一种采场尾砂充填料浆自重固结过程模拟实验系统及方法与流程

1.本技术涉及矿业工程技术领域，具体而言，涉及一种采场尾砂充填料浆自重固结过程模拟实验系统及方法。


背景技术：

2.地下金属非金属矿山中，尾砂充填工艺以水为载体，将尾砂料浆通过管道输送至井下采场空区，可减少尾砂的地表堆存，同时填满采矿后产生的井下空区，能有效改善矿岩的地压状态。尾砂料浆充入井下采场空区之后，在重力作用下发生渗流排水和固结硬化过程，逐渐排出料浆中多余的孔隙水，形成具有一定承载能力的固结体，从而发挥地压控制作用。矿山以往使用尾砂充填时，通常是预先分级去除尾砂中的细颗粒部分，使用颗粒相对较粗的分级尾砂制备充填料浆，该类尾砂料浆的渗透排水性能好，可在井下采场空区内快速完成排水和固结过程，而分级去除的细颗粒部分仍然是排放到地表尾矿库堆存。近年来，由于选矿工艺不断发展，磨矿并选矿后尾砂的细颗粒占比不断提高，实际粗颗粒含量占比降低，且矿山尾矿库的库容能力有限，迫使矿山逐渐使用不分级去除较细颗粒的全尾砂制备充填料浆。然而，全尾砂的粒径小、细粒含量高、渗透性差，导致全尾砂充填料浆的固结过程持续时间长，该料浆对采场空区的充填挡墙等构筑物产生持续的巨大侧向压力，影响采场充填过程的安全管理。如果对尾砂料浆的渗流固结性质认识不足，无法有效评估采场尾砂料浆固结过程中的应力状态，将极易引起挡墙垮塌、尾砂料浆淹没巷道等重大安全事故。因此，研究确定矿山尾砂料浆的固结性质对优化制定合理的充填方案十分重要。
3.研究井下采场内尾砂充填料浆固结过程，比较直接的方法是在采场空区内安装传感器进行现场原位监测。在实施过程中，是在待充填的采场采空区预先构筑钢结构支架，其高度与采场高度相近，沿高度方向在支架上间隔安装孔隙水压力传感器、总应力传感器等。布置完成后，将各传感器与采场空区外的数据采集仪相连。最后在尾砂料浆充填采场空区的过程中，数据采集仪记录料浆内孔隙水压力、总应力等固结参数变化过程。
4.井下采场空区内安装监测仪器的安全风险高，为了将传感器布置在采场空区的不同高度，人员设备可能暴露在空区内施工作业，被掉落碎石砸伤的安全风险高。针对某个矿山的某个采场空区原位监测后，采场已被完全充填，无法进行重复试验。矿山采场原位监测专用的孔隙水压力传感器、总应力传感器、现场安装的仪器设备所需消耗人力和物力成本高，且为了完成试验采场的原位监测，周边采场的正常采矿生产作业活动会被暂停，影响矿山正常生产。


技术实现要素：

5.本技术的目的在于提供一种采场尾砂充填料浆自重固结过程模拟实验系统及方法，能够在不影响正常采矿作业的情况下安全的进行不同边界排水条件的固结模拟实验，并实现实验的可重复性。
6.本技术的实施例是这样实现的：
本技术实施例的一方面，提供一种采场尾砂充填料浆自重固结过程模拟实验系统，包括固结柱组件，以及与所述固结柱组件连接的数据采集组件，所述固结柱组件包括底板、设置在所述底板上的挡壁，以及与所述挡壁可拆卸连接的盖板，所述底板、所述挡壁和所述盖板形成一端开口的容置空腔，在所述盖板以及所述挡壁之间设置有密封层和/或透水层；所述数据采集组件包括沿所述挡壁的长度方向分别间隔设置的多个第一孔隙水压力传感器和多个第一总应力传感器，以及在所述底板上分别设置的至少一个第二孔隙水压力传感器和至少一个第二总应力传感器；所述第一孔隙水压力传感器、所述第一总应力传感器、所述第二孔隙水压力传感器和所述第二总应力传感器分别与数据采集仪连接。
7.可选地，还包括与所述固结柱组件连接的集水组件，所述集水组件包括与所述固结柱组件连接的集水槽，以及与所述集水槽连接的集水桶，所述集水槽位于所述挡壁和所述盖板连接处的底端。
8.可选地，所述第一孔隙水压力传感器和所述第一总应力传感器的感应面分别与所述挡壁的内壁面平齐，所述第二孔隙水压力传感器和所述第二总应力传感器的感应面分别与所述底板的内表面平齐。
9.可选地，当同时设置所述密封层和所述透水层时，所述密封层位于所述透水层的物理高度之上，且所述透水层占所述盖板长度的1/10至1/5，所述密封层占所述盖板长度的9/10至4/5。
10.可选地，所述盖板的相对两侧分别设置有u型卡条，以使所述密封层和/或透水层与所述盖板连接。
11.可选地，所述挡壁上形成有连接部，所述盖板与所述连接部相对应，以使所述盖板通过紧固件与所述连接部连接；所述盖板上设置有沿盖板长度方向延伸的刻度尺。
12.可选地，还包括与所述集水桶配合的称重组件，所述称重组件用于称量所述集水桶内排出水的质量。
13.可选地，还包括与所述固结柱组件配合的支撑座，所述支撑座上设置有支撑柱，所述支撑柱上设置有滚轮。
14.本技术实施例的另一方面，提供一种采场尾砂充填料浆自重固结过程模拟实验方法，采用如上所述任意一项所述的采场尾砂充填料浆自重固结过程模拟实验系统，所述方法包括：分别将第一孔隙水压力传感器、第一总应力传感器、第二孔隙水压力传感器和第二总应力传感器设置于固结柱组件的对应位置，并与数据采集仪连接；根据模拟采场尾砂充填料浆的浓度和灰砂比，定量制备所需料浆；将密封层设置于盖板，并将所述盖板与挡壁连接，或，将透水层设置于盖板，并将所述盖板与挡壁连接，或，将密封层和透水层设置于盖板，并将所述盖板与挡壁连接；将所述料浆沿挡壁的内壁分单次或间隔预设时间后分多次倒入容置空腔；通过数据采集仪采集所述第一孔隙水压力传感器、所述第一总应力传感器、所述第二孔隙水压力传感器和所述第二总应力传感器的数据，并记录所述料浆顶部下沉量。
15.可选地，所述采场尾砂充填料浆自重固结过程模拟实验系统包括与所述固结柱组件连接的集水组件，以及与所述集水组件的集水桶配合的称重组件时，所述方法还包括：通过所述集水桶收集排出水，并通过所述称重组件记录所述排出水的质量。
16.可选地，所述将所述密封层和所述透水层设置于所述盖板，并将所述盖板与所述挡壁连接包括：将所述密封层位于所述透水层的物理高度之上，且所述透水层占所述盖板长度的1/10至1/5，所述密封层占所述盖板长度的9/10至4/5。
17.本技术实施例的有益效果包括：本技术实施例提供的采场尾砂充填料浆自重固结过程模拟实验系统及方法，通过固结柱组件和数据采集组件的结合，使得料浆在固结柱组件内自重固结过程中受数据采集组件的检测，以通过数据采集仪分别采集第一孔隙水压力传感器、第一总应力传感器、第二孔隙水压力传感器和第二总应力传感器检测到的数据，并记录料浆的下沉量。在实际的实验过程中，可以选择在盖板以及挡壁之间只设置密封层，或只设置透水层，也可以同时设置密封层和透水层，从而模拟测试不同边界排水条件下料浆的孔隙水压力、总应力和下沉量等数据，定量地测试获取料浆关键固结参数随时间演化过程，可用于模拟评估采场空区内尾砂料浆的固结参数发展状态，进而为合理制定安全高效的采场空区内连续充填方案提供依据。与采场空区内安装传感器进行现场原位监测相比，能够在不影响正常采矿作业的情况下安全的进行不同边界排水条件的固结模拟实验，并实现实验的可重复性。
附图说明
18.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
19.图1为本技术实施例提供的采场尾砂充填料浆自重固结过程模拟实验系统的结构示意图之一；图2为本技术实施例提供的采场尾砂充填料浆自重固结过程模拟实验系统的结构示意图之二；图3为本技术实施例提供的密封层和透水层分布的结构示意图；图4为图1中a处的局部放大图；图5为图1中b处的局部放大图；图6为本技术实施例提供的采场尾砂充填料浆自重固结过程模拟实验方法流程图。
20.图标：100-采场尾砂充填料浆自重固结过程模拟实验系统；110-固结柱组件；112-底板；114-挡壁；1142-连接部；116-盖板；1162-刻度尺；1164-密封层；1166-透水层；120-数据采集组件；122-第一孔隙水压力传感器；124-第一总应力传感器；125-第二孔隙水压力传感器；126-第二总应力传感器；128-数据采集仪；129-计算机；130-集水组件；132-集水槽；134-集水桶；140-u型卡条；150-支撑座；152-支撑柱。
具体实施方式
21.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是
本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
22.因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
23.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
24.在本技术的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
25.在本技术的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
26.请参照图1、图2和图3，本实施例提供一种采场尾砂充填料浆自重固结过程模拟实验系统100，包括固结柱组件110，以及与固结柱组件110连接的数据采集组件120，固结柱组件110包括底板112、设置在底板112上的挡壁114，以及与挡壁114可拆卸连接的盖板116，底板112、挡壁114和盖板116形成一端开口的容置空腔，盖板116以及挡壁114之间设置有密封层1164和/或透水层1166；数据采集组件120包括沿挡壁114的长度方向分别间隔设置的多个第一孔隙水压力传感器122和多个第一总应力传感器124，以及在底板112上分别设置的至少一个第二孔隙水压力传感器125和至少一个第二总应力传感器126；第一孔隙水压力传感器122、第一总应力传感器124、第二孔隙水压力传感器125和第二总应力传感器126分别与数据采集仪128连接。
27.具体的，通过将底板112、挡壁114和盖板116形成一端开口的容置空腔，以便于将料浆从开口处倒入容置空腔内。其中，挡壁114可以采用304不锈钢一体冲压成型，再将挡壁114与底板112之间焊接即可，也可以将挡壁114设置为由多个板材连接的形式，只要能够保证挡壁114与底板112之间稳定的连接即可。另外，通过将盖板116与挡壁114之间可拆卸连接，在模拟实验完成之后，方便把固结之后的料浆从固结柱组件110内清理出去，便于下次实验进行循环使用。可以理解的，盖板116可以采用亚克力板、钢化玻璃板、或硬质塑料板，在保证连接强度的同时，具有一定的透明度，便于在实验中进行观察。需要说明的是，挡壁114和盖板116的表面需要平整光滑，可减少尾砂料浆与固结柱组件110内壁的摩擦作用对自重固结过程的影响。其次，两种材料的刚度为50gpa-70gpa，能有效减少在料浆水平压力作用下的变形，使固结柱组件110内尾砂料浆近似处于静止土压力状态。另外，尾砂中可能含有硫化物或残留的选矿药剂，采用具有耐腐蚀性的不锈钢板和亚克力材料，可进行长期监测研究，并能提高试验装置的循环使用寿命。
28.通过在挡壁114的长度方向分别间隔设置多个第一孔隙水压力传感器122和多个第一总应力传感器124，以便于测量固结柱组件110内料浆不同高度处的孔隙水压力和水平总应力。需要说明的是，第一孔隙水压力传感器122和第一总应力传感器124可以设置在挡壁114的相对两侧，也可以设置在同一侧。即在挡壁114的一侧设置第一孔隙水压力传感器122，在挡壁114的另一侧设置第一总应力传感器124，也可以在挡壁114的一侧同时设置第一孔隙水压力传感器122和第一总应力传感器124。另外，第一孔隙水压力传感器122和第一总应力传感器124的安装个数可设置为5-10个，可以根据实际需要灵活设置。
29.可以理解的，为了便于对检测结果进行测量记录，每组的第一孔隙水压力传感器122和第一总应力传感器124需要尽量确保在同一高度处，这样在后期数据计算时，可以直接得到同一高度处的孔隙水压力和水平总应力，以便于将每组的数据进行对比论证。
30.同时，通过在底座上分别设置至少一个第二孔隙水压力传感器125和至少一个第二总应力传感器126，以便于检测底板112处料浆的孔隙水压力和竖直总应力，从而实现对料浆自重固结过程的全方位监测。通过在盖板116上设置的沿盖板116长度方向延伸的刻度尺1162，便于观察料浆自重固结过程中料浆在固结柱组件110内的高度变化情况。
31.在实际的实验过程中，可以选择在盖板116以及挡壁114之间只设置密封层1164，或只设置透水层1166，也可以同时设置密封层1164和透水层1166，这样一来，可以模拟采场尾砂充填料浆排水边界的不同渗透性情况，例如图3如所示的靠上部设置密封层1164且在靠下部设置1166透水层，以模拟阶段或分段采场靠上部的周边矿岩或充填体致密不透水、而采场底部的充填挡墙可透水的排水边界情况。通过设置密封层1164、或透水层1166、或二者不同高度的组合，能够使固结柱模拟实验数据和实际采场充填料浆的脱水固结环境更加贴合。
32.本技术实施例提供的采场尾砂充填料浆自重固结过程模拟实验系统100，通过固结柱组件110和数据采集组件120的结合，使得料浆在固结柱组件110内自重固结过程中受数据采集组件120的检测，以通过数据采集仪128分别采集第一孔隙水压力传感器122、第一总应力传感器124、第二孔隙水压力传感器125和第二总应力传感器126检测到的数据，并记录料浆的下沉量。在实际的实验过程中，可以选择在盖板116以及挡壁114之间只设置密封层1164，或只设置透水层1166，也可以同时设置密封层1164和透水层1166，从而模拟测试不同边界排水条件下料浆的孔隙水压力、总应力和下沉量等数据，定量地测试获取料浆关键固结参数随时间演化过程，可用于模拟评估采场空区内尾砂料浆的固结参数发展状态，进而为合理制定安全高效的采场空区内连续充填方案提供依据。与采场空区内安装传感器进行现场原位监测相比，能够在不影响正常采矿作业的情况下安全的进行不同边界排水条件的固结模拟实验，并实现实验的可重复性。
33.如图1所示，采场尾砂充填料浆自重固结过程模拟实验系统100还包括与固结柱组件110连接的集水组件130，集水组件130包括与固结柱组件110连接的集水槽132，以及与集水槽132连接的集水桶134，集水槽132位于挡壁114和盖板116连接处的底端。
34.具体的，通过将集水槽132与固结柱组件110连接，以便于将料浆排渗的水集中在集水槽132处，并通过与集水槽132连接的集水桶134，将排渗的水引流并收集，以便于确定固结过程中的排渗水情况。可以理解的，集水槽132位于挡壁114和盖板116连接处的底端，以便于更好的收集排渗的水，同时，集水槽132与集水桶134之间可通过排水软管连接，便于
灵活设置集水桶134的位置。另外，集水桶134的顶部可低于底板112设置，以便于更好的汇集排渗的水。集水桶134上还可以设置刻度，以便于直观的记录排渗水的量。
35.在本技术的可选实施例中，第一孔隙水压力传感器122和第一总应力传感器124的感应面分别与挡壁114的内壁面平齐，第二孔隙水压力传感器125和第二总应力传感器126的感应面分别与底板112的内表面平齐。
36.具体的，通过将第一孔隙水压力传感器122和第一总应力传感器124的感应面分别与挡壁114的内壁面平齐，避免料浆自重固结过程分对料浆产生阻力，同时，实验完成后，清理固结柱组件110内的料浆时，避免第一孔隙水压力传感器122和第一总应力传感器124伸入至挡壁114内对清理造成影响，以保证清理的顺利进行。同样的，第二孔隙水压力传感器125和第二总应力传感器126的感应面分别与底板112的内表面平齐，在获取所需数据的同时保证清理的顺利进行，以保证数据采集组件120的循环使用时的稳定性。
37.如图3和图5所示，当同时设置密封层1164和透水层1166时，密封层1164位于透水层1166的物理高度之上，且透水层1166占盖板116长度的1/10至1/5，密封层1164占盖板116长度的9/10至4/5。
38.具体的，密封层1164可以设置具有一定柔韧性的不透水材料，如橡胶垫，透水层1166可以采用多孔材料，如土工布。挡壁114上形成有连接部1142，盖板116与连接部1142相对应，以使盖板116通过紧固件与连接部1142连接。盖板116上可以预留设置密封层1164和透水层1166的空间，在设置密封层1164和透水层1166之后，与挡壁114的连接部1142抵接并紧固即可。在盖板116与连接部1142之间通过紧固件（螺栓）紧固时，可以调节螺栓的旋紧力以调节不同高度上的排渗水能力。
39.如图4所示，盖板116的相对两侧分别设置有u型卡条140，以使密封层1164和/或透水层1166与盖板116连接；盖板116上设置有沿盖板116长度方向延伸的刻度尺1162。
40.采用上述方式，在实施过程中，可以将密封层1164和/或透水层1166与盖板116贴合，并通过u型卡条140进行固定，有利于简化设置形式，方便盖板116与挡壁114之间连接。另外，通过在盖板116上设置有沿盖板116长度方向延伸的刻度尺1162，在记录料浆的下沉量时，可以直接通过刻度尺1162进行读数，无需额外采用其他长度测量装置进行测量。
41.在本技术的可选实施例中，采场尾砂充填料浆自重固结过程模拟实验系统100还包括与集水桶134配合的称重组件，称重组件用于称量集水桶134内排出水的质量。
42.在本技术的可选实施例中，采场尾砂充填料浆自重固结过程模拟实验系统100还包括与固结柱组件110配合的支撑座150，支撑座150上设置有支撑柱152，支撑柱152上设置有滚轮。这样一来，便于对固结柱组件110起到稳定的支撑，并且方便整体的移动。
43.如图6所示，本技术实施例还提供一种采场尾砂充填料浆自重固结过程模拟实验方法，采用前述实施例中的采场尾砂充填料浆自重固结过程模拟实验系统100，该方法包括：s100、分别将第一孔隙水压力传感器122、第一总应力传感器124、第二孔隙水压力传感器125和第二总应力传感器126设置于固结柱组件110的对应位置，并与数据采集仪128连接。
44.s200、根据模拟采场尾砂充填料浆的浓度和灰砂比，定量制备所需料浆。
45.s400、将密封层1164设置于盖板116，并将盖板116与挡壁114连接，或，将透水层
1166设置于盖板116，并将盖板116与挡壁114连接，或，将密封层1164和透水层1166设置于盖板116，并将盖板116与挡壁114连接。
46.s400、将料浆沿挡壁114的内壁分单次或间隔预设时间后分多次倒入容置空腔。
47.s500、通过数据采集仪128采集第一孔隙水压力传感器122、第一总应力传感器124、第二孔隙水压力传感器125和第二总应力传感器126的数据，并记录料浆顶部下沉量。
48.具体的，第一孔隙水压力传感器122和第一总应力传感器124在固结柱组件110上沿竖直方向设置，第二孔隙水压力传感器125和第二总应力传感器126在固结柱组件110的底部设置，以便于分别检测固结柱组件110内尾砂料浆不同高度的孔隙水压力和水平总应力，以及固结柱组件110底板112处料浆的孔隙水压力和竖直总应力。将第一孔隙水压力传感器122、第一总应力传感器124、第二孔隙水压力传感器125和第二总应力传感器126分别与数据采集仪128连接之后，能够通过数据采集仪128采集不同时刻的检测值并存储，便于后期进行数据处理。可以理解的，数据采集仪128也可以连接有计算机129，以便于通过计算机129显示实时的检测数据，并通过计算机129进行处理。
49.另外，在进行实验时，可以根据实际的施工工况，分单次或间隔预设时间后分多次倒入容置空腔内，以模拟实际的料浆充填流程。其中，将密封层1164设置于盖板116，并将盖板116与挡壁114连接，或，将透水层1166设置于盖板116，并将盖板116与挡壁114连接，或，将密封层1164和透水层1166设置于盖板116，并将盖板116与挡壁114连接，能够模拟的不同类型采场边壁排水性质、采场底部挡墙透水能力的实际条件，以使实验过程和实际的工况更加贴合，保证实验的可靠性。
50.在本技术的可选实施例中，采场尾砂充填料浆自重固结过程模拟实验系统100包括与固结柱组件110连接的集水组件130，以及与集水组件130的集水桶134配合的称重组件时，该方法还包括：通过集水桶134收集排出水，并通过称重组件记录排出水的质量。
51.这样一来，就可以更好的记录料浆自重固结过程中的变化情况，包括排出水的质量，以便于全方位的进行监测，为矿山制定安全高效的充填方案提供支持。
52.在本技术的可选实施例中，上述将密封层1164和透水层1166设置于盖板116，并将盖板116与挡壁114连接包括：将密封层1164位于透水层1166的物理高度之上，且透水层1166占盖板116长度的1/10至1/5，密封层1164占盖板116长度的9/10至4/5。
53.具体的，在将密封层1164和/或透水层1166设置在挡壁114和盖板116之间时，可以通过设置该嵌入材料（密封层1164和/或透水层1166）的透水性、不透水性、压密性的材料类型选取以及不同材料长度的组合，实现模拟不同的采场侧向排水条件，进而模拟料浆的排水固结过程，以更真实的模拟的不同类型采场边壁排水性质、采场底部挡墙透水能力的实际条件，以使实验过程和实际的工况更加贴合，保证实验的可靠性。
54.本技术实施例提供的采场尾砂充填料浆自重固结过程模拟实验方法，具有可重复利用性好、数据可靠性强、测试灵活度高的优点，试验系统操作简单、成本低、试验过程无安全风险。试验时可调整排水边界模块的排渗水能力，具备模拟不同采场排水条件下尾砂充填料浆自重固结过程的功能。试验时尾砂料浆所处的三维应力环境与实际采场相符度更高，且受传感器的扰动小，能准确监测尾砂充填料浆自重固结过程中孔隙水压力、总应力、
料浆排出水量和下沉量随时间的演化过程，能为矿山制定安全高效的充填方案提供支持。
55.以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。