本發(fā)明屬于采礦領(lǐng)域，尤其涉及一種井下采空區(qū)充填模擬實驗裝置及操作方法。

背景技術(shù)：

隨著采空區(qū)充填在金屬礦山廣泛應(yīng)用，對充填材料性能與充填質(zhì)量的評價變得越來越重要。進行室內(nèi)采空區(qū)充填相似模擬實驗獲得的數(shù)據(jù)對工程現(xiàn)場的充填作業(yè)有重要的指導(dǎo)意義。如充填體脫水率、沉縮率、充填體形態(tài)的變化、底部出礦巷道滲流水頭、充填體側(cè)向壓力、充填擋墻壓力和充填體脫水速度是工程現(xiàn)場充填作業(yè)所需要的重要數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)不僅與充填材料有關(guān)，還與所采用的充填方式、采空區(qū)形狀、濾水管布置和充填擋墻有關(guān)。例如采空區(qū)充填體脫水率和沉縮率是評價充填材料性能與充填質(zhì)量的重要指標(biāo)，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(xiàn)場實際采空區(qū)的充填體整體的脫水率和沉縮率。這主要是因為采空區(qū)充填體脫水率、沉縮率不僅與充填料漿本身性質(zhì)有關(guān)，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(guān)。因此通過實驗獲得充填體脫水率、沉縮率、充填體形態(tài)的變化、底部出礦巷道滲流水頭變化、充填體側(cè)向壓力變化、充填擋墻壓力變化和充填體脫水量變化等數(shù)據(jù)時要充分考慮充填方式、采空區(qū)形狀、濾水管布置和充填擋墻等因素。

目前國內(nèi)專利數(shù)據(jù)庫也有一些關(guān)于采空區(qū)充填模擬實驗裝置的公開文獻報道：

例如：【申請?zhí)枴緾N201220711775.6，【申請日】2012.12.20，【名稱】一種模擬采空區(qū)充填過程實驗裝置，其技術(shù)方案是：該裝置主要包括實驗?zāi)M裝置、外部注漿裝置和數(shù)據(jù)采集裝置。其中實驗?zāi)M裝置由有機玻璃制作的透明模型體、分層布設(shè)的巖土層、模擬采空區(qū)、聯(lián)通采空區(qū)的注漿導(dǎo)管及布設(shè)在采空區(qū)內(nèi)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(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)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(shù)據(jù)。該實用新型，主要用于研究對煤礦采空區(qū)充填過程中的力學(xué)演變過程分析；并且模擬采空區(qū)處于布設(shè)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(tài)的變化，不能更好的用于教學(xué)演示和科研分析。

綜上，我國礦業(yè)領(lǐng)域尚無專門的充填模擬實驗裝置通過充分模擬工程現(xiàn)場條件來獲取充填體脫水率、沉縮率、充填體形態(tài)的變化、底部出礦巷道滲流水頭的變化、充填體側(cè)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(shù)據(jù)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

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

本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種采空區(qū)充填模擬實驗裝置，包括采空區(qū)模擬盒（1）、數(shù)據(jù)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(yù)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(yīng)變儀（12）；所述的采空區(qū)模擬盒（1）的形狀與所模擬的采空區(qū)形狀相同。

優(yōu)選地，所述的采空區(qū)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(cè)板標(biāo)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(yōu)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(qū)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(yōu)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(yōu)選地，所述的過濾材料可以是土工布。

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

優(yōu)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(yōu)選地，所述的過濾材料可以是土工布。

優(yōu)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(shù)據(jù)采集器（10）相連。

優(yōu)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(yōu)選地，所述的壓力盒（11）膠接于采空區(qū)模擬盒（1）內(nèi)側(cè)板和底部出礦巷道（2）內(nèi)，壓力盒（11）與應(yīng)變儀（12）相連。

本發(fā)明提供一種采空區(qū)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(qū)模擬盒（1）底部布置模擬預(yù)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(qū)模擬盒（1）體積大小的比值應(yīng)等于所模擬的實際采空區(qū)內(nèi)遺留石塊體積與采空區(qū)體積大小的比值；

步驟二：在采空區(qū)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(yù)留碎石（4）接觸；濾水管（3）、模擬預(yù)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(nèi)加入一定量的不同顏色的充填料漿（5），模擬采空區(qū)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(yù)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(tài)和量筒（7）內(nèi)水位；

步驟四：充填全部完成且充填體充分固結(jié)后，根據(jù)步驟三得到的數(shù)據(jù)計算采空區(qū)充填體的脫水率、沉縮率，得出在充填過程中充填體形態(tài)、底部出礦巷道滲流水頭、充填體脫水速度、充填體側(cè)向壓力和充填擋墻壓力隨時間的變化規(guī)律。

本發(fā)明具有如下有益效果：

1. 本發(fā)明的模擬實驗裝置及操作方法,充分模擬了工程現(xiàn)場的實際情況，考慮了采空區(qū)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(tài)、底部出礦巷道滲流水頭、充填體脫水速度、充填體側(cè)向壓力和充填擋墻壓力等數(shù)據(jù)的影響。因此使用本發(fā)明設(shè)計的采空區(qū)充填模擬實驗裝置及操作方法所得到的實驗數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確有效，可以為工程現(xiàn)場實際充填提供可靠的數(shù)據(jù)指導(dǎo)。

2．實驗裝置中安裝的數(shù)據(jù)測試裝置和數(shù)據(jù)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(cè)向壓力和充填擋墻壓力等數(shù)據(jù)。同時，采空區(qū)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(tài)實時變化，因此本發(fā)明也可以用于采空區(qū)充填過程的教學(xué)演示和科研分析。

附圖說明

圖1為本發(fā)明裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖。

1-采空區(qū)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(shù)據(jù)采集器；11-壓力盒；12-應(yīng)變儀。

圖2為本發(fā)明裝置操作方法圖。

4-模擬預(yù)留碎石；5-充填料漿。

圖3為剛加完料漿之后的充填體形態(tài)圖。

圖4為完全脫水后充填體形態(tài)圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步描述，但本發(fā)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?zāi)M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(shè)計比例為1:100，采空區(qū)模擬盒1底板尺寸為140mm41mm；兩側(cè)擋板形狀為平行四邊形,較小內(nèi)角為80度，兩邊長分別為510mm、41mm，側(cè)板標(biāo)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(cè)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(qū)模擬盒1內(nèi)側(cè)板與底部出礦巷道2內(nèi)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(yù)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(nèi)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(yù)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(jié)，應(yīng)變儀12每隔1秒分別記錄一次充填體底部側(cè)面壓力盒11和模擬擋墻6處壓力盒11壓力值，數(shù)據(jù)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(shù)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(cè)向壓力和充填擋墻壓力的變化規(guī)律。

剛加完料漿之后的充填體形態(tài)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(tài)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(jīng)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(jīng)計算得出充填體沉縮率為9.26%。

任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本說明書的教導(dǎo)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(fā)明權(quán)利要求書的保護范圍內(nèi)。