CN108708767B - 一种多点下料多分段排水充填模型装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多点下料多分段排水充填模型装置及方法，属于金属矿山技术领域，以解决金属矿山在尾砂充填过程中，如何快速处理充填采场内的溢流水和渗流水，同时又要保证充填体强度这个难题；本发明装置操作简单易行，可重复性强，应用面广，克服了井下工业试验采场的局限性，通过该多点下料多分段排水充填模型模拟井下采场充填和脱水作业，为金属矿山井下采场充填选择充填尾砂浓度、充填尾砂下料方式、充填尾砂脱水方式及封闭结构的设计提供参考依据，提供了一种合适的模拟装置与方法。
Description
技术领域
本发明属于金属矿山技术领域，具体涉及一种多点下料多分段排水充填模型装置及方法。
背景技术
目前，为了环保及防治地表塌陷的需要，越来越多的矿山采用充填法处理井下采空区，而采场充填脱水成为充填矿山需要面对的一大技术难题。采场充填脱水，既要脱走采场上部的清水(可称为溢流脱水)，也要脱走充填体内的自由水(可称为渗流脱水)。采场充填脱水效果的好坏，直接关系到采场充填的安全、采场充填的效率和采场充填体的强度。矿山一般在井下建立充填试验采场，在不断的工业试验中摸索解决采空区脱水的经验，但是该传统方法需要耗费大量的人力、物力、财力，最终还不一定能取得有效的成果。基于此实际问题的迫切性，如何采取简单可靠的装置与方法去模拟井下采场的充填和脱水作业，了解尾砂浆的流动特性、沉积过程、赋存状态、充填效果，为选择充填方案、脱水方案及封闭结构的设计提供参考依据，是目前矿山充填工作的巨大难题。
发明内容
为了克服上述问题，本发明提供一种多点下料多分段排水充填模型装置及方法，为金属矿山井下采场充填选择充填尾砂浓度、充填尾砂下料方式、充填尾砂脱水方式、封闭结构的设计以及为解决金属矿山在尾砂充填过程中的快速处理充填采场内的溢流水和渗流水，同时又保证充填体强度的问题提供参考依据，是一种适用的模拟装置与方法。
本发明的技术解决方案如下：
一种多点下料多分段排水充填模型装置，包括主模型桶1、进砂口2、滤水出口、管夹阀4、短管5、弯头6、三通7、副模型桶8、滤水进口9、滤水管10和夹子11，其中主模型桶1顶端沿圆周方向均匀分布四个进砂口2，主模型桶1沿桶壁竖直方向且在桶壁一侧均匀设置第一滤水出口31，第二滤水出口32，第三滤水出口33和第四滤水出口34，副模型桶8侧壁上设置两个滤水进口9，其中主模型桶1最上端的第一滤水出口31上连接有短管5，该短管5上设有管夹阀4且其另一端连接有弯头6，弯头6另一端连接有短管5，该短管5插入副模型桶8内，第二滤水出口32上连接有短管5，该短管5上设有管夹阀4且其另一端连接有三通7，三通7另一端连接在与弯头6连接的短管5上，第三滤水出口33上连接有短管5，该短管5的另一端连接在副模型桶8侧壁的一个滤水进口9上，且该短管5上设有管夹阀4，第四滤水出口34上连接有短管5，该短管5的另一端连接在副模型桶8侧壁的另一个滤水进口9上，且该短管5上设有管夹阀4；四根滤水管10的一端分别固定连接在第一滤水出口31，第二滤水出口32，第三滤水出口33和第四滤水出口34上，四根滤水管10的另一端均通过夹子11固定在主模型桶1顶端桶沿上同一处。
所述的主模型桶1和副模型桶8加工材质均为有机玻璃，保证了该充填模型试验装置试验全过程便于观测。
一种多点下料多分段排水充填模型试验方法，采用上述多点下料多分段排水充填模型试验装置进行操作，通过该装置对比分析不同尾砂浓度、不同下料顺序、不同分段排水对采空区排水的影响，了解尾砂浆的流动特性、沉积过程、赋存状态、充填效果，为选择充填方案及封闭结构的设计提供参考依据，包括如下操作步骤：
步骤一，检查充填模型试验装置各部件是否正常，有无破损泄漏部位，若存在部件不正常或破损泄露，需重新更换部件直到部件均正常使用，然后将各部分组装起来，保持各个管夹阀4呈全部打开状态；
步骤二，在搅拌桶里配置所需测量的不同浓度的尾砂砂浆，砂浆体积为主模型桶1的容积，确保尾砂砂浆在搅拌桶中搅拌均匀，通过数据的对比分析得到井下采空区处理时最佳的充填砂浆浓度；
步骤三，将砂浆浆体通过主模型桶(1)的四个进砂口(2)同时注入主模型桶(1)内，当砂浆到达进砂口(2)高度后停止注浆；
步骤四，静置观察并开始记录时间，滤出的水经过滤水管10渗透作用流出，由副模型桶8盛接，当主模型桶1上的滤水出口不再有水流出时，记录脱水时间和副模型桶8内的水量；
步骤五，分区、层、段测取主模型桶1内以下数据：以四个进砂口2处为顶点的主模型桶1的四个侧壁方向上的清水高度、稀泥高度、松散尾砂高度、密实尾砂高度，-50μm、-100μm、-200μm、-500μm的尾砂粒度所占百分比，稀泥、松散尾砂、密实尾砂的含水量，稀泥、松散尾砂、密实尾砂的密实度，以及稀泥、松散尾砂、密实尾砂的孔隙比；
步骤六，采用上述步骤一到步骤五的方法进行对比试验，将步骤一改为将与第一滤水出口31连接的短管5上的管夹阀4打开，其余三个管夹阀4关闭，即可测得以四个进砂口2处为顶点的主模型桶1的四个侧壁方向上分区、层、段的的尾砂赋存状态、含水量、密实度、孔隙比数据以及主模型桶1内尾砂脱水时间，通过数据的对比分析得到多分段排水相对于单分段排水的优点；
步骤七，采用上述步骤一到步骤五的方法进行对比试验，将步骤三修改为将砂浆浆体通过主模型桶1的其中一个进砂口2注入主模型桶1内，当砂浆到达进砂口2高度后停止注浆，即可测得主模型桶1内分区、层、段的的尾砂赋存状态、粒度分布、密实度、孔隙比数据，通过数据的对比分析得到多点下料相对于单点下料的优点。
本发明的有益效果如下：
本发明装置操作简单易行，可重复性强，应用面广，克服了井下工业试验采场的局限性，通过该多点下料多分段排水充填模型模拟井下采场充填和脱水作业，为金属矿山井下采场充填选择充填尾砂浓度、充填尾砂下料方式、充填尾砂脱水方式及封闭结构的设计提供参考依据，提供了一种合适的模拟装置与方法。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图。
图2为本发明装置的主模型桶结构示意图。
图3为本发明装置的主模型桶A-A断面图。
图4为本发明装置的主模型桶B-B断面图。
图5为本发明装置的副模型桶结构示意图。
图中：1主模型桶、2进砂口、31第一滤水出口、32第二滤水出口、33第三滤水出口、34第四滤水出口、4管夹阀、5短管、6弯头、7三通、8副模型桶、9滤水进口、10滤水管、11夹子。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步地说明。
如图1、图2、图3、图4、图5所示，一种多点下料多分段排水充填模型装置，包括主模型桶1、进砂口2、滤水出口、管夹阀4、短管5、弯头6、三通7、副模型桶8、滤水进口9、滤水管10和夹子11，其中主模型桶1顶端沿圆周方向均匀分布四个进砂口2，主模型桶1沿桶壁竖直方向且在桶壁一侧均匀设置第一滤水出口31，第二滤水出口32，第三滤水出口33和第四滤水出口34，副模型桶8侧壁上设置两个滤水进口9，位置分别在桶侧壁1/3桶高和2/3桶高处，其中主模型桶1最上端的第一滤水出口31上连接有短管5，该短管5上设有管夹阀4且其另一端连接有弯头6，弯头6另一端连接有短管5，该短管5插入副模型桶8内，第二滤水出口32上连接有短管5，该短管5上设有管夹阀4且其另一端连接有三通7，三通7另一端连接在与弯头6连接的短管5上，第三滤水出口33上连接有短管5，该短管5的另一端连接在副模型桶8侧壁的一个滤水进口9上，且该短管5上设有管夹阀4，第四滤水出口34上连接有短管5，该短管5的另一端连接在副模型桶8侧壁的另一个滤水进口9上，且该短管5上设有管夹阀4；四根滤水管10的一端分别固定连接在第一滤水出口31，第二滤水出口32，第三滤水出口33和第四滤水出口34上，四根滤水管10的另一端均通过夹子11固定在主模型桶1顶端桶沿上同一处。
主模型桶1的大小尺寸可根据矿山井下实际采空区大小进行生产加工。
主模型桶1和副模型桶8加工材质均为有机玻璃，保证了该充填模型试验装置试验全过程便于观测。
一种多点下料多分段排水充填模型试验方法，采用上述多点下料多分段排水充填模型试验装置进行操作，通过该装置对比分析不同尾砂浓度、不同下料顺序、不同分段排水对采空区排水的影响，了解尾砂浆的流动特性、沉积过程、赋存状态、充填效果，为选择充填方案及封闭结构的设计提供参考依据，包括如下操作步骤：
步骤一，检查充填模型试验装置各部件是否正常，有无破损泄漏部位，若存在部件不正常或破损泄露，需重新更换部件直到部件均正常使用，然后将各部分组装起来，保持各个管夹阀4呈全部打开状态；
步骤二，在搅拌桶里配置所需测量的不同浓度的尾砂砂浆，砂浆体积为主模型桶1的容积，确保尾砂砂浆在搅拌桶中搅拌均匀，通过数据的对比分析得到井下采空区处理时最佳的充填砂浆浓度；
步骤三，将砂浆浆体通过主模型桶(1)的四个进砂口(2)同时注入主模型桶(1)内，当砂浆到达进砂口(2)高度后停止注浆；
步骤四，静置观察并开始记录时间，滤出的水经过滤水管10渗透作用流出，由副模型桶8盛接，当主模型桶1上的滤水出口不再有水流出时，记录脱水时间和副模型桶8内的水量；
步骤五，分区、层、段测取主模型桶1内以下数据：以四个进砂口2处为顶点的主模型桶1的四个侧壁方向上的清水高度、稀泥高度、松散尾砂高度、密实尾砂高度，-50μm、-100μm、-200μm、-500μm的尾砂粒度所占百分比，稀泥、松散尾砂、密实尾砂的含水量，稀泥、松散尾砂、密实尾砂的密实度，以及稀泥、松散尾砂、密实尾砂的孔隙比；
步骤六，采用上述步骤一到步骤五的方法进行对比试验，将步骤一改为将与第一滤水出口31连接的短管5上的管夹阀4打开，其余三个管夹阀4关闭，即可测得以四个进砂口2处为顶点的主模型桶1的四个侧壁方向上分区、层、段的的尾砂赋存状态、含水量、密实度、孔隙比数据以及主模型桶1内尾砂脱水时间，通过数据的对比分析得到多分段排水相对于单分段排水的优点；
步骤七，采用上述步骤一到步骤五的方法进行对比试验，将步骤三修改为将砂浆浆体通过主模型桶1的其中一个进砂口2注入主模型桶1内，当砂浆到达进砂口2高度后停止注浆，即可测得主模型桶1内分区、层、段的的尾砂赋存状态、粒度分布、密实度、孔隙比数据，通过数据的对比分析得到多点下料相对于单点下料的优点。
通过对比分析可以发现，多点下料多分段排水时，以四个进砂口2处为顶点的主模型桶1的四个侧壁方向上分区、层、段的尾砂赋存状态、粒度分布、含水量、密实度、孔隙比数据一致，这说明多点下料能保证整个模型桶内水平方向上的充填体强度达到一致。
通过步骤六所述的对比试验所测数据进行对比分析可以发现，多点下料单分段排水时，脱水时间远远大于多分段排水的脱水时间，以四个进砂口2处为顶点的主模型桶1的四个侧壁方向上稀泥、较松尾砂、较密尾砂的含水量变大，密实度变小，孔隙比变小，这说明单分段排水的效果大大不如多分段排水，这将影响充填浆体的后期强度形成，同时会影响采场的充填接顶时间。
通过步骤七所述的对比试验所测数据进行对比分析可以发现，单点下料时，下料处的进砂口2处清水最少，越远离下料处的进砂口2清水越多，同时主模型桶1内沿水平方向上各区、层、段的的粒度分布、密实度、孔隙比及充填体强度不均匀，下料处的进砂口2处尾砂颗粒比较粗，密实度、孔隙比最小，这说明单点下料的充填效果大大不如多点下料的充填效果，这将大大影响整个充填采场的充填强度，不能保证充填体的自立，不利于相邻采场的后期开采。
Claims (3)
1.一种多点下料多分段排水充填模型装置，其特征在于包括主模型桶(1)、进砂口(2)、滤水出口、管夹阀(4)、短管(5)、弯头(6)、三通(7)、副模型桶(8)、滤水进口(9)、滤水管(10)和夹子(11)，其中主模型桶(1)顶端沿圆周方向均匀分布四个进砂口(2)，主模型桶(1)沿桶壁竖直方向且在桶壁一侧均匀设置第一滤水出口(31)，第二滤水出口(32)，第三滤水出口(33)和第四滤水出口(34)，副模型桶(8)侧壁上设置两个滤水进口(9)，其中主模型桶(1)最上端的第一滤水出口(31)上连接有短管(5)，该短管(5)上设有管夹阀(4)且其另一端连接有弯头(6)，弯头(6)另一端连接有短管(5)，该短管(5)插入副模型桶(8)内，第二滤水出口(32)上连接有短管(5)，该短管(5)上设有管夹阀(4)且其另一端连接有三通(7)，三通(7)另一端连接在与弯头(6)连接的短管(5)上，第三滤水出口(33)上连接有短管(5)，该短管(5)的另一端连接在副模型桶(8)侧壁的一个滤水进口(9)上，且该短管(5)上设有管夹阀(4)，第四滤水出口(34)上连接有短管(5)，该短管(5)的另一端连接在副模型桶(8)侧壁的另一个滤水进口(9)上，且该短管(5)上设有管夹阀(4)；四根滤水管(10)的一端分别固定连接在第一滤水出口(31)，第二滤水出口(32)，第三滤水出口(33)和第四滤水出口(34)上，四根滤水管(10)的另一端均通过夹子(11)固定在主模型桶(1)顶端桶沿上同一处。
2.根据权利要求1所述的一种多点下料多分段排水充填模型装置，其特征在于所述的主模型桶(1)和副模型桶(8)加工材质均为有机玻璃，保证了该充填模型试验装置试验全过程便于观测。
3.一种多点下料多分段排水充填模型试验方法，其特征在于采用权利要求1所述的多点下料多分段排水充填模型试验装置进行操作，通过该装置对比分析不同尾砂浓度、不同下料顺序、不同分段排水对采空区排水的影响，了解尾砂浆的流动特性、沉积过程、赋存状态、充填效果，为选择充填方案及封闭结构的设计提供参考依据，包括如下操作步骤：
步骤一，检查充填模型试验装置各部件是否正常，有无破损泄漏部位，若存在部件不正常或破损泄露，需重新更换部件直到部件均正常使用，然后将各部分组装起来，保持各个管夹阀(4)呈全部打开状态；
步骤二，在搅拌桶里配置所需测量的不同浓度的尾砂砂浆，砂浆体积为主模型桶(1)的容积，确保尾砂砂浆在搅拌桶中搅拌均匀，通过数据的对比分析得到井下采空区处理时最佳的充填砂浆浓度；
步骤三，将砂浆浆体通过主模型桶(1)的四个进砂口(2)同时注入主模型桶(1)内，当砂浆到达进砂口(2)高度后停止注浆；
步骤四，静置观察并开始记录时间，滤出的水经过滤水管(10)渗透作用流出，由副模型桶(8)盛接，当主模型桶(1)上的滤水出口不再有水流出时，记录脱水时间和副模型桶(8)内的水量；
步骤五，分区、层、段测取主模型桶(1)内以下数据：以四个进砂口(2)处为顶点的主模型桶(1)的四个侧壁方向上的清水高度、稀泥高度、松散尾砂高度、密实尾砂高度，-50μm、-100μm、-200μm、-500μm的尾砂粒度所占百分比，稀泥、松散尾砂、密实尾砂的含水量，稀泥、松散尾砂、密实尾砂的密实度，以及稀泥、松散尾砂、密实尾砂的孔隙比；
步骤六，采用上述步骤一到步骤五的方法进行对比试验，将步骤一改为将与第一滤水出口(31)连接的短管(5)上的管夹阀(4)打开，其余三个管夹阀(4)关闭，即可测得以四个进砂口(2)处为顶点的主模型桶(1)的四个侧壁方向上分区、层、段的尾砂赋存状态、含水量、密实度、孔隙比数据以及主模型桶(1)内尾砂脱水时间，通过数据的对比分析得到多分段排水相对于单分段排水的优点；
步骤七，采用上述步骤一到步骤五的方法进行对比试验，将步骤三修改为将砂浆浆体通过主模型桶(1)的其中一个进砂口(2)注入主模型桶(1)内，当砂浆到达进砂口(2)高度后停止注浆，即可测得主模型桶(1)内分区、层、段的尾砂赋存状态、粒度分布、密实度、孔隙比数据，通过数据的对比分析得到多点下料相对于单点下料的优点。
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