[發(fā)明專利]一種膏體充填多場(chǎng)耦合研究裝置及其使用方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410210347.9
• 申請(qǐng)日: 2014-05-16
• 公開（公告）號(hào): CN103969406A
• 公開（公告）日: 2014-08-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 吳愛祥;王勇;王洪江
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京科技大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N33/00
• 分類號(hào): G01N33/00
• 代理公司: 北京市廣友專利事務(wù)所有限責(zé)任公司 11237
• 代理人: 張仲波

技術(shù)領(lǐng)域

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(duì)多場(chǎng)條件下膏體性能演化進(jìn)行測(cè)定，對(duì)于安全、經(jīng)濟(jì)膏體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要意義。

背景技術(shù)

尾礦庫(kù)與采空區(qū)被認(rèn)為是非煤礦山的兩大危險(xiǎn)源，尾礦庫(kù)潰壩不僅威脅人民生命財(cái)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(kù)與采空區(qū)安全與環(huán)境問題的一項(xiàng)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(duì)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。

膏體充填研究一般采用簡(jiǎn)單、成本較低的單軸抗壓強(qiáng)度(UCS)來評(píng)價(jià)膏體性能，但是由于UCS測(cè)量提供的信息是有限的，不能幫助設(shè)計(jì)者更好的理解水化反應(yīng)過程和影響因素，設(shè)計(jì)更加經(jīng)濟(jì)和安全的膏體配比。這是因?yàn)椋?dāng)膏體被輸送到采場(chǎng)時(shí)，膏體料養(yǎng)護(hù)過程中涉及傳熱、滲流、力學(xué)、化學(xué)等多個(gè)作用過程，如圖1。

因此，在膏體技術(shù)精細(xì)化研究的道路上，多場(chǎng)耦合是一種重要的研究手段。但是，目前對(duì)于膏體充填多場(chǎng)耦合研究還較少，相關(guān)實(shí)驗(yàn)裝置也處于探索階段。為此，有必要研制能夠準(zhǔn)確測(cè)量膏體在不同養(yǎng)護(hù)條件下的多場(chǎng)耦合性能，為安全、經(jīng)濟(jì)的膏體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于，提供一種膏體充填多場(chǎng)耦合研究裝置及其使用方法。該方法能夠精確測(cè)量膏體養(yǎng)護(hù)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(jì)和技術(shù)應(yīng)用提供依據(jù)。主要有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：第一，膏體料采用密封和隔熱設(shè)計(jì)，膏體料與養(yǎng)護(hù)箱之間布滿保溫棉，對(duì)實(shí)際采場(chǎng)圍巖進(jìn)行有效模擬，有利于膏體料溫度場(chǎng)的研究；第二，引入了沉降測(cè)量，對(duì)膏體料養(yǎng)護(hù)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(gè)或多個(gè)傳感器，測(cè)量所需的熱力學(xué)、水力學(xué)、化學(xué)性能參數(shù)；第三，實(shí)驗(yàn)精度高，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程采用一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)采集器對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行收集，并通過電腦對(duì)結(jié)果實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

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(cè)量桿引導(dǎo)筒、養(yǎng)護(hù)箱、保溫棉、密封材料、數(shù)據(jù)收集器、電腦、養(yǎng)護(hù)室組成，如圖2所示。

圓柱形盛料筒位于養(yǎng)護(hù)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(hù)箱外部，千分表的測(cè)量桿采用引導(dǎo)筒進(jìn)行固定，養(yǎng)護(hù)箱與固定圓柱筒之間布滿保溫棉，養(yǎng)護(hù)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(gè)測(cè)試裝置放置于養(yǎng)護(hù)室內(nèi)。

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10cm～50cm，高度范圍為20cm～100cm。

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1cm～5cm。

盛料筒密封蓋，主要用來密封膏體充填料，由于實(shí)際采場(chǎng)膏體料較多，大部分膏體料內(nèi)水分不會(huì)被蒸發(fā)，密封蓋可以防止膏體料內(nèi)部水分蒸發(fā)，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加接近實(shí)際采場(chǎng)情況。

固定圓柱筒，主要用來固定包裹盛料筒的隔熱材料。

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?duì)膏體料養(yǎng)護(hù)過程中熱力場(chǎng)的影響，用于膏體充填料熱力場(chǎng)研究。該種材料可用膨脹泡沫、保溫棉等隔熱材料。

傳感器，主要用于對(duì)膏體充填料養(yǎng)護(hù)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(cè)，用于研究膏體料養(yǎng)護(hù)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(shí)，不同高度位置的充填料性能不同，此時(shí)，需要在不同高度埋設(shè)多個(gè)傳感器對(duì)膏體料性能進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

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。

千分表固定支架，用于千分表的固定，確保千分表在測(cè)量過程中不會(huì)晃動(dòng)。

千分表測(cè)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(shí)，沉降量較小，此時(shí)需要將千分表測(cè)量桿包裹在一個(gè)硬質(zhì)的圓柱形引導(dǎo)筒內(nèi)部，減少測(cè)量誤差。該引導(dǎo)筒采用有機(jī)玻璃即可，直徑為5mm～10mm。