一种便携式充填料原位性能监测模拟装置的制作方法

本实用新型涉及充填技术原位监测模拟研究技术领域，特别是指一种便携式充填料原位性能监测模拟装置。

背景技术：

随着浅部资源殆尽，深部开采成为矿山发展必然趋势。三大采矿方法中的空场法和崩落法对于深部开采将无法使用，唯有充填采矿法可以使用。充填采矿法在我国发展了半个多世纪，因其可有效协调尾砂生态污染和井下空区安全问题，实现“以废治灾”、绿色开采的目的，目前充填技术应用成熟、使用矿山越来越多，对于“绿水青山”和“生态文明建设”具有重要意义。

不论何种充填法，最终的目的是服务于采矿需求，即充填料固化封闭采空区，创造更加安全的采矿环境，从而回收更多的矿产资源。而充填料一旦进入空区之后，便开始了“黑箱”养护时代，其固化过程复杂，且无法预见、无法调控，传统的充填固化效果评价依赖室内终端强度和工程经验，一般都是对某一特定养护龄期的充填体进行强度测试。而实际矿山开采，因采矿方法不同，充填固化体需要扮演自立、支撑围岩等功能，且采场揭露时间不尽相同。如若无法认清充填料固化过程的强度特征，而只是停留在某一特定龄期研究，则对于采场结构安全的实时评价和采充策略的及时调整等非常不利。

为此，本实用新型针对充填料达到采空区对其性能演化监测方法的不足，提出一种便携式充填料原位性能监测模拟装置及使用方法，不仅有利于进一步丰富充填理论基础，对于充填料固化过程原位性能监测和表征均具有重要的科学价值，也在我国海量尾砂固化原位性能监测方面具有广阔的工程应用前景。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是提供一种便携式充填料原位性能监测模拟装置。

该装置包括电脑、数据收集器、温度计、试验箱、固定圆柱桶和分体式料盒，分体式料盒位于试验箱水平和竖直中心位置，充填料充满分体式料盒，分体式料盒上部设置上密封盖，分体式料盒下部设置下密封盖，上密封盖上有传感器线孔，固定圆柱桶位于分体式料盒外部，固定圆柱桶和试验箱之间紧密充填隔热材料，分体式料盒内部的传感器固定板上设置传感器，数据收集器分别连接传感器和电脑，试验箱外侧放置温度计监测环境温度。整个装置放置于养护室内。

其中，分体式料盒顶部和底部包裹隔热材料。隔热材料模拟充填料在采场中围岩传热情况，使实验结果更接近于实际情况，方便实验研究。

分体式料盒内部有一个分布着两个夹角60-90°空洞的传感器固定板，传感器固定在传感器固定板上的同一高度并存在夹角60-90°。

分体式料盒直径为20cm～100cm，高度为10cm～50cm。主要用于盛放充填料，为避免纵向应力的影响并放置传感器，料盒高径比小于等于1:2。

分体式料盒由两个半圆形板筒壁、上下两块桶盖和一块传感器固定板组成。

充填料饱和率为100％～105％，其内部的水主要与水泥的水化反应有关，由于料浆密封，水分蒸发极少。料浆倒入料盒后，采用硬质柱状棒导出浆体内部空气，充填料即可充满料盒。充填料表面距离分体式料盒顶部距离为1cm～5cm。

隔热材料为膨胀泡沫或保温棉。

应用该装置的方法，包括步骤如下：

s1：将隔热材料填满试验箱和固定圆柱筒之间，将分体式料盒放置在固定圆柱筒中，将传感器固定在传感器固定板上，置于分体式料盒内部；

s2：将配置好的充填料倒入分体式料盒，并采用柱状铁棒将充填料料浆内部空气导出，采用塑料膜及密封盖将分体式料盒盖住，并采用隔热材料将分体式料盒顶部盖住；

s3：将传感器连接于数据收集器，将数据收集器连接于电脑，开始收集数据；

s4：记录不同养护时间养护过程中温度、体积含水量、基质吸力、电导率，最终获得充填料原位性能参数，为充填体结构设计提供依据。

充填料的配比、初始温度，以及养护温度、湿度根据需要调整。

该装置能够精确测量模拟充填料原位性能演化，为充填体原位性能演化和结构安全提供依据。本实用新型主要有以下几个优点：第一，充填料采用分体式料盒密封隔热盛放。实验结束后便于取出传感器，避免充填料固化后难以安全取出传感器的问题，极大地减少了工作量和因操作失误造成不必要的损失。第二，料盒采用小高径比，料盒减少了纵向应力对实验的影响，符合采场实际情况，有利于采场原位性能的研究。第三，两枚传感器布置在充填料浆中同一高度，并形成60-90°夹角，减少传感器间的相互影响，避免因测量不同高度料浆造成的误差，实验精度更高。

本实用新型的上述技术方案的有益效果如下：

上述方案中，装置制作简单、操作方便、外界环境对其影响较小，适用于矿山采场现场测试及实验室测试。该装置具有便于使用回收，测量使用过程不需人为干预，模拟采场充填体条件等特点，通过监测基质吸力、体积含水率、导电率、温度等充填料原位性能，为研究、设计充填体结构以及充填体结构安全提供科学依据。可广泛使用于采用充填采矿法的矿山，提高采场稳定性，降低充填成本。

附图说明

图1为本实用新型的便携式充填料原位性能监测模拟装置结构示意图；

图2为本实用新型的便携式充填料原位性能监测模拟装置分体式料盒细节图，其中，(a)为主视图，(b)为左视图，(c)为俯视图。

其中：1-电脑；2-数据收集器；3-温度计；4-试验箱；5-隔热材料；6-固定圆柱桶；7-上密封盖；8-下密封盖；9-传感器；10-传感器线孔；11-传感器固定板；12-空洞；13-充填料；14-分体式料盒。

具体实施方式

为使本实用新型要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本实用新型提供一种便携式充填料原位性能监测模拟装置。

如图1所示，该装置包括电脑1、数据收集器2、温度计3、试验箱4、固定圆柱桶6和分体式料盒14，分体式料盒14位于试验箱4水平和竖直中心位置，充填料13充满分体式料盒14，如图2所示，分体式料盒14上部设置上密封盖7，分体式料盒14下部设置下密封盖8，上密封盖7上有传感器线孔10，固定圆柱桶6位于分体式料盒14外部，固定圆柱桶6和试验箱4之间紧密充填隔热材料5，分体式料盒14内部的传感器固定板11上设置传感器9，数据收集器2分别连接传感器9和电脑1，试验箱4外侧放置温度计3监测环境温度。分体式料盒14顶部和底部包裹隔热材料5。

分体式料盒14内部有一个分布着两个夹角60-90°空洞12的传感器固定板11，传感器9固定在传感器固定板11上的同一高度并存在夹角60-90°。

分体式料盒14直径为20cm～100cm，高度为10cm～50cm。

分体式料盒14由两个半圆形板筒壁、上下两块桶盖和一块传感器固定板11组成。主要用于盛放充填料，为避免纵向应力的影响并放置传感器，因此料盒高径比小于等于1:2。

充填料13饱和率为100％～105％，其内部的水主要与水泥的水化反应有关，由于料浆密封，水分蒸发极少。料浆倒入料盒后，采用硬质柱状棒导出浆体内部空气，充填料即可充满料盒。充填料13表面距离分体式料盒14顶部距离为1cm～5cm。

隔热材料5为膨胀泡沫或保温棉。隔热材料在试验箱箱体和固定圆柱桶之间密实的充满，模拟充填料在采场中围岩传热情况，使实验结果更接近于实际情况，方便实验研究。

试验箱4内部和固定圆柱桶6之间紧密的充满了保温材料，试验箱4置于养护室中。

传感器对充填料养护过程中内部温度、体积含水率、基质吸力、电导率等原位性能进行监测，用于充填料胶结固化过程原位性能监测。为避免不同高度充填料性能不一致的问题，传感器布置在同一高度。

传感器固定板主要用于固定传感器，与分体式料盒等高。为避免两枚传感器存在高度差带来的影响，因此传感器固定板中间同一高度开有两夹角60-90°的传感器孔，根据分体式料盒高度不同，传感器固定板长度范围10cm～30cm，高度范围10cm～50cm。

数据采集器主要用于传感器数据的采集，采用与传感器配套的数据采集器。

电脑主要用于数据采集器的控制，安装了数据采集器相应的控制程序，可调节数据采集器采集数据的频率，也可以实时监测充填料浆内部参数演化。

密封材料主要用于固定传感器；阻止密封盖与筒壁、传感器孔、密封盖孔造成的充调料水分流失，模拟采场密封的环境。

温度计，主要用于测量试验箱箱体处室温，避免极端外界温度对充填料固化过程的影响。

应用该装置的方法，步骤如下：

s1：将隔热材料5填满试验箱4和固定圆柱筒11之间，将分体式料盒14放置在固定圆柱筒11中，将传感器9固定在传感器固定板11上，置于分体式料盒14内部；

s2：将配置好的充填料13倒入分体式料盒14，并采用柱状铁棒将充填料料浆内部空气导出，采用塑料膜及密封盖将分体式料盒14盖住，并采用隔热材料将分体式料盒14顶部盖住；

s3：将传感器9连接于数据收集器2，将数据收集器2连接于电脑1，开始收集数据；

s4：记录不同养护时间养护过程中温度、体积含水量、基质吸力、电导率，最终获得充填料原位性能参数，为充填体结构设计提供依据。

充填料13的配比、初始温度，以及养护温度、湿度根据需要调整。

在具体应用中，首先，将隔热材料5密实的填满固定圆柱桶6与试验箱4箱体之间，将两个半圆形筒壁合并在一起并盖好底部密封盖。然后，将传感器9固定在传感器固定板11上，传感器与传感器固定板之间缝隙用密封材料密封，紧贴筒壁放置于分体式料盒14中。将配置好的充填料浆倒入分体式料盒中，并采用柱状硬质捣棒将料浆中空气导出，盖好上密封盖7，传感器连接线从上盖预留的传感器线孔10中引出，并使用密封材料密封预留孔及上密封盖与筒壁间缝隙。再将传感器9连接于数据采集器2，将数据采集器2连接至电脑1，开始收集数据。记录养护过程中环境温度，观测养护过程中料浆温度、体积含水率、基质吸力、电导率等性能，最终获得相关参数，为充填料浆配比及结构设计提供依据。充填料浆的配比、环境初始温度、湿度等都是可调的，可以实现不同物料配比、不同环境条件下充填料浆原位性能的研究。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。