本發(fā)明屬于采礦技術研究領域，具體是涉及一種以巖石力學理論為基礎，根據(jù)階段空場嗣后充填采礦法開采工藝建立基于礦柱開挖過程的充填體-礦柱力學系統(tǒng)開挖承載實驗模型，利用液壓伺服試驗機平臺并結合應變監(jiān)測系統(tǒng)、聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)，研究礦柱開挖過程充填體承載機制的試驗儀器和試驗方法。

技術背景

21世紀以來，環(huán)境保護意識進一步得到加強，充填采礦法越來越受到采礦界的重視，已成為地下采礦技術發(fā)展的主要趨勢之一。充填采礦法是利用充填體控制圍巖移動變形，從而有效管理地壓，實現(xiàn)礦山安全、高效開采。隨著充填開采技術的不斷發(fā)展，機械化、大規(guī)模開采的階段空場嗣后充填采礦法在黑色冶金礦山得到廣泛應用。

利用階段空場嗣后充填采礦法開采厚大礦體時，通常需將礦塊垂直礦體走向布置，形成“礦房-礦柱-礦房-礦柱”的間隔開采格局，礦房利用階段空場采礦法開采后再進行嗣后膠結充填，回采礦柱時以充填體作為人工礦柱支撐采場應力實現(xiàn)安全回采。這一開采過程中，礦柱回采是在充填體的保護作用下進行的，膠結充填體起到人工礦柱的作用，膠結礦柱作為應力轉移的承載體，必須具有足夠的強度來支撐采場；礦柱回采過程是充填體暴露面積不斷擴大，充填體-礦柱系統(tǒng)不斷卸荷且持續(xù)承載的力學過程，隨充填體的暴露面積的逐步增大充填體應力場亦隨之變化，內(nèi)部產(chǎn)生裂隙甚至會產(chǎn)生宏觀裂紋，極易出現(xiàn)破壞垮塌危害。因此研究高大采場充填體在礦柱回采過程中應力場演化規(guī)律和自身承載破壞機制對于合理選擇采場結構參數(shù)和開采順序，以及對于維持地下充填采場穩(wěn)定性、安全合理的進行礦山開采也具有重要意義。

目前針對階段空場嗣后充填開采過程開展的相關技術研究主要集中于現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、數(shù)值模擬、相似模擬實驗等技術手段?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)采集受現(xiàn)場生產(chǎn)、水文、其他環(huán)境因素影響嚴重，而且周期長，試驗可重復性較差；相似模擬實驗研究受相似比以及相似實驗平臺條件限制(多為二維相似模擬實驗)較大，周期長、成本高；數(shù)值模擬分析受模擬軟件自身力學模型限制影響較大。

本發(fā)明就是針對以上問題提出的，提出了一種以巖石力學理論為基礎，根據(jù)階段空場嗣后充填采礦法開采工藝建立基于礦柱開挖過程的充填體-礦柱力學系統(tǒng)開挖承載實驗模型，利用液壓伺服試驗機平臺并結合應變監(jiān)測系統(tǒng)、聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)，研究礦柱開挖過程充填體承載機制的試驗儀器和試驗方法。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在探尋充填體在礦柱開挖過程中不斷卸荷、承載的應力場演化規(guī)律和充填體破壞機制，為階段空場嗣后充填開采提供理論支撐，更好地指導現(xiàn)場開采。

根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種研究礦柱開挖過程充填體承載機制的試驗儀器，所述儀器包括：巖石試驗機，試件，模具，靜態(tài)應變監(jiān)測系統(tǒng),聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)，微機電腦，導線，其中

所述的巖石試驗機負責提供豎直方向荷載；

所述的試件由礦柱和充填體組成，其中所述的礦柱由多片規(guī)整的礦石試塊組合而成；

所述的模具由鋼板組成，所述的鋼板之間通過嵌套和螺栓緊固連接，正面和背面鋼板外側設置加強肋板，通過螺栓與底部鋼板連接，限制鋼板變形，兩側端部鋼板插入正面和背面鋼板的卡槽中，通過螺栓與底部鋼板連接，限制鋼板位移變形；

所述的靜態(tài)應變監(jiān)測系統(tǒng)包括應變儀和應變片，其中所述的應變片置于所述的礦柱及所述的充填體上；

所述的聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)包括聲發(fā)射儀和探頭，其中所述的探頭置于所述的模具的外壁；

所述的微機電腦是所述的試驗儀器的中央控制器及結果的顯示輸出裝置，負責控制所述的巖石試驗機的應力加載及所述的靜態(tài)應變監(jiān)測系統(tǒng)及所述的聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)的測量、數(shù)據(jù)采集，并顯示輸出所述的靜態(tài)應變監(jiān)測系統(tǒng)及所述的聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)測量的數(shù)據(jù)、圖像，以及巖石試驗機加載的力學曲線；

所述的導線負責傳輸信息，所述的探頭與所述的聲發(fā)射儀通過所述的導線連接，所述的聲發(fā)射儀與所述的微機電腦通過所述的導線連接，所述的應變片與所述的應變儀通過所述的導線連接，所述的應變儀與所述的微機電腦通過所述的導線連接；

所述的試件置于所述的模具之中，在所述模具的限制下所述的試件四周水平位移固定；

所述的模具正面鋼板中央設有“凸”字形缺口，所述的礦柱與缺口位置對齊，所述的缺口由“凸”字形鋼板封堵，并由內(nèi)六角螺栓緊固；

所述的礦柱是由若干片規(guī)整的礦石試塊縱向排列組合而成；

所述的應變片貼于所述的礦柱和所述的充填體的中央位置，所述的應變片表面涂有914膠，對應變片起到固定、防水及防潮作用；

所述的試件表面與所述的模具內(nèi)壁均勻涂有凡士林，使所述的試件與所述的模具獲得更好的耦合，利于試驗過程中聲發(fā)射信號的監(jiān)測；

根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，還提供了一種研究礦柱開挖過程充填體承載機制的試驗方法：

步驟一：調(diào)試巖石試驗機，使其達到預加載荷，并在整個測試過程中保持加載應力不變；

步驟二：調(diào)試靜態(tài)應變監(jiān)測系統(tǒng)，利用萬能表對應變片的電阻及應變儀的電阻進行監(jiān)測，對所有應變片進行數(shù)據(jù)平衡處理；

步驟三：調(diào)試聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)，記錄探頭位置坐標，原點為模具的內(nèi)左角，所有探頭距中心距離相差不大；

步驟四：當加載應力達到預值時，同時開啟靜態(tài)應變監(jiān)測系統(tǒng)和聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)，開始監(jiān)測并記錄充填體-礦柱未開采時的應變變化和聲發(fā)射情況；

步驟五：松開內(nèi)六角螺栓，撤掉“凸”字形鋼板進行礦柱開挖，迅速敲擊礦石試塊四角邊緣，將礦石試塊擊碎并將碎片清出，完成本次礦柱開挖，監(jiān)測并記錄聲發(fā)射以及應變情況，為模擬真實采礦過程即“爆破崩礦-出礦-爆破崩礦-出礦”，要求礦柱開挖過程迅速,礦石試塊擊碎后需等待10分鐘再進行下一次礦柱開挖，靜態(tài)應變監(jiān)測系統(tǒng)和聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)始終保持監(jiān)測、記錄狀態(tài)；

步驟六：重復“步驟五”，直至礦柱開挖完畢；

步驟七：結果輸出，將靜態(tài)應變監(jiān)測系統(tǒng)、聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測結果以數(shù)值、圖像的形式輸出，并對開挖礦柱兩側充填體的破壞情況進行拍照，以方便后期試驗數(shù)據(jù)分析。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

1.通過力學試驗的方法建立了階段空場嗣后充填采礦法礦柱開挖過程中充填體承載力學模型，為礦柱回采過程的安全性分析提供了理論支撐，更好地指導現(xiàn)場開采；

2.利用靜態(tài)應變監(jiān)測系統(tǒng)、聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)對試驗中礦柱開挖整個過程中礦柱、充填體的聲發(fā)射以及應變情況進行監(jiān)測，實現(xiàn)了礦柱開挖過程中礦柱承載規(guī)律及充填體卸荷及承載規(guī)律研究；

3.本發(fā)明實現(xiàn)了對礦柱開挖過程中“充填體-礦柱-充填體”力學系統(tǒng)應力場演化機制的研究。

附圖說明

圖1為本發(fā)明試驗儀器整體結構示意圖

圖2為模具和試件結構示意圖

圖3為礦石試塊示意圖

圖4為礦柱開采過程充填體卸荷承載力學模型

圖5為本發(fā)明試驗方法步驟流程圖

標號說明：

1：巖石試驗機

2：試件，2-1：充填體，2-2：礦柱，2-3礦石試塊

3：模具，3-1：鋼板，3-2：“凸”字形鋼板，3-3：內(nèi)六角螺栓，3-4：肋板，3-5：卡槽

4-1：應變儀，4-2應變片

5-1：聲發(fā)射儀，5-2：探頭

6：微機電腦

7：導線

具體實施方式

本發(fā)明涉及一種以巖石力學理論為基礎，根據(jù)階段空場嗣后充填采礦法開采工藝建立基于礦柱開挖過程的充填體-礦柱力學系統(tǒng)開挖承載實驗模型，利用液壓伺服試驗機平臺并結合應變監(jiān)測系統(tǒng)、聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)，研究礦柱開挖過程充填體承載機制的試驗儀器和試驗方法。

下面結合說明書附圖1～4對研究礦柱開挖過程充填體承載機制試驗儀器的重要部分做進一步介紹：

巖石試驗機1負責豎直方向提供載荷施加在試件2頂部上，荷載大小根據(jù)模擬現(xiàn)場的開采環(huán)境重力場大小而定；試件2由“充填體-礦柱-充填體”組成，兩側充填體2-1按實驗要求制作、養(yǎng)護，各面磨平后與礦柱2-2緊密結合在一起，中間礦柱2-2部分，為方便開挖，由多片規(guī)整礦石試塊2-3縱向排列組合而成；組裝時，試件2置于底部鋼板3-1之上，鋼板之間通過嵌套和螺栓緊固連接，使試件2除開挖面外四周水平位移固定，正、背面鋼板3-1外側設置加強肋板3-4，通過螺栓與底部鋼板連接，限制鋼板變形，兩側端部鋼板插入正、背面鋼板的卡槽3-5中，通過螺栓與底部鋼板連接，限制鋼板位移變形，模具3側壁中央活動“凸”字形鋼板3-2與礦柱2-2平行并在縱向處于同一直線，方便礦柱2-2開挖；試件2表面及模具3內(nèi)壁需要均勻涂抹一層凡士林，目的是使2與模具3更好的耦合，利于試驗過程中聲發(fā)射信號監(jiān)測；應變片4-2均勻粘貼在充填體2-1與礦柱2-2中央表面處，使應變儀4-1全面地監(jiān)測充填體2-1與礦柱2-2在開挖過程中的應變變化，礦柱2-2開挖順序是由外向內(nèi)的；探頭5-2放置在模具3外側壁上，每個側壁放置2個，能夠全面地采集充填體2-1與礦柱2-2在開挖過程中的聲發(fā)射信號，放置原則為所有探頭5-2距中心距離相差不大，以模具3內(nèi)壁左內(nèi)角為原點，記錄探頭5-2的位置；導線7與應變片4-2焊接處及應變片4-2表面涂抹914膠，起到應變片固定和防水、防潮作用。

礦柱開挖過程，由應變儀4-1記錄預先粘貼在充填體2-1與礦柱2-2表面應變片4-2的應變變化，同時由聲發(fā)射系統(tǒng)的聲發(fā)射儀5-1采集記錄開挖過程充填體2-1與礦柱2-2的聲發(fā)射信號，以分析力學模型實驗過程細-宏觀破壞規(guī)律，由此揭示“充填體-礦柱-充填體”組合系統(tǒng)在礦柱2-2開挖條件下，充填體2-1卸荷承載力學機制。

下面結合說明書附圖5對研究礦柱開挖過程充填體承載機制試驗方法的步驟進一步介紹：

步驟一：調(diào)試巖石試驗機，使其達到預加載荷，并在整個測試過程中保持加載應力不變；

步驟二：調(diào)試靜態(tài)應變監(jiān)測系統(tǒng)，利用萬能表對應變片的電阻及應變儀的電阻進行監(jiān)測，對所有應變片進行數(shù)據(jù)平衡處理，根據(jù)出現(xiàn)異常的現(xiàn)象及時排查：1、電阻值小——檢查導線是否有短路的地方，2、沒有電阻值——檢查導線與應變儀連接的地方是否接觸不良；

步驟三：調(diào)試聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)，記錄探頭位置坐標，原點為模具的內(nèi)左角，所有探頭距中心距離相差不大；

步驟四：當加載應力達到預值時，同時開啟靜態(tài)應變監(jiān)測系統(tǒng)和聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)，開始監(jiān)測并記錄充填體-礦柱未開采時的應變變化和聲發(fā)射情況；

步驟五：松開內(nèi)六角螺栓，撤掉“凸”字形鋼板進行礦柱開挖，迅速敲擊礦石試塊四角邊緣，將礦石試塊擊碎并將碎片清出，完成本次礦柱開挖，監(jiān)測并記錄聲發(fā)射以及應變情況，為模擬真實采礦過程即“爆破崩礦-出礦-爆破崩礦-出礦”，要求礦柱開挖過程迅速,礦石試塊擊碎后需等待10分鐘再進行下一次礦柱開挖，靜態(tài)應變監(jiān)測系統(tǒng)和聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)始終保持監(jiān)測、記錄狀態(tài)；

步驟六：重復“步驟五”，直至礦柱開挖完畢；

步驟七：結果輸出，將靜態(tài)應變監(jiān)測系統(tǒng)、聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測結果以數(shù)值、圖像的形式輸出，并對開挖礦柱兩側充填體的破壞情況進行拍照，以方便后期試驗數(shù)據(jù)分析。

具體試驗數(shù)據(jù)如下：

應變片數(shù)據(jù)分析：

左側充填體上應變片自下至上的順序為1、2、3、4，右側充填體上應變片自下至上的順序為5、6、7、8。

表1靜態(tài)應變監(jiān)測系統(tǒng)測得礦柱開挖過程中的應變變化

從上表可以看出，左側充填體的所有應變片均有變化，4號應變片的應變最大，這是由于4號應變片距頂部較近，承受應力最大，表現(xiàn)為應變最明顯；右側充填體的5號應變片位于底部，承受應力最大，表現(xiàn)為應變最明顯，并且右側充填體的應變變化是由上至下逐漸增大的。

第一次開挖，由于開挖時充填體已經(jīng)開始承受應力，則應變片的應變開始增加，同時由于施加載荷在充填體的承受范圍之內(nèi)，應變變化較小。第二次開挖，充填體仍具有較好的承載能力，應變繼續(xù)增加但變化較小。第三次開挖，充填體產(chǎn)生更大的暴露面，承受應力的能力降低，應變增加較大。在礦柱回采過程中，充填體持續(xù)承受頂板應力，在側面出現(xiàn)暴露面后應變會發(fā)生突然增大的現(xiàn)象，表明充填體具有支護作用，保護礦柱回采的安全。

聲發(fā)射數(shù)據(jù)分析：

在模具的正面、左面、背面、右面的鋼板外壁各安裝兩個探頭，編號依次為1-8號，每個面的左下角探頭編號為單數(shù)，右上角探頭編號為偶數(shù)，呈對角線分布，每個探頭分別與聲發(fā)射儀編號一致的通道相連接，現(xiàn)抽取每個面上的一個探頭進行數(shù)據(jù)分析。

表2通道1和通道4聲發(fā)射特征參數(shù)值

表3通道5和通道8聲發(fā)射特征參數(shù)值

表2、3可以看出，在不同回采階段前期都會有聲發(fā)射信號突然增加的現(xiàn)象，表明此時模型承受應力增加，充填體發(fā)生一定的破壞。隨著礦柱回采進行，充填體產(chǎn)生暴露面增大，受到的應力增加，易出現(xiàn)裂紋裂隙的演化，表現(xiàn)為聲發(fā)射特征信號隨著回采步驟的增加而逐漸增大。