器10、第二容器20内的液体排出，优选地，在第一容器10、第二容器20分别设置第一出液口13、第二出液口21。第一出液口13、第二出液口21优选为开设于第一容器10、第二容器20的底部。

第一容器10、第二容器20的底部可设置于底板30上，以便于碎胀系数测量装置的使用及转移，底板30可以为长方形板。在底板30上围绕第一容器10可均匀设置4根圆柱状的固定支架31，还可在底板30上设置用于保护第一容器10和第二容器20的外壳。

本发明对碎胀系数测量装置各部件的尺寸没有限定，可根据实际需要选择适合的尺寸。例如，第一容器10的高度可以为1100mm，其圆形横截面的直径可以为1000mm；第二容器20的高度可以为2000mm，其长方形横截面的长度可以为1000mm；连通管12的直径可以为10～15cm；长方形底板30的长度可以为1650mm，宽度可以为1250mm。

本发明的基于连通器原理的多功能碎胀系数测量装置，可实现基于时间的吸水率测量、以及吸水情况下岩石碎胀系数测量等功能。

多个岩石碎块41的总体积会随着来自外界的物理压力或液压的变化而变化，为进一步精确测量岩石的碎胀系数，本发明一实施方式分别模拟测定了受一定外力作用的多个岩石碎块41的总体积V₁及V₁′，并以V₁、V₁′计算得到的碎胀系数的数值作为端值，得到一碎胀系数的数值范围。以下结合图1至5对该方法做进一步说明，本发明一实施方式的碎胀系数测量方法包括：

通过第一容器10上端的开口向相连通的第一容器10和第二容器20中注入液体，使第一容器10和第二容器20的液位高度为K₀，K₀位于第一容器10和第二容器20的连通处之上，可通过第二容器20上的刻度读取K₀的值；

将岩石40放入第一容器10的液体中，使得第一容器10、第二容器20的液位上升至K₁，通过K₀、K₁及第一容器10、第二容器20的横截面积可计算出岩石40的体积V₀。

通过第一容器10上端的开口将岩石40自第一容器10中取出后破碎，形成多个岩石碎块41。将多个岩石碎块41重新放入第一容器10的液体中，将活塞11设置于第一容器10的上端口，保持第一容器10、第二容器20处于密封状态，给活塞11施加外力，使其沿第一容器10下滑，随着活塞11的下滑，液面上方的气体体积变小，压强变大，第一容器10内的液体通过连通管12流入第二容器20，直至第一容器10和第二容器20内的压力达到平衡，即使施加外力活塞11也不再下移，此时，第一容器10内的大部分液体已流入第二容器20，仅岩石碎块41的间隙中仍有液体存在，岩石碎块41受到来自液体的压力以及活塞11对岩石碎块41的物理压力，以两种复合压力模拟矿区中岩石碎块的受压。此时，第二容器20内液体的液位高度为K₂，可通过第二容器20上的刻度读取K₂的值。

同上述测量K₂的步骤相类似，通过第一容器10上端的开口将多个岩石碎块41放入第一容器10的液体中，将活塞11设置于第一容器10的上端口，保持第一容器10、第二容器20处于密封状态，不给活塞11施加外力，使其在重力的作用下沿第一容器10下滑，随着活塞11的下滑，第一容器10内的液体通过连通管12流入第二容器20，直至活塞11停止下滑，此时岩石碎块41受到的压力主要为来自液体的液压，其它压力可忽略不计，记录第二容器20内液体的液位高度K₂′的值。

如图5所示，假设理想状态下，岩石40未破碎前，在活塞11的作用下，第一容器10内的液体均流入第二容器20，第一容器10内仅有V₀体积的岩石40，则此时第二容器20中的液位高度为K₃，通过K₃-K₂、V₀及第二容器20的横截面积S可计算出岩石40破碎后形成的多个岩石碎块41的体积V₁＝(K₃-K₂)*S-V₀；同理，通过K₃-K₂′、V₀及第二容器20的横截面积可计算出岩石40破碎后形成的多个岩石碎块41的体积V₁′。

通过碎胀系数＝岩石碎块总体积/岩石体积计算得到岩石的碎胀系数的数值范围V₁/V₀～V₁′/V₀。

根据本发明的一实施方式，可用于本发明的碎胀系数测量方法的液体优选为水，通过采用水作为中间媒介，根据不同时间下岩石吸水前后的水位变化，还可获得关于时间t的岩石吸水率变化情况，具体步骤可包括：

向相连通的第一容器10和第二容器20中注入水，使水位处于第一容器10的初始位H₀，初始位H₀位于第一容器10和第二容器20的连通处之上；

将一岩石放入第一容器10的水中，使第一容器10、第二容器20的水位超过初始位H₀；

保持第一容器10、第二容器20处于密封状态，通过活塞11向第一容器10加压，使第一容器10的水位退回至初始位H₀，第二容器20的水位升至第一液位H₁；

在每隔时间△t记录一次水位变化，△t可自由设定，优选为5分钟；

最后，可通过软件计算获得岩石吸水率和△t的变化曲线。

根据本发明的另一实施方式，采用水作为中间媒介，通过不断变换压力，获得压力及吸水率共同作用下的吸水率变化情况，具体步骤可包括：

向相连通的第一容器10和第二容器20中注入水，使水位处于第一容器10的初始位H₀，初始位H₀位于第一容器10和第二容器20的连通处之上；

将一岩石放入第一容器10的水中，使第一容器10、第二容器20的水位超过初始位H₀；

保持第一容器10、第二容器20处于密封状态，通过施加压力P₀于活塞11向第一容器10加压，使第一容器10的液位退回至初始位H₀，第二容器20的水位升至第一液位H₁；

将施加于活塞11的压力增加至P，并记录第一容器10、第二容器20中的水位变化，之后每隔时间△t记录一次水位变化；利用软件自动计算获得压力及吸水作用下岩石吸水率的变化情况；

将施加于活塞11的压力增加至P+△P，重复上述步骤；

不断增大施加于活塞11的压力，并重复操作上述步骤，直至压力达到系统设计最大压力值；

利用所获得的不同压力及吸水作用下岩石吸水率的变化数据，最终计算获得压力及吸水率共同作用下的岩石吸水率变化情况。

本发明的基于连通器原理的多功能碎胀系数测量仪，可利用连通器两端液位的变化获得岩石破碎前后的体积变化，同时通过增加压力，获得不同压力作用下的体积变化，最终得到碎胀系数的变化范围。本发明可应用于工程物理及地球物理等领域，特别对矿层井下开采具有重要的意义。

除非特别限定，本发明所用术语均为本领域技术人员通常理解的含义。

本发明所描述的实施方式仅出于示例性目的，并非用以限制本发明的保护范围，本领域技术人员可在本发明的范围内作出各种其他替换、改变和改进，因而，本发明不限于上述实施方式，而仅由权利要求限定。