CN113791194A - 一种充填料原位性能相似模拟实验装置及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种充填料原位性能相似模拟实验装置及使用方法，属于充填原位模拟实验技术领域。该装置包括半封闭盛料箱、加固筋、滤水口、滤水管、软尺、烧杯、卡槽、透明塑料板及传感器固定杆，半封闭盛料箱中间设置加固筋，滤水管从半封闭盛料箱上部深入，并从一侧面下部伸出，半封闭盛料箱内沿高度方向设置软尺且均匀布置传感器，传感器通过数据收集器连接电脑。该装置可以模拟采场，测量不同充填高度下料浆的孔隙水压力、温度、泌水率、沉降率等原位性能，从而反演实际采场泌水沉降情况、温度变化、料浆由饱和到不饱和固化过程，为矿山实际充填提供技术指导。
Description
技术领域
本发明涉及充填原位模拟实验技术领域，特别是指一种充填料原位性能相似模拟实验装置及使用方法。
背景技术
随着矿业的快速发展，矿山产生的废物堆积量已经达到令人担忧的地步。充填采矿法利用尾砂废料充填采空区，解决了地表塌陷的同时又减少尾砂堆存，是当今矿业发展的主流方向。充填料输送到采空区过程相当于一个“黑箱”，作业人员无法感知采场内充填体的固结过程、泌水沉降性、温度变化等情况，而这些性质对充填体至关重要。如果控制不当将会导致充填体强度低、接顶困难、充填周期长，甚至采场倒塌造成人员伤亡。
目前了解采场内充填体固结情况、泌水沉降性等原位性能有经验法和埋设传感器。经验法简单快捷但有较大的误差；埋设传感器一方面需要较复杂的安装工序，一方面被埋设的传感器容易受扰动导致测量数据缺失或者误差较大。
基于以上认识，本发明提供一种充填料原位性能相似模拟实验装置及其使用方法。该装置可以模拟采场，测量不同充填高度下料浆的孔隙水压力、温度、泌水率、沉降率等原位性能。从而反演实际采场泌水沉降情况、温度变化、料浆由饱和到不饱和固化过程，为矿山实际充填提供技术指导。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种充填料原位性能相似模拟实验装置及使用方法。
该装置包括半封闭盛料箱、加固筋、滤水口、滤水管、软尺、烧杯、卡槽、透明塑料板、传感器及传感器固定杆，半封闭盛料箱正面边框处设置卡槽，透明塑料板插入卡槽，半封闭盛料箱内部一侧面沿高度方向均匀布置传感器固定杆，传感器固定在传感器固定杆上，最下部的传感器固定杆的下方留有滤水口，滤水管从半封闭盛料箱上部深入，并从半封闭盛料箱一侧下部的滤水口伸出，滤水管末端设置烧杯，用于测量泌水量；加固筋焊接在卡槽上防止箱体受力变形，软尺粘在透明塑料板上测量料浆沉降高度；传感器连接数据采集器，数据采集器通过电缆连接电脑。
其中，半封闭盛料箱的底面、左侧面、右侧面和后面由钢板焊接而成，前面与顶面为腾空面，前面边框处焊接卡槽用于插入透明塑料板，顶面开口进料；透明塑料板应采用透明度较高的塑料板以便观察装置内料浆变化，透明塑料板与卡槽采用密封配合连接，可拆卸。
半封闭盛料箱高度大于1.0m，短边大于0.5m；半封闭盛料箱内传感器固定杆数量及间距可根据矿山实际需要决定。
该实验装置的使用方法，包括步骤如下：
S1：根据实验要求，加工半封闭盛料箱、加固筋、滤水口、滤水管、卡槽、透明塑料板及传感器固定杆，将传感器固定于传感器固定杆上并与数据采集器连接，软尺粘在透明塑料板上，烧杯置于滤水管的出水口处；
S2：待充填设备稳定运行后(此时充填料浆浓度较稳定，质量浓度在目标浓度波动范围±2.0％，可视为无变化)，在搅拌槽与充填钻孔之间取样，将取得的试样倒入半封闭盛料箱内并在养护室静置，记录料浆质量浓度、每次取得料浆质量，其中，取样次数小于等于半封闭盛料箱容积除以盛料桶体积；根据实际传感器位置，最终料浆高度超过最上部传感器高度5.0cm以上；
S3：取样结束后记录料浆液面初始高度，记录开始8h内，每隔10～20min记录一次液面高度和泌水量，8h后每隔30～60min记录一次，直至数据不再发生变化，同时用电脑与数据采集器连接提取数据；
S4：对测量数据进行分析，反演采场泌水率、沉降率等采场内料浆原位性能，为矿山实际充填提供技术指导。
其中，S4中泌水率计算公式如下：
其中：m为泌水率，％；M泌水为泌水质量，kg；Mi料浆为第i次取得料浆质量，kg；c为料浆质量浓度，％；N为取样次数。
S4中沉降率计算公式如下：
其中：n为沉降率，％；N液面为液面下降高度，cm；N初始为初始液面高度，cm。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
(1)实验装置结构简单、操作容易，避免了在井下埋设传感器的大工作量，只需在实验室内试验测量数据，进一步反演采场原位性能，还可以通过透明塑料板观察料浆固结变化过程，为矿山实际充填提供技术指导。
(2)适用范围广泛，可用于各种采场尺寸、各种充填料浆浓度矿山。
(3)具有较高灵活性，可以根据矿山实际需要选择不同类型传感器、不同埋设高度，得到不同料浆性能如泌水性、沉降性、孔隙水压力、温度、电导率等。
附图说明
图1为本发明的充填料原位性能相似模拟实验装置结构示意图；
图2为本发明中卡槽局部放大示意图；
图3为本发明实施例不同料浆高度孔隙水压力-养护时间曲线演化图；
图4为本发明实施例不同料浆高度温度-养护时间曲线演化图；
图5为本发明实施例泌水率-养护时间曲线演化图；
图6为本发明实施例沉降率-养护时间曲线演化图；
其中：1-透明塑料板；2-卡槽；3-烧杯；4-滤水口；5-传感器固定杆；6-电脑；7-传感器；8-电缆；9-数据采集器；10-软尺；11-滤水管；12-半封闭盛料箱；13-加固筋。
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。
本发明提供一种充填料原位性能相似模拟实验装置及使用方法。
如图1所示，该装置包括半封闭盛料箱12、加固筋13、滤水口4、滤水管11、软尺10、烧杯3、卡槽2、透明塑料板1、传感器7及传感器固定杆5，如图2所示，半封闭盛料箱12正面边框处设置卡槽2，透明塑料板1插入卡槽2，半封闭盛料箱12内部一侧面沿高度方向均匀布置传感器固定杆5，传感器7固定在传感器固定杆5上，最下部的传感器固定杆5的下方留有滤水口4，滤水管11从半封闭盛料箱12上部深入，并从半封闭盛料箱12一侧下部的滤水口4伸出，滤水管11末端设置烧杯3，用于测量泌水量；加固筋13焊接在卡槽2上防止箱体受力变形，软尺10粘在透明塑料板1上测量料浆沉降高度；传感器7连接数据采集器9，数据采集器9通过电缆8连接电脑6。
半封闭盛料箱12的底面、左侧面、右侧面和后面由钢板焊接而成，前面与顶面为腾空面，前面边框处焊接卡槽2用于插入透明塑料板1，顶面开口进料；透明塑料板1与卡槽2采用密封配合连接，可拆卸。
该实验装置的使用方法，包括步骤如下：
S1：根据实验要求，加工半封闭盛料箱12、加固筋13、滤水口4、滤水管11、卡槽2、透明塑料板1及传感器固定杆5，将传感器7固定于传感器固定杆5上并与数据采集器9连接，软尺10粘在透明塑料板1上，烧杯3置于滤水管4的出水口处；
S2：待充填设备稳定运行后(此时充填料浆浓度较稳定，质量浓度在目标浓度波动范围±2.0％，可视为无变化)，在搅拌槽与充填钻孔之间取样，将取得的试样倒入半封闭盛料箱12内并在养护室静置，记录料浆质量浓度、每次取得料浆质量，其中，取样次数小于等于半封闭盛料箱12容积除以盛料桶体积；根据实际传感器7位置，最终料浆高度超过最上部传感器7高度5.0cm以上；
S3：取样结束后记录料浆液面初始高度，记录开始8h内每隔10～20min记录一次液面高度和泌水量，8h后每隔30～60min记录一次，直至数据不再发生变化，同时用电脑6与数据采集器9连接提取数据；
S4：对测量数据进行分析，反演采场泌水率、沉降率等采场内料浆原位性能，为矿山实际充填提供技术指导。
在具体设计中，透明塑料板1采用透明度较高的塑料板以便观察装置内料浆变化，透明塑料板1与卡槽2采用密封配合连接，可拆卸。半封闭盛料箱12高度应大于1.0m，短边应大于0.5m；半封闭盛料箱12内传感器固定杆5数量及间距根据矿山实际需要决定。
实施例1
国内某矿山开发设计年产量500万吨，采用垂直深孔阶段空场嗣后充填采矿法，采场长50～70m、宽18m、高45～80m，属于高大采场。充填料浆灰砂比1:10，料浆质量浓度范围65％～70％。充填采场前采用柔性挡墙封堵采空区。
该矿山使用充填料原位性能相似模拟实验装置模拟采场测量料浆的泌水率、沉降率、孔隙水压力、温度等原位性能，包括步骤如下：首先，根据矿山采场真实尺寸，以1:40比例加工1.2m×0.5m×1.6m(长×宽×高)半封闭盛料箱。箱体内侧布置上、中、下三个高度(分别距离底板1.2m、0.8m、0.4m)、长度为0.3m传感器固定杆，最下部传感器固定杆下方0.3m处留有直径为0.1m滤水口；其次，将传感器固定于传感器固定杆并与数据采集器连接，监测设备参数如表1所示。为防止滤水管渗入料浆，将滤水管(直径为0.1m)用土工布包裹后伸出滤水口。箱体内部布置完成后在卡槽中挤入黄油，将透明塑料板插入卡槽中，并将软尺固定于透明塑料板上，如图1所示；再次，待充填设备稳定运行后在搅拌槽与充填钻孔之间取样，将取得的试样倒入实验装置内并在养护室静置，记录料浆质量浓度为68％、每次取得料浆质量Mi料浆；然后，取样完成后记录料浆初始高度为1.5m，记录开始8h内每隔15min记录一次液面高度和泌水量，8h后每隔30min记录一次，直至数据不再发生变化，同时用电脑与数据采集器连接提取数据；最后，对测量数据进行分析处理得到料浆养护14天不同高度下孔隙水压力变化曲线如图3所示、料浆养护14天不同料浆高度下温度变化曲线如图4所示、泌水率变化曲线如图5所示、沉降率变化曲线如图6所示。
表1监测设备参数明细表
从图3可知，随着料浆高度逐渐增加孔隙水压力不断增大；孔隙水压力呈现出先增大再减小最后趋近于0的线性变化趋势，这是由于静水压力与液体高度成正比，液面高度越高则孔隙水压力越大；加料结束后后，孔隙水压力开始下降，养护10h后孔隙水压力降至0kPa，这是由于料浆泌水量逐渐增加，导致装置内可传导孔隙水压力的自由水高度降低，从而孔隙水压力减少。随着养护时间增加，空隙水压力变为负值、25h后达到最大，这是由于水泥发生水化反应导致自由水的消耗，由压力变为吸力，吸力越大表明水化反应越迅速，充填体强度越大。基于以上分析可知：采场内完善的排水设施可以有效降低料浆对底部充填挡墙的压力；8h后水泥水化反应速率逐渐增强，25h时达到顶峰，此时充填体具有一定强度，可以分担上部料浆对挡墙的压力，有助于采场稳定性，所以充填时间间隔不应少于25h。
由图4可知，随着养护时间增加，温度呈现出先增大后减小最后趋于稳定的趋势，这是由于水泥水化反应放出热量，导致充填体温度增加，25h时水化反应达到峰值的同时温度也达到峰值，最后温度稳定在30℃与环境温度相同。
由图5和图6可知，最大沉缩率可达7.1％、泌水率可达7.3％。若以采场高度60m计算，采场内料浆最大可沉降4.26m，若一次充填完成可导致料浆液面距离顶板4.26m。基于以上分析，为提高接顶率，在临近接顶时应该分多次充填，必要时也可采用加压充填方法。
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。
Claims (6)
1.一种充填料原位性能相似模拟实验装置，其特征在于：包括半封闭盛料箱(12)、加固筋(13)、滤水口(4)、滤水管(11)、软尺(10)、烧杯(3)、卡槽(2)、透明塑料板(1)、传感器(7)及传感器固定杆(5)，半封闭盛料箱(12)正面边框处设置卡槽(2)，透明塑料板(1)插入卡槽(2)，半封闭盛料箱(12)内部一侧面沿高度方向均匀布置传感器固定杆(5)，传感器(7)固定在传感器固定杆(5)上，最下部的传感器固定杆(5)的下方留有滤水口(4)，滤水管(11)从半封闭盛料箱(12)上部深入，并从半封闭盛料箱(12)一侧下部的滤水口(4)伸出，滤水管(11)末端设置烧杯(3)，用于测量泌水量；加固筋(13)焊接在卡槽(2)上防止箱体受力变形，软尺(10)粘在透明塑料板(1)上测量料浆沉降高度；传感器(7)连接数据采集器(9)，数据采集器(9)通过电缆(8)连接电脑(6)。
2.根据权利要求1所述的充填料原位性能相似模拟实验装置，其特征在于：所述半封闭盛料箱(12)的底面、左侧面、右侧面和后面由钢板焊接而成，前面与顶面为腾空面，前面边框处焊接卡槽(2)用于插入透明塑料板(1)，顶面开口进料；透明塑料板(1)与卡槽(2)采用密封配合连接，可拆卸。
3.根据权利要求1所述的充填料原位性能相似模拟实验装置，其特征在于：所述半封闭盛料箱(12)高度大于1.0m，短边大于0.5m；半封闭盛料箱(12)内传感器固定杆(5)数量及间距根据矿山实际需要决定。
4.根据权利要求1所述的充填料原位性能相似模拟实验装置的使用方法，其特征在于：包括步骤如下：
S1：根据实验要求，加工半封闭盛料箱(12)、加固筋(13)、滤水口(4)、滤水管(11)、卡槽(2)、透明塑料板(1)及传感器固定杆(5)，将传感器(7)固定于传感器固定杆(5)上并与数据采集器(9)连接，软尺(10)粘在透明塑料板(1)上，烧杯(3)置于滤水管(4)的出水口处；
S2：待充填设备稳定运行后，在搅拌槽与充填钻孔之间取样，将取得的试样倒入半封闭盛料箱(12)内并在养护室静置，记录料浆质量浓度、每次取得料浆质量，其中，取样次数小于等于半封闭盛料箱(12)容积除以盛料桶体积；根据实际传感器(7)位置，最终料浆高度超过最上部传感器(7)高度5.0cm以上；
S3：取样结束后记录料浆液面初始高度，记录开始8h内，每隔10～20min记录一次液面高度和泌水量，8h后每隔30～60min记录一次，直至数据不再发生变化，同时用电脑(6)与数据采集器(9)连接提取数据；
S4：对测量数据进行分析，反演采场泌水率、沉降率，为矿山实际充填提供技术指导。
5.根据权利要求4所述的充填料原位性能相似模拟实验装置的使用方法，其特征在于：所述S4中泌水率计算公式如下：
其中：m为泌水率，％；M泌水为泌水质量，kg；Mi料浆为第i次取得料浆质量，kg；c为料浆质量浓度，％；N为取样次数。
6.根据权利要求4所述的充填料原位性能相似模拟实验装置的使用方法，其特征在于：所述S4中沉降率计算公式如下：
其中：n为沉降率，％；N液面为液面下降高度，cm；N初始为初始液面高度，cm。
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