本发明涉及采空区回填技术领域，特别涉及一种水泥胶结材料的连续充填实验装置及其实验方法。
背景技术：
地下采矿在为社会经济发展提供必要矿物资源的同时，也不可避免地产生了大量的尾矿废弃物和地下采空区，严重威胁着矿井安全生产和自然生态环境(吴爱祥,王勇,王洪江.2016.膏体充填技术现状及趋势.金属矿山(7),1–9)。尾矿的常规地表处置方法常伴随着尾矿坝溃决和酸性废水排放导致的水源污染等风险，而采空区的存在则可能造成井下岩石冒落以及地表塌陷等一系列的工程和环境问题(ghirian,a.,fall,m.2013.coupledthermo–hydro–mechanical–chemicalbehaviourofcementedpastebackfillincolumnexperiments.parti,physical,hydraulicandthermalprocessesandcharacteristics.engineeringgeology164,195–207)。不断提高的环保要求和公众环保意识迫使采矿工业寻求更高效和更具竞争力的尾矿和采空区综合治理方法(kempton,h.,bloomfield,t.a.,hanson,j.l.,etal.2010.policyguidanceforidentifyingandeffectivelymanagingperpetualenvironmentalimpactsfromnewhardrockmines.environmentalscienceandpolicy13(6),558–566)。
尾砂胶结膏体充填技术利用尾矿填充矿柱开采后残留的地下采空区，不仅能够避免尾矿等固体废弃物在地表的大量曝露堆积，还能够改善井下采场围岩稳定性(fall,m.,benzaazoua,m.,saa,e.g.2008.mixproportioningofundergroundcementedtailingsbackfill.tunnellingandundergroundspacetechnology23(1),80–90；吴爱祥,姜关照,王贻明.2018.矿山新型充填胶凝材料概述与发展趋势.金属矿山(3),1–6)。该尾矿-采空区协同处置技术已成为突破现有资源、能源、环境制约瓶颈，实现矿山安全清洁高效开采的重要技术途径之一(fall,m.,célestin,j.c.,pokharel,m.,touré,m.2010.acontributiontounderstandingtheeffectsofcuringtemperatureonthemechanicalpropertiesofminecementedtailingsbackfill.engineeringgeology114,397–413)。
为满足运输效率和强度要求，尾矿在回填至采空区之前需添加足量的水和胶结剂(如水泥等)。在充填体与围岩的热量交换、伴随放热和耗水的水泥水化产物形成、温度变化造成的水分蒸发和热膨胀变形、通过围岩裂隙和采场挡墙的充填体排水、渗流场导致的热对流、以及充填体自身的固结沉降等多物理场过程的共同影响下，充填体的行为特性将产生复杂的时空演化(ghirian,a.,fall,m.2013.coupledthermo–hydro–mechanical–chemicalbehaviourofcementedpastebackfillincolumnexperiments.parti,physical,hydraulicandthermalprocessesandcharacteristics.engineeringgeology164,195–207)。作为维持充填体稳定性的关键结构，挡墙在充填过程中所受的充填体作用力是已有研究中最为关注的问题。根据有效应力原理，在给定的总应力作用下，充填体骨架的有效应力由孔隙水压力决定，因此前人针对充填材料的孔隙水压力演化规律开展了大量的实验研究工作。
现有技术通过在充填装置的不同部位安装传感器，监测充填体水压和温度等的演化规律如：ghirian,a.,fall,m.2013.coupledthermo–hydro–mechanical–chemicalbehaviourofcementedpastebackfillincolumnexperiments.parti,physical,hydraulicandthermalprocessesandcharacteristics.engineeringgeology164,195–207；
belem,t.,aatar,o.e.,andbussière,b.,etal.2016.gravity-driven1-dconsolidationofcementedpastebackfillin3-m-highcolumns.innovativeinfrastructuresolutions.1:37；
cui,l.,fall,m.2016.mechanicalandthermalpropertiesofcementedtailingsmaterialsatearlyages,influenceofinitialtemperature,curingstressanddrainageconditions.constructionandbuildingmaterials125,553–563.等。
现有技术的缺点是：
1.无法研究连续充填过程中的充填体行为特性：已有实验工作均以充填完成后的充填体为研究对象，因此无法描述连续充填过程中的充填体行为特性演化，也无法研究充填速率等对充填体行为特性的影响。
2.无法研究初始温度和边界温度对充填体行为特性的影响：随着采矿活动深度不断增加，地温梯度将使得采场环境温度不断上升，因此温度场对充填体行为特性的影响也将更加凸显。然而上述实验方案(a)在室温下进行，因此无法反映初始温度和边界温度对充填体行为特性的影响；虽然上述实验方案(b)可进行不同初始温度条件下的测试工作，但却不能反映边界温度对充填体行为特性的影响。
技术实现要素：
本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种水泥胶结材料的连续充填实验装置及其实验方法，解决了现有技术中存在的缺陷。
为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：
一种水泥胶结材料的连续充填实验装置，包括：圆筒形的内层pvc管1、圆筒形的外层pvc管2、一个加热台3、一个充填漏斗4、一个激光测距仪5、隔热棉6、水压传感器7和温度传感器8。
所述内层pvc管1直径小于外层pvc管2，内层pvc管1套入外层pvc管2内，内层pvc管1与外层pvc管2同心，内层pvc管1底部设有加热台3，内层pvc管1的外壁与外层pvc管2的内壁之间的空隙通过隔热棉6填充。
内层pvc管1和外层pvc管2的侧壁均开有通孔，通孔所处位置为加热台3面以上pvc管总长的0％、10％、30％、50％、70％、90％六个高度，内层pvc管1和外层pvc管2都开有两列通孔，即内层pvc管1和外层pvc管2各开有12个通孔，内层pvc管1和外层pvc管2组装后每个高度有四个通孔在同一直线。
内层pvc管1和外层pvc管2的同一高度的通孔分别安装一个水压传感器7和一个温度传感器8；
充填漏斗4设置于内层pvc管1的开口正上方。激光测距仪5固定于内层pvc管1的开口边缘用于测量内层pvc管1内填充材料的高度。
本发明还公开了一种充填材料制备系统，包括：水浴装置9和搅拌装置10；
所述水浴装置9上设有若干水浴锅11，水浴锅11用于将尾矿或自来水预热至实验指定温度。
所述搅拌装置10上设有搅拌锅12，搅拌锅12上方设有搅拌器13，搅拌锅12用于将水浴锅中预热后的尾矿、自来水以及新加入的水泥搅拌混合均匀。
基于上述装置的具体实验过程如下：
1.将充填实验装置的加热台3温度设置为tb1。
2.将尾矿和自来水加入温度为t01的水浴锅11中进行预热。
3.根据给定的充填材料配方，将一定量的水泥与预热后的尾矿和自来水加入搅拌锅12中混合均匀形成充填材料。
4.将充填材料通过充填漏斗4匀速沉积至内层pvc管1中，利用水压传感器7和温度传感器8实时监测连续充填过程中充填体的温度和水压演化规律，并通过激光测距仪5实时监测充填材料的高度。
5.每隔一定时间间隔t1重复步骤2、3、4，以保证实现连续不断的充填过程，同时通过监测的充填体高度计算并保持恒定的充填速率m1。
6.获得充填体在底部边界温度为tb1、初始温度为t01、以m1的速率进行连续充填所造成的行为特性演化规律。
7.改变加热台3温度为tb2，改变水浴锅11的温度为t02，改变充填时间间隔为t2、进而改变充填速率为m2，并重复以上步骤2、3、4、5，即可获得充填体在底部边界温度为tb2、初始温度为t02、以m2的速率进行连续充填所造成的行为特性演化规律。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
能够实现监测具有不同初始与边界温度的尾矿胶结充填体在连续充填过程中的水压和温度演化规律，进而实现研究不同充填速率、不同初始与边界温度等因素对充填体行为特性的影响，本技术方案对于优化不同开采环境条件下的尾矿充填设计工艺和技术，进而实现矿山的安全清洁高效开采具有重要的理论和工程意义。
附图说明
图1是本发明实施例水泥胶结材料的连续充填实验装置的结构示意图；
图2是本发明实施例充填材料制备系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下根据附图并列举实施例，对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，一种水泥胶结材料的连续充填实验装置，包括：圆筒形的内层pvc管1、圆筒形的外层pvc管2、一个加热台3、一个充填漏斗4、一个激光测距仪5、隔热棉6、水压传感器7和温度传感器8。
所述内层pvc管1直径小于外层pvc管2，内层pvc管1套入外层pvc管2内，内层pvc管1与外层pvc管2同心，内层pvc管1底部设有加热台3，内层pvc管1的外壁与外层pvc管2的内壁之间的空隙通过隔热棉6填充。
内层pvc管1和外层pvc管2的侧壁均开有通孔，通孔所处位置为加热台3面以上pvc管总长的0％、10％、30％、50％、70％、90％6个高度，内层pvc管1和外层pvc管2都开有两列通孔，即内层pvc管1和外层pvc管2各开有12个通孔，内层pvc管1和外层pvc管2组装后每个高度有4个通孔在同一直线。
内层pvc管1和外层pvc管2的同一高度的通孔分别安装一个水压传感器7和一个温度传感器8；
充填漏斗4设置于内层pvc管1的开口正上方。激光测距仪5固定于内层pvc管1的开口边缘用于测量内层pvc管1内填充材料的高度。
如图2所示，一种充填材料制备系统，包括：水浴装置9和搅拌装置10；
所述水浴装置9上设有若干水浴锅11，水浴锅11用于将尾矿或自来水预热至实验指定温度。
所述搅拌装置10上设有搅拌锅12，搅拌锅12上方设有搅拌器13，搅拌锅12用于将水浴锅中预热后的尾矿、自来水以及新加入的水泥搅拌混合均匀。
基于上述装置的具体实验过程如下：
1.将充填实验装置的加热台3温度设置为tb1。
2.将尾矿和自来水加入温度为t01的水浴锅11中进行预热。
3.根据给定的充填材料配方，将一定量的水泥与预热后的尾矿和自来水加入搅拌锅12中混合均匀形成充填材料。
4.将充填材料通过充填漏斗4匀速沉积至内层pvc管1中，利用水压传感器7和温度传感器8实时监测连续充填过程中充填体的温度和水压演化规律，并通过激光测距仪5实时监测充填材料的高度。
5.每隔一定时间间隔t1重复步骤2、3、4，以保证实现连续不断的充填过程，同时通过监测的充填体高度计算并保持恒定的充填速率m1。
6.获得充填体在底部边界温度为tb1、初始温度为t01、以m1的速率进行连续充填所造成的行为特性演化规律。
7.改变加热台3温度为tb2，改变水浴锅11的温度为t02，改变充填时间间隔为t2、进而改变充填速率为m2，并重复以上步骤2、3、4、5，即可获得充填体在底部边界温度为tb2、初始温度为t02、以m2的速率进行连续充填所造成的行为特性演化规律。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
1.一种水泥胶结材料的连续充填实验装置，包括：圆筒形的内层pvc管(1)、圆筒形的外层pvc管(2)、一个加热台(3)、一个充填漏斗(4)、一个激光测距仪(5)、隔热棉(6)、水压传感器(7)和温度传感器(8)；
所述内层pvc管(1)直径小于外层pvc管(2)，内层pvc管(1)套入外层pvc管(2)内，内层pvc管(1)与外层pvc管(2)同心，内层pvc管(1)底部设有加热台(3)，内层pvc管(1)的外壁与外层pvc管(2)的内壁之间的空隙通过隔热棉(6)填充；
内层pvc管(1)和外层pvc管(2)的侧壁均开有通孔，通孔所处位置为加热台(3)面以上pvc管总长的0％、10％、30％、50％、70％、90％六个高度，内层pvc管(1)和外层pvc管(2)都开有两列通孔，即内层pvc管(1)和外层pvc管(2)各开有(12)个通孔，内层pvc管(1)和外层pvc管(2)组装后每个高度有四个通孔在同一直线；
内层pvc管(1)和外层pvc管(2)的同一高度的通孔分别安装一个水压传感器(7)和一个温度传感器(8)；
充填漏斗(4)设置于内层pvc管(1)的开口正上方；激光测距仪(5)固定于内层pvc管(1)的开口边缘用于测量内层pvc管(1)内填充材料的高度。
2.一种充填材料制备系统，其特征在于，包括：水浴装置(9)和搅拌装置(10)；
所述水浴装置(9)上设有若干水浴锅(11)，水浴锅(11)用于将尾矿或自来水预热至实验指定温度；
所述搅拌装置(10)上设有搅拌锅(12)，搅拌锅(12)上方设有搅拌器(13)，搅拌锅(12)用于将水浴锅中预热后的尾矿、自来水以及新加入的水泥搅拌混合均匀。
3.一种水泥胶结材料的连续充填实验方法，其特征在于：利用水泥胶结材料的连续充填实验装置和充填材料制备系统进行如下实验：
1.将充填实验装置的加热台(3)温度设置为tb1；
2.将尾矿和自来水加入温度为t01的水浴锅(11)中进行预热；
3.根据给定的充填材料配方，将一定量的水泥与预热后的尾矿和自来水加入搅拌锅(12)中混合均匀形成充填材料；
4.将充填材料通过充填漏斗(4)匀速沉积至内层pvc管(1)中，利用水压传感器(7)和温度传感器(8)实时监测连续充填过程中充填体的温度和水压演化规律，并通过激光测距仪(5)实时监测充填材料的高度；
5.每隔一定时间间隔t1重复步骤2、3、4，以保证实现连续不断的充填过程，同时通过监测的充填体高度计算并保持恒定的充填速率m1；
6.获得充填体在底部边界温度为tb1、初始温度为t01、以m1的速率进行连续充填所造成的行为特性演化规律；
7.改变加热台(3)温度为tb2，改变水浴锅(11)的温度为t02，改变充填时间间隔为t2、进而改变充填速率为m2，并重复以上步骤2、3、4、5，即可获得充填体在底部边界温度为tb2、初始温度为t02、以m2的速率进行连续充填所造成的行为特性演化规律。
技术总结