一種膏體充填多場耦合研究裝置及其使用方法
【專利摘要】一種膏體充填多場耦合研究裝置及使用方法，屬于膏體充填采礦技術(shù)精細(xì)化研究領(lǐng)域。該裝置中圓柱形盛料筒位于養(yǎng)護箱中心位置，膏體充填料填滿圓柱形盛料筒，盛料筒密封蓋扣在圓柱形盛料筒頂部，固定圓柱筒套于圓柱形盛料筒外部，盛料筒隔熱材料緊密填充于圓柱形盛料筒和固定圓柱筒之間，傳感器埋設(shè)于膏體充填料內(nèi)部，千分表固定于盛料筒上方，千分表采用支架固定在養(yǎng)護箱外部，千分表的測量桿用引導(dǎo)筒固定，養(yǎng)護箱與固定圓柱筒之間布滿保溫棉，養(yǎng)護箱與千分表連接處采用密封材料進(jìn)行密封，數(shù)據(jù)收集器與傳感器相連，數(shù)據(jù)收集器連接電腦，整個測試裝置放置于養(yǎng)護室內(nèi)。該裝置制作簡單、體積較小，智能性高，適于有色、黑色、煤礦等各種礦山企業(yè)添加膠凝材料的膏體充填料多場性測試。
【專利說明】一種膏體充填多場耦合研究裝置及其使用方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于膏體充填技術(shù)精細(xì)化研究領(lǐng)域，主要對多場條件下膏體性能演化進(jìn)行測定，對于安全、經(jīng)濟膏體結(jié)構(gòu)設(shè)計具有重要意義。
【背景技術(shù)】
[0002]尾礦庫與采空區(qū)被認(rèn)為是非煤礦山的兩大危險源，尾礦庫潰壩不僅威脅人民生命財產(chǎn)的安全，還造成環(huán)境大面積污染和生態(tài)嚴(yán)重破壞。全尾膏體充填是有效協(xié)調(diào)尾礦庫與采空區(qū)安全與環(huán)境問題的一項重要舉措。膏體充填采礦技術(shù)發(fā)展至今，其應(yīng)用已經(jīng)相對較為成熟。為了進(jìn)一步降低充填成本，加快采充周期，迫使著該技術(shù)正在朝向精細(xì)化的研究方向發(fā)展。
[0003]膏體充填研究一般采用簡單、成本較低的單軸抗壓強度(UCS)來評價膏體性能，但是由于UCS測量提供的信息是有限的，不能幫助設(shè)計者更好的理解水化反應(yīng)過程和影響因素，設(shè)計更加經(jīng)濟和安全的膏體配比。這是因為，當(dāng)膏體被輸送到采場時，膏體料養(yǎng)護過程中涉及傳熱、滲流、力學(xué)、化學(xué)等多個作用過程，如圖1。
[0004]因此，在膏體技術(shù)精細(xì)化研究的道路上，多場耦合是一種重要的研究手段。但是，目前對于膏體充填多場耦合研究還較少，相關(guān)實驗裝置也處于探索階段。為此，有必要研制能夠準(zhǔn)確測量膏體在不同養(yǎng)護條件下的多場耦合性能，為安全、經(jīng)濟的膏體結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于，提供一種膏體充填多場耦合研究裝置及其使用方法。該方法能夠精確測量膏體養(yǎng)護過程熱力學(xué)、水力學(xué)、力學(xué)和化學(xué)性能，為膏體充填設(shè)計和技術(shù)應(yīng)用提供依據(jù)。主要有以下幾個優(yōu)點:第一，膏體料采用密封和隔熱設(shè)計，膏體料與養(yǎng)護箱之間布滿保溫棉，對實際采場圍巖進(jìn)行有效模擬，有利于膏體料溫度場的研究；第二，引入了沉降測量，對膏體料養(yǎng)護過程中壓縮沉降和化學(xué)沉縮進(jìn)行準(zhǔn)確記錄，可根據(jù)不同需要，埋設(shè)一個或多個傳感器，測量所需的熱力學(xué)、水力學(xué)、化學(xué)性能參數(shù)；第三，實驗精度高，整個實驗過程采用一個或多個數(shù)據(jù)采集器對測試結(jié)果進(jìn)行收集，并通過電腦對結(jié)果實時監(jiān)測。
[0006]本發(fā)明主體由圓柱形盛料筒、膏體充填料、盛料筒密封蓋、固定圓柱筒、盛料筒隔熱材料、傳感器、千分表、千分表固定支架、千分表測量桿引導(dǎo)筒、養(yǎng)護箱、保溫棉、密封材料、數(shù)據(jù)收集器、電腦、養(yǎng)護室組成，如圖2所示。
[0007]圓柱形盛料筒位于養(yǎng)護箱中心位置，膏體充填料填滿圓柱形盛料筒，盛料筒密封蓋扣在圓柱形盛料筒頂部，固定圓柱筒套于圓柱形盛料筒外部，盛料筒隔熱材料緊密填充于圓柱形盛料筒和固定圓柱筒之間，圓柱形盛料筒的頂部和底部也采用隔熱材料包裹，傳感器埋設(shè)于膏體充填料內(nèi)部，千分表固定于盛料筒上方，千分表采用支架固定于養(yǎng)護箱外部，千分表的測量桿采用引導(dǎo)筒進(jìn)行固定，養(yǎng)護箱與固定圓柱筒之間布滿保溫棉，養(yǎng)護箱與千分表連接處采用密封材料進(jìn)行密封，數(shù)據(jù)收集器與傳感器相連，數(shù)據(jù)收集器連接于電腦，整個測試裝置放置于養(yǎng)護室內(nèi)。
[0008]圓柱形盛料筒，主要用于膏體充填料的盛放，由于盛料筒內(nèi)部要布置傳感器，因此盛料筒直徑范圍為IOcm?50cm，高度范圍為20cm?100cm。
[0009]膏體充填料，飽和率為100%?105%，膏體料內(nèi)部的水分主要用于水泥水化反應(yīng)，由于料漿被密封，所以水分蒸發(fā)很少。料漿倒入盛料筒后，采用硬質(zhì)柱狀棒將漿體內(nèi)部空氣導(dǎo)出。根據(jù)盛料筒高度不同，膏體充填料表面距離盛料筒上端距離為Icm?5cm。
[0010]盛料筒密封蓋，主要用來密封膏體充填料，由于實際采場膏體料較多，大部分膏體料內(nèi)水分不會被蒸發(fā)，密封蓋可以防止膏體料內(nèi)部水分蒸發(fā)，使實驗結(jié)果更加接近實際采場情況。
[0011]固定圓柱筒，主要用來固定包裹盛料筒的隔熱材料。
[0012]盛料筒隔熱材料，主要防止膏體料水化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量過快的消散以及減緩?fù)饨鐪囟葘Ω囿w料養(yǎng)護過程中熱力場的影響，用于膏體充填料熱力場研究。該種材料可用膨脹泡沫、保溫棉等隔熱材料。
[0013]傳感器，主要用于對膏體充填料養(yǎng)護過程中膏體內(nèi)部溫度、體積含水量、基質(zhì)吸力、電導(dǎo)率等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，用于研究膏體料養(yǎng)護過程中熱力學(xué)、水力學(xué)、化學(xué)反應(yīng)等性能。傳感器可根據(jù)研究需求選擇不同類型和不同數(shù)量。由于當(dāng)充填料高度較高時，不同高度位置的充填料性能不同，此時，需要在不同高度埋設(shè)多個傳感器對膏體料性能進(jìn)行監(jiān)測。
[0014]千分表，用于研究膏體料由于自重壓力和化學(xué)反應(yīng)造成的沉降和收縮，可以反映膏體料的沉降和變形性能，可以歸類為膏體料的力學(xué)行為。
[0015]千分表固定支架，用于千分表的固定，確保千分表在測量過程中不會晃動。
[0016]千分表測量桿引導(dǎo)筒，由于千分表精度很高，并且當(dāng)膏體料較少時，沉降量較小，此時需要將千分表測量桿包裹在一個硬質(zhì)的圓柱形引導(dǎo)筒內(nèi)部，減少測量誤差。該引導(dǎo)筒采用有機玻璃即可，直徑為5mm?10mm。
[0017]養(yǎng)護箱，該養(yǎng)護箱的特點在于布滿了保溫棉，養(yǎng)護箱取材較為方便，可以米用廢棄的紙箱，也可以采用塑料箱，還可以采用木制箱體等。
[0018]保溫棉，之所以在充填料和養(yǎng)護箱之間采用保溫棉隔離，主要是用來模擬膏體充填料在采場內(nèi)被圍巖包裹這一實際情況。同時也是方便膏體料溫度場研究。
[0019]密封材料，是為了固定千分表測量桿引導(dǎo)筒；并且阻止千分表測量桿引導(dǎo)筒和養(yǎng)護箱之間縫隙造成的膏體料與外界環(huán)境熱傳遞，減少實驗誤差。
[0020]數(shù)據(jù)收集器，主要用來對傳感器測量數(shù)據(jù)進(jìn)行實時記錄，數(shù)據(jù)收集器根據(jù)使用的傳感器配套選擇。
[0021]電腦，安裝了數(shù)據(jù)收集器相應(yīng)控制程序，可以調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)收集頻率，也可以實時監(jiān)測膏體料內(nèi)部各參數(shù)演化情況。
[0022]養(yǎng)護室，用來模擬井下實際溫度和濕度，也可以人為調(diào)節(jié)溫度和濕度，既能模擬實際情況，也方便于進(jìn)行理論研究。
[0023]本發(fā)明制作簡單、體積較小，移動靈活，既可在實驗室進(jìn)行，也可以在現(xiàn)場進(jìn)行測試。該裝置有成本低、操作簡單、智能性高，能夠多角度全面闡釋膏體料養(yǎng)護過程中的性能演化，揭示了膏體料力學(xué)性能發(fā)展內(nèi)因?？蔀榘踩?、經(jīng)濟的膏體結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)，具有較強的實用價值和理論意義。適用于有色、黑色、貴金屬、稀有金屬、黃金、鈾礦、煤礦等各種礦山企業(yè)添加膠凝材料的膏體充填料多場性能測試。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1為全尾膏體熱-水-力學(xué)-化學(xué)多過程作用示意圖；
[0025]圖2為本發(fā)明膏體充填多場耦合研究裝置；
【具體實施方式】
[0026]一種膏體充填多場耦合研究裝置，其特征在于:圓柱形盛料筒(I)位于養(yǎng)護箱(7)中心位置，膏體充填料(2)填滿圓柱形盛料筒(I)，盛料筒密封蓋(3)扣在圓柱形盛料筒
(I)頂部，固定圓柱筒(4)套于圓柱形盛料筒(I)外部，盛料筒隔熱材料(5)緊密填充于圓柱形盛料筒(I)和固定圓柱筒(4)之間，圓柱形盛料筒(I)的頂部和底部也采用隔熱材料包裹，傳感器(5)埋設(shè)于膏體充填料(2)內(nèi)部,千分表(7)固定于盛料筒(I)上方,千分表
(7)采用支架(8)固定于養(yǎng)護箱(10)外部，千分表(7)的測量桿采用引導(dǎo)筒(9)進(jìn)行固定，養(yǎng)護箱(10)與固定圓柱筒⑷之間布滿保溫棉(11)，養(yǎng)護箱(10)與千分表(7)連接處采用密封材料(12)進(jìn)行密封，數(shù)據(jù)收集器(13)與傳感器(6)相連，數(shù)據(jù)收集器(13)連接于電腦(14)，整個測試裝置放置于養(yǎng)護室(15)內(nèi)。
[0027]所述膏體充填多場耦合研究裝置的使用方法為:
[0028](I)將隔熱材料填滿圓柱形盛料筒和圓柱形固定筒之間，將所需傳感器固定于隔熱盛料筒內(nèi)部；
[0029](2)將配置好的膏體料倒入圓柱盛料筒，并采用柱狀鐵棒將料漿內(nèi)部空氣導(dǎo)出，采用密封蓋將盛料筒蓋住，并采用保溫棉將盛料筒頂部蓋住；
[0030](3)放置并固定千分表引導(dǎo)筒，采用支架安裝千分表，并將千分尺測量桿放入引導(dǎo)筒，與盛料筒內(nèi)膏體料表面接觸，記錄千分表初始值為A0 ；
[0031](4)將傳感器連接于數(shù)據(jù)收集器，將數(shù)據(jù)收集器連接于電腦，開始收集數(shù)據(jù)；
[0032](5)記錄不同養(yǎng)護時間千分表的值A(chǔ)i,A1-Atl即為膏體料養(yǎng)護過程的沉降量。同時，觀測養(yǎng)護過程中溫度、體積含水量、基質(zhì)吸力、電導(dǎo)率等性能，最終獲得膏體料多場性能參數(shù)，為膏體結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)。
[0033](6)膏體料的配比、初始溫度等條件，以及養(yǎng)護室溫度、濕度等條件也是可調(diào)的，可實現(xiàn)不同物料條件、不同養(yǎng)護條件下，膏體料多場性能演化研究。
【權(quán)利要求】
1.一種膏體充填多場耦合研究裝置，其特征在于:圓柱形盛料筒(I)位于養(yǎng)護箱(7)中心位置，膏體充填料(2)填滿圓柱形盛料筒(I)，盛料筒密封蓋(3)扣在圓柱形盛料筒(I)頂部，固定圓柱筒(4)套于圓柱形盛料筒(I)外部，盛料筒隔熱材料(5)緊密填充于圓柱形盛料筒(I)和固定圓柱筒(4)之間，圓柱形盛料筒(I)的頂部和底部也采用隔熱材料包裹，傳感器(5)埋設(shè)于膏體充填料(2)內(nèi)部,千分表(7)固定于盛料筒(I)上方,千分表(7)采用支架(8)固定于養(yǎng)護箱(10)外部，千分表(7)的測量桿采用引導(dǎo)筒(9)進(jìn)行固定，養(yǎng)護箱(10)與固定圓柱筒⑷之間布滿保溫棉(11)，養(yǎng)護箱(10)與千分表(7)連接處采用密封材料(12)進(jìn)行密封，數(shù)據(jù)收集器(13)與傳感器(6)相連，數(shù)據(jù)收集器(13)連接于電腦(14)，整個測試裝置放置于養(yǎng)護室(15)內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1所述的一種膏體充填多場耦合研究裝置，其特征在于:所述的圓柱形盛料筒(I)直徑范圍為IOcm?50cm，高度范圍為20cm?100cm。
3.如權(quán)利要求1所述的一種膏體充填多場耦合研究裝置，其特征在于:所述的膏體充填料(2)飽和率為100%?105%，膏體充填料表面距離盛料筒上端距離為Icm?5cm。
4.如權(quán)利要求1所述的一種膏體充填多場耦合研究裝置，其特征在于:所述的盛料筒隔熱材料(5)，采用的是膨脹泡沫或保溫棉。
5.如權(quán)利要求1所述的一種膏體充填多場耦合研究裝置，其特征在于:千分表測量桿包裹在一個硬質(zhì)的圓柱形引導(dǎo)筒內(nèi)部，減少測量誤差；該引導(dǎo)筒采用有機玻璃，直徑為5mm ?10mnin
6.如權(quán)利要求1所述的一種膏體充填多場稱合研究裝置，其特征在于:養(yǎng)護箱(10)布滿了保溫棉(11)，采用的是廢棄的紙箱、塑料箱或木制箱體制成。
7.—種如權(quán)利要求1所述的膏體充填多場耦合研究裝置的使用方法，其特征在于: 步驟一、將隔熱材料填滿圓柱形盛料筒和圓柱形固定筒之間，將所需傳感器固定于隔熱盛料筒內(nèi)部； 步驟二、將配置好的膏體料倒入圓柱盛料筒，并采用柱狀鐵棒將料漿內(nèi)部空氣導(dǎo)出，采用密封蓋將盛料筒蓋住，并采用保溫棉將盛料筒頂部蓋?。? 步驟三、放置并固定千分表引導(dǎo)筒，采用支架安裝千分表，并將千分尺測量桿放入引導(dǎo)筒，與盛料筒內(nèi)膏體料表面接觸，記錄千分表初始值為Atl ； 步驟四、將傳感器連接于數(shù)據(jù)收集器，將數(shù)據(jù)收集器連接于電腦，開始收集數(shù)據(jù)； 步驟五、記錄不同養(yǎng)護時間千分表的值A(chǔ)i, A1-A0即為膏體料養(yǎng)護過程的沉降量；同時，觀測養(yǎng)護過程中溫度、體積含水量、基質(zhì)吸力、電導(dǎo)率，最終獲得膏體料多場性能參數(shù)，為膏體結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)； 步驟六、膏體料的配比、初始溫度，以及養(yǎng)護室溫度、濕度是可調(diào)的，可實現(xiàn)不同物料條件、不同養(yǎng)護條件下，膏體料多場性能演化研究。
【文檔編號】G01N33/00GK103969406SQ201410210347
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年5月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月16日
【發(fā)明者】吳愛祥, 王勇, 王洪江 申請人:北京科技大學(xué)