CN103915029B - 一种多级搅拌浆料充填模型试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多级搅拌浆料充填模型试验系统及方法，其试验系统包括试验台架、水槽、数据采集监控装置、一级浆料搅拌机、二级浆料搅拌机、下料漏斗、脱水管、多层组合式钢架、一级搅拌浆料控制阀和二级搅拌浆料控制阀；数据采集监控装置包括多个监测终端、数据采集器和数据存储显示器，监测终端包括防水盒、光纤波分复用器、光纤压力传感器、光纤温度传感器、光纤位移传感器和光纤渗压计；数据采集器由光纤耦合器和光纤光栅解调仪组成。其试验方法包括步骤：一、一级搅拌，二、二级搅拌，三、输送浆料到水槽中，四、第一次试验，五、第二次试验，六、试验数据同步检测、显示及存储。本发明能够在试验过程中进行试验数据同步检测、显示及存储。

Description

一种多级搅拌浆料充填模型试验系统及方法

技术领域

本发明属于充填采矿技术领域，具体是涉及一种多级搅拌浆料充填模型试验系统及方法。

背景技术

从宏观采矿技术发展来看，充填技术作为未来矿业开采的发展方向，其发展的程度直接关系着矿业的可持续发展。经过国内外学者多年的不懈努力，充填技术得到了快速发展。然而纵观充填技术的发展历程，容易发现充填基础理论的发展严重滞后于充填工艺的发展，导致了理论落后于实践的局面。对于低层次的矿业开采，重视工艺研究是正确的，然而对于更高层次的矿业开采，必须具有完备的理论以指导实践，否则会导致工程实践上的盲目性。由此可见加强充填基础理论研究，对充填技术乃至矿业的可持续发展具有重要的意义。从具体工程实践来看，任何一种充填采矿法都要求充填体具有一定的强度，以满足后续的回采工作。通常情况下都是通过实验室试块压力试验所测得的强度作为充填设计的依据，然而，通过现场实测观察发现，由于离析沉积的作用，充填体强度实际值非常离散，充填体某一部位强度的实测值与设计配比试块的强度值相差甚远，充填体内部结构在充填过程的复杂作用下产生了巨大的不均质性。这种不均质性的存在，使我们传统的充填配比设计与现场实际以及后续的回采设计产生了脱节，所以有必要对充填料浆流动沉积、充填体强度分布及内部结构特性进行研究，根据回采工艺对充填体不同部位的强度要求来调整与改进充填设计，这对企业安全高效生产具有重大现实意义。

科学工作者通过模型试验对浆料充填技术进行仿真模拟是一种有效的方法，但是，现有技术中对浆料充填模型试验的数据采集及监控技术的研究较少，浆料充填模型试验系统中缺少数据采集监控装置，往往浆料充填模型试验过程中并不实时采集数据，而是在试验结束后才进行相关数据采集、处理和分析，试验过程中模型体的情况大都靠经验进行判断，试验数据的反馈存在明显的滞后性，对试验的精确度有明显的影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种结构简单、封水性能好、设计新颖合理、实现方便且使用操作方便，能够在试验过程中，对试验数据进行同步检测、显示及存储的多级搅拌浆料充填模型试验系统。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种多级搅拌浆料充填模型试验系统，其特征在于：包括试验台架、水槽和数据采集监控装置，以及安装在试验台架上的一级浆料搅拌机和二级浆料搅拌机，所述水槽靠近二级浆料搅拌机的一侧内壁上安装有下料漏斗，所述水槽远离二级浆料搅拌机的一侧内壁上安装有脱水管，所述水槽内中间位置处设置有多层组合式钢架，所述二级浆料搅拌机的进料口通过向下倾斜设置的第一浆料输送管道和连接在第一浆料输送管道上的一级搅拌浆料控制阀与一级浆料搅拌机的出料口连接，所述下料漏斗的进料口通过向下倾斜设置的第二浆料输送管道和连接在第二浆料输送管道上的二级搅拌浆料控制阀与二级浆料搅拌机的出料口连接；所述数据采集监控装置包括放置在多层组合式钢架上的多个监测终端，以及数据采集器和数据存储显示器，所述监测终端包括防水盒和设置在防水盒内的光纤波分复用器，以及设置在防水盒内且用于对浆料充填模型的应力进行实时检测的光纤压力传感器、用于对浆料充填模型的温度进行实时检测的光纤温度传感器、用于对浆料充填模型的沉降位移进行实时检测的光纤位移传感器和用于对浆料充填模型的渗流量进行实时检测的光纤渗压计，所述光纤压力传感器的输出端、光纤温度传感器的输出端、光纤位移传感器的输出端和光纤渗压计的输出端均与光纤波分复用器的输入端相接；所述数据采集器由光纤耦合器和与光纤耦合器相接的光纤光栅解调仪组成，所述光纤耦合器通过信号传输光纤与光纤波分复用器的输出端相接，所述光纤光栅解调仪的输出端与数据存储显示器相接。

上述的一种多级搅拌浆料充填模型试验系统，其特征在于：所述水槽由有机玻璃制成，所述水槽的形状为长方体，所述水槽的长度为200cm～280cm，所述水槽的宽度为20cm～40cm，所述水槽的高度为80cm～100cm。

上述的一种多级搅拌浆料充填模型试验系统，其特征在于：所述多层组合式钢架的层数为四层，所述监测终端的数量为40个，多层组合式钢架上每层放置10个监测终端。

上述的一种多级搅拌浆料充填模型试验系统，其特征在于：所述数据存储显示器为PC机。

本发明还提供了一种方法步骤简单、下料的连续性和均匀性好、试验精度高的多级搅拌浆料充填模型试验方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、对浆料进行一级搅拌：关闭一级搅拌浆料控制阀，将浆料按照试验设计要求配比混合，倒入一级浆料搅拌机中，一级浆料搅拌机对浆料进行充分搅拌；

步骤二、对浆料进行二级搅拌：关闭二级搅拌浆料控制阀并打开一级搅拌浆料控制阀，浆料经由第一浆料输送管道和一级搅拌浆料控制阀进入二级浆料搅拌机中，二级浆料搅拌机对浆料进行再次充分搅拌；

步骤三、输送浆料到水槽中：打开二级搅拌浆料控制阀并关闭脱水管，浆料经由第二浆料输送管道和二级搅拌浆料控制阀进入下料漏斗中，并通过下料漏斗进入水槽中；

步骤四、进行第一次试验：待水槽中的浆料高度达到水槽高度的一半时，关闭二级搅拌浆料控制阀并打开脱水管，停止输送浆料到水槽中，待浆料初凝形成浆料充填模型后，在浆料充填模型的表面铺上塑料薄膜，再在塑料薄膜上盖上一层草甸，对浆料充填模型进行养护7天；

步骤五、进行第二次试验：揭去草甸和塑料薄膜，再次打开二级搅拌浆料控制阀并关闭脱水管，浆料经由第二浆料输送管道和二级搅拌浆料控制阀进入下料漏斗中，并通过下料漏斗进入水槽中养护7天后的浆料充填模型的表面上，待水槽中的浆料高度与水槽高度相等时，关闭二级搅拌浆料控制阀并打开脱水管，停止输送浆料到水槽中，待浆料初凝形成浆料充填模型后，在浆料充填模型的表面铺上塑料薄膜，再在塑料薄膜上盖上一层草甸，对浆料充填模型进行养护28天；

步骤六、试验数据同步检测、显示及存储：步骤四中进行第一次试验的过程中以及步骤五中进行第二次试验的过程中，所述光纤压力传感器对浆料充填模型的应力进行实时检测并将所检测到的信号经由光纤波分复用器和信号传输光纤传输给光纤耦合器，所述光纤温度传感器对浆料充填模型的温度进行实时检测并将所检测到的信号经由光纤波分复用器和信号传输光纤传输给光纤耦合器，所述光纤位移传感器对浆料充填模型的沉降位移进行实时检测并将所检测到的信号经由光纤波分复用器和信号传输光纤传输给光纤耦合器，所述光纤渗压计对浆料充填模型的渗流量进行实时检测并将所检测到的信号经由光纤波分复用器和信号传输光纤传输给光纤耦合器，光纤光栅解调仪采集光纤耦合器接收到的光信号并将光纤耦合器输出的光信号转换为电信号后传输给数据存储显示器，数据存储显示器对浆料充填模型的应力、温度、沉降位移和渗流量数据进行实时显示并存储。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明多级搅拌浆料充填模型试验系统中设置了数据采集监控装置，能够在试验过程中，对试验数据进行同步检测、显示及存储，与现有技术相比，能够更及时地监测试验过程中的数据并同步显示出来，使试验操作人员第一时间了解到浆料充填模型所处的状态，有利于试验人员更好的控制试验进程，大大提高了浆料充填模型试验的精确性。

2、本发明多级搅拌浆料充填模型试验系统的结构简单，封水性能好，设计新颖合理，实现方便且使用操作方便。

3、本发明的数据采集监控装置采用了由光纤压力传感器、光纤温度传感器、光纤位移传感器、光纤渗压计、光纤波分复用器、信号传输光纤、光纤耦合器和光纤光栅解调仪构成的光纤传感网络，能够稳定可靠地进行数据的采集及传输。

4、本发明数据存储显示器显示数据直观，方便试验操作人员查看；存储的浆料充填模型的应力、温度、沉降位移和渗流量数据，能够为工程技术人员提供工程中常用的试验参数，为工程技术人员研究浆料在流动过程中的流动特性、分层特性及沉积规律等充填体形成的微观过程提供试验依据，进而有助于工程技术人员研究充填体的形成机理及其不均匀特性。

5、本发明多级搅拌浆料充填模型试验方法的方法步骤简单，下料的连续性和均匀性好，试验精度高。

6、本发明的实用性强，使用效果好，便于推广使用。

综上所述，本发明设计新颖合理，使用操作方便，能够在试验过程中，对试验数据进行同步检测、显示及存储，试验精度高，实用性强，便于推广使用。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明多级搅拌浆料充填模型试验系统的结构示意图。

图2为本发明下料漏斗、多层组合式钢架和脱水管在水槽内的布设位置示意图。

图3为本发明多个监测终端在多层组合式钢架上的布设位置示意图。

图4为本发明监测终端的结构示意图。

图5为本发明数据采集监控装置的电路原理框图。

图6为本发明多级搅拌浆料充填模型试验方法的方法流程框图。

附图标记说明:

1—试验台架；2—一级浆料搅拌机；3—二级浆料搅拌机；

4—下料漏斗；5—脱水管；6—水槽；

7—多层组合式钢架；8—监测终端；8-1—光纤压力传感器；

8-2—光纤温度传感器；8-3—光纤位移传感器；8-4—光纤渗压计；

8-5—防水盒；8-6—光纤波分复用器；9—数据采集器；

9-1—光纤耦合器；9-2—光纤光栅解调仪；10—数据存储显示器；

11—一级搅拌浆料控制阀；12—二级搅拌浆料控制阀；

13—第一浆料输送管道；14—第二浆料输送管道；

15—信号传输光纤。

具体实施方式

如图1～图5所示，本发明的多级搅拌浆料充填模型试验系统，包括试验台架1、水槽6和数据采集监控装置，以及安装在试验台架1上的一级浆料搅拌机2和二级浆料搅拌机3，所述水槽6靠近二级浆料搅拌机3的一侧内壁上安装有下料漏斗4，所述水槽6远离二级浆料搅拌机3的一侧内壁上安装有脱水管5，所述水槽6内中间位置处设置有多层组合式钢架7，所述二级浆料搅拌机3的进料口通过向下倾斜设置的第一浆料输送管道13和连接在第一浆料输送管道13上的一级搅拌浆料控制阀11与一级浆料搅拌机2的出料口连接，所述下料漏斗4的进料口通过向下倾斜设置的第二浆料输送管道14和连接在第二浆料输送管道14上的二级搅拌浆料控制阀12与二级浆料搅拌机3的出料口连接；所述数据采集监控装置包括放置在多层组合式钢架7上的多个监测终端8，以及数据采集器9和数据存储显示器10，所述监测终端8包括防水盒8-5和设置在防水盒8-5内的光纤波分复用器8-6，以及设置在防水盒8-5内且用于对浆料充填模型的应力进行实时检测的光纤压力传感器8-1、用于对浆料充填模型的温度进行实时检测的光纤温度传感器8-2、用于对浆料充填模型的沉降位移进行实时检测的光纤位移传感器8-3和用于对浆料充填模型的渗流量进行实时检测的光纤渗压计8-4，所述光纤压力传感器8-1的输出端、光纤温度传感器8-2的输出端、光纤位移传感器8-3的输出端和光纤渗压计8-4的输出端均与光纤波分复用器8-6的输入端相接；所述数据采集器9由光纤耦合器9-1和与光纤耦合器9-1相接的光纤光栅解调仪9-2组成，所述光纤耦合器9-1通过信号传输光纤15与光纤波分复用器8-6的输出端相接，所述光纤光栅解调仪9-2的输出端与数据存储显示器10相接。

本实施例中，所述水槽6由有机玻璃制成，所述水槽6的形状为长方体，所述水槽6的长度为200cm～280cm，所述水槽6的宽度为20cm～40cm，所述水槽6的高度为80cm～100cm。优选地，所述水槽6的长度为240cm，所述水槽6的宽度为30cm，所述水槽6的高度为90cm。

如图3所示，本实施例中，所述多层组合式钢架7的层数为四层，所述监测终端8的数量为40个，多层组合式钢架7上每层放置10个监测终端8。

本实施例中，所述数据存储显示器10为PC机。具体实施时，PC机的显示器采用了LED超薄显示屏。

结合图6，本发明多级搅拌浆料充填模型试验方法，包括以下步骤：

步骤一、对浆料进行一级搅拌：关闭一级搅拌浆料控制阀11，将浆料按照试验设计要求配比混合，倒入一级浆料搅拌机2中，一级浆料搅拌机2对浆料进行充分搅拌；

步骤二、对浆料进行二级搅拌：关闭二级搅拌浆料控制阀12并打开一级搅拌浆料控制阀11，浆料经由第一浆料输送管道13和一级搅拌浆料控制阀11进入二级浆料搅拌机3中，二级浆料搅拌机3对浆料进行再次充分搅拌；对浆料进行二级搅拌的目的是保证料浆料搅拌的均匀性及下料的连续性；

步骤三、输送浆料到水槽6中：打开二级搅拌浆料控制阀12并关闭脱水管5，浆料经由第二浆料输送管道14和二级搅拌浆料控制阀12进入下料漏斗4中，并通过下料漏斗4进入水槽6中；具体实施时，应保证下料漏斗4内的浆料面高度稳定在下料漏斗4高度的12～32处，保证均匀下料；

步骤四、进行第一次试验：待水槽6中的浆料高度达到水槽6高度的一半时，关闭二级搅拌浆料控制阀12并打开脱水管5，停止输送浆料到水槽6中，待浆料初凝形成浆料充填模型后，在浆料充填模型的表面铺上塑料薄膜，再在塑料薄膜上盖上一层草甸，对浆料充填模型进行养护7天；

步骤五、进行第二次试验：揭去草甸和塑料薄膜，再次打开二级搅拌浆料控制阀12并关闭脱水管5，浆料经由第二浆料输送管道14和二级搅拌浆料控制阀12进入下料漏斗4中，并通过下料漏斗4进入水槽6中养护7天后的浆料充填模型的表面上，待水槽6中的浆料高度与水槽6高度相等时，关闭二级搅拌浆料控制阀12并打开脱水管5，停止输送浆料到水槽6中，待浆料初凝形成浆料充填模型后，在浆料充填模型的表面铺上塑料薄膜，再在塑料薄膜上盖上一层草甸，对浆料充填模型进行养护28天；

步骤六、试验数据同步检测、显示及存储：步骤四中进行第一次试验的过程中以及步骤五中进行第二次试验的过程中，所述光纤压力传感器8-1对浆料充填模型的应力进行实时检测并将所检测到的信号经由光纤波分复用器8-6和信号传输光纤15传输给光纤耦合器9-1，所述光纤温度传感器8-2对浆料充填模型的温度进行实时检测并将所检测到的信号经由光纤波分复用器8-6和信号传输光纤15传输给光纤耦合器9-1，所述光纤位移传感器8-3对浆料充填模型的沉降位移进行实时检测并将所检测到的信号经由光纤波分复用器8-6和信号传输光纤15传输给光纤耦合器9-1，所述光纤渗压计8-4对浆料充填模型的渗流量进行实时检测并将所检测到的信号经由光纤波分复用器8-6和信号传输光纤15传输给光纤耦合器9-1，光纤光栅解调仪9-2采集光纤耦合器9-1接收到的光信号并将光纤耦合器9-1输出的光信号转换为电信号后传输给数据存储显示器10，数据存储显示器10对浆料充填模型的应力、温度、沉降位移和渗流量数据进行实时显示并存储。

综上所述，本发明能够在试验过程中，对试验数据进行同步检测、显示及存储，与现有技术相比，能够更及时地监测试验过程中的数据并同步显示出来，使试验操作人员第一时间了解到浆料充填模型所处的状态，有利于试验人员更好的控制试验进程，大大提高了浆料充填模型试验的精确性；数据存储显示器存储的浆料充填模型的应力、温度、沉降位移和渗流量数据，能够为工程技术人员提供工程中常用的试验参数，为工程技术人员研究浆料在流动过程中的流动特性、分层特性及沉积规律等充填体形成的微观过程提供试验依据，进而有助于工程技术人员研究充填体的形成机理及其不均匀特性。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (3)

1.一种多级搅拌浆料充填模型试验系统，其特征在于：包括试验台架(1)、水槽(6)和数据采集监控装置，以及安装在试验台架(1)上的一级浆料搅拌机(2)和二级浆料搅拌机(3)，所述水槽(6)靠近二级浆料搅拌机(3)的一侧内壁上安装有下料漏斗(4)，所述水槽(6)远离二级浆料搅拌机(3)的一侧内壁上安装有脱水管(5)，所述水槽(6)内中间位置处设置有多层组合式钢架(7)，所述二级浆料搅拌机(3)的进料口通过向下倾斜设置的第一浆料输送管道(13)和连接在第一浆料输送管道(13)上的一级搅拌浆料控制阀(11)与一级浆料搅拌机(2)的出料口连接，所述下料漏斗(4)的进料口通过向下倾斜设置的第二浆料输送管道(14)和连接在第二浆料输送管道(14)上的二级搅拌浆料控制阀(12)与二级浆料搅拌机(3)的出料口连接；所述数据采集监控装置包括放置在多层组合式钢架(7)上的多个监测终端(8)，以及数据采集器(9)和数据存储显示器(10)，所述监测终端(8)包括防水盒(8-5)和设置在防水盒(8-5)内的光纤波分复用器(8-6)，以及设置在防水盒(8-5)内且用于对浆料充填模型的应力进行实时检测的光纤压力传感器(8-1)、用于对浆料充填模型的温度进行实时检测的光纤温度传感器(8-2)、用于对浆料充填模型的沉降位移进行实时检测的光纤位移传感器(8-3)和用于对浆料充填模型的渗流量进行实时检测的光纤渗压计(8-4)，所述光纤压力传感器(8-1)的输出端、光纤温度传感器(8-2)的输出端、光纤位移传感器(8-3)的输出端和光纤渗压计(8-4)的输出端均与光纤波分复用器(8-6)的输入端相接；所述数据采集器(9)由光纤耦合器(9-1)和与光纤耦合器(9-1)相接的光纤光栅解调仪(9-2)组成，所述光纤耦合器(9-1)通过信号传输光纤(15)与光纤波分复用器(8-6)的输出端相接，所述光纤光栅解调仪(9-2)的输出端与数据存储显示器(10)相接；

所述水槽(6)由有机玻璃制成，所述水槽(6)的形状为长方体，所述水槽(6)的长度为200cm～280cm，所述水槽(6)的宽度为20cm～40cm，所述水槽(6)的高度为80cm～100cm；

所述数据存储显示器(10)为PC机。

2.按照权利要求1所述的一种多级搅拌浆料充填模型试验系统，其特征在于：所述多层组合式钢架(7)的层数为四层，所述监测终端(8)的数量为40个，多层组合式钢架(7)上每层放置10个监测终端(8)。

3.一种利用如权利要求1所述系统进行多级搅拌浆料充填模型试验的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、对浆料进行一级搅拌：关闭一级搅拌浆料控制阀(11)，将浆料按照试验设计要求配比混合，倒入一级浆料搅拌机(2)中，一级浆料搅拌机(2)对浆料进行充分搅拌；

步骤二、对浆料进行二级搅拌：关闭二级搅拌浆料控制阀(12)并打开一级搅拌浆料控制阀(11)，浆料经由第一浆料输送管道(13)和一级搅拌浆料控制阀(11)进入二级浆料搅拌机(3)中，二级浆料搅拌机(3)对浆料进行再次充分搅拌；

步骤三、输送浆料到水槽(6)中：打开二级搅拌浆料控制阀(12)并关闭脱水管(5)，浆料经由第二浆料输送管道(14)和二级搅拌浆料控制阀(12)进入下料漏斗(4)中，并通过下料漏斗(4)进入水槽(6)中；

步骤四、进行第一次试验：待水槽(6)中的浆料高度达到水槽(6)高度的一半时，关闭二级搅拌浆料控制阀(12)并打开脱水管(5)，停止输送浆料到水槽(6)中，待浆料初凝形成浆料充填模型后，在浆料充填模型的表面铺上塑料薄膜，再在塑料薄膜上盖上一层草甸，对浆料充填模型进行养护7天；

步骤五、进行第二次试验：揭去草甸和塑料薄膜，再次打开二级搅拌浆料控制阀(12)并关闭脱水管(5)，浆料经由第二浆料输送管道(14)和二级搅拌浆料控制阀(12)进入下料漏斗(4)中，并通过下料漏斗(4)进入水槽(6)中养护7天后的浆料充填模型的表面上，待水槽(6)中的浆料高度与水槽(6)高度相等时，关闭二级搅拌浆料控制阀(12)并打开脱水管(5)，停止输送浆料到水槽(6)中，待浆料初凝形成浆料充填模型后，在浆料充填模型的表面铺上塑料薄膜，再在塑料薄膜上盖上一层草甸，对浆料充填模型进行养护28天；

步骤六、试验数据同步检测、显示及存储：步骤四中进行第一次试验的过程中以及步骤五中进行第二次试验的过程中，所述光纤压力传感器(8-1)对浆料充填模型的应力进行实时检测并将所检测到的信号经由光纤波分复用器(8-6)和信号传输光纤(15)传输给光纤耦合器(9-1)，所述光纤温度传感器(8-2)对浆料充填模型的温度进行实时检测并将所检测到的信号经由光纤波分复用器(8-6)和信号传输光纤(15)传输给光纤耦合器(9-1)，所述光纤位移传感器(8-3)对浆料充填模型的沉降位移进行实时检测并将所检测到的信号经由光纤波分复用器(8-6)和信号传输光纤(15)传输给光纤耦合器(9-1)，所述光纤渗压计(8-4)对浆料充填模型的渗流量进行实时检测并将所检测到的信号经由光纤波分复用器(8-6)和信号传输光纤(15)传输给光纤耦合器(9-1)，光纤光栅解调仪(9-2)采集光纤耦合器(9-1)接收到的光信号并将光纤耦合器(9-1)输出的光信号转换为电信号后传输给数据存储显示器(10)，数据存储显示器(10)对浆料充填模型的应力、温度、沉降位移和渗流量数据进行实时显示并存储。