一种用于持续加载膏体充填体的试验装置技术领域
本发明涉及矿山膏体充填开采技术领域，特别是指一种用于持续加载膏体充填体
的试验装置。
背景技术
矿山膏体充填材料是多种散体材料(胶结材料、尾砂、粉煤灰、添加剂等)与水复合
而成的牙膏状、无泌水的柱塞状结构流体。其性质稳定，可通过管道长距离运输至井下采空
区，并能形成一定的强度有效地支撑围岩，从而控制地表沉陷。膏体材料是整个膏体充填采
矿技术的核心，研究材料各项性质的影响因素对膏体技术的推动和发展起着至关重要的作
用。
膏体在进入采空区到膏体完全凝结一般情况下需要大约一个月的时间，期间采空
区上覆岩层的运动对充填体的稳定性有着重要影响。有些采空区的顶板稳定性较好，在膏
体初期水化反应时，不会对充填体产生压力作用，后期会持续对充填体施加载荷；而有些采
空区的顶板不稳定，还未等到充填体达到最终的支撑上覆岩层的强度时，就会对充填体施
加持续载荷，从而使得充填体的性质不按照水化正常方向发展，甚至产生开裂、破损等损伤
行为，对充填体的最终强度形成起到抑制作用。
许多科研工作者和现场生产人员对充填体材料配比及强度性能等做了一定的研
究工作，并且取得了较好的科研成果。但是从查阅的文献和资料可知，现在的充填体设计仅
仅根据其需要的支撑强度来反推膏体材料的配比设计。充填体在水化凝结期间所承受的载
荷并没有考虑到设计过程中。并且，针对上述现象，并没有相关的试验装备来研究分析此类
现象。
综上，在实验室中研究充填体在持续加载时的性能规律显得尤为重要。本发明旨
在提出一种用于持续加载膏体充填体的试验装置，为提高膏体充填设计的精准化提供技术
依据。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于持续加载膏体充填体的试验装置。
该装置包括弹簧、螺杆、钢垫板、螺栓、钢板一、钢板二和充填体，其中，弹簧两端分
别与钢板一和钢垫板相连；螺杆自下而上连接钢板二、钢垫板和螺栓；螺杆从钢板一中穿
过；钢板一和钢板二之间填充充填体，钢板一和钢板二之间的空间大小可以按照充填体的
实际尺寸来进行调节。螺栓与螺杆、钢垫板相连，从而对弹簧施加变形。
其中，弹簧为一种高精度弹簧，其变形量与所产生的载荷是精确对应的，按照充填
体各龄期强度的发展规律，弹性系数保持在50-100N/mm，弹力加载范围为0～5000kN。
钢板一两侧有螺杆通孔，通孔的直径大于螺杆直径，保证螺杆与钢板一无接触，从
而避免产生摩擦力。
钢板二两侧预留有螺杆固定孔，螺杆固定孔并不穿透钢板二，螺杆固定孔中有与
螺杆相匹配的螺纹，从而使螺杆与钢板二结合为一体，保证装置的稳定。
钢板一和钢板二正反面均标有间隔为50mm的刻度线，从而方便测得充填体试件的
尺寸大小，并且保证充填体中心与钢板一和钢板二中心相对应；钢板一和钢板二的尺寸为
1600mm×700mm×20mm。
螺栓是与螺杆相配套的零件，作用主要是通过旋转加载用来压缩弹簧，从而对充
填体施加载荷。
采用上述装置进行持续加载膏体充填体的试验操作的具体方法为：
(1)依据充填体性能的试验设计，对膏体材料进行配比设计，并按照设计在设定好
的环境条件下养护一定的时间。
(2)将两支螺杆与下面的钢板二进行相连，并固定在水平面上。
(3)将设定好一定龄期的充填体试件放在钢板二上，然后将另一块钢板一放入螺
杆之间，并且压在充填体试件表面，须保证充填体的中心与钢板中心相对应。
(4)将两个弹簧套入螺杆中，然后将钢垫板套入螺杆中，压在弹簧表面。
(5)根据实验所设定的施加载荷，结合钢板重力、弹簧重力和弹簧的弹力系数将螺
栓固定在一定位置，从而对充填体持续地施加载荷，对充填体进行观测。
(6)按照实验设计，待加载一定时间后，取出充填体试件，对其进行进一步的试验。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
本发明能够对充填体持续进行加载，研究充填体在一定时间的持续载荷下的性能
发展规律，为膏体性能的分析提供精确依据。主要有以下几个优点：第一，试验装置能根据
充填体的试件尺寸来进行调节，适应性较强；第二，借助弹簧的力学性质，能够精确地对充
填体施加载荷；第三，整个试验过程无需借助电力、微机等系统，试验可以持续任意一段时
间，过程安全、高效、环保。
同时该系统具有操作简单、制作成本低、便携性、灵活性等特点，可为以后膏体的
室内设计提供试验依据，在某些顶板情况已知条件下可以有效模拟现场充填体的性能发展
规律，从而推动膏体充填技术的发展，具有很强的理论和实用价值。
附图说明
图1为本发明的用于持续加载膏体充填体的试验装置结构示意图；
图2为本发明的用于持续加载膏体充填体的试验装置钢板一结构示意图；
图3为本发明的用于持续加载膏体充填体的试验装置钢板二结构示意图。
其中：1-弹簧；2-螺杆；3-钢垫板；4-螺栓；5-钢板一；6-钢板二；7-充填体。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具
体实施例进行详细描述。
本发明针对矿山采场充填体受顶板载荷的影响、室内试验与现场实际的不精确对
接等问题，提供一种用于持续加载膏体充填体的试验装置。
如图1所示，该装置中弹簧1两端分别与钢板一5和钢垫板3相连；螺杆2自下而上连
接钢板二6、钢垫板3和螺栓4；螺杆2从钢板一5中穿过；钢板一5和钢板二6之间填充充填体
7。钢板一5和钢板二6之间的空间大小可以按照充填体的实际尺寸来进行调节。
本装置中弹簧1弹性系数保持在50-100N/mm，弹力加载范围为0～5000kN。
如图2所示，钢板一5两侧有螺杆通孔，直径大小为70～100mm，通孔的直径大于螺
杆2直径，保证螺杆2与钢板一5无接触。
如图3所示，钢板二6两侧预留有螺杆固定孔，直径大小为50mm，螺杆固定孔并不穿
透钢板二6，螺杆固定孔中有与螺杆2相匹配的螺纹，从而使螺杆2与钢板二6结合为一体。
钢板一5和钢板二6正反面均标有间隔为50mm的刻度线，充填体7中心与钢板一5和
钢板二6中心相对应；钢板一5和钢板二6的尺寸为1600mm×700mm×20mm。
本装置具体操作方法如下：
(1)依据充填体性能的试验设计，对膏体材料进行配比设计，并按照设计在设定好
的环境条件下养护一定的时间。
(2)将两支螺杆2与下面的钢板二6进行相连，并固定在水平面上。
(3)将设定好一定龄期的充填体7放在钢板二6上，然后将另一块钢板一5放入螺杆
之间，并且压在充填体7表面，须保证充填体的中心与钢板中心相对应。
(4)将两个弹簧1套入螺杆2中，然后将钢垫板3套入螺杆2中，压在弹簧1表面。
(5)根据实验所设定的施加载荷，结合钢板一5重力、弹簧1重力和弹簧的弹力系数
将螺栓4固定在一定位置，从而对充填体7持续地施加载荷，对充填体进行观测。
(6)按照实验设计，待加载一定时间后，取出充填体试件，对其进行进一步的试验。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员
来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也
应视为本发明的保护范围。