一种模拟采空区环境的煤基固废型材料试样制备系统及方法

1.本发明属于矿山功能材料技术领域，具体涉及一种模拟采空区环境的煤基固废型材料试样制备系统及方法。


背景技术：

2.充填采矿法是一种用充填材料充填采煤工作面采空区以控制岩层移动和变形的采矿方法。该方法可以缓和工作面支承压力产生的矿压显现，改善采场和巷道维护状况，有效减少地表下沉和变形，提高采出率，保护避免建筑物、构筑物、生态环境和水体。
3.为保证矿山的可持续发展，采空区充填完成后，需要对采空区下的充填体进行实时监测，但由于充填体的体积较大以及井下复杂的环境，对充填体性能的直接测定难以实现。目前常用的方法是对充填体钻孔取样运送到实验室后获取其力学参数，不过缺点是过程繁琐且成本较高。相比较而言，在室内试验中模拟实际受采空区影响情况进行充填体的制备与养护是更为有效的方法。
4.充填后材料试样的性质受应力、矿井水水压、矿井水ph值等采空区环境和养护时间的影响很大。目前常规的充填材料制备方法的养护方式主要为标准养护，但是通过对比现场与室内试验的结果发现，现场实测的充填体强度值远低于室内试验值，这说明现场的养护条件与标准养护条件存在着较大差异。
5.因此，亟需研究一种模拟采空区环境的煤基固废型材料试样制备方法，以满足上述需求。


技术实现要素：

6.发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种模拟采空区环境的煤基固废型材料试样制备方法，利用该方法在室内试验中获得受采空区条件影响后充填体的准确性质。
7.技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
8.本发明旨在提出一种模拟实际采空区环境的煤基固废型材料试样制备系统及方法，在采空区环境中，应力、矿井水水压、矿井水ph值是影响充填体性质的主要因素，因此，本专利通过实测实际采空区环境中应力、矿井水水压及矿井水ph值等指标，根据所测指标，通过高压水泵和液压装置对模拟箱进行调节，将充填体放置于模拟箱中，使充填体养护过程更接近于实际采空区。
9.本发明的第一个目的是，提供一种模拟采空区环境的煤基固废型材料试样制备系统，包括采空区环境模拟箱、液压装置、高压水泵、模拟溶液池，其中，所述采空区环境模拟箱为中空结构，内部用于存放实际采空区的煤基固废型材料试样即模拟充填体，所述采空区环境模拟箱的侧面具有注水孔和排水孔；
10.所述模拟溶液池通过所述高压水泵连通至所述注水孔，用于向所述采空区环境模拟箱内输送模拟溶液，所述模拟溶液为根据实际采空区的矿井水水质制备的水溶液；
11.所述液压装置位于所述采空区环境模拟箱上方，用于向所述采空区环境模拟箱施加应力。
12.可选的，在本发明的一种实施方式中，所述高压水泵用于调节矿井水水压，所述模拟溶液池用于调节矿井水ph，所述液压装置用于调节应力。
13.可选的，在本发明的一种实施方式中，还包括有废水桶，所述废水桶与所述排水孔连通，所述采空区环境模拟箱中多余的模拟溶液由所述排水孔排出，收集在所述废水桶中。
14.可选的，在本发明的一种实施方式中，所述液压装置为四柱式液压装置。
15.可选的，在本发明的一种实施方式中，所述采空区环境模拟箱的尺寸为300～600mm
×
400～800mm
×
200～500mm，所述注水孔和排水孔的直径为30～80mm。
16.可选的，在本发明的一种实施方式中，所述采空区环境模拟箱的顶底板尺寸为500
×
400
×
200mm，所述注水孔和排水孔的直径为50mm。
17.可选的，在本发明的一种实施方式中，所述采空区环境模拟箱的侧边可拆卸。可拆卸的结构方式不受限制，比如侧边与顶底边采用铰接或卡扣方式进行连接固定，或者采用胶粘方式进行连接等能实现侧边可拆卸的结构特征，都在本发明的保护范围之内。
18.可选的，在本发明的一种实施方式中，所述采空区环境模拟箱非注水孔，排水孔一侧可拆卸。
19.本发明的第二个目的是，提供一种模拟采空区环境的煤基固废型材料试样制备方法，采用如上任意一种实施方式所述的系统，该方法包括以下步骤：
20.步骤一：对实际采空区进行调研
21.实时监测实际采空区内充填体的环境条件，所述环境条件包括矿井水水质及充填体所受的应力，所述矿井水水质包括矿井水ph值和充填体所受矿井水的水压；
22.步骤二：将煤基固废型材料混合，制备充填料浆；
23.步骤三：充填料浆注入采空区环境模拟箱，凝固后得模拟充填体；
24.步骤四：添加采空区环境影响因素
25.通过模拟溶液池向所述采空区环境模拟箱中的模拟充填体注入与所述矿井水水质相同的模拟溶液，并通过液压装置向所述采空区环境模拟箱中的模拟充填体施加与所述充填体所受应力相同的加载应力；
26.步骤五：模拟充填体进行养护，钻芯取得所需煤基固废型材料试样用于检测。
27.可选的，在本发明的一种实施方式中，步骤一中，每隔3h记录一次充填体所受应力、矿井水水压及矿井水ph值的数值，根据3d内实际采空区实时监测获得的所述应力、矿井水水压、矿井水ph值的平均值作为预制养护的各指标设置的依据。
28.可选的，在本发明的一种实施方式中，步骤三中，所述充填料浆中添加速凝剂，凝固时间为5～12h。
29.可选的，在本发明的一种实施方式中，所述速凝剂包括硅酸钠速凝剂、铝酸盐速凝剂、非碱性粉末状促凝剂等。
30.可选的，在本发明的一种实施方式中，步骤二：制备煤基固废型充填料浆具体包括：在实验室内，将煤基固废材料混合胶结制备成充填料浆。其中，煤基固废材料可选用煤矸石、粉煤灰、煤泥等多种煤基固废材料。
31.可选的，在本发明的一种实施方式中，步骤三：注入采空区环境模拟箱具体包括：
将制备好的煤基固废型材料料浆置于采空区环境模拟箱内，等待凝固。采空区环境模拟箱侧部分别设有注水孔和出水孔，通过高压水泵接入注水孔泵入模拟溶液，从出水孔排除，顶部设有液压装置，可调节加载应力。
32.可选的，在本发明的一种实施方式中，步骤四：添加采空区环境影响因素具体包括：待料浆凝固后，根据3d内实际采空区监测获得的应力、水压、矿井水ph值的平均值作为预制养护的各指标设置的依据，然后先确定需注入水ph值，通过高压水泵调节水压后注入，再通过液压装置设定好加载应力，对充填体施加应力。
33.可选的，在本发明的一种实施方式中，步骤五：钻孔机钻芯取得所需试件具体包括：煤基固废型材料同步采空区环境养护一段时间后脱模，使用钻孔机钻芯，即可得到模拟采空区环境的煤基固废型材料试样。
34.本发明的第三个目的是，提供上述的系统或方法的应用，具体应用于实际受采空区中充填体的模拟检测。
35.可选的，在本发明的一种实施方式中，本发明的适用条件为：采空区环境模拟箱施加应力范围为10～15mpa、矿井水ph控制范围为2～9、矿井水压控制范围为2～7mpa。
36.可选的，在本发明的一种实施方式中，本发明的适用条件为：充填体养护时间范围控制为12h～72h。
37.有益效果：本发明提供的模拟采空区环境的煤基固废型材料试样制备系统及方法，与现有的充填材料制备系统及方法相比，具有以下优势：
38.(1)实测实际采空区的各类指标并在室内试验中模拟出相似环境，使充填体试件在接近于实际养护的条件下进行养护，养护后测得的力学性质更接近于实际工程中的充填体；
39.(2)充填体所受应力、矿井水成分及ph值、矿井水水压均通过现场实测得到，保证了室内试验环境与实际采空区的一致性；
40.(3)试验所用采空区环境模拟箱，设有注水孔，通过高压水泵和液压装置模拟采空区环境，确保了充填体处在更加真实的模拟环境中，模拟箱侧边可拆卸为后续钻孔机钻孔取样提供了良好的条件；
41.(4)所述采空区模拟箱顶部钢板采用四柱液压装置施加应力，保证了模拟箱的整体稳定性与强度。
附图说明
42.图1为本发明方法的流程示意图。
43.图2为本发明实施例中模拟添加采空区环境示意图；
44.图中，1、采空区环境模拟箱，2、液压装置，3、高压水泵，4、注水孔，5、排水孔，6、废水桶，7、模拟溶液池。
具体实施方式
45.下面结合附图和实施例对本发明作更进一步的说明。
46.本发明实施例中本发明实施例中模拟添加采空区环境示意图如图1所示，主要包括采空区环境模拟箱1、液压装置2、高压水泵3及模拟溶液池7，本发明实施例中采用的采空
区环境模拟箱为长方体，顶底板尺寸为500
×
400
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200mm。液压装置2即液压万能试验机为四柱式液压装置，其中长方体的采空区环境模拟箱1的四角距边角100mm处均设有一个直径为100mm的液压底座，采空区环境模拟箱1的侧板设有直径为50mm的注水孔4和排水孔5，其中液压装置2调整好加载应力，通过液压底座直接对采空区环境模拟箱1施加应力。高压水泵2接入采空区环境模拟箱1顶板中心注水孔4，调整好水压，将模拟溶液池7中调节好ph的模拟溶液泵入采空区环境模拟箱1中，通过排水孔5排入废水桶6。
47.本发明实施例中采用的用于制备充填体试件的料浆来自于煤基固废。
48.本发明实施例中，模拟采空区环境的煤基固废型材料试样制备方法，包括以下步骤：
49.步骤一：对实际采空区进行调研
50.待实际采空区充填完成后，对实际采空区内充填体的环境条件进行实时监测，环境条件包括矿井水水质及充填体所受应力，矿井水水质包括矿井水ph值和充填体所受的矿井水水压；
51.步骤二：制备充填料浆
52.将煤基固废型材料混合制备成充填料浆；
53.步骤三：注入采空区环境模拟箱1
54.将制备好的充填料浆置于采空区环境模拟箱1内，等待凝固；
55.步骤四：添加采空区环境影响因素
56.待模拟箱中充填料浆凝固后，往模拟箱中注入不同水压、不同ph值的矿井水，并调节加载应力，具体的为：待充填料浆凝固后，通过模拟溶液池7和高压水泵3向采空区环境模拟箱1注入与矿井水水质相同的模拟溶液，并通过液压装置2向采空区环境模拟箱1施加与充填体所受应力相同的加载应力；
57.步骤五：钻孔机钻芯取得所需试件
58.待煤基固废型材料同养护不同时间后，用钻孔机钻芯取出所需材料试样。
59.下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。根据下述实施例，可以更好的理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的具体的物料配比、工艺条件及其结果仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
60.实施例1
61.某煤矿开采一段时间后，留有大量煤矸石、煤泥等煤基固废材料，急需处理。现拟采用煤基固废材料混合制备成充填材料，利用输送管道以泵送方式输送到采空区中进行充填，但对煤基固废型材料受采空区环境影响后的抗压强度等性质未知。需进行实验测试。
62.步骤一，对实际采空区进行现场调研，对充填体所受应力、矿井水水压和矿井水ph值进行实时监测；
63.步骤二，实时监测时每隔3h进行记录一次矿井水水压、矿井水ph值、充填体所受应力的数值，3d内矿井水水压平均值为3.6mpa、矿井水ph平均值为5.8、充填体所受应力平均值为8.0mpa，将监测的平均值作为预制养护的各指标设置的依据；
64.步骤三，在实验室内制备煤基固废型充填材料料浆，将制备好的料浆充入实验室内采空区环境模拟箱1，进行预制养护；
65.步骤四，待充填料浆凝固，一方面，根据实际采空区监测获得的充填体所受矿井水
水压、矿井水ph值的数据，调整高压水泵3至对应水压，将模拟溶液池7中对应ph值和成分的水即模拟溶液通过注水孔4泵入采空区环境模拟箱1中来模拟采空区水环境；另一方面，根据实际采空区监测获得的应力数值，通过液压装置2调整加载应力，对采空区环境模拟箱1施加应力。
66.步骤五，多次试验，分别养护12h、24h、36h、48h、60h、72h后，排水孔6排水，拆去采空区环境模拟箱1的侧板，取出模拟充填体，用钻孔机钻芯即可得到一种模拟采空区环境的煤基固废型材料试样，得到的材料使用万能液压装置进行单轴抗压试验，得到结果如表1所示。
67.表1单轴抗压试验结果
[0068][0069]
从表1可以看出，实施例1中经分别养护12h、24h、36h、48h、60h、72h后，模拟充填体的抗压强度与实际采空区现场实际测定的抗压强度相差无几，已经极为接近实际真实数据，说明本发明模拟检测装置能较好的模拟实际采空区充填体的真实环境条件，从而更为准确地便于检测实际采空区充填体的力学性能。
[0070]
综上所述，本发明提供的一种模拟采空区环境的煤基固废型材料试样制备系统及方法，可以轻松高效制备出类受采空区环境影响的煤基固废型材料试样，并测出所需力学性能。本发明制备的煤基固废型材料试样相比于现有其他方法制备的材料试样，测得的力学性能更接近于实际受采空区环境影响的充填体，更加符合工程实际情况。
[0071]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。