CN214303934U - 一种充填采场模拟装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种充填采场模拟装置，包括采空区模拟箱、充填系统、控温系统、加湿系统、数据采集系统；采空区模拟箱的左侧及右侧设有用于放置充填管道的梁结构，梁结构呈冂型，梁结构可移动安装在装置底座上，并横跨在采空区模拟箱上方，梁结构上部设有固定充填管道的可移动固定板；充填系统包括搅拌桶、充填管道、压力泵；控温系统包括电阻丝、控温按钮、显示屏；加湿系统包括喷头、水泵；数据采集系统包括手持式三维扫描仪、控制器，手持式三维扫描仪安装在右侧梁结构的顶部中间位置，手持式三维扫描仪与控制器电连接。本实用新型操作简单，使用方便，可重现现场充填的整个过程。

Description

一种充填采场模拟装置

技术领域

本实用新型属于模拟充填采矿方法，具体地说，涉及一种充填采场模拟装置。

背景技术

随着浅部资源的枯竭，资源开采逐渐向深部发展，深部开采不可避免的会遇到高温、高地压等问题。许多金属矿山仍是采用阶段空场嗣后充填采矿法，采场高度通常在30～60m，充填体体积达到数万立方米，且由于地热及地下水的存在会提高采场的温度及湿度，对充填体强度带来一定的负面影响。很多研究均是通过实验室制作小型试件的方法，以此确定现场充填体的强度，该方法过于片面，不足以反应现场充填体的实际强度，存在较大误差。现场充填过程中由于下料点及下料方式的不同，料浆会产生不同的流动规律及堆积形态，其结果会导致不同位置的充填体其强度存在较大差异。所以对入料位置、入料方式及温度变化对现场充填体强度变化的影响规律展开研究是非常有必要的。

有鉴于此特提出本实用新型。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种充填采场模拟装置，包括采空区模拟箱、充填系统、控温系统、加湿系统、数据采集系统；通过向采空区模拟箱注入搅拌好的料浆，注入一定高度后停止排放，待充填体固化后，打开手持式三维扫面仪对充填体坡面形状进行扫描并在控制器端实时输出坡面形状的重构模型，研究料浆的流动规律及堆积形态，通过排水系统排出水的质量计算料浆的泌水率及沉缩率。待采空区充满后，打开控温加湿系统根据实际采场内部温度及湿度对采空区内部充填体进行养护，养护一段时间后，拆除模拟箱，对其内部充填体进行开钻取芯，测量其强度分布。可重现现场充填的整个过程，以便对整个矿山充填工艺进行改进。

为解决上述技术问题，本实用新型采用技术方案的基本构思是：

一种充填采场模拟装置，包括采空区模拟箱、充填系统、控温系统、加湿系统、数据采集系统；

采空区模拟箱的左侧及右侧设有用于放置充填管道的梁结构，梁结构呈冂型，梁结构可移动安装在装置底座上，并横跨在采空区模拟箱上方，梁结构上部设有固定充填管道的可移动固定板；

充填系统包括搅拌桶、充填管道、压力泵，充填管道一端与搅拌桶连接，另一端为出浆口端，该端安装在固定板上，压力泵串联在充填管道上；

控温系统包括电阻丝、控温按钮、显示屏，电阻丝安装在装置底座上，控温按钮、显示屏安装在装置底座一侧边上；

加湿系统包括喷头、水泵，喷头为若干个，安装在采空区右侧梁结构的上部左侧与右侧，将喷头通过管道与水泵相连；

数据采集系统包括手持式三维扫描仪、控制器，手持式三维扫描仪安装在右侧梁结构的顶部中间位置，手持式三维扫描仪与控制器电连接。

进一步地，所述装置底座呈长方体状，中间设有模拟箱固定凹槽，采空区模拟箱设置在模拟箱固定凹槽内；所述装置底座的前后侧设有滑道，梁结构底部设有滑轮，滑轮与滑道配合。

进一步地，所述梁结构上部设有滑道，固定板底部设有滑轮，滑轮与滑道滑动配合。

进一步地，所述采空区模拟箱左侧及右侧均设有排水系统，排水系统包括排水板、排水槽、排水孔、排水管，排水板内侧贴有编织袋，排水板上设有若干排水孔，排水槽位于排水板底部，排水孔汇流于排水槽，排水槽与排水管道连接。

进一步地，所述采空区模拟箱内部及上部均设有用于模拟采空区的不同形状的凹槽。

进一步地，所述梁结构下部设有可升降调节的液压缸。

进一步地，所述采空区模拟箱采用钢化玻璃制作而成，采空区模拟箱左端及右端均刻有刻度值。

进一步地，所述梁结构通过梁结构固定装置限位，梁结构固定装置主要由螺栓、固定装置组成，固定装置夹持在滑道上，螺栓设置在固定装置外侧。

进一步地，所述固定板通过固定板固定装置限位，固定板固定装置主要由螺栓、固定装置组成，固定装置夹住梁结构上部，螺栓设置在固定装置外侧。

采用上述技术方案后，本实用新型与现有技术相比具有以下有益效果。

本实用新型通过模拟箱左侧及右侧的梁结构及固定装置，可实现料浆在任意位置、任意高度进入采空区，并可实现单点下料及多点下料的随意切换；应用手持式三维扫描仪对固化后的充填体进行扫描，可研究不同入料位置、入料浓度及入料方式对料浆流动规律、堆积形态及充填体强度分布的影响程度。

模拟箱充满后，可调节控温系统改变模拟箱的温度，使其接近采场温度并通过加湿系统调控模拟箱内部湿度使其接近采场湿度，也可研究温湿度的改变对充填体强度变化的影响规律。

本实用新型装置及方法，结合三维扫描、充填模拟、排水及控温加湿等结构，可得到不同下料点及下料方式对料浆流动规律及堆积形态的影响规律；可得到不同入料浓度对料浆流动方式及堆积形态的影响规律；可得到不同下料点及下料方式对充填体强度分布的影响规律；可得到不同温度及湿度对充填体强度变化的影响规律；可得到有分层充填体与无分层充填体之间的强度差异。本实用新型与现有技术相比更加接近现场充填，方法操作简单，所得实验数据更加接近现场充填体，可在充填领域广泛应用。

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的描述。

附图说明

附图作为本申请的一部分，用来提供对本实用新型的进一步的理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，但不构成对本实用新型的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。在附图中：

图1是本实用新型充填采场模拟装置的整体结构示意图。

图2是本实用新型采空区模拟箱的透视图。

图3是本实用新型梁结构示意图。

图4是本实用新型梁结构固定装置结构示意图。

图5是本实用新型固定板固定装置结构示意图。

其中：1-搅拌桶，2-充填管道，3-压力泵，4-液压缸，5-梁结构，6-固定板，7-注水管道，8-螺栓，9-采空区模拟箱，10-装置底座，11-滑道，12-电阻丝，13-梁结构固定装置，14-显示屏，15-控温按钮，16-排水孔，17-水桶，18-排水板，19-喷头，20-手持式三维扫描仪，21-控制器，22-编织袋，23-凹槽，24-滑轮，25-排水槽，26-固定板固定装置，27-模拟箱固定凹槽，28-挡板。

需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本实用新型的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本实用新型的概念。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

如附图1至图5所示，本实用新型所述一种充填采场模拟装置，包括采空区模拟箱9、充填系统、控温系统、加湿系统、数据采集系统，其中：

采空区模拟箱9的左侧及右侧设有用于放置充填管道2的梁结构5，梁结构5呈冂型，梁结构5可移动安装在装置底座10上，并横跨在采空区模拟箱9上方。梁结构5上部设有固定管道的可移动固定板6，梁结构5上部设有滑道11，固定板6通过滑道11滑动连接移动。

装置底座10呈长方体状，中间设有模拟箱固定凹槽27，采空区模拟箱9设置在模拟箱固定凹槽27内；装置底座10的前后侧设有滑道11，梁结构5底部设有滑轮24，滑轮24与滑道11配合，可推动梁结构5沿滑道11滑动，推动到一定位置后可采用固定装置固定梁结构5，使料浆在任意位置进入采空区，确定位置后同样可使用梁结构固定装置13固定梁结构5位置，梁结构固定装置13主要由螺栓8、固定装置组成，装置底座10的滑道11与固定装置之间留有空隙，通过该空隙可使固定装置夹住滑道11，在固定装置外侧设有螺栓8，旋转螺栓8使以将螺栓8抵住滑道11，将固定装置固定于滑道11上部，在梁结构5滑到一定位置后再其前后均设置固定装置，牢牢控制住梁结构5。这里固定充填管道2的固定板6也可设置滑轮，可通过不同管道直径及不同下料点改变固定板6位置，若干固定板6，对应多条充填管道2，可实现多点下料。

充填系统用于向采空区模拟箱9内注入料浆，包括搅拌桶1、充填管道2、压力泵3，充填管道2一端与搅拌桶1连接，另一端为出浆口端，该端安装在固定板6上，压力泵3串联在充填管道2上。固定板6为可移动板，可改变固定板6位置以对不同位置填充，这里的固定板6通过固定板固定装置与梁结构5连接，固定板固定装置主要由螺栓8、固定装置组成，使用固定装置夹住梁结构5上部，螺栓8设置在固定装置外侧，旋转固定装置左侧及右侧螺栓8，使螺栓8夹住梁结构5，在固定板6两侧均设置固定装置，以将固定板6夹持，实现固定板6位置固定。管道下方设有挡板28，可随时停止供料，结合压力泵3的控制，利于控制充填料的流量大小控制。该充填系统可模拟采场不同位置充填及多点充填对料浆流动方式、堆积形态及充填体强度分布的影响规律。

控温系统，包括电阻丝12、控温按钮15、显示屏14，电阻丝12安装在装置底座10的内部，控温按钮15、显示屏14安装在装置底座10一侧边上，可通过控温按钮15及显示屏14调节采空区内部温度，研究温度变化对充填体强度变化的影响规律。

加湿系统包括喷头19、水泵，喷头19为若干个孔径极小的喷头19，安装在采空区右侧梁结构5的上部左侧与右侧，将喷头19通过注水管道7与水泵相连，调节水泵向喷头19注水，使喷头19内部水分以雾状形态喷出，调节水泵控制模拟箱内部湿度，应用混凝土湿度测量仪测量模拟箱内部充填体湿度，使其尽量与矿山采场保持一致，研究湿度变化对充填体强度变化的影响规律。待采空区充满后，打开控温、加湿系统，对模拟箱内部充填体进行养护，以便于后期充填体强度测定可以得到一个较为接近采场充填体强度的数据。

数据采集系统用于存储及采集手持式三维扫描仪20对充填体分层面的扫描结果，实时输出在下料方式、下料点及入料浓度不同的情况下，充填体每个分层面的重构模型，确定料浆的流动规律。数据采集系统包括手持式三维扫描仪20、控制器21，手持式三维扫描仪20安装在右侧梁结构5的顶部中间位置，手持式三维扫描仪20与控制器21电连接。配合梁结构5的可移动性，可以对不同分层面的充填体进行扫描。该扫描仪价格相对便宜且方便拆卸，待料浆固化后，可推动梁结构5扫描整个采空区并实时输出充填体分层面重构模型。

采空区模拟箱9左侧及右侧均设有排水系统，排水系统包括排水板18、排水槽25、排水孔16、排水管，排水板18内侧贴有编织袋22，排水板18上设有若干排水孔16，排水槽25位于排水板18底部，排水孔16汇流于排水槽25，排水槽25与排水管道连接。浆料水分由编织袋22稍过滤，从排水孔16流出，并汇集在底部的排水槽25中，再由排水管导出，排水管道旁放置一水桶17以盛放排出的水，通过排水系统可将料浆泌出的水分顺利排出采空区，通过排出水的质量计算料浆的泌水率及沉缩率。

本例中采空区模拟箱9内部及上部均设不同形状的有凹槽23，可根据实际采空区大小，调节采空区模拟箱9的形状及高度。采空区模拟箱9采用钢化玻璃制作，模拟箱内部设有不同形状的凹槽23，可用来模拟不同形状的采空区，模拟箱上部同样设有凹槽23可用来模拟不同高度的采空区。

梁结构5下部设有能进行升降调节的液压缸4，左右两个梁结构5共设四个可伸缩液压缸4(4)，针对不同高度采空区，可调节液压缸4来控制梁结构5的升降，实现不同高度充填。采空区模拟箱9左端及右端均刻有刻度值，可根据刻度值确定料浆入料高度及料浆不同位置的沉降高度。

基于上述充填采场模拟装置的充填采场模拟方法，包括以下步骤：

步骤一：测量采场的高度、宽度、长度及形状并进行等比例缩小，据此确定采空区模拟箱9的大小及形状；根据现场工况确定料浆的下料点及下料方式，确定采场料浆流速，确定采场单次充填还是分几次充填，计算每次充填高度及每次充填的入料浓度；确定采场的温湿度变化，据此对采空区模拟箱9的温湿度进行适时调控；

步骤二：根据采场尺寸，适当调节采空区模拟箱9的高度、长度及形状；根据采场每一分层的入料浓度计算模拟采场每一分层充填体所需尾砂、水泥及水的质量，通过水泵调节料浆流速；改变管道布置位置及下料方式(单点下料或多点下料)，研究不同的充填方式对料浆流动规律及充填体强度分布的影响程度，为采场提供一种最为适用的管道布置方式。

步骤三：利用充填系统进行充填，根据模拟箱表面刻度确定充填高度，注完一层后，待充填体固化，推动模拟箱右侧梁结构5对充填体进行扫描并实时输出分层面重构模型，研究不同下料方式对料浆流动规律及堆积形态的影响程度。间隔12-24小时后，调节料浆浓度继续注入下一层，待注满模拟箱后，按照采场的温度及湿度调节模拟箱的温度及湿度，对模拟箱内部充填体进行养护(也可研究温湿度的变化对充填体强度变化的影响规律)。养护一段时间后，拆除钢化玻璃，对不同位置的充填体开钻取芯，研究充填体的强度分布规律。

实施例1

结合附图1-5所示，本次实验模拟采空区走向长度约为368m，宽度约为107m，阶段高度约为83m，采用空场嗣后充填法，由于受到充填能力及充填工艺的限制，分三次充填充满采空区，一层料浆浓度为76％，二层料浆浓度为70％，三层料浆浓度为76％，料浆流速为140～200m³/h。

根据矿山充填具体参数设置模拟相似比为1：100，确定采空区模拟箱尺寸为3600mm×1005mm×800mm，底座尺寸为4350mm×1570mm×250mm，滑道尺寸为长4350mm，宽346mm。根据现场充填工况和相似比确定料浆流速为3.80L/min。分三次充填，每次充填高度为366mm，一次充填浓度为76％，二次充填浓度为70％，最上层充填浓度为76％。

将充填管道2固定于可移动梁结构5的上部，根据现场工况，调节模拟箱左右两侧梁结构5采用不同位置充填及多点充填的方式将料浆送入采空区，一层充填完毕后，待充填体固化，推动右侧梁结构5，用其上的手持式三维扫描仪20,扫描整个采空区模拟箱9并实时输出充填体分层面的重构模型。根据采空区模拟箱9排出的水分计算料浆的泌水率及沉缩率。采空区模拟箱9充满后，调节控温系统及加湿系统对模拟箱内部充填体进行养护，研究不同温湿度对充填体强度变化的影响规律。一段时间后，拆除采空区模拟箱，对不同位置的充填体进行开钻取芯，研究不同下料位置、下料方式、料浆浓度对料浆流动规律、堆积形态及充填体强度分布的影响规律，最终对矿山充填位置及充填方式的确定提供指导作用。

以上所述仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型方案的范围内。

Claims (9)

1.一种充填采场模拟装置，其特征在于，包括采空区模拟箱(9)、充填系统、控温系统、加湿系统、数据采集系统；

采空区模拟箱(9)的左侧及右侧设有用于放置充填管道(2)的梁结构(5)，梁结构(5)呈冂型，梁结构(5)可移动安装在装置底座(10)上，并横跨在采空区模拟箱(9)上方，梁结构(5)上部设有固定充填管道(2)的可移动固定板(6)；

充填系统包括搅拌桶(1)、充填管道(2)、压力泵(3)，充填管道(2)一端与搅拌桶(1)连接，另一端为出浆口端，该端安装在固定板(6)上，压力泵(3)串联在充填管道(2)上；

控温系统包括电阻丝(12)、控温按钮(15)、显示屏(14)，电阻丝(12)安装在装置底座(10)上，控温按钮(15)、显示屏(14)安装在装置底座(10)一侧边上；

加湿系统包括喷头(19)、水泵，喷头(19)为若干个，安装在采空区右侧梁结构(5)的上部左侧与右侧，将喷头(19)通过注水管道(7)与水泵相连；

数据采集系统包括手持式三维扫描仪(20)、控制器(21)，手持式三维扫描仪(20)安装在右侧梁结构(5)的顶部中间位置，手持式三维扫描仪(20)与控制器(21)电连接。

2.根据权利要求1所述的一种充填采场模拟装置，其特征在于，所述装置底座(10)呈长方体状，中间设有模拟箱固定凹槽(27)，采空区模拟箱(9)设置在模拟箱固定凹槽(27)内；所述装置底座(10)的前后侧设有滑道(11)，梁结构(5)底部设有滑轮(24)，滑轮(24)与滑道(11)配合。

3.根据权利要求1所述的一种充填采场模拟装置，其特征在于，所述梁结构(5)上部设有滑道(11)，固定板(6)底部设有滑轮(24)，滑轮(24)与滑道(11)滑动配合。

4.根据权利要求1所述的一种充填采场模拟装置，其特征在于，所述采空区模拟箱(9)左侧及右侧均设有排水系统，排水系统包括排水板(18)、排水槽(25)、排水孔(16)、排水管，排水板(18)内侧贴有编织袋(22)，排水板(18)上设有若干排水孔(16)，排水槽(25)位于排水板(18)底部，排水孔(16)汇流于排水槽(25)，排水槽(25)与排水管道连接。

5.根据权利要求1所述的一种充填采场模拟装置，其特征在于，所述采空区模拟箱(9)内部及上部均设有用于模拟采空区的不同形状的凹槽(23)。

6.根据权利要求1所述的一种充填采场模拟装置，其特征在于，所述梁结构(5)下部设有可升降调节的液压缸(4)。

7.根据权利要求1所述的一种充填采场模拟装置，其特征在于，所述采空区模拟箱(9)采用钢化玻璃制作而成，采空区模拟箱(9)左端及右端均刻有刻度值。

8.根据权利要求2所述的一种充填采场模拟装置，其特征在于，所述梁结构(5)通过梁结构固定装置(13)限位，梁结构固定装置(13)主要由螺栓(8)、固定装置组成，固定装置夹持在滑道(11)上，螺栓(8)设置在固定装置外侧。

9.根据权利要求3所述的一种充填采场模拟装置，其特征在于，所述固定板(6)通过固定板固定装置(26)限位，固定板固定装置(26)主要由螺栓(8)、固定装置组成，固定装置夹住梁结构(5)上部，螺栓(8)设置在固定装置外侧。

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