一種碎脹系數(shù)的測量方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種巖石碎脹系數(shù)的測量方法，包括向一容器中注入液體，記錄液位的高度h1；將一巖石浸沒于所述容器的液體中，記錄液位的高度h2，根據(jù)h1、h2及所述容器的橫截面積，計算得到所述巖石的體積VS；將所述巖石自所述容器中取出、破碎成多個巖石碎塊，將所述多個巖石碎塊緊密地疊置于已排空液體的所述容器中，記錄所述多個巖石碎塊在所述容器中的高度h3，根據(jù)h3及所述容器的橫截面積，計算得到所述多個巖石碎塊的總體積VB；通過公式：碎脹系數(shù)k＝VB/VS計算得到所述巖石的碎脹系數(shù)。本發(fā)明的碎脹系數(shù)的測量方法，計算簡單，操作方便，測量速度快，成本低，具有較大的實施價值和社會經(jīng)濟效益。
【專利說明】
-種碎脹系數(shù)的測量方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設及采礦業(yè)的安全控制技術(shù)，尤其設及一種巖石碎脹系數(shù)的測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 礦層開采后，直接頂板巖石跨落破碎，破碎W后的巖石體積將比整體狀態(tài)下增大， 運種性質(zhì)稱為巖石的碎脹性。巖石的碎脹性可用巖石破碎后處于松散狀態(tài)下的體積與巖石 破碎前處于整體狀態(tài)下的體積之比來表示，該值稱為碎脹系數(shù)。
[0003] 巖石破碎后的體積不易計算，而研究破碎巖石的碎脹與壓實特性對分析開采沉 陷、采空地表殘余沉降W及采空區(qū)上覆巖層穩(wěn)定性等規(guī)律有著重要的意義。因此，需要掌握 破碎巖石的殘余破碎系數(shù)的變化規(guī)律，W此來分析開采后覆蓋巖的沉降量，W及開采穩(wěn)定 后的參與沉降量大小等。
[0004] 現(xiàn)有技術(shù)通常采用壓力和碎脹系數(shù)之間的力學經(jīng)驗公式，通過測量頂板壓力，反 算獲得碎脹系數(shù)。如經(jīng)驗公式= ^ 口 cosa，〇d表示每平方米所承受頂板壓力(t/m2)、h表 示煤層厚度（m)、T碎脹系數(shù)、P頂板巖石重力密度（t/m3)、a煤層傾角（°)。化簡可得 ^=^/^608?:+1通過測量獲得〇3，計算可得碎脹系數(shù)1?，F(xiàn)有技術(shù)中僅能基于經(jīng)驗公式計算 口 d 得到碎脹系數(shù)，但由于不同礦區(qū)巖石成分各異，而且地層深度、含水率等多種客觀條件也不 盡相同，因此，現(xiàn)有技術(shù)算得的碎脹系數(shù)一般都與實際情況出入較大，后續(xù)進行沉降量計算 時，依據(jù)上述方法得到的碎脹系數(shù)進行計算，偏差更大，運將直接危害礦區(qū)安全。
[0005] 吸水率是指石材在標準大氣壓力下吸水的能力，W石材所吸收的水分來量測，并 W百分數(shù)表示之。吸水率是由其中空隙的數(shù)量和大小、顆粒相互排列的方式。吸水率愈大， 則其工程性質(zhì)就愈差。研究巖石的吸水率W及吸水狀態(tài)下碎脹系數(shù)變化情況，同樣具有非 常重要的現(xiàn)實意義及應用價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的一個主要目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的至少一種缺陷，提供一種可準確 測得碎脹系數(shù)的測量方法。
[0007] 提供一種巖石碎脹系數(shù)的測量方法，包括向一容器中注入液體，記錄液位的高度 hi;將一巖石浸沒于所述容器的液體中，記錄液位的高度h2,根據(jù)hl、h2及所述容器的橫截面 積，計算得到所述巖石的體積Vs;將所述巖石自所述容器中取出、破碎成多個巖石碎塊，將 所述多個巖石碎塊緊密地疊置于已排空液體的所述容器中，記錄所述多個巖石碎塊在所述 容器中的高度h3,根據(jù)h3及所述容器的橫截面積，計算得到所述多個巖石碎塊的總體積Vb; 通過公式:碎脹系數(shù)k = VB/Vs計算得到所述巖石的碎脹系數(shù)。
[000引根據(jù)本發(fā)明的一實施方式，所述液體為水。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式，在所述容器上標示有刻度。
[0010] 根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式，還包括向所述容器中的多個巖石碎塊施加壓力〇1， 在所述壓力〇1的作用下，所述多個巖石碎塊在所述容器中的高度變?yōu)閔i，根據(jù)hi及所述容器 的橫截面積，計算得到所述多個巖石碎塊的總體積Vbi;計算得到在壓力〇1作用下所述巖石 的碎脹系數(shù)ki = VBi/Vs。
[0011] 根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式，還包括通過測定不同壓力〇1值作用下的碎脹系數(shù)， 繪制壓力與碎脹系數(shù)的變化曲線。
[0012] 另一方面，本發(fā)明實施例提供一種巖石碎脹系數(shù)的測量方法，在相連通的第一容 器和第二容器中進行測量，該方法包括：
[0013] 向所述第一容器和第二容器中注入液體，使液位高于所述第一容器和所述第二容 器的連通處之上，記錄所述第一容器和第二容器的液位高度Κο的值；
[0014] 將一巖石放入所述第一容器的液體中，所述第一容器、第二容器的液位高度上升 為Ki，通過Κο、Κι及所述第一容器、第二容器的橫截面積可計算出所述巖石的體積Vs=化1- Κο) X (S1+S2)，其中Si表示所述第一容器的橫截面積，S2表示所述第二容器的橫截面積；
[0015] 將所述巖石自所述第一容器中取出后破碎，形成多個巖石碎塊，將所述多個巖石 碎塊重新放入所述第一容器的液體中，將一活塞設置于所述第一容器，保持所述第一容器、 第二容器處于密封狀態(tài)，給所述活塞施加一壓力，使其沿所述第一容器下滑，隨著所述活塞 的下滑，所述第一容器內(nèi)的液體通過所述連通處流入所述第二容器，直至所述活塞停止移 動，記錄所述第一容器的液位高度K2、第二容器的液位高度K3,可計算出在所述壓力的作用 下，多個巖石砕塊的總體積Vbi=化X Si+拉X S2) -Κο X (S1+S2);
[0016] 根據(jù)ki = VBi/Vs計算出巖石的碎脹系數(shù)ki的數(shù)值。
[0017] 根據(jù)本發(fā)明的一實施方式，其中還包括通過測定不同壓力值作用下的碎脹系數(shù)， 繪制壓力與碎脹系數(shù)的變化曲線。
[0018] 本發(fā)明的碎脹系數(shù)的測量方法，原理簡潔明了，計算簡單，操作方便，測量速度快， 成本低，便于進行工程推廣，結(jié)合工程實際，可有效降低成本，提高生產(chǎn)效率及安全性，為巷 道支護及井下開采提供可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)，具有較大的實施價值和社會經(jīng)濟效益。
【附圖說明】
[0019] 圖1至圖3為本發(fā)明一實施方式的巖石碎脹系數(shù)的測量方法的過程示意圖；
[0020] 圖4為本發(fā)明一實施方式的在一定壓力作用下測量巖石碎脹系數(shù)的裝置的結(jié)構(gòu)示 意圖；
[0021] 圖5為本發(fā)明一實施方式的巖石碎脹系數(shù)的測量方法測得的壓力與碎脹系數(shù)的變 化曲線。
【具體實施方式】
[0022] 體現(xiàn)本發(fā)明特征與優(yōu)點的典型實施方式將在W下的說明中詳細敘述。應理解的是 本發(fā)明能夠在不同的實施方式上具有各種的變化，其皆不脫離本發(fā)明的范圍，且其中的說 明及圖示在本質(zhì)上是當作說明之用，而非用W限制本發(fā)明。
[0023] 如圖1至3所示，本發(fā)明一實施方式的巖石碎脹系數(shù)的測量方法，包括，測量巖石10 的體積Vs;將巖石10破碎成多個巖石碎塊11后，測量多個巖石碎塊11的總體積Vb，通過公式： 碎脹系數(shù)k = VB/Vs計算得到巖石10的碎脹系數(shù)。
[0024] 具體地，Vs、Vb可通過如下方法測得：
[0025] 如圖1、2所示，向容器20中注入液體30,記錄液體30的液位高度hi。之后將巖石10 浸沒于容器20的液體30中，液體30的液位高度上升為h2,容器20的橫截面積為S，由此可得 巖石10的體積Vs=化2-hi)S。本發(fā)明對用于碎脹系數(shù)測量方法的液體的種類沒有限定，該液 體優(yōu)選為水。
[0026] 如圖3所示，通過hi、h2及S獲得巖石10的體積后，可將容器20中的液體排出，將巖石 10自容器20中取出，破碎成多個巖石碎塊11后，重新放入空的容器20中，并將多個巖石碎塊 11緊密地疊置于容器20中，盡量減小巖石碎塊11之間的縫隙，如此多個巖石碎塊11在容器 20中堆疊的高度為h3,進而可得多個巖石碎塊11的總體積VB = h3XS。
[0027] 進一步地，還可通過向容器20中的多個巖石碎塊11施加壓力，測得不同應力曰i下 相應的碎脹系數(shù)ki。
[0028] 例如，向多個巖石碎塊11施加壓力〇1時（例如σι = IMPa)，由于受壓力的作用，巖石 碎塊11之間的縫隙變小，多個巖石碎塊11在容器20中的總高度降為hBi，此時多個巖石碎塊 11的總體積VBi = hBiXS，進而根據(jù)碎脹系數(shù)k = VB/Vs計算得到，在01的作用下，巖石10的碎 脹系數(shù)kl = VBl/Vs。同理，當向多個巖石碎塊11施加壓力02時，可測得相應的碎脹系數(shù)k2的 值，如此通過不斷變換壓力的數(shù)值，可得到不同壓力下的碎脹系數(shù)的值，并能繪制出壓力與 碎脹系數(shù)之間的變化曲線。
[0029] 圖4所示為本發(fā)明一實施方式的用于在一定壓力下測定巖石碎脹系數(shù)的裝置，包 括第一容器40、第二容器50、增壓部件W及動力部件。其中，第一容器40與第二容器50相連 通;增壓部件設置于第一容器40;動力部件可驅(qū)動增壓部件作用于第一容器40，W調(diào)整第一 容器40和第二容器50內(nèi)的氣壓。
[0030] 在本發(fā)明的一實施例中，增壓部件可W是活塞41，可通過推動活塞41壓縮第一容 器40內(nèi)氣體體積的方式向第一容器40中的巖石碎塊施壓。在本發(fā)明的另一實施例中，增壓 部件可W是例如空氣壓縮機，可通過向第一容器40內(nèi)補充氣體，增加單位體積內(nèi)氣體的量 的方式增大第一容器40內(nèi)氣體的壓強。
[0031 ]第一容器40可W為一端開口的圓筒，第二容器50可W為長方體的容器。第一容器 40和第二容器50可通過連通管42相連通，連通管42可W為一獨立的部件，也可W與第一容 器40、第二容器50-體成型。連通管42與第一容器40底部之間的距離可W為第一容器40高 度的0~1/4?；蛘?，第一容器40與第二容器50可具有共用的側(cè)壁，在該側(cè)壁上開設有通孔， 第一容器40和第二容器50可通過該通孔相連通。
[0032] 在第一容器40和第二容器50的側(cè)壁上還可設置有沿容器高度方向分布的刻度，W 測量第一容器40和第二容器50內(nèi)液體或固體的高度，并通過該高度計算出容器內(nèi)液體的體 積。第一容器40和第二容器50可為透明材質(zhì)制作，W讀取到兩容器內(nèi)液體高度的數(shù)值?；蛘?第一容器40和第二容器50大體上也可為非透明材質(zhì)制成，可分別在第一容器40和第二容器 50上設置由透明材質(zhì)制得的觀測窗，并在該觀測窗上設置刻度，W讀取到第一容器40、第二 容器50內(nèi)液體高度的數(shù)值。
[0033] 活塞41可設置于第一容器40上端的開口，并可在動力部件的作用下，自該上端口 沿第一容器40的側(cè)壁向第一容器40內(nèi)移動，W向第一容器40加壓，第一容器40和第二容器 50保持連通，且處于密封狀態(tài)。驅(qū)動活塞41移動的動力部件可W是例如液壓缸，該動力部件 作用于活塞41的活塞桿。為使第一容器40和第二容器50保持密封狀態(tài)，第二容器50可W僅 具有一與第一容器40相連通的開口。進一步地，活塞41可通過內(nèi)螺紋密封圈44、外螺紋密封 圈45可滑動地設置于第一容器40內(nèi)，W保證其與第一容器40的密封連接。
[0034]為便于第一容器40、第二容器50內(nèi)的液體排出，優(yōu)選地，在第一容器40、第二容器 50分別設置第一出液口 43、第二出液口 51。第一出液口 43、第二出液口 51優(yōu)選為開設于第一 容器40、第二容器50的底部。
[0035] 第一容器40、第二容器50的底部可設置于底板60上，W便于碎脹系數(shù)測量裝置的 使用及轉(zhuǎn)移，底板60可W為長方形板。在底板60上圍繞第一容器40可均勻設置四根圓柱狀 的固定支架61，還可在底板60上設置用于保護第一容器40和第二容器50的外殼。
[0036] 作業(yè)時，先通過第一容器40上端的開口向相連通的第一容器40和第二容器50中注 入液體，使第一容器40和第二容器50的液位高度為Κο,Κο位于第一容器40和第二容器50的連 通處之上，可通過第一容器40和第二容器50上的刻度讀取Κο的值；
[0037] 將巖石放入第一容器40的液體中，使得第一容器40、第二容器50的液位上升至Κι， 通過Κο、Κι及第一容器40、第二容器50的橫截面積可計算出巖石40的體積Vs=化i-Ko) X (Si+ S2)，其中Si表示第一容器40的橫截面積，S2表示第二容器50的橫截面積。
[0038] 之后，通過第一容器40上端的開口將巖石自第一容器40中取出后破碎，形成多個 巖石碎塊，將多個巖石碎塊重新放入第一容器40的液體中，并將活塞41設置于第一容器40 的上端口，保持第一容器40、第二容器50處于密封狀態(tài)，給活塞41施加外力01，使其沿第一 容器40下滑，隨著活塞41的下滑，第一容器40內(nèi)的液體不斷通過連通管42流入第二容器50， 直至第一容器40內(nèi)的大部分液體均流入第二容器50，僅巖石碎塊的縫隙中殘存有少量液 體。此時，由于受壓力的作用，巖石碎塊之間的縫隙變小。記錄第一容器40的液位高度K2、第 二容器50的液位高度K3,可計算出在壓力σι的作用下，多個巖石碎塊的總體積Vbi =化2 XSi+ K3 X S2) -Κο X (S1+S2)。此時，第一容器40內(nèi)的大部分液體已流入第二容器50，僅巖石碎塊的 間隙中仍有液體存在，巖石碎塊受到來自液體的壓力，W及活塞41對巖石碎塊的物理壓力， W兩種復合壓力模擬礦區(qū)中巖石碎塊的受壓。
[0039] 進一步根據(jù)ki = VBi/Vs計算出，在01的作用下巖石的碎脹系數(shù)ki的數(shù)值。重復上述 步驟，可測出不同壓力作用下的巖石的碎脹系數(shù)的數(shù)值，并做出壓力-碎脹系數(shù)曲線，具體 參見圖5。該曲線繪制成后，可根據(jù)曲線直接得到不同壓力下對應的巖石碎脹系數(shù)的值。
[0040] 上述實施例中，基于連通器原理的多功能碎脹系數(shù)測量設備，可利用連通器兩端 液位的變化獲得巖石破碎前后的體積變化，同時通過增加壓力，獲得不同壓力作用下的體 積變化，最終得到碎脹系數(shù)的變化范圍。
[0041] 根據(jù)本發(fā)明的一實施方式，可用于本發(fā)明的碎脹系數(shù)測量方法的液體優(yōu)選為水， 通過采用水作為中間媒介，根據(jù)不同時間下巖石吸水前后的水位變化，還可獲得關(guān)于時間t 的巖石吸水率變化情況。
[0042] 本發(fā)明的碎脹系數(shù)的測量方法，原理簡潔明了，計算簡單，操作方便，測量速度快， 成本低，便于進行工程推廣，結(jié)合工程實際，可有效降低成本，提高生產(chǎn)效率及安全性，為巷 道支護及井下開采提供可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)，具有較大的實施價值和社會經(jīng)濟效益。
[0043] 本發(fā)明的碎脹系數(shù)的測量方法，還可測定不同壓力下巖石的碎脹系數(shù)，并能夠繪 制出壓力與碎脹系數(shù)的變化曲線，進一步通過該曲線計算出不同壓力下對應的巖石碎脹系 數(shù)的值。
[0044] 除非特別限定，本發(fā)明所用術(shù)語均為本領(lǐng)域技術(shù)人員通常理解的含義。
[0045] 本發(fā)明所描述的實施方式僅出于示例性目的，并非用W限制本發(fā)明的保護范圍， 本領(lǐng)域技術(shù)人員可在本發(fā)明的范圍內(nèi)作出各種其他替換、改變和改進，因而，本發(fā)明不限于 上述實施方式，而僅由權(quán)利要求限定。
【主權(quán)項】
1. 一種巖石碎脹系數(shù)的測量方法，包括， 向一容器中注入液體，記錄液位的高度hi; 將一巖石浸沒于所述容器的液體中，記錄液位的高度h2,根據(jù)及所述容器的橫截 面積，計算得到所述巖石的體積Vs; 將所述巖石自所述容器中取出、破碎成多個巖石碎塊，將所述多個巖石碎塊緊密地疊 置于已排空液體的所述容器中，記錄所述多個巖石碎塊在所述容器中的高度h3,根據(jù)h3及所 述容器的橫截面積，計算得到所述多個巖石碎塊的總體積Vb ; 通過公式:碎脹系數(shù)k = VB/Vs計算得到所述巖石的碎脹系數(shù)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述液體為水。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中在所述容器上標示有刻度。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中還包括向所述容器中的多個巖石碎塊施加壓力〇1， 在所述壓力〇:的作用下，所述多個巖石碎塊在所述容器中的高度變?yōu)閘u，根據(jù)lu及所述容器 的橫截面積，計算得到所述多個巖石碎塊的總體積￥^;計算得到在壓力 〇1作用下所述巖石 的碎脹系數(shù)ki = VBi/Vs。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中還包括通過測定不同壓力〇1值作用下的碎脹系數(shù)， 繪制壓力與碎脹系數(shù)的變化曲線。6. -種巖石碎脹系數(shù)的測量方法，在相連通的第一容器和第二容器中進行測量，該方 法包括： 向所述第一容器和第二容器中注入液體，使液位高于所述第一容器和所述第二容器的 連通處之上，記錄所述第一容器和第二容器的液位高度Ko的值； 將一巖石放入所述第一容器的液體中，所述第一容器、第二容器的液位高度上升為Κι， 通過^、心及所述第一容器、第二容器的橫截面積可計算出所述巖石的體積VsiKi-KdX (S0&)，其中Si表示所述第一容器的橫截面積，&表示所述第二容器的橫截面積； 將所述巖石自所述第一容器中取出后破碎，形成多個巖石碎塊，將所述多個巖石碎塊 重新放入所述第一容器的液體中，將一活塞設置于所述第一容器，保持所述第一容器、第二 容器處于密封狀態(tài)，給所述活塞施加一壓力，使其沿所述第一容器下滑，隨著所述活塞的下 滑，所述第一容器內(nèi)的液體通過所述連通處流入所述第二容器，直至所述活塞停止移動，記 錄所述第一容器的液位高度K 2、第二容器的液位高度K3,可計算出在所述壓力的作用下，多 個巖石碎塊的總體積Vbi= (Κ2 X S1+K3 X S2) - ΚοX (S1+S2); 根據(jù)1α=νΒ1/ν5計算出巖石的碎脹系數(shù)1^的數(shù)值。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中還包括通過測定不同壓力值作用下的碎脹系數(shù)，繪 制壓力與碎脹系數(shù)的變化曲線。
【文檔編號】G01N33/24GK106066386SQ201610350039
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2016年5月24日 公開號201610350039.5, CN 106066386 A, CN 106066386A, CN 201610350039, CN-A-106066386, CN106066386 A, CN106066386A, CN201610350039, CN201610350039.5
【發(fā)明人】何滿潮, 馬成榮
【申請人】中國礦業(yè)大學(北京)