本发明涉及井下充填技术领域，特别是指一种充填体多场耦合养护的试验装置。
背景技术：
随着地下采矿工作的逐步进行，井下会出现大量的采空区，这些采空区的存在不仅会对地表产生影响，还会影响井下工人和设备的安全，充填采矿法可解决采空区垮塌和地表塌陷等问题，成为21世纪矿山主要使用的采矿方法之一。充填采矿法主要是将充填体充填到井下采空区，提高矿石的回收率和井下的安全系数。
充填体主要是由固体废弃物、水泥和水混合制成，必要时可添加一定量的减水剂、矿物添加剂、粉煤灰等。这些混合物相互之间会发生一定的水化作用，生成水化产物，一方面，水泥和水发生水化反应，释放出一定的热量，使充填体内部的温度发生变化，且充填体还会与围岩之间发生热量交换。另一方面，水泥量的多少会影响水泥与水发生水化反应的程度，产生的水化反应产物积聚在充填体内部的孔隙中，影响充填体内部的渗流行为。其次，充填体还会受其上覆岩层的压力作用，使充填体内部的孔隙在压力下被挤压密实。因此，充填体在采场中受热-水-力-化多场耦合的作用，在养护过程中，表现出温度变化、压力变化、孔隙水压力变化和电导率变化等特征，最终影响充填体的强度。
传统的室内试验中，充填体均是在恒温恒湿(温度20°，湿度95％)条件下进行普通养护，无法考虑充填体在养护过程中的上覆岩层压力作用，很难模拟充填体在井下真实的养护环境。而充填体的强度发展受热-水-力-化学多场影响的共同作用，不同的养护环境对充填体强度的发展影响较大。采场中取样测试得到的充填体强度比普通室内试验得到的充填体强度高出1～5倍，因此，要研究充填体在真实的养护环境中的多场性能及强度发展规律，需开发出能模拟充填体井下真实养护环境的多场耦合养护的试验装置。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是提供一种充填体多场耦合养护的试验装置，能够实时监测充填体内部温度、孔隙水压力、渗流量及电导率的变化，是一种研究充填体多场耦合养护的试验装置，以解决现有的充填体养护装置无法模拟较为真实的井下养护环境的问题。
该装置包括温度控制系统、压力控制系统、湿度控制系统、固结排水系统和数据采集系统，其中，温度控制系统包括温度控制器、温度传感器、对流风扇、隔热玻璃和温控加热器；压力控制系统包括电机驱动器、压力传感器、传力活塞、滚珠丝杠推杆、压力调节器、行星减速器、压力显示器和力矩电机；湿度控制系统包括湿度传感器、湿度器和湿度控制器；固结排水系统包括透水石、带刻度渗水收集瓶和阀门；数据采集系统包括数据采集仪和电脑；
该装置为由隔热玻璃围成的长方体结构，隔热玻璃安装在基座上，膏体充填体放置在内养护筒中，内养护筒外侧包裹外养护筒，膏体充填体顶部和底部均与透水石相接触，底部的透水石下方设置带刻度渗水收集瓶和阀门；压力控制系统通过滚珠丝杠推杆和电机驱动器向膏体充填体施加压力，滚珠丝杠推杆和膏体充填体之间通过传力活塞进行力的传递，压力传感器用于衡量压力的大小，力矩电机通过行星减速器将压力传递给滚珠丝杠推杆，力矩电机通过电机散热风扇进行散热，压力显示器用于监测显示该装置内压力，压力调节器用于调节该装置压力大小；隔热玻璃中的温度通过温度控制器、对流风扇和温控加热器进行控制，并通过温度传感器监测隔热玻璃中的温度；湿度传感器在隔热玻璃内，用于监测该装置内湿度，湿度调节器和湿度控制器放置在隔热玻璃中，用于控制该装置内的湿度；膏体充填体中埋设有电导率、温度传感器和孔隙水压力、温度传感器，电导率、温度传感器和孔隙水压力、温度传感器通过导线与数据采集仪和电脑进行连接；螺纹杆连接支撑基座和安装力矩电机的平台。
其中，隔热玻璃将该装置内部密封。
内养护筒和外养护筒均为圆柱形，内养护筒由两个半圆柱的空心玻璃圆管组成，内养护筒筒壁上距离筒底5cm和10cm处各开凿直径为3mm的圆柱孔；内养护筒外套高强度透明橡皮筋；外养护筒由两个半圆柱的空心金属圆管组成，外养护筒外部采用金属固定带进行加固。
透水石高度为10mm，透水石截面积与膏体充填体截面积相同。
膏体充填体为圆柱形。
传力活塞上安装压力传感器，监测施加压力大小。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
本发明主要用于模拟充填体较为真实的养护环境，研究充填体热-水-力-化多场耦合行为的试验装置，能够同时监测充填体内部温度变化、电导率变化、渗流量变化和孔隙水压力的变化。本发明充填体多场耦合养护试验装置，可模拟与井下较相近的充填体养护条件，研究充填体的自身温度、孔隙水压力、电导率和渗水量随上覆岩层压力、环境温度、环境湿度和充填体自身特性变化的规律，以揭示充填体热-水-力-化多场耦合作用机理。总之，本发明能够同时对充填体的温度、压力、湿度和排水条件进行控制，从而模拟充填体较为真实的养护环境，并监测充填体在养护过程中的温度、电导率、孔隙水压力和含水率的变化。
附图说明
图1为本发明的充填体多场耦合养护的试验装置结构示意图。
其中：1—电机散热风扇；2—温度控制器；3—电机驱动器；4—开关电源；5—220vac接口；6—温度传感器；7—压力传感器；8—传力活塞；9—对流风扇；10—透水石；11—膏体充填体；12—电导率、温度传感器；13—隔热玻璃；14—孔隙水压力、温度传感器；15—螺纹杆；16—基座；17—带刻度渗水收集瓶；18—阀门；19—内养护筒；20—外养护筒；21—温控加热器；22—湿度传感器；23—湿度器；24—滚珠丝杠推杆；25—压力调节器；26—湿度控制器；27—行星减速器；28—压力显示器；29—力矩电机；30—数据采集仪；31—电脑。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、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。
本发明提供一种充填体多场耦合养护的试验装置，如图1所示，该装置包括温度控制系统、压力控制系统、湿度控制系统、固结排水系统和数据采集系统，其中，温度控制系统包括温度控制器2、温度传感器6、对流风扇9、隔热玻璃13和温控加热器21；压力控制系统包括电机驱动器3、压力传感器7、传力活塞8、滚珠丝杠推杆24、压力调节器25、行星减速器27、压力显示器28和力矩电机29；湿度控制系统包括湿度传感器22、湿度器23和湿度控制器26；固结排水系统包括透水石10、带刻度渗水收集瓶17和阀门18；数据采集系统包括数据采集仪30和电脑31；
该装置为由隔热玻璃13围成的长方体结构，隔热玻璃13安装在基座16上，膏体充填体11放置在内养护筒19中，内养护筒19外侧包裹外养护筒20，膏体充填体顶部和底部均与透水石10相接触，底部的透水石10下方设置带刻度渗水收集瓶17和阀门18；压力控制系统通过滚珠丝杠推杆24和电机驱动器3向膏体充填体11施加压力，滚珠丝杠推杆24和膏体充填体11之间通过传力活塞8进行力的传递，压力传感器7用于衡量压力的大小，力矩电机29通过行星减速器27将压力传递给滚珠丝杠推杆24，力矩电机29通过电机散热风扇1进行散热，压力显示器28用于监测显示该装置内压力，压力调节器25用于调节该装置压力大小；隔热玻璃13中的温度通过温度控制器2、对流风扇9和温控加热器21进行控制，并通过温度传感器6监测隔热玻璃13中的温度；湿度传感器22在隔热玻璃13内，用于监测该装置内湿度，湿度调节器23和湿度控制器26放置在隔热玻璃中，用于控制该装置内的湿度；膏体充填体11中埋设有电导率、温度传感器12和孔隙水压力、温度传感器14，电导率、温度传感器12和孔隙水压力、温度传感器14通过导线与数据采集仪30和电脑31进行连接；螺纹杆15连接支撑基座16和安装力矩电机29的平台。
本发明用于研究充填体热-水-力-化多场耦合行为的试验装置，能够同时控制充填体配比、初始温度、养护温度、湿度、压力等多种因素，可同时检测充填体内部温度变化、孔隙水压力变化、电导率变化和渗流量变化等数据。
本发明的工作原理如下：
膏体充填体放置系统原理：膏体充填体外侧通过由透明有机半圆筒玻璃拼合成的内养护筒保持外形。内养护筒外部由外养护筒进行包裹。
压力控制系统原理：本设备的压力控制系统由传力活塞、压力传感器、滚珠丝杠推杆、力矩电机、行星减速器、电机驱动器组成。压力值的测量反馈由压力传感器和压力显示器实现。通过220vac接口5给装置上电，通过开关电源4控制装置的开停。电机默认的工作模式是模拟量控制方式，通过调节压力调节旋钮来调节压力的大小。手动调节时，滚珠丝杠推杆24的运动方向可以由三段式开关来实现正向下行，反向上行和停止三种工作状态。压力传感器7的数值和电机控制器的控制模拟量可以由上位机来采集处理和实时控制，实现在线压力闭环控制。利用上位机的采集和处理功能实现压力数据的实时采集和调整。同时充分利用直流力矩电机的线性输出特性和长期工作不怕堵转烧坏的特性，实现压力的精准控制。首先用行星减速器放大电机的输出扭矩，然后再通过滚珠丝杠将旋转扭矩转变成压力。直流力矩电机的输出扭矩跟电流成正比，是一种线性关系，只要控制住通过电机电枢绕组的电流大小就可以控制电机扭矩输出的大小，也就可以控制压力的大小。只要电机处于连续运转状态下，压力输出大小将严格与电流成正比关系。
养护温度控制系统原理：该系统由温度控制器2、温度传感器6、温控加热器和对流风扇9组成。首先通过温度控制器设置温度控制范围，温度控制器通过温度传感器采集封闭环境内的温度，控制温控加热器和对流风扇工作，将封闭环境的温度控制在试验指定的范围内。温度控制系统必要时也可以与上位机的数据采集和控制系统相连，实现环境温度和料浆温度的实时温差控制。环境温度控制的密闭环境由四块隔热玻璃和上下顶底板组成，四面的隔热玻璃通过快拆螺钉可以实现轻松拆装。
养护湿度控制系统原理：该系统由湿度控制器26、湿度传感器22和湿度器23组成，通过湿度控制器设置湿度控制范围，然后湿度控制器通过湿度传感器采集封闭环境内的湿度，控制湿度器的工作，将封闭环境的湿度控制在试验指定的范围内。
固结排水系统原理：料筒底部设有透水石10，通过透水石底部的阀门18控制是否排水。
数据采集系统原理：膏体充填体内部在装料时植入测量温度、孔隙水压力和电导率等参数的各类传感器，通过筒壁侧面的出线孔与数据采集仪和电脑进行相连，实现充填体内部参数的实时监测。
具体实施例如下：
如图1所示，试验装置包括隔热玻璃容器、充填体内养护筒、充填体外养护筒、湿度控制器、温度控制器、力矩电机、电机控制器、孔隙水压力传感器、温度传感器、湿度传感器、电导率传感器、带刻度渗水收集瓶、数据采集仪和电脑记录仪等。
试验装置为长方体，控制养护环境的温度传感器、压力传感器和湿度传感器分别与温度控制器、压力控制器和湿度控制器相连；充填体内温度传感器、孔隙水压力传感器和电导率传感器分别与数据采集仪和电脑相连，这些传感器所采集到的数据被电脑实时监测并记录保存下来。
在充填体内养护筒底部设有透水石，截面积与充填体试样的截面积相同，下部设有阀门开关，控制充填体料浆是否排水，阀门开关下面放置有带刻度的渗水收集瓶，用于收集从透水石中渗出的水。
将膏体充填体内养护筒拼接好，根据试验要求制备好充填体料浆，在内养护筒底部先放置一块透水石，将膏体充填体浇筑到内养护筒中，当膏体充填体达到一定的浇筑高度时，将温度传感器、孔隙水压力传感器和电导率传感器埋设在膏体充填体中，传感器的导线通过内养护筒上的圆孔连接出去，然后继续浇筑膏体充填体，直至达到试验要求的高度，并将膏体充填体表面刮平，顶部放置一块透水石，再用橡皮绳扣住内养护筒，最后用金属外养护筒包裹住内养护筒。
为了对充填体料浆施加上覆岩层压力，将传力活塞放置在内养护筒的顶部透水石上，通过滚珠丝杠推杆、力矩电机、行星减速器、电机驱动器组合成压力施加系统，模拟不同的上覆岩层压力。压力值的测量反馈由压力传感器和数显表实现，力矩电机将力矩转化为力值，实现上覆岩层压力的施加。
在试验过程中，通过设置温度控制器和湿度控制器，采用温度传感器和湿度传感器进行信息反馈，控制充填体试样的养护温度和养护湿度。充填体的化学特性的改变可通过改变水的用量，水泥的用量和尾砂的种类等实现。因此，可模拟不同的化学因素、压力、养护温度、湿度等对充填体的热-水-力-化多场耦合作用行为的影响。
接通电源，分别设置充填体试样的养护压力、养护温度和养护湿度等，将温度传感器、孔隙水压力传感器和电导率传感器分别接到数据采集仪上，然后数据采集仪接通电脑，实时监测充填体内部温度、孔隙水压力和电导率及渗水量的变化，以分析充填体热-水-力-化多场耦合作用规律。
本发明充填体多场耦合养护试验装置，养护得到的充填体强度等特性与实际情况更为接近，试验数据更加可靠。可对比研究常规室内试验养护条件和较为真实的井下养护条件下的充填体强度特性，对充填体在常规试验养护条件下的强度进行修正，降低水泥用量，为矿山企业节省充填成本。
以上所述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发明的保护范围。