一种散体矸石真三轴水力耦合压缩试验系统及试验方法

摘要

一种散体矸石真三轴水力耦合压缩试验系统及试验方法，用于岩土工程及煤矿开采试验领域。主要由试验装置框架、液压伺服系统、数据管理系统和内封闭渗流压缩系统四部分组成，所述液压伺服系统主要包括加载油缸、恒速恒压计量泵和进、出油管；所述数据管理系统主要包括位移传感器、数据线、按钮控制台、计算机、压力传感器、流量计、渗压计和轮辐式称重传感器；所述内封闭渗流压缩系统主要包括电控截止阀、高压水泵、储水槽、传力板、承压板、进水管、环形喷洒头、滑动滚针、排水管和热缩袋。该系统可自主设置水平加载应力和竖直加载应力，在水力耦合作用下模拟出现场散体矸石真实受力情况，对矿井深部的安全开采和采空区地压管理具有重要作用。

说明书

技术领域

本发明为一种散体矸石真三轴水力耦合压缩试验系统及试验方法，用于岩土工程及煤矿开采试验领域。

背景技术

煤矿开采之后，在地下形成了规模不等的大量采空区，这些采空区不但对安全生产带来重大隐患，还给地表建筑物和人民生命财产带来巨大的潜在威胁。另外，由于煤矿开采需掘进大量岩石巷道，排放出的大量矸石露天堆放，使矿区环境受到极大破坏，严重影响到地表植被的生长与发育，而且煤矸石堆放不稳定，容易出现矸石山滑塌和溃坝事故。利用采出矸石作为充填材料，对地下采空区进行充填不但可以控制采空区上部的地表沉降，能有效地保护地表建筑物和井下作业人员的安全，而且还能同时解决煤矸石对耕地占用和对环境的污染问题，在深部矿井开采中还可以做到废石不出井，直接充填采空区，可以明显降低充填成本，特别是矸石运输成本。但是矸石作为一种无粘性的散体材料，在上覆岩层的压力作用下会产生移动挤压两侧岩体或煤柱，同时井下深部还需要考虑高水平应力的压缩环境和地下水渗流影响。因此，通过对散体矸石进行三轴水力耦合压缩试验，了解其压缩规律对深井矸石充填开采安全生产具有重要意义，除此之外，根据不同粒径级配散体矸石的三向压缩变形特性，选择最优级配比的煤矸石对采空区进行充填，可以有效地控制地表沉降，达到最佳沉降控制效果。

目前已有的真三轴试验设备主要适用于研究岩石试件的压缩变形特性，针对散体矸石仅能利用单轴侧限压缩方法进行假三轴压缩试验，但是假三轴试验与现场应力状况并不相符，试验结果与现场情况存在偏差并且在采空区中含有渗流水，水流对散体矸石的力学性质也具有一定影响；因此，研制一种散体矸石真三轴水力耦合压缩试验系统可帮助我们真实模拟出水力耦合作用下现场散体矸石受力情况，使试验结果更加贴近现场实际情况，对矿井深部的安全开采和采空区地压管理具有重要作用。

发明内容

针对现有技术设备中存在的问题，本发明提供一种散体矸石真三轴水力耦合压缩试验系统及试验方法，目的是利用该系统对散体矸石进行真三轴水力耦合压缩试验，通过试验研究不同粒径级和不同岩性散体矸石的压缩规律与压缩变形特性。

解决上述问题所采用的技术方案是本发明主要由试验装置框架、液压伺服系统、数据管理系统和内封闭渗流压缩系统四部分组成；所述试验装置框架呈圆柱状，主要由试验装置框架顶板、试验装置支撑柱和试验装置框架底板等部分组成；框架顶板和底板分别通过固定销钉与支撑柱相连接，竖直放置于地面；所述液压伺服系统主要由加载油缸、恒速恒压计量泵和进、出油管等部分组成；所述加载油缸主要油缸衬套、油缸活塞、油缸封盖、反力缸筒、密封法兰、连接板、蓄能器和电控伺服阀等部分组成；所述油缸衬套内为油缸活塞与密封法兰，油缸衬套外为油缸封盖与反力缸筒，油缸封盖通过固定螺栓固定于反力缸筒上方，反力缸筒固定于连接板上，连接板嵌置于试验装置支撑柱中；所述恒速恒压计量泵通过进、出油管与蓄能器相连，蓄能器固定于反力缸筒外端通过耐高温、高压油管、电控伺服阀与加载油缸相连，电控伺服阀位于进、出油管上，通过数据线与按钮控制台相连；所述数据管理系统主要由位移传感器、数据线、按钮控制台、计算机、压力传感器、流量计、渗压计和轮辐式称重传感器等部分组成；所述位移传感器与承压板正对布置于油缸活塞中，压力传感器上方与连接板相连，下方与传力板相连，轮辐式称重传感器下方与试验装置框架底板相连，上方与传力板相连；所述流量计位于试验装置进水管内，渗压计布置于散体矸石中；位移传感器、压力传感器、轮辐式称重传感器、流量计和渗压计均通过数据线与按钮控制台和计算机相连；所述内封闭渗流压缩系统主要由电控截止阀、高压水泵、储水槽、传力板、刚柔复合承压顶板、进水管、环形喷洒头、刚性承压立板、滑动滚针、排水管、刚性承压底板和热缩袋等部分组成；所述进水管布置于试验装置上方传力板内，一端与高压水泵相连，另一端贯通刚柔复合承压顶板和热缩袋，进水管下端布置有环形喷洒头，排水管布置于试验装置下方传力板内，一端与水槽相连，另一端贯通刚性承压底板和热缩袋；所述电控截止阀布置于进水管内并通过数据线与按钮控制台连接；所述刚性承压立板与传力板相连，热缩袋沿刚性承压板铺设，散体矸石均匀布置于热缩袋内，形成封闭空间。

进一步地，所述加载油缸在试验装置的水平方向装有四个，在试验装置竖直方向装有一个位于装置上方，试验装置下方无加载油缸，每一个加载油缸由一个单独的恒速恒压计量泵提供油源。

进一步地，所述恒速恒压计量泵具有恒压模式、恒速模式、手动模式和位置模式共四种加载模式。

进一步地，所述进水管与排水管均为橡胶材质且进水管有较长部分悬挂于试验装置内，进水管在装置上方传力板内均匀布置三个，排水管在装置下方传力板内均匀布置三个。

进一步地，所述刚性承压立板接头处为内错式布置，在刚性承压立板和刚性承压底板内设置有滑动滚针。

进一步地，所述热缩袋内壁涂有防水材料。

一种散体矸石真三轴水力耦合压缩试验方法，采用了上述的散体矸石真三轴水力耦合压缩试验系统，包括如下步骤：

步骤一：将散体矸石逐层均匀放至刚性承压立板中间，放置散体矸石前沿刚性承压底板和刚性承压立板铺设热缩袋。

步骤二：散体矸石充填完成后，利用热缩枪对热缩袋进行加热，使热缩袋收缩包裹住散体矸石、进水管和排水管，形成密闭空间。

步骤三：启动位移传感器、压力传感器、流量计、渗压计和轮辐式称重传感器等测量仪器，利用计算机将各测量仪器数值调零。

步骤四：利用按钮控制台打开油管上的电控伺服阀，利用加载油缸对矸石进行预加载，预加载采用分步依次循环加载，三个方向所分步数相等，以防止试件被压坏，并更准确模拟实际工况，预先将上下前后左右六个方向的力加载至预定载荷值的2%~5%，检查系统是否存在故障与异常情况。

步骤五：预加载完成后，利用按钮控制台打开进水管上的电控截止阀，利用高压水泵为散体矸石提供一个恒定水压。

步骤六：利用流量计测量流进散体矸石的水流量，利用渗压计测量散体矸石内渗透压力，测量数据通过数据线传输至计算机。

步骤七：利用计算机选定水平加载油缸所对应的恒速恒压计量泵，并根据试验目的从恒压模式、恒速模式、手动模式和位置模式中选定一种工作模式，通过加压油缸作用于刚性承压立板对散体矸石进行水平方向加载。

步骤八：水平加载过程中，利用位移传感器记录刚性承压立板位移量，利用压力传感器记录矸石水平受力情况，数据经数据线传输至计算机。

步骤九：水平加载完成后，利用计算机选定竖直加载油缸所对应的恒速恒压计量泵，并根据试验目的从恒压模式、恒速模式、手动模式和位置模式中选定一种工作模式，通过加压油缸作用于刚柔复合承压顶板对散体矸石进行竖直方向加载。

步骤十：竖直加载过程中，利用轮辐式称重传感器记录矸石竖直方向受力情况，利用压力传感器与位移传感器记录矸石在水平方向上的位移与受力情况，数据通过数据线传输至计算机。

步骤十一：试验结束后，依次关闭液压伺服系统和内封闭渗流压缩系统。

步骤十二：将竖直加载前后矸石水平方向位置与受力情况进行绘图分析，研究矸石压缩变形规律。

本发明的有益效果是：

本发明中恒速恒压计量泵具有恒压模式、恒速模式、手动模式和位置模式共四种加载模式，增加了试验方式的选择种类，更好满足试验需求；本发明中油缸伺服阀、水泵截止阀等开关均为电动控制，可根据实际情况利用按钮控制台调整速度大小，使试验过程更加快捷方便；本发明利用位移传感器、压力传感器、轮辐式称重传感器、流量计和渗压计等仪器对试验数据实时提取并通过数据线传输至计算机保存，更有利于实验结束后的数据分析；本发明利用刚性承压立板、刚柔复合承压顶板、刚性承压底板和热缩袋构成一个密闭空间，防止试验过程中水流溢出；本发明中进水管下端安装环形喷洒头，可使散体矸石均匀受水，避免散体矸石因为受水不均而对物理力学参数测定造成影响；本发明中刚性承压立板接头处为内错式布置，可避免试验加载过程中刚性承压立板之间相互挤压阻碍油缸加载，且在刚性承压立板和刚性承压底板内布置有滑动滚针，可减小移动时的摩擦力。

本发明提供一种散体矸石真三轴水力耦合压缩试验系统及试验方法，该装置考虑到高水平应力的压缩环境和地下水渗流对散体矸石力学性质影响，使试验结果更加符合实际情况，对矿井深部的安全开采和采空区地压管理具有重要指导作用。

附图说明

图1为本发明一种散体矸石真三轴水力耦合压缩试验系统及试验方法结构示意图。

图2为本发明一种散体矸石真三轴水力耦合压缩试验系统及试验方法正视剖面图。

图3为本发明一种散体矸石真三轴水力耦合压缩试验系统及试验方法加载油缸剖视图。

图4为本发明一种散体矸石真三轴水力耦合压缩试验系统及试验方法封闭压缩部位剖视图。

图5为本发明一种散体矸石真三轴水力耦合压缩试验系统及试验方法俯视剖面图。

图中：1-试验装置框架；1-1-试验装置框架顶板；1-2-试验装置支撑柱；1-3-试验装置框架底板；2-加载油缸；2-1-油缸衬套；2-2-油缸活塞；2-3-油缸封盖；2-4-固定螺栓；2-5-反力缸筒；2-6-密封法兰；2-7-链接板；2-8-蓄能器；2-9-电控伺服阀；3-位移传感器；4-固定销钉；5-电控截止阀；6-高压水泵；7-储水槽；8-数据线；9-按钮控制台；10-计算机；11-恒速恒压计量泵；12-进、出油管；13-压力传感器；14-流量计；15-封闭压缩部位；15-1-传力板；15-2-刚柔复合承压顶板；15-3-进水管；15-4-环形喷洒头；15-5-刚性承压立板；15-6-滑动滚针；15-7-排水管；15-8-刚性承压底板；15-9-热缩袋；15-10-散体矸石；16-渗压计；17-轮辐式称重传感器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于此实施例。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1~5所示，一种散体矸石真三轴水力耦合压缩试验系统及试验方法主要由试验装置框架1、液压伺服系统、数据管理系统和内封闭渗流压缩系统四部分组成。

如图1~2所示，所述试验装置框架1呈圆柱状，由试验装置框架顶板1-1、试验装置支撑柱1-2和试验装置框架底板1-3组成；框架顶板和底板分别通过固定销钉4与试验装置支撑柱1-2相连接，竖直放置于地面。

如图1~5所示，所述液压伺服系统主要由加载油缸2、恒速恒压计量泵11和进、出油管12等部分组成；所述加载油缸2由油缸衬套2-1、油缸活塞2-2、油缸封盖2-3、反力缸筒2-5、密封法兰2-6、连接板2-7、蓄能器2-8和电控伺服阀2-9等部分组成；所述油缸衬套2-1内为油缸活塞2-2与密封法兰2-6，在油缸衬套2-1外为油缸封盖2-3与反力缸筒2-5，油缸封盖2-3通过固定螺栓2-4固定于反力缸筒2-5上方，加载油缸2固定于连接板2-7上，连接板2-7嵌置于试验装置支撑柱1-2内。

说明的是，为使装置真实模拟出现场实际的应力状况，在试验装置的水平方向分别装有四个加载油缸2，在试验装置竖直方向装有一个加载油缸2位于装置上方，试验装置下方无加载油缸2，每个加载油缸2由一个单独的恒速恒压计量泵11提供油源，每台计量泵具有恒压模式、恒速模式、手动模式和位置模式共4种加载模式。其中恒压模式是通过设置三向应力大小，计量泵自动施加应力至预定值，达到预定压力后能够维持应力不变；恒速模式能够控制应力加载速度；手动模式主要用于卸压；位置模式主要是控制煤体试件的变形量。试验过程中各种模式可交叉使用，以满足试验需求。恒速恒压计量泵11通过耐进、出油管12与蓄能器2-8相连，蓄能器2-8固定于反力缸筒2-5外端，通过耐高温、高压油管、电控伺服阀2-9与加载油缸2相连，电控伺服阀2-9位于进、出油管12上，通过数据线8与按钮控制台9相连，利用按钮控制台9可控制电控伺服阀2-9的开关。

如图1~5所示，所述数据管理系统主要由位移传感器3、数据线8、按钮控制台9、计算机10、压力传感器13、流量计14、渗压计16、轮辐式称重传感器17等部分组成。

说明的是，数据管理系统利用各类传感器进行数据的采集，利用数据线进行数据的传输，利用计算机进行数据的存储与分析；所述位移传感器3与承压板正对布置于油缸活塞2-2中，用于测量试验时不同方向上的压缩量；压力传感器13上方与连接板2-7相连，下方与传力板15-1相连，通过压力传感器13可测量出试验装置水平方向加载应力；轮辐式称重传感器17下方与试验装置框架底板1-3相连，上方与传力板15-1相连，通过轮辐式称重传感器17可测量出试验装置竖直方向加载应力；所述流量计14位于试验装置进水管15-3内，用于测量试验时流进散体矸石15-10的水流量；渗压计16布置于散体矸石15-10中，用于测量试验时散体矸石15-10的渗透压力；位移传感器3、压力传感器13、流量计14、渗压计16和轮辐式称重传感器17均通过数据线8与按钮控制台9和计算机10相连，试验测得的各种数据传回计算机后可及时进行图形分析，便于远程控制和分析研究。

如图1~5所示，所述内封闭渗流压缩系统作为水力耦合压缩系统的核心部分，其主要由电控截止阀5、高压水泵6、储水槽7、传力板15-1、刚柔复合承压顶板15-2、进水管15-3、环形喷洒头15-4、刚性承压立板15-5、滑动滚针15-6、排水管15-7、刚性承压底板15-8和热缩袋15-9等部分组成。

说明的是，所述进水管15-3在试验装置上方传力板15-1内布置三个，一端与高压水泵6相连，另一端贯通刚柔复合承压顶板15-2和热缩袋15-9，使高压水泵6中的水流向散体矸石15-10，为试验提供水压，进水管15-3下端布置有环形喷洒头15-4将水流分散到各个方向，使散体矸石受水均匀；排水管15-7在试验装置下方传力板15-1内布置三个，一端与储水槽7相连，另一端贯通刚性承压底板15-8和热缩袋15-9，使流经散体矸石15-10的水排向储水槽7；进水管15-3与排水管15-7均为橡胶材质且进水管15-3有较长部分悬挂于装置内，可随试验装置上方传力板15-1上下移动；所述电控截止阀5布置于进水管15-3内并通过数据线8与按钮控制台9连接，便于根据实际情况调整水流大小；所述刚性承压立板15-5与传力板15-1相连；各个刚性承压立板15-5接头处为内错式布置，避免试验加载过程中刚性承压立板15-5之间相互挤压阻碍油缸加载，在刚性承压立板15-5和刚性承压底板15-8内设置有滑动滚针15-6，可减小刚性承压板移动时的摩擦力；热缩袋15-9沿刚性承压板铺设，在热缩袋15-9内壁涂有防水材料，散体矸石15-10均匀布置于热缩袋15-9内，形成封闭空间，防止试验时水流溢出装置。

一种散体矸石真三轴水力耦合压缩试验方法，采用了上述的散体矸石真三轴水力耦合压缩试验系统，包括如下步骤：

步骤一：将散体矸石15-10逐层均匀放至刚性承压立板15-5中间，放置散体矸石15-10前沿刚性承压底板15-8和刚性承压立板15-5铺设热缩袋15-9。

步骤二：散体矸石15-10充填完成后，利用热缩枪对热缩袋15-9进行加热，使热缩袋15-9收缩包裹住散体矸石15-10、进水管15-3和排水管15-7，形成密闭空间。

步骤三：启动位移传感器3、压力传感器13、流量计14、渗压计16和轮辐式称重传感器17等测量仪器，利用计算机10将各测量仪器数值调零。

步骤四：利用按钮控制台9打开油管上的电控伺服阀2-9，利用加载油缸2对矸石进行预加载，预加载采用分步依次循环加载，三个方向所分步数相等，以防止试件被压坏，并更准确模拟实际工况，预先将上下前后左右六个方向的力加载至预定载荷值的2%~5%，检查系统是否存在故障与异常情况。

步骤五：预加载完成后，利用按钮控制台9打开进水管15-3上的电控截止阀5，利用高压水泵6为散体矸石15-10提供一个恒定水压。

步骤六：利用流量计14测量流进散体矸石15-10的水流量，利用渗压计16测量散体矸石15-10内渗透压力，测量数据通过数据线8传输至计算机10。

步骤七：利用计算机10选定水平加载油缸2所对应的恒速恒压计量泵11，并根据试验目的从恒压模式、恒速模式、手动模式和位置模式中选定一种工作模式，通过加压油缸2作用于刚性承压立板15-5对散体矸石15-10进行水平方向加载。

步骤八：水平加载过程中，利用位移传感器3记录刚性承压立板15-5位移量，利用压力传感器13记录矸石水平受力情况，数据经数据线8传输至计算机10。

步骤九：水平加载完成后，利用计算机10选定竖直加载油缸所对应的恒速恒压计量泵11，并根据试验目的从恒压模式、恒速模式、手动模式和位置模式中选定一种工作模式，通过加压油缸2作用于刚柔复合承压顶板15-2对散体矸石15-10进行竖直方向加载。

步骤十：竖直加载过程中，利用轮辐式称重传感器17记录矸石竖直方向受力情况，利用压力传感器13与位移传感器3记录矸石在水平方向上的位移与受力情况，数据通过数据线8传输至计算机10。

步骤十一：试验结束后，依次关闭液压伺服系统和内封闭渗流压缩系统中各工作元件。

步骤十二：将竖直加载前后矸石水平方向位置与受力情况进行绘图分析，研究矸石压缩变形规律。

尽管以上所述对本发明的优选实施例进行了描述，但本发明不限于上述具体实施方式，上述具体实施方式仅仅是示意性的而不是限定性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以作出多种类似的表示。