膏體充填材料實(shí)驗(yàn)參考資料.doc

膏體充填材料管道輸送試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模海?）了解充填開采的適用情況及優(yōu)缺點(diǎn)，了解充填開采方式；（2）熟悉膏體充填開采的實(shí)際生產(chǎn)過程；（3）掌握充填材料配比實(shí)驗(yàn)基本過程及各種性能測定方法及注意事項(xiàng)；（4）建立充填開采空間概念。實(shí)驗(yàn)方式：模型參觀演示、模型功能講解及分析實(shí)驗(yàn)設(shè)備：室內(nèi)膏體充填模擬系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)報告要求：結(jié)合實(shí)驗(yàn)?zāi)康模鶕?jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)講解，完成實(shí)驗(yàn)報告。附以下相關(guān)參考資料。室內(nèi)膏體充填模擬系統(tǒng)研制膏體充填模擬系統(tǒng)工作原理根據(jù)膏體充填材料的配比，骨料由料倉自動卸料裝置依次卸入稱量皮帶上，累積稱量，稱量后先啟動傾斜皮帶機(jī)，再啟動水平皮帶機(jī)，將稱量的骨料提升到膏體攪拌桶中。膠結(jié)材料稱重后由螺旋輸送機(jī)送往膠結(jié)材料攪拌桶中，然后將稱量好的水由水泵送入膠結(jié)材料攪拌桶中，對膠結(jié)材料進(jìn)行攪拌。將攪拌好的膠結(jié)材料料漿卸至膏體攪拌機(jī)內(nèi)與骨料混合并進(jìn)行攪拌，攪拌好的膏體經(jīng)卸料口卸至泵車中，完成一個工作循環(huán)，并繼續(xù)進(jìn)行第二個循環(huán)，同時，泵車中的膏體充填材料在泵壓的作用下充入管道，直至膏體充填材料開始在管道中循環(huán)運(yùn)動為止。在膏體循環(huán)運(yùn)動過程中，測量膏體性能參數(shù)。膏體充填模擬系統(tǒng)組成膏體充填自動控制模擬系統(tǒng)是由上位控制計(jì)算機(jī)、信號轉(zhuǎn)換接口以及可編程控制器（PLC）組成。單元之間利用標(biāo)準(zhǔn)RS232串行通訊口進(jìn)行通訊，使之成為一套完整的系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)采用集散方式對膏體充填模擬系統(tǒng)設(shè)備的主要單元進(jìn)行直接控制，上位控制計(jì)算機(jī)還提供生產(chǎn)管理功能和屏幕操作界面，系統(tǒng)組成如圖所示。膏體充填模擬控制系統(tǒng)主要線路膏體制備控制線路（1）骨料控制線路在骨料控制線路中，選用了高精度的稱重傳感器對各種骨料進(jìn)行稱重檢測，信號送入稱重儀表PLY600。稱重儀表把骨料設(shè)定值與骨料重量檢測值進(jìn)行比較，通過電磁閥和氣缸控制料倉門的開關(guān)，從料斗出來的骨料直接進(jìn)入膏體攪拌桶中。骨料控制線路如所示。圖5.1 膏體充填模擬系統(tǒng)組成骨料卸料口氣缸電磁閥稱重儀表Fig.5.1 The composition of paste filling system骨料稱重傳感器圖5.2 骨料控制線路Fig.5.2 The control circuit of aggregate （2）膠結(jié)材料控制線路氣動蝶閥膠結(jié)料攪拌桶螺旋給料機(jī)在膠結(jié)材料控制線路中，骨料稱重傳感器將信號送入稱重儀表PLY600，稱重儀表將檢測到的重量與給定值比較，通過氣動蝶閥來控制膠結(jié)料斗閥門的開與關(guān)。膠結(jié)材料從膠結(jié)料斗出來后，經(jīng)螺旋給料機(jī)進(jìn)入膠結(jié)料攪拌桶，膠結(jié)料攪拌好后經(jīng)氣動蝶閥進(jìn)入膏體攪拌桶中。膠結(jié)材料稱重控制線路如圖5.3所示。膠結(jié)料膠結(jié)料卸料口稱重傳感器氣動蝶閥稱重儀表圖5.3 膠結(jié)材料控制線路Fig.5.3 The control circuit of cementing material（3）水控制線路在這個控制線路中，稱重傳感器把信號送入到稱重儀表PLY600，稱重儀表根據(jù)給定值與檢測到的信號比較，以電磁閥和氣動蝶閥來控制給水管路的開關(guān)，達(dá)到控制水量水箱閥門氣動蝶閥電磁閥稱重儀表的目的，從水箱出來的水直接進(jìn)入膠結(jié)料攪拌桶中。水量的控制線路如圖5.4所示。水稱重傳感器圖5.4 水量控制線路Fig.5.4 The control circuit of water 5.1.3.2膏體性能檢測控制線路（1）壓差檢測線路差壓變送器PLC輸入模塊上位機(jī)在管道阻力的檢測過程中，選用了非接觸式雙膜盒差壓變送器進(jìn)行測量，檢測管道上的壓差信號，壓差信號直接送入PLC進(jìn)行運(yùn)算并傳到上位機(jī)顯示。壓差檢測控制線路如圖5.5所示。圖5.5 壓差控制線路Fig.5.5 The control circuit of differential pressure（2）流量檢測線路沖板式流量計(jì)流量計(jì)算儀PLC模塊上位機(jī)流量檢測選用沖板式固體流量計(jì)，傳感器檢測到流量信號送到流量計(jì)算儀，通過PLC模塊送入上位機(jī)顯示。流量控制線路如圖5.6所示。圖5.6 流量控制線路Fig.5.6 The control circuit of flux（3）密度控制線路核子工業(yè)密度計(jì)集PLC模塊上位機(jī)密度檢測選用工業(yè)核子密度計(jì)，密度計(jì)檢測到的信號直接送入PLC模塊，通過轉(zhuǎn)換送入上位機(jī)顯示。密度控制線路如圖5.7所示。圖5.7 密度控制線路Fig.5.7 The control circuit of density5.1.4控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)由于施工現(xiàn)場環(huán)境噪音較大，為了保證監(jiān)控系統(tǒng)可靠在線工作，系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)采用了抗干擾強(qiáng)且應(yīng)用成熟的集散控制系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)可方便地進(jìn)行人機(jī)對話、參數(shù)調(diào)整以及控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，并可打印出設(shè)備運(yùn)行及報警記錄，控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)模塊見圖5.8。圖5.8系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.5.8 the structure graph of system hardwareCPU模塊為系統(tǒng)中心處理部分，模塊上配有中央處理器（CPU）、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、兩路RS-232串行通訊口。A/D模塊采用12位A/D轉(zhuǎn)換器，具有4路模擬量調(diào)理放大通道和4路模擬表盤驅(qū)動電路，速度高，精度滿足要求。每一路模擬量的零點(diǎn)、靈敏度及總靈敏度均可分別調(diào)節(jié)。I/O模塊具有16路開出驅(qū)動電路，8路開入緩沖電路，開入開出均經(jīng)光電隔離。提供8路開出，8路開入及24電源。開出可驅(qū)動24中間繼電器，開入可外接限位開關(guān)。5.1.5膏體充填模擬系統(tǒng)的主要操作流程（1）進(jìn)入操作系統(tǒng)環(huán)境后用鼠標(biāo)左鍵雙擊“運(yùn)行系統(tǒng)”圖標(biāo)進(jìn)入登錄畫面，如圖5.9所示。（2）登錄后，點(diǎn)擊屏幕下方的畫面切換按鍵，進(jìn)入“配方”界面，如圖5.10所示。在“配方”界面上按照膏體配比依次在各物料的重量顯示處輸入所需要的設(shè)定重量，并單擊“儲存配方”按鈕實(shí)現(xiàn)配方的儲存。（3）配方完成后，進(jìn)入膏體配制操作界面，如圖5.11所示。在此界面可實(shí)現(xiàn)膠結(jié)材料攪拌時間、膏體攪拌時間、以及卸料的自動控制，并可實(shí)現(xiàn)自動和手動控制的相互轉(zhuǎn)化。此外，在此界面還實(shí)現(xiàn)了壓差、密度和流量的自動顯示。（4）試驗(yàn)完成后，將系統(tǒng)關(guān)機(jī)。圖5.9 軟件登錄畫面Fig.5.9 The logon screen of software圖5.10 膏體配方界面Fig.5.10 The recipe interface of paste圖5.11 操作界面Fig.5.11 The operation interface 5.1.6膏體充填模擬系統(tǒng)主要組成部分膏體充填模擬系統(tǒng)主要組成部分包括自動稱重裝置、自動上料機(jī)、攪拌機(jī)、攪拌桶、空氣壓縮機(jī)、混凝土泵、充填管道、管道清洗機(jī)、采場模擬裝置和控制系統(tǒng)等。5.1.7膏體充填模擬系統(tǒng)主要功能及其技術(shù)指標(biāo)（1）主要功能膏體充填材料配比試驗(yàn)；膏體充填材料攪拌試驗(yàn)；膏體充填材料管道輸送試驗(yàn)。（2）技術(shù)指標(biāo)系統(tǒng)能力：50m3/h；攪拌能力：0.8m3/h；泵送最大壓力：12MPa；稱量精度：1.0%；密度測量精度：0.00050.001g/cm3；流量測量精度：0.3%；壓差測量范圍：0-500kPa。5.2膏體充填材料管道輸送試驗(yàn)5.2.1膏體材料的制備在進(jìn)行膏體制備之前首先要計(jì)算混合材料中各部分所需的重量，各部分材料的重量要根據(jù)管道的容積進(jìn)行計(jì)算。試驗(yàn)所用的管道直徑為0.15m，長度為90m。因此，所需膏體材料的容積為m3，考慮到泵送過程中泵車中需保留約0.5m3左右的膏體材料，因此，本次試驗(yàn)準(zhǔn)備2m3的膏體材料。本次試驗(yàn)對象為第四章優(yōu)化配比的p15號膏體材料。根據(jù)膏體材料的容重（經(jīng)測定）1720kgm3以及p15號膏體材料的質(zhì)量比例關(guān)系，可計(jì)算出本次試驗(yàn)所需煤矸石、粉煤灰、膠結(jié)材料和水的質(zhì)量分別為1741.5kg、812.7kg、232.2kg和653.6kg。計(jì)算完各部分所需的重量后，開始制備膏體材料。膏體材料的制備過程如下：將部分破碎的煤矸石和部分粉煤灰經(jīng)行車分別運(yùn)至膏體系統(tǒng)中的料斗1和料斗2，并把拌好后的膠結(jié)材料輸送至其儲料倉中。然后啟動電腦，設(shè)定配方為煤矸石:粉煤灰:膠結(jié)材料:水=600kg:280kg:80kg:224kg，并保存配方。然后進(jìn)入“操作”界面，設(shè)定膠結(jié)料攪拌時間為1min，膏體攪拌時間為2min，啟動自動運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)將按照比例自動稱量煤矸石和粉煤灰，并將稱量后的煤矸石和粉煤灰經(jīng)皮帶直接輸送至攪拌桶中，如圖5.12所示。而膠結(jié)材料自動稱重后經(jīng)螺旋輸送機(jī)進(jìn)入膠結(jié)料攪拌桶中，然后，水經(jīng)稱重后進(jìn)入膠結(jié)料攪拌桶中，并在膠結(jié)材料攪拌桶中進(jìn)行攪拌，攪拌完成后再卸至膏體攪拌桶中，最后所有材料將在膏體攪拌桶中進(jìn)行攪拌，膏體攪拌完成后卸至HBT50C泵車中進(jìn)行管道輸送，如圖5.13所示。在試驗(yàn)過程中，經(jīng)過三次配料，管道中的材料開始循環(huán)運(yùn)動，配料試驗(yàn)完成。 圖5.12 煤矸石經(jīng)皮帶輸送 圖5.13 膏體經(jīng)泵車進(jìn)行管道輸送Fig.5.12 The coal gangue transportation by belt Fig.5.13 The paste pipeline transportation by pump 5.2.2膏體充填材料基本性能管道輸送研究膏體攪拌好后，就要經(jīng)管道充填到工作面。一般情況下，從地面充填站到工作面的距離達(dá)到了2km以上，膏體在管道中的輸送時間達(dá)到了35小時。在如此長的充填距離和輸送時間作用下，膏體的基本性能已經(jīng)發(fā)生了變化，變化過程中的膏體是否能繼續(xù)進(jìn)行泵送我們無法得知，只有通過管道輸送試驗(yàn)才能獲得膏體基本性能的變化規(guī)律。在膏體基本性能管道輸送試驗(yàn)研究過程中，膏體充填材料在管道中進(jìn)行循環(huán)運(yùn)動，以模擬實(shí)際中的距離和輸送時間。我們設(shè)定膏體輸送速度為0.5m/s，輸送時間為4小時，每隔0.5h從泵車中取樣進(jìn)行膏體塌落度和分層度測試，膏體的密度直接從軟件中讀取。（1）膏體在管道中的流動狀態(tài)觀測 （a）距充填泵30m （b）距充填泵60m （c）距充填泵88m （d）出口圖5.14 料漿在管道中的流動狀態(tài)Fig.5.14 The slurry flow state in pipeline圖5.14為料漿在管道中流動狀態(tài)的觀測結(jié)果，由圖可以看出，料漿在管道中基本上是以滿管的、整體平推的方式運(yùn)動，此外，在管道輸送過程中并沒有發(fā)現(xiàn)料漿出現(xiàn)沉淀和離析行為。因此，基本可以斷定料漿是以柱塞結(jié)構(gòu)流（膏體）的方式進(jìn)行管道輸送。（2）膏體基本性能變化規(guī)律在規(guī)定的時間內(nèi)，我們測出了膏體的塌落度和分層度的值，并記錄了膏體的密度變化值，結(jié)果見表5.1、5.2和5.3。表5.1 管輸過程中膏體塌落度變化值Table 5.1 The slump varying value in pipeline transportation管輸時間/h0.51.01.52.02.53.03.54.0塌落度/cm19.719.719.619.519.218.918.618.3表5.2 管輸過程中膏體分層度變化值Table 5.2 The layering varying value in pipeline transportation管輸時間/h0.51.01.52.02.53.03.54.0分層度/cm1.51.51.41.31.21.21.01.0表5.3 管輸過程中膏體密度變化值Table 5.3 The density varying value in pipeline transportation管輸時間/h0.51.01.52.02.53.03.54.0密度/kgm-317251730173817501768178418001819 (a) 塌落度隨泵送時間的變化規(guī)律 (b) 分層度隨泵送時間的變化規(guī)律 (c) 密度隨泵送時間的變化規(guī)律圖5.15 膏體基本性能隨泵送時間的變化規(guī)律Fig.5.15 The changing law of paste basic property with pumping time為了更直觀的研究塌落度、分層度和密度的變化規(guī)律，根據(jù)表5.1、5.2和5.3中的數(shù)據(jù)繪制了膏體基本性能隨泵送時間的變化規(guī)律圖5.15。由表5.1、5.2和5.3以及圖5.15可以分析出：膏體塌落度隨泵送時間的增長而逐漸降低，膏體的塌落度由最初的19.7cm經(jīng)4h管道輸送后變?yōu)?8.3cm，并且表現(xiàn)出初期變化幅度小，后期變化幅度增大的趨勢?？梢钥闯?，雖然膏體的塌落度經(jīng)4h的管道輸送有所降低，但仍能滿足膏體泵送的需求。膏體的分層度隨泵送時間的增長反而出現(xiàn)降低的趨勢，膏體泵送4h其分層度值由最初的1.5cm下降至1.0cm。因此，分層度隨泵送時間的增長并不會對膏體泵送產(chǎn)生不利影響。由圖5.15（c）還可以看出，膏體的密度隨泵送時間的增長逐漸增加，表現(xiàn)出初期變化幅度小，后期變化幅度增大的趨勢。由于密度反映的是膏體材料的質(zhì)量濃度，因此也可以得知，膏體的質(zhì)量濃度隨泵送時間的增長而逐漸增大。由上面的分析得知，膏體在泵送過程中其基本性能發(fā)生了一定的變化，其主要原因是膏體在泵送過程中少量的膠結(jié)材料發(fā)生了水化反應(yīng)，導(dǎo)致膏體中的自由水減少，從而導(dǎo)致了膏體質(zhì)量濃度的增加，以及塌落度和分層度的減小。膏體在管道循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)4h后，取部分膏體放至150150150mm試模中，待其能自立時拆模并將試塊放至標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)至試驗(yàn)齡期取出測定其性能。圖5.16為經(jīng)管道輸送和未經(jīng)管道輸送的充填體強(qiáng)度對比圖，由圖可以看出，經(jīng)管道輸送后的充填體強(qiáng)度比相同齡期的