一种采空区充填模拟实验装置的制作方法

本实用新型属于采矿领域，尤其涉及一种井下采空区充填模拟实验装置。

背景技术：

随着采空区充填在金属矿山广泛应用，对充填材料性能与充填质量的评价变得越来越重要。进行室内采空区充填相似模拟实验获得的数据对工程现场的充填作业有重要的指导意义。如充填体脱水率、沉缩率、充填体形态的变化、底部出矿巷道渗流水头、充填体侧向压力、充填挡墙压力和充填体脱水速度是工程现场充填作业所需要的重要数据。这些数据不仅与充填材料有关，还与所采用的充填方式、采空区形状、滤水管布置和充填挡墙有关。例如采空区充填体脱水率和沉缩率是评价充填材料性能与充填质量的重要指标，没有固定形状的充填料浆本身的脱水率和沉缩率有时并不等于现场实际采空区的充填体整体的脱水率和沉缩率。这主要是因为采空区充填体脱水率、沉缩率不仅与充填料浆本身性质有关，还与充填体形状、充填体滤水管布置、充填滤水墙布置和充填速率等因素有关。因此通过实验获得充填体脱水率、沉缩率、充填体形态的变化、底部出矿巷道渗流水头变化、充填体侧向压力变化、充填挡墙压力变化和充填体脱水量变化等数据时要充分考虑充填方式、采空区形状、滤水管布置和充填挡墙等因素。

目前国内专利数据库也有一些关于采空区充填模拟实验装置的公开文献报道：

例如：【申请号】CN201220711775.6，【申请日】2012.12.20，【名称】一种模拟采空区充填过程实验装置，其技术方案是：该装置主要包括实验模拟装置、外部注浆装置和数据采集装置。其中实验模拟装置由有机玻璃制作的透明模型体、分层布设的岩土层、模拟采空区、联通采空区的注浆导管及布设在采空区内的传感器组成。注浆过程由外部注浆控制器自动控制。各传感器获取数据由数据线传输到数据采集器。上述装置连接配合，注浆过程及模拟巷道受上覆荷载作用时，采集各类传感器数据。该实用新型，主要用于研究对煤矿采空区充填过程中的力学演变过程分析；并且模拟采空区处于布设有岩土层的模型体中，在模拟实验过程中，整个充填注浆过程不能透视可见，无法直观地观测整个充填过程及充填体形态的变化，不能更好的用于教学演示和科研分析。

综上，我国矿业领域尚无专门的充填模拟实验装置通过充分模拟工程现场条件来获取充填体脱水率、沉缩率、充填体形态的变化、底部出矿巷道渗流水头的变化、充填体侧向压力变化、充填挡墙压力变化和充填体脱水量变化等实验数据。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种采空区充填模拟实验装置，可在实验室中模拟工程现场实际情况，获取充填体脱水率、沉缩率、充填体形态、底部出矿巷道渗流水头、充填体侧向压力、充填挡墙压力和充填体脱水量变化等实验数据，为现场充填作业提供更加精确、可靠的数据指导，也为采空区充填过程的教学演示和科研提供更加实用直观的实验装置。

本实用新型采用如下技术方案：

一种采空区充填模拟实验装置，包括采空区模拟盒（1）、数据采集器（10），其特征在于，此装置还包括底部出矿巷道（2）、滤水管（3）、模拟预留碎石（4）、模拟挡墙（6）、量筒（7）、测压管（8）、水位计（9）、压力盒（11）和应变仪（12）；所述的采空区模拟盒（1）的形状与所模拟的采空区形状相同。

优选地，所述的采空区模拟盒（1）的形状是一个平行六面体形状，是由5块不透水的塑料板材胶接而成的，盒体无顶盖、侧板标有刻度、底部有开口，开口形状及尺寸与底部出矿巷道（2）断面相同。

优选地，所述的底部出矿巷道（2）的断面形状与所模拟的底部出矿巷道相同；由4块不透水的透明板材胶接而成，底部出矿巷道（2）的一端与采空区模拟盒（1）底部开口处胶接，另一端与模拟挡墙（6）胶接，底部出矿巷道（2）顶板凿有钻孔。

优选地，所述的滤水管（3）由管壁打孔的硬性管道外壁包裹一层过滤材料制成；优选地，所述的过滤材料可以是土工布。

优选地，所述的模拟预留碎石（4）粒径有利于充填脱水的排出；所述的模拟预留碎石（4）粒径为5mm-10mm。

优选地，所述的模拟挡墙（6）由“井”字型的钢制骨架表面粘贴一块正方形过滤材料制成；优选地，所述的过滤材料可以是土工布。

优选地，所述的量筒（7）放置于底部出矿巷道（2）的端口下部；所述的水位计（9）放置于量筒（7）中且与数据采集器（10）相连。

优选地，所述的测压管（8）形状为直角，下端与底部出矿巷道（2）底板胶接，上端垂直穿过底部出矿巷道（2）顶板钻孔。

优选地，所述的压力盒（11）胶接于采空区模拟盒（1）内侧板和底部出矿巷道（2）内，压力盒（11）与应变仪（12）相连。

本实用新型的一种采空区充填模拟实验装置的操作方法，具体包括以下步骤：

步骤一：在采空区模拟盒（1）底部布置模拟预留碎石（4），模拟底部未出完的矿石与顶板冒落岩石，所加的碎石总体积与采空区模拟盒（1）体积大小的比值应等于所模拟的实际采空区内遗留石块体积与采空区体积大小的比值；

步骤二：在采空区模拟盒（1）隔一定距离布置滤水管（3），滤水管（3）的底端与模拟预留碎石（4）接触；滤水管（3）、模拟预留碎石（4）形成的空隙、底部出矿巷道（2）和模拟挡墙（6）就形成了充填体脱水的通道；

步骤三：按照所模拟矿山的充填间隔时间，定时向模型内加入一定量的不同颜色的充填料浆（5），模拟采空区实际充填的过程，充填体中的水会依次通过滤水管（3）、模拟预留碎石（4）形成的空隙、底部出矿巷道（2）和模拟挡墙（6），最终流入量筒（7）；在充填和脱水过程中每隔一定时间观察并记录测压管（8）水头高度、压力盒（11）的压力值、各层充填体高度及形态和量筒（7）内水位；

步骤四：充填全部完成且充填体充分固结后，根据步骤三得到的数据计算采空区充填体的脱水率、沉缩率，得出在充填过程中充填体形态、底部出矿巷道渗流水头、充填体脱水速度、充填体侧向压力和充填挡墙压力随时间的变化规律。

本实用新型具有如下有益效果：

1. 本实用新型的模拟实验装置,充分模拟了工程现场的实际情况，考虑了采空区形状、充填体滤水管布置、充填滤水墙布置和充填速率等因素对充填体脱水率、沉缩率、充填体形态、底部出矿巷道渗流水头、充填体脱水速度、充填体侧向压力和充填挡墙压力等数据的影响。因此使用本实用新型设计的采空区充填模拟实验装置及操作方法所得到的实验数据更加准确有效，可以为工程现场实际充填提供可靠的数据指导。

2．实验装置中安装的数据测试装置和数据采集装置可实时记录或显示在整个充填过程中充填体脱水量、底部出矿巷道渗流水头、充填体侧向压力和充填挡墙压力等数据。同时，采空区模拟盒透明可视，加之使用不同颜色的充填料浆充填，可直观的显示整个充填过程及各层充填体形态实时变化，因此本实用新型也可以用于采空区充填过程的教学演示和科研分析。

附图说明

图1为本实用新型装置的整体结构示意图。

1-采空区模拟盒；2-底部出矿巷道；3-滤水管； 6-模拟挡墙；7-量筒；8-测压管；

9-水位计；10-数据采集器；11-压力盒；12-应变仪。

图2为本实用新型装置操作方法图。

4-模拟预留碎石；5-充填料浆。

图3为刚加完料浆之后的充填体形态图。

图4为完全脱水后充填体形态图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步描述，但本实用新型的保护范围并不局限于以下所描述具体实施方式的范围。

本次试验模拟矿体厚度为4m，中段高度50m，中段底部出矿巷道断面尺寸为3m×3m，矿体倾角80度。

如图1，设计比例为1:100，采空区模拟盒1底板尺寸为140mm×41mm；两侧挡板形状为平行四边形,较小内角为80度，两边长分别为510mm、41mm，侧板标有刻度;后板尺寸为510mm×140mm;前板尺寸为510mm×140mm,下部开两个尺寸为30mm×30mm矩形口，两矩形中轴线相距80mm；底部出矿巷道2断面尺寸为30mm×30mm，顶板凿有钻孔；滤水管3长度为520mm。底板、两侧挡板、后板、前板和底部出矿巷道2均用不透水的透明板材制成，各部分按图1的方式胶接安装。将压力盒11胶接安装于采空区模拟盒1内侧板与底部出矿巷道2内靠近端口处；直角形测压管8的底边胶接于底部出矿巷道2底板上，另一端垂直通过底部出矿巷道2顶板钻孔；底部出矿巷道2与模拟挡墙6胶接。各胶接缝处密封良好，无漏水。

如图2，在模型底部布置粒度为5mm-10mm的模拟预留碎石4用于模拟底部未出完的矿石与顶板冒落岩石，所加碎石的堆积高度稍高于底部出矿巷道2顶端。然后在模型中央布置一根滤水管3，同时在底部出矿巷道2的端口下部放置量筒7。向模型内每隔一小时加入600克浓度为70%充填料浆5，共加9次，充填料浆5总体积为2.7L。其中第3次、第4次和第5次所加的料浆中拌合有红色染料。充填体中的水在依次通过滤水管3、模拟预留碎石4形成的空隙、底部出矿巷道2和模拟挡墙6后，最终流入量筒7。从第一次加入充填料浆5开始到充填体充分固结，应变仪12每隔1秒分别记录一次充填体底部侧面压力盒11和模拟挡墙6处压力盒11压力值，数据采集器10会每隔1秒记录一次量筒7中水位计9高度，实验员每隔1分钟记录一次测压管8的读数与充填体高度，得出了在充填与脱水过程中充填体脱水量变化、底部出矿巷道渗流水头变化、充填体侧向压力和充填挡墙压力的变化规律。

刚加完料浆之后的充填体形态如图3所示。一天之后，充填体不再脱水。完全脱水后充填体形态如图4所示。充填体脱水完成后测得由底部出矿巷道2流出水量为345g，经计算得出充填体脱水率为21.3%。测得充填体最终体积为2.45L，经计算得出充填体沉缩率为9.26%。

任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替换、外形尺寸改变的明显变形形式，均落在本实用新型权利要求书的保护范围内。