一種采空區充填模擬實驗裝置及操作方法與流程

本發明屬于采礦領域，尤其涉及一種井下采空區充填模擬實驗裝置及操作方法。

背景技術：

隨著采空區充填在金屬礦山廣泛應用，對充填材料性能與充填質量的評價變得越來越重要。進行室內采空區充填相似模擬實驗獲得的數據對工程現場的充填作業有重要的指導意義。如充填體脫水率、沉縮率、充填體形態的變化、底部出礦巷道滲流水頭、充填體側向壓力、充填擋墻壓力和充填體脫水速度是工程現場充填作業所需要的重要數據。這些數據不僅與充填材料有關，還與所采用的充填方式、采空區形狀、濾水管布置和充填擋墻有關。例如采空區充填體脫水率和沉縮率是評價充填材料性能與充填質量的重要指標，沒有固定形狀的充填料漿本身的脫水率和沉縮率有時并不等于現場實際采空區的充填體整體的脫水率和沉縮率。這主要是因為采空區充填體脫水率、沉縮率不僅與充填料漿本身性質有關，還與充填體形狀、充填體濾水管布置、充填濾水墻布置和充填速率等因素有關。因此通過實驗獲得充填體脫水率、沉縮率、充填體形態的變化、底部出礦巷道滲流水頭變化、充填體側向壓力變化、充填擋墻壓力變化和充填體脫水量變化等數據時要充分考慮充填方式、采空區形狀、濾水管布置和充填擋墻等因素。

目前國內專利數據庫也有一些關于采空區充填模擬實驗裝置的公開文獻報道：

例如：【申請號】CN201220711775.6，【申請日】2012.12.20，【名稱】一種模擬采空區充填過程實驗裝置，其技術方案是：該裝置主要包括實驗模擬裝置、外部注漿裝置和數據采集裝置。其中實驗模擬裝置由有機玻璃制作的透明模型體、分層布設的巖土層、模擬采空區、聯通采空區的注漿導管及布設在采空區內的傳感器組成。注漿過程由外部注漿控制器自動控制。各傳感器獲取數據由數據線傳輸到數據采集器。上述裝置連接配合，注漿過程及模擬巷道受上覆荷載作用時，采集各類傳感器數據。該實用新型，主要用于研究對煤礦采空區充填過程中的力學演變過程分析；并且模擬采空區處于布設有巖土層的模型體中，在模擬實驗過程中，整個充填注漿過程不能透視可見，無法直觀地觀測整個充填過程及充填體形態的變化，不能更好的用于教學演示和科研分析。

綜上，我國礦業領域尚無專門的充填模擬實驗裝置通過充分模擬工程現場條件來獲取充填體脫水率、沉縮率、充填體形態的變化、底部出礦巷道滲流水頭的變化、充填體側向壓力變化、充填擋墻壓力變化和充填體脫水量變化等實驗數據。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是，提供一種采空區充填模擬實驗裝置及操作方法，可在實驗室中模擬工程現場實際情況，獲取充填體脫水率、沉縮率、充填體形態、底部出礦巷道滲流水頭、充填體側向壓力、充填擋墻壓力和充填體脫水量變化等實驗數據，為現場充填作業提供更加精確、可靠的數據指導，也為采空區充填過程的教學演示和科研提供更加實用直觀的實驗裝置。

本發明采用如下技術方案：

一種采空區充填模擬實驗裝置，包括采空區模擬盒（1）、數據采集器（10），其特征在于，此裝置還包括底部出礦巷道（2）、濾水管（3）、模擬預留碎石（4）、模擬擋墻（6）、量筒（7）、測壓管（8）、水位計（9）、壓力盒（11）和應變儀（12）；所述的采空區模擬盒（1）的形狀與所模擬的采空區形狀相同。

優選地，所述的采空區模擬盒（1）的形狀是一個平行六面體形狀，是由5塊不透水的塑料板材膠接而成的，盒體無頂蓋、側板標有刻度、底部有開口，開口形狀及尺寸與底部出礦巷道（2）斷面相同。

優選地，所述的底部出礦巷道（2）的斷面形狀與所模擬的底部出礦巷道相同；由4塊不透水的透明板材膠接而成，底部出礦巷道（2）的一端與采空區模擬盒（1）底部開口處膠接，另一端與模擬擋墻（6）膠接，底部出礦巷道（2）頂板鑿有鉆孔。

優選地，所述的濾水管（3）由管壁打孔的硬性管道外壁包裹一層過濾材料制成；優選地，所述的過濾材料可以是土工布。

優選地，所述的模擬預留碎石（4）粒徑有利于充填脫水的排出；所述的模擬預留碎石（4）粒徑為5mm-10mm。

優選地，所述的模擬擋墻（6）由“井”字型的鋼制骨架表面粘貼一塊正方形過濾材料制成；優選地，所述的過濾材料可以是土工布。

優選地，所述的量筒（7）放置于底部出礦巷道（2）的端口下部；所述的水位計（9）放置于量筒（7）中且與數據采集器（10）相連。

優選地，所述的測壓管（8）形狀為直角，下端與底部出礦巷道（2）底板膠接，上端垂直穿過底部出礦巷道（2）頂板鉆孔。

優選地，所述的壓力盒（11）膠接于采空區模擬盒（1）內側板和底部出礦巷道（2）內，壓力盒（11）與應變儀（12）相連。

本發明提供一種采空區充填模擬實驗裝置的操作方法，具體包括以下步驟：

步驟一：在采空區模擬盒（1）底部布置模擬預留碎石（4），模擬底部未出完的礦石與頂板冒落巖石，所加的碎石總體積與采空區模擬盒（1）體積大小的比值應等于所模擬的實際采空區內遺留石塊體積與采空區體積大小的比值；

步驟二：在采空區模擬盒（1）隔一定距離布置濾水管（3），濾水管（3）的底端與模擬預留碎石（4）接觸；濾水管（3）、模擬預留碎石（4）形成的空隙、底部出礦巷道（2）和模擬擋墻（6）就形成了充填體脫水的通道；

步驟三：按照所模擬礦山的充填間隔時間，定時向模型內加入一定量的不同顏色的充填料漿（5），模擬采空區實際充填的過程，充填體中的水會依次通過濾水管（3）、模擬預留碎石（4）形成的空隙、底部出礦巷道（2）和模擬擋墻（6），最終流入量筒（7）；在充填和脫水過程中每隔一定時間觀察并記錄測壓管（8）水頭高度、壓力盒（11）的壓力值、各層充填體高度及形態和量筒（7）內水位；

步驟四：充填全部完成且充填體充分固結后，根據步驟三得到的數據計算采空區充填體的脫水率、沉縮率，得出在充填過程中充填體形態、底部出礦巷道滲流水頭、充填體脫水速度、充填體側向壓力和充填擋墻壓力隨時間的變化規律。

本發明具有如下有益效果：

1. 本發明的模擬實驗裝置及操作方法,充分模擬了工程現場的實際情況，考慮了采空區形狀、充填體濾水管布置、充填濾水墻布置和充填速率等因素對充填體脫水率、沉縮率、充填體形態、底部出礦巷道滲流水頭、充填體脫水速度、充填體側向壓力和充填擋墻壓力等數據的影響。因此使用本發明設計的采空區充填模擬實驗裝置及操作方法所得到的實驗數據更加準確有效，可以為工程現場實際充填提供可靠的數據指導。

2．實驗裝置中安裝的數據測試裝置和數據采集裝置可實時記錄或顯示在整個充填過程中充填體脫水量、底部出礦巷道滲流水頭、充填體側向壓力和充填擋墻壓力等數據。同時，采空區模擬盒透明可視，加之使用不同顏色的充填料漿充填，可直觀的顯示整個充填過程及各層充填體形態實時變化，因此本發明也可以用于采空區充填過程的教學演示和科研分析。

附圖說明

圖1為本發明裝置的整體結構示意圖。

1-采空區模擬盒；2-底部出礦巷道；3-濾水管； 6-模擬擋墻；7-量筒；8-測壓管；

9-水位計；10-數據采集器；11-壓力盒；12-應變儀。

圖2為本發明裝置操作方法圖。

4-模擬預留碎石；5-充填料漿。

圖3為剛加完料漿之后的充填體形態圖。

圖4為完全脫水后充填體形態圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明做進一步描述，但本發明的保護范圍并不局限于以下所描述具體實施方式的范圍。

本次試驗模擬礦體厚度為4m，中段高度50m，中段底部出礦巷道斷面尺寸為3m3m，礦體傾角80度。

如圖1，設計比例為1:100，采空區模擬盒1底板尺寸為140mm41mm；兩側擋板形狀為平行四邊形,較小內角為80度，兩邊長分別為510mm、41mm，側板標有刻度;后板尺寸為510mm140mm;前板尺寸為510mm140mm,下部開兩個尺寸為30mm30mm矩形口，兩矩形中軸線相距80mm；底部出礦巷道2斷面尺寸為30mm30mm，頂板鑿有鉆孔；濾水管3長度為520mm。底板、兩側擋板、后板、前板和底部出礦巷道2均用不透水的透明板材制成，各部分按圖1的方式膠接安裝。將壓力盒11膠接安裝于采空區模擬盒1內側板與底部出礦巷道2內靠近端口處；直角形測壓管8的底邊膠接于底部出礦巷道2底板上，另一端垂直通過底部出礦巷道2頂板鉆孔；底部出礦巷道2與模擬擋墻6膠接。各膠接縫處密封良好，無漏水。

如圖2，在模型底部布置粒度為5mm-10mm的模擬預留碎石4用于模擬底部未出完的礦石與頂板冒落巖石，所加碎石的堆積高度稍高于底部出礦巷道2頂端。然后在模型中央布置一根濾水管3，同時在底部出礦巷道2的端口下部放置量筒7。向模型內每隔一小時加入600克濃度為70%充填料漿5，共加9次，充填料漿5總體積為2.7L。其中第3次、第4次和第5次所加的料漿中拌合有紅色染料。充填體中的水在依次通過濾水管3、模擬預留碎石4形成的空隙、底部出礦巷道2和模擬擋墻6后，最終流入量筒7。從第一次加入充填料漿5開始到充填體充分固結，應變儀12每隔1秒分別記錄一次充填體底部側面壓力盒11和模擬擋墻6處壓力盒11壓力值，數據采集器10會每隔1秒記錄一次量筒7中水位計9高度，實驗員每隔1分鐘記錄一次測壓管8的讀數與充填體高度，得出了在充填與脫水過程中充填體脫水量變化、底部出礦巷道滲流水頭變化、充填體側向壓力和充填擋墻壓力的變化規律。

剛加完料漿之后的充填體形態如圖3所示。一天之后，充填體不再脫水。完全脫水后充填體形態如圖4所示。充填體脫水完成后測得由底部出礦巷道2流出水量為345g，經計算得出充填體脫水率為21.3%。測得充填體最終體積為2.45L，經計算得出充填體沉縮率為9.26%。

任何熟悉本領域的技術人員在本說明書的教導下，所做出的所有等同替換、外形尺寸改變的明顯變形形式，均落在本發明權利要求書的保護范圍內。