一種碎脹系數測量裝置、方法及吸水率的測量方法
【專利摘要】本發明提供了一種碎脹系數測量裝置、方法及吸水率的測量方法。該碎脹系數測量裝置包括第一容器；第二容器，與所述第一容器相連通；增壓部件，設置于所述第一容器；以及動力部件，可驅動所述增壓部件作用于所述第一容器，以調整所述第一容器和第二容器內的氣壓。本發明的碎脹系數測量裝置及方法具有以下優點：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，結合工程實際，可有效降低成本，提高生產效率及安全性，為巷道支護及井下開采提供可靠的數據依據，具有較大的實施價值和社會經濟效益。
【專利說明】
-種碎脹系數測量裝置、方法及吸水率的測量方法
技術領域
[0001] 本發明設及采礦業的安全控制技術，具體為一種基于連通器原理的多功能碎脹系 數測量裝置、方法及吸水率的測量方法。
【背景技術】
[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下增大， 運種性質稱為巖石的碎脹性。巖石的碎脹性可用巖石破碎后處于松散狀態下的體積與巖石 破碎前處于整體狀態下的體積之比來表示，該值稱為碎脹系數。
[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及采空區上覆巖層穩定性等規律有著重要的意義。因此，需要掌握 破碎巖石的殘余破碎系數的變化規律，W此來分析開采后覆蓋巖的沉降量，W及開采穩定 后的參與沉降量大小等。
[0004] 現有技術通常采用壓力和碎脹系數之間的力學經驗公式，通過測量頂板壓力，反 算獲得碎脹系數。如經驗公式
〇d表示每平方米所承受頂板壓力(t/m2)、K表 示煤層厚度（m)、T碎脹系數、P頂板巖石重力密度（t/m3)、a煤層傾角（° )。化簡可得
通過測量獲得〇d，計算可得碎脹系數τ。現有技術中僅能基于經驗公式計算 得到碎脹系數，但由于不同礦區巖石成分各異，而且地層深度、含水率等多種客觀條件也不 盡相同，因此，現有技術算得的碎脹系數一般都與實際情況出入較大，后續進行沉降量計算 時，依據上述方法得到的碎脹系數進行計算，偏差更大，運將直接危害礦區安全。
[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百分數表示之。吸水率是由其中空隙的數量和大小、顆粒相互排列的方式。吸水率愈大， 則其工程性質就愈差。研究巖石的吸水率W及吸水狀態下碎脹系數變化情況，同樣具有非 常重要的現實意義及應用價值。

【發明內容】

[0006] 本發明的一個主要目的在于克服上述現有技術的至少一種缺陷，提供一種可準確 測得碎脹系數的碎脹系數測量裝置、方法及吸水率的測量方法。
[0007] 本發明實施例提供一種碎脹系數測量裝置，包括，第一容器;第二容器，與所述第 一容器相連通;增壓部件，設置于所述第一容器；W及動力部件，可驅動所述增壓部件作用 于所述第一容器，W調整所述第一容器和第二容器內的壓力。
[000引根據本發明的一實施方式，所述增壓部件為活塞。
[0009] 根據本發明的另一實施方式，所述第一容器和所述第二容器的連通處與所述第一 容器底部的距離為所述第一容器高度的0~1/4。
[0010] 根據本發明的另一實施方式，所述第一容器和所述第二容器通過一連通管相連 通，所述連通管與所述第一容器底部的距離為所述第一容器高度的ο~1/4。
[0011] 根據本發明的另一實施方式，在所述第一容器、第二容器的底部分別設置有第一 出液口、第二出液口，在所述第一出液口、第二出液口均設置有過濾網。
[0012] 根據本發明的另一實施方式，在所述第一容器及所述第二容器上均設置有刻度， 所述刻度分別沿所述第一容器及所述第二容器的高度方向設置。
[0013] 根據本發明的另一實施方式，所述第一容器、所述第二容器由透明材質制得;或者 在所述第一容器、所述第二容器上開設有透明的觀測窗。
[0014] 本發明還提供了一種碎脹系數測量方法，包括：
[0015] 向相連通的第一容器和第二容器中注入液體，使液位處于所述第一容器的初始 位，所述初始位高度為Κο，所述初始位位于所述第一容器和所述第二容器的連通處之上；
[0016] 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Vo;假設所 述第一容器中僅剩Vo體積的所述巖石，所述液體均流至所述第二容器，通過Ko、Vo及所述第 一容器、第二容器的橫截面積可計算出所述第二容器的液位高度K3;
[0017] 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，給所述活塞施加外力，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， 測得所述第二容器內液體的液位高度為K2;
[0018] 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，使所述活塞在重力的作用下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，測得所述第二容器內液體的液位高度為fe/ ;
[0019] 通過Κ3-Κ2、ν〇及所述第二容器的橫截面積可計算出所述巖石破碎后的體積Vi;通 過K3-K2/、V〇及所述第二容器的橫截面積可計算出所述巖石破碎后的體積V/ ;
[0020] 通過碎脹系數=巖石碎塊總體積/巖石體積計算得到巖石的碎脹系數的數值范圍 Vi/Vo ~V//V0。
[0021] 本發明進一步提供了一種吸水率的測量方法，包括，
[0022] (1)向相連通的第一容器和第二容器中注入水，使水位處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連通處之上；
[0023] (2)將一巖石放入所述第一容器的水中，使所述第一容器、第二容器的水位超過所 述初始位；
[0024] (3)保持所述第一容器、第二容器處于密封狀態，通過施加壓力Po于活塞向所述第 一容器加壓，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；
[0025] (4)每隔時間At記錄一次水位變化，通過計算獲得所述巖石吸水率和At的變化 曲線。
[00%]根據本發明的一實施方式，所述吸水率的測量方法還包括，
[0027] (5)將施加于所述活塞的壓力增加至P，并記錄所述第一容器、第二容器中的水位 變化，之后每隔時間At記錄一次水位變化，計算獲得壓力及吸水作用下巖石吸水率的變化 情況；
[00%] (6)將施加于所述活塞的壓力增加至Ρ+ΔΡ，重復步驟(5)的操作；
[0029] (7)不斷增大施加于所述活塞的壓力，并重復步驟(5)的操作，直至壓力達到系統 設計最大壓力值;利用所獲得的不同壓力及吸水作用下巖石吸水率的變化數據，計算獲得 壓力及吸水率共同作用下的巖石吸水率變化情況。
[0030] 本發明的碎脹系數測量裝置及方法具有W下優點：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，結合工程實際，可有效降低成本，提高生產 效率及安全性，為巷道支護及井下開采提供可靠的數據依據，具有較大的實施價值和社會 經濟效益。
【附圖說明】
[0031] 圖1為本發明一實施方式的碎脹系數測量裝置的結構示意圖；
[0032] 圖2至圖5為本發明一實施方式的碎脹系數測量裝置用于碎脹系數測量的示意圖。
【具體實施方式】
[0033] 體現本發明特征與優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，其皆不脫離本發明的范圍，且其中的說 明及圖示在本質上是當作說明之用，而非用W限制本發明。
[0034] 如圖1至5所示，本發明一實施方式的碎脹系數測量裝置，包括第一容器10、第二容 器20、增壓部件W及動力部件。其中，第一容器10與第二容器20相連通;增壓部件設置于第 一容器10;動力部件可驅動增壓部件作用于第一容器10, W調整第一容器10和第二容器20 內的氣壓。
[0035] 在本發明的一實施方式中，增壓部件可W是活塞11，可通過推動活塞11壓縮第一 容器10內氣體體積的方式增大容器內氣體的壓強。在本發明的另一實施方式中，增壓部件 可W是例如空氣壓縮機，可通過向第一容器10內補充氣體，增加單位體積內氣體的量的方 式增大第一容器10內氣體的壓強。
[0036] 第一容器10可W為一端開口的圓筒，第二容器20可W為長方體的容器。第一容器 10和第二容器20可通過連通管12相連通，連通管12可W為一獨立的部件，也可W與第一容 器10、第二容器20-體成型。連通管12與第一容器10底部之間的距離可W為第一容器10高 度的0~1/4。或者，第一容器10與第二容器20可具有共用的側壁，在該側壁上開設有通孔， 第一容器10和第二容器20可通過該通孔相連通。
[0037] 在第一容器10和第二容器20的側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10和第二容器20內液體的高度，并通過該高度計算出容器內液體的體積。第 一容器10和第二容器20可為透明材質制作，W讀取到兩容器內液體高度的數值。或者第一 容器10和第二容器20大體上也可為非透明材質制成，可分別在第一容器10和第二容器20上 設置由透明材質制得的觀測窗，并在該觀測窗上設置刻度，W讀取到第一容器10、第二容器 20內液體高度的數值。
[0038] 活塞11可設置于第一容器10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10的側壁向第一容器10內移動，W向第一容器10加壓，第一容器10和第二容器 20保持連通，且處于密封狀態。驅動活塞11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11的活塞桿。為使第一容器10和第二容器20保持密封狀態，第二容器20可W僅 具有一與第一容器10相連通的開口。進一步地，活塞11可通過內螺紋密封圈14、外螺紋密封 圈15可滑動地設置于第一容器10內，W保證其與第一容器10的密封連接。
[0039] 為便于第一容器10、第二容器20內的液體排出，優選地，在第一容器10、第二容器 20分別設置第一出液口 13、第二出液口 21。第一出液口 13、第二出液口 21優選為開設于第一 容器10、第二容器20的底部。
[0040] 第一容器10、第二容器20的底部可設置于底板30上，W便于碎脹系數測量裝置的 使用及轉移，底板30可W為長方形板。在底板30上圍繞第一容器10可均勻設置4根圓柱狀的 固定支架31，還可在底板30上設置用于保護第一容器10和第二容器20的外殼。
[0041] 本發明對碎脹系數測量裝置各部件的尺寸沒有限定，可根據實際需要選擇適合的 尺寸。例如，第一容器10的高度可W為1100mm，其圓形橫截面的直徑可W為1000mm;第二容 器20的高度可W為2000mm，其長方形橫截面的長度可W為1000mm;連通管12的直徑可W為 10~15cm;長方形底板30的長度可W為1650mm，寬度可W為1250mm。
[0042] 本發明的基于連通器原理的多功能碎脹系數測量裝置，可實現基于時間的吸水率 測量、W及吸水情況下巖石碎脹系數測量等功能。
[0043] 多個巖石碎塊41的總體積會隨著來自外界的物理壓力或液壓的變化而變化，為進 一步精確測量巖石的碎脹系數，本發明一實施方式分別模擬測定了受一定外力作用的多個 巖石碎塊41的總體積Vi及V/，并WVi、V/計算得到的碎脹系數的數值作為端值，得到一碎 脹系數的數值范圍。W下結合圖1至5對該方法做進一步說明，本發明一實施方式的碎脹系 數測量方法包括：
[0044] 通過第一容器10上端的開口向相連通的第一容器10和第二容器20中注入液體，使 第一容器10和第二容器20的液位高度為Κο,Κο位于第一容器10和第二容器20的連通處之上， 可通過第二容器20上的刻度讀取Κο的值；
[0045] 將巖石40放入第一容器10的液體中，使得第一容器10、第二容器20的液位上升至 Ki，通過Κο、Κι及第一容器10、第二容器20的橫截面積可計算出巖石40的體積Vo。
[0046] 通過第一容器10上端的開口將巖石40自第一容器10中取出后破碎，形成多個巖石 碎塊41。將多個巖石碎塊41重新放入第一容器10的液體中，將活塞11設置于第一容器10的 上端口，保持第一容器10、第二容器20處于密封狀態，給活塞11施加外力，使其沿第一容器 10下滑，隨著活塞11的下滑，液面上方的氣體體積變小，壓強變大，第一容器10內的液體通 過連通管12流入第二容器20,直至第一容器10和第二容器20內的壓力達到平衡，即使施加 外力活塞11也不再下移，此時，第一容器10內的大部分液體已流入第二容器20,僅巖石碎塊 41的間隙中仍有液體存在，巖石碎塊41受到來自液體的壓力W及活塞11對巖石碎塊41的物 理壓力，W兩種復合壓力模擬礦區中巖石碎塊的受壓。此時，第二容器20內液體的液位高度 為K2,可通過第二容器20上的刻度讀取拉的值。
[0047] 同上述測量拉的步驟相類似，通過第一容器10上端的開口將多個巖石碎塊41放入 第一容器10的液體中，將活塞11設置于第一容器10的上端口，保持第一容器10、第二容器20 處于密封狀態，不給活塞11施加外力，使其在重力的作用下沿第一容器10下滑，隨著活塞11 的下滑，第一容器10內的液體通過連通管12流入第二容器20,直至活塞11停止下滑，此時巖 石碎塊41受到的壓力主要為來自液體的液壓，其它壓力可忽略不計，記錄第二容器20內液 體的液位高度fe/的值。
[0048] 如圖5所示，假設理想狀態下，巖石40未破碎前，在活塞11的作用下，第一容器10內 的液體均流入第二容器20,第一容器10內僅有Vo體積的巖石40,則此時第二容器20中的液 位高度為K3,通過K3-K2、Vo及第二容器20的橫截面積S可計算出巖石40破碎后形成的多個巖 石碎塊41的體積Vi =化3-拉)*S-V〇;同理，通過K3-K2/、Vo及第二容器20的橫截面積可計算出 巖石40破碎后形成的多個巖石碎塊41的體積V/。
[0049] 通過碎脹系數=巖石碎塊總體積/巖石體積計算得到巖石的碎脹系數的數值范圍 Vi/Vo ~V//V0。
[0050] 根據本發明的一實施方式，可用于本發明的碎脹系數測量方法的液體優選為水， 通過采用水作為中間媒介，根據不同時間下巖石吸水前后的水位變化，還可獲得關于時間t 的巖石吸水率變化情況，具體步驟可包括：
[0051] 向相連通的第一容器10和第二容器20中注入水，使水位處于第一容器10的初始位 化，初始位化位于第一容器10和第二容器20的連通處之上；
[0052] 將一巖石放入第一容器10的水中，使第一容器10、第二容器20的水位超過初始位 Ho；
[0053] 保持第一容器10、第二容器20處于密封狀態，通過活塞11向第一容器10加壓，使第 一容器10的水位退回至初始位化，第二容器20的水位升至第一液位化；
[0054] 在每隔時間At記錄一次水位變化，At可自由設定，優選為5分鐘；
[0055] 最后，可通過軟件計算獲得巖石吸水率和At的變化曲線。
[0056] 根據本發明的另一實施方式，采用水作為中間媒介，通過不斷變換壓力，獲得壓力 及吸水率共同作用下的吸水率變化情況，具體步驟可包括：
[0057] 向相連通的第一容器10和第二容器20中注入水，使水位處于第一容器10的初始位 化，初始位化位于第一容器10和第二容器20的連通處之上；
[005引將一巖石放入第一容器10的水中，使第一容器10、第二容器20的水位超過初始位 Ho；
[0059] 保持第一容器10、第二容器20處于密封狀態，通過施加壓力Po于活塞11向第一容 器10加壓，使第一容器10的液位退回至初始位化，第二容器20的水位升至第一液位化；
[0060] 將施加于活塞11的壓力增加至P，并記錄第一容器10、第二容器20中的水位變化， 之后每隔時間At記錄一次水位變化;利用軟件自動計算獲得壓力及吸水作用下巖石吸水 率的變化情況；
[0061 ] 將施加于活塞11的壓力增加至Ρ+ΔΡ，重復上述步驟；
[0062] 不斷增大施加于活塞11的壓力，并重復操作上述步驟，直至壓力達到系統設計最 大壓力值；
[0063] 利用所獲得的不同壓力及吸水作用下巖石吸水率的變化數據，最終計算獲得壓力 及吸水率共同作用下的巖石吸水率變化情況。
[0064] 本發明的基于連通器原理的多功能碎脹系數測量儀，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 終得到碎脹系數的變化范圍。本發明可應用于工程物理及地球物理等領域，特別對礦層井 下開采具有重要的意義。
[0065] 除非特別限定，本發明所用術語均為本領域技術人員通常理解的含義。
[0066] 本發明所描述的實施方式僅出于示例性目的，并非用W限制本發明的保護范圍， 本領域技術人員可在本發明的范圍內作出各種其他替換、改變和改進，因而，本發明不限于 上述實施方式，而僅由權利要求限定。
【主權項】
1. 一種碎脹系數測量裝置，包括， 第一容器； 第二容器，與所述第一容器相連通； 增壓部件，設置于所述第一容器；以及 動力部件，可驅動所述增壓部件作用于所述第一容器，以調整所述第一容器和第二容 器內的壓力。2. 根據權利要求1所述的裝置，其中所述增壓部件為活塞。3. 根據權利要求1所述的裝置，其中所述第一容器和所述第二容器的連通處與所述第 一容器底部的距離為所述第一容器高度的〇~1/4。4. 根據權利要求1所述的裝置，其中所述第一容器和所述第二容器通過一連通管相連 通，所述連通管與所述第一容器底部的距離為所述第一容器高度的0~1/4。5. 根據權利要求1所述的裝置，其中在所述第一容器、第二容器的底部分別設置有第一 出液口、第二出液口，在所述第一出液口、第二出液口均設置有過濾網。6. 根據權利要求1所述的裝置，其中在所述第一容器及所述第二容器上均設置有刻度， 所述刻度分別沿所述第一容器及所述第二容器的高度方向設置。7. 根據權利要求6所述的裝置，其中所述第一容器、所述第二容器由透明材質制得;或 者在所述第一容器、所述第二容器上開設有透明的觀測窗。8. -種碎脹系數測量方法，包括， 向相連通的第一容器和第二容器中注入液體，使液位處于所述第一容器的初始位，所 述初始位高度為Ko,所述初始位位于所述第一容器和所述第二容器的連通處之上； 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Vo;假設所述第 一容器中僅剩Vo體積的所述巖石，所述液體均流至所述第二容器，通過K Q、VQ及所述第一容 器、第二容器的橫截面積可計算出所述第二容器的液位高度Κ3; 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，給所述活塞施加外力，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，測 得所述第二容器內液體的液位高度為Κ 2; 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，使所述活塞在重力的作用下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，測 得所述第二容器內液體的液位高度為Κ/ ; 通過K3-K2、Vo及所述第二容器的橫截面積可計算出所述巖石破碎后的體積V1;通過κ 3-K/、Vo及所述第二容器的橫截面積可計算出所述巖石破碎后的體積V/ ; 通過碎脹系數=巖石碎塊總體積/巖石體積計算得到巖石的碎脹系數的數值范圍h/Vo ~VZ/Voo9. 一種吸水率的測量方法，包括， (1) 向相連通的第一容器和第二容器中注入水，使水位處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連通處之上； (2) 將一巖石放入所述第一容器的水中，使所述第一容器、第二容器的水位超過所述初 始位； (3) 保持所述第一容器、第二容器處于密封狀態，通過施加壓力Po于活塞向所述第一容 器加壓，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) 每隔時間At記錄一次水位變化，通過計算獲得所述巖石吸水率和At的變化曲線。10.根據權利要求9所述的方法，還包括， (5) 將施加于所述活塞的壓力增加至P，并記錄所述第一容器、第二容器中的水位變化， 之后每隔時間At記錄一次水位變化，計算獲得壓力及吸水作用下巖石吸水率的變化情況； (6) 將施加于所述活塞的壓力增加至Ρ+ΛΡ，重復步驟(5)的操作； (7) 不斷增大施加于所述活塞的壓力，并重復步驟(5)的操作，直至壓力達到系統設計 最大壓力值;利用所獲得的不同壓力及吸水作用下巖石吸水率的變化數據，計算獲得壓力 及吸水率共同作用下的巖石吸水率變化情況。
【文檔編號】G01F17/00GK106066387SQ201610350385
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2016年5月24日 公開號201610350385.3, CN 106066387 A, CN 106066387A, CN 201610350385, CN-A-106066387, CN106066387 A, CN106066387A, CN201610350385, CN201610350385.3
【發明人】何滿潮, 馬成榮
【申請人】中國礦業大學(北京)