膏体充填材料实验参考资料.doc

精选膏体充填材料管道输送试验实验目的：（1）了解充填开采的适用情况及优缺点，了解充填开采方式；（2）熟悉膏体充填开采的实际生产过程；（3）掌握充填材料配比实验基本过程及各种性能测定方法及注意事项；（4）建立充填开采空间概念。实验方式：模型参观演示、模型功能讲解及分析实验设备：室内膏体充填模拟系统实验报告要求：结合实验目的，根据实际实验讲解，完成实验报告。附以下相关参考资料。室内膏体充填模拟系统研制膏体充填模拟系统工作原理根据膏体充填材料的配比，骨料由料仓自动卸料装置依次卸入称量皮带上，累积称量，称量后先启动倾斜皮带机，再启动水平皮带机，将称量的骨料提升到膏体搅拌桶中。胶结材料称重后由螺旋输送机送往胶结材料搅拌桶中，然后将称量好的水由水泵送入胶结材料搅拌桶中，对胶结材料进行搅拌。将搅拌好的胶结材料料浆卸至膏体搅拌机内与骨料混合并进行搅拌，搅拌好的膏体经卸料口卸至泵车中，完成一个工作循环，并继续进行第二个循环，同时，泵车中的膏体充填材料在泵压的作用下充入管道，直至膏体充填材料开始在管道中循环运动为止。在膏体循环运动过程中，测量膏体性能参数。膏体充填模拟系统组成膏体充填自动控制模拟系统是由上位控制计算机、信号转换接口以及可编程控制器（PLC）组成。单元之间利用标准RS232串行通讯口进行通讯，使之成为一套完整的系统。控制系统采用集散方式对膏体充填模拟系统设备的主要单元进行直接控制，上位控制计算机还提供生产管理功能和屏幕操作界面，系统组成如图所示。膏体充填模拟控制系统主要线路膏体制备控制线路（1）骨料控制线路在骨料控制线路中，选用了高精度的称重传感器对各种骨料进行称重检测，信号送入称重仪表PLY600。称重仪表把骨料设定值与骨料重量检测值进行比较，通过电磁阀和气缸控制料仓门的开关，从料斗出来的骨料直接进入膏体搅拌桶中。骨料控制线路如所示。图5.1 膏体充填模拟系统组成骨料卸料口气缸电磁阀称重仪表Fig.5.1 The composition of paste filling system骨料称重传感器图5.2 骨料控制线路Fig.5.2 The control circuit of aggregate （2）胶结材料控制线路气动蝶阀胶结料搅拌桶螺旋给料机在胶结材料控制线路中，骨料称重传感器将信号送入称重仪表PLY600，称重仪表将检测到的重量与给定值比较，通过气动蝶阀来控制胶结料斗阀门的开与关。胶结材料从胶结料斗出来后，经螺旋给料机进入胶结料搅拌桶，胶结料搅拌好后经气动蝶阀进入膏体搅拌桶中。胶结材料称重控制线路如图5.3所示。胶结料胶结料卸料口称重传感器气动蝶阀称重仪表图5.3 胶结材料控制线路Fig.5.3 The control circuit of cementing material（3）水控制线路在这个控制线路中，称重传感器把信号送入到称重仪表PLY600，称重仪表根据给定值与检测到的信号比较，以电磁阀和气动蝶阀来控制给水管路的开关，达到控制水量水箱阀门气动蝶阀电磁阀称重仪表的目的，从水箱出来的水直接进入胶结料搅拌桶中。水量的控制线路如图5.4所示。水称重传感器图5.4 水量控制线路Fig.5.4 The control circuit of water 5.1.3.2膏体性能检测控制线路（1）压差检测线路差压变送器PLC输入模块上位机在管道阻力的检测过程中，选用了非接触式双膜盒差压变送器进行测量，检测管道上的压差信号，压差信号直接送入PLC进行运算并传到上位机显示。压差检测控制线路如图5.5所示。图5.5 压差控制线路Fig.5.5 The control circuit of differential pressure（2）流量检测线路冲板式流量计流量计算仪PLC模块上位机流量检测选用冲板式固体流量计，传感器检测到流量信号送到流量计算仪，通过PLC模块送入上位机显示。流量控制线路如图5.6所示。图5.6 流量控制线路Fig.5.6 The control circuit of flux（3）密度控制线路核子工业密度计集PLC模块上位机密度检测选用工业核子密度计，密度计检测到的信号直接送入PLC模块，通过转换送入上位机显示。密度控制线路如图5.7所示。图5.7 密度控制线路Fig.5.7 The control circuit of density5.1.4控制系统硬件结构由于施工现场环境噪音较大，为了保证监控系统可靠在线工作，系统硬件设计采用了抗干扰强且应用成熟的集散控制系统。监控系统可方便地进行人机对话、参数调整以及控制系统的运行状态，并可打印出设备运行及报警记录，控制系统硬件结构模块见图5.8。图5.8系统硬件结构图Fig.5.8 the structure graph of system hardwareCPU模块为系统中心处理部分，模块上配有中央处理器（CPU）、程序存储器、数据存储器、两路RS-232串行通讯口。A/D模块采用12位A/D转换器，具有4路模拟量调理放大通道和4路模拟表盘驱动电路，速度高，精度满足要求。每一路模拟量的零点、灵敏度及总灵敏度均可分别调节。I/O模块具有16路开出驱动电路，8路开入缓冲电路，开入开出均经光电隔离。提供8路开出，8路开入及24电源。开出可驱动24中间继电器，开入可外接限位开关。5.1.5膏体充填模拟系统的主要操作流程（1）进入操作系统环境后用鼠标左键双击“运行系统”图标进入登录画面，如图5.9所示。（2）登录后，点击屏幕下方的画面切换按键，进入“配方”界面，如图5.10所示。在“配方”界面上按照膏体配比依次在各物料的重量显示处输入所需要的设定重量，并单击“储存配方”按钮实现配方的储存。（3）配方完成后，进入膏体配制操作界面，如图5.11所示。在此界面可实现胶结材料搅拌时间、膏体搅拌时间、以及卸料的自动控制，并可实现自动和手动控制的相互转化。此外，在此界面还实现了压差、密度和流量的自动显示。（4）试验完成后，将系统关机。图5.9 软件登录画面Fig.5.9 The logon screen of software图5.10 膏体配方界面Fig.5.10 The recipe interface of paste图5.11 操作界面Fig.5.11 The operation interface 5.1.6膏体充填模拟系统主要组成部分膏体充填模拟系统主要组成部分包括自动称重装置、自动上料机、搅拌机、搅拌桶、空气压缩机、混凝土泵、充填管道、管道清洗机、采场模拟装置和控制系统等。5.1.7膏体充填模拟系统主要功能及其技术指标（1）主要功能膏体充填材料配比试验；膏体充填材料搅拌试验；膏体充填材料管道输送试验。（2）技术指标系统能力：50m3/h；搅拌能力：0.8m3/h；泵送最大压力：12MPa；称量精度：1.0%；密度测量精度：0.00050.001g/cm3；流量测量精度：0.3%；压差测量范围：0-500kPa。5.2膏体充填材料管道输送试验5.2.1膏体材料的制备在进行膏体制备之前首先要计算混合材料中各部分所需的重量，各部分材料的重量要根据管道的容积进行计算。试验所用的管道直径为0.15m，长度为90m。因此，所需膏体材料的容积为m3，考虑到泵送过程中泵车中需保留约0.5m3左右的膏体材料，因此，本次试验准备2m3的膏体材料。本次试验对象为第四章优化配比的p15号膏体材料。根据膏体材料的容重（经测定）1720kgm3以及p15号膏体材料的质量比例关系，可计算出本次试验所需煤矸石、粉煤灰、胶结材料和水的质量分别为1741.5kg、812.7kg、232.2kg和653.6kg。计算完各部分所需的重量后，开始制备膏体材料。膏体材料的制备过程如下：将部分破碎的煤矸石和部分粉煤灰经行车分别运至膏体系统中的料斗1和料斗2，并把拌好后的胶结材料输送至其储料仓中。然后启动电脑，设定配方为煤矸石:粉煤灰:胶结材料:水=600kg:280kg:80kg:224kg，并保存配方。然后进入“操作”界面，设定胶结料搅拌时间为1min，膏体搅拌时间为2min，启动自动运行状态。系统将按照比例自动称量煤矸石和粉煤灰，并将称量后的煤矸石和粉煤灰经皮带直接输送至搅拌桶中，如图5.12所示。而胶结材料自动称重后经螺旋输送机进入胶结料搅拌桶中，然后，水经称重后进入胶结料搅拌桶中，并在胶结材料搅拌桶中进行搅拌，搅拌完成后再卸至膏体搅拌桶中，最后所有材料将在膏体搅拌桶中进行搅拌，膏体搅拌完成后卸至HBT50C泵车中进行管道输送，如图5.13所示。在试验过程中，经过三次配料，管道中的材料开始循环运动，配料试验完成。 图5.12 煤矸石经皮带输送 图5.13 膏体经泵车进行管道输送Fig.5.12 The coal gangue transportation by belt Fig.5.13 The paste pipeline transportation by pump 5.2.2膏体充填材料基本性能管道输送研究膏体搅拌好后，就要经管道充填到工作面。一般情况下，从地面充填站到工作面的距离达到了2km以上，膏体在管道中的输送时间达到了35小时。在如此长的充填距离和输送时间作用下，膏体的基本性能已经发生了变化，变化过程中的膏体是否能继续进行泵送我们无法得知，只有通过管道输送试验才能获得膏体基本性能的变化规律。在膏体基本性能管道输送试验研究过程中，膏体充填材料在管道中进行循环运动，以模拟实际中的距离和输送时间。我们设定膏体输送速度为0.5m/s，输送时间为4小时，每隔0.5h从泵车中取样进行膏体塌落度和分层度测试，膏体的密度直接从软件中读取。（1）膏体在管道中的流动状态观测 （a）距充填泵30m （b）距充填泵60m （c）距充填泵88m （d）出口图5.14 料浆在管道中的流动状态Fig.5.14 The slurry flow state in pipeline图5.14为料浆在管道中流动状态的观测结果，由图可以看出，料浆在管道中基本上是以满管的、整体平推的方式运动，此外，在管道输送过程中并没有发现料浆出现沉淀和离析行为。因此，基本可以断定料浆是以柱塞结构流（膏体）的方式进行管道输送。（2）膏体基本性能变化规律在规定的时间内，我们测出了膏体的塌落度和分层度的值，并记录了膏体的密度变化值，结果见表5.1、5.2和5.3。表5.1 管输过程中膏体塌落度变化值Table 5.1 The slump varying value in pipeline transportation管输时间/h0.51.01.52.02.53.03.54.0塌落度/cm19.719.719.619.519.218.918.618.3表5.2 管输过程中膏体分层度变化值Table 5.2 The layering varying value in pipeline transportation管输时间/h0.51.01.52.02.53.03.54.0分层度/cm1.51.51.41.31.21.21.01.0表5.3 管输过程中膏体密度变化值Table 5.3 The density varying value in pipeline transportation管输时间/h0.51.01.52.02.53.03.54.0密度/kgm-317251730173817501768178418001819 (a) 塌落度随泵送时间的变化规律 (b) 分层度随泵送时间的变化规律 (c) 密度随泵送时间的变化规律图5.15 膏体基本性能随泵送时间的变化规律Fig.5.15 The changing law of paste basic property with pumping time为了更直观的研究塌落度、分层度和密度的变化规律，根据表5.1、5.2和5.3中的数据绘制了膏体基本性能随泵送时间的变化规律图5.15。由表5.1、5.2和5.3以及图5.15可以分析出：膏体塌落度随泵送时间的增长而逐渐降低，膏体的塌落度由最初的19.7cm经4h管道输送后变为18.3cm，并且表现出初期变化幅度小，后期变化幅度增大的趋势。可以看出，虽然膏体的塌落度经4h的管道输送有所降低，但仍能满足膏体泵送的需求。膏体的分层度随泵送时间的增长反而出现降低的趋势，膏体泵送4h其分层度值由最初的1.5cm下降至1.0cm。因此，分层度随泵送时间的增长并不会对膏体泵送产生不利影响。由图5.15（c）还可以看出，膏体的密度随泵送时间的增长逐渐增加，表现出初期变化幅度小，后期变化幅度增大的趋势。由于密度反映的是膏体材料的质量浓度，因此也可以得知，膏体的质量浓度随泵送时间的增长而逐渐增大。由上面的分析得知，膏体在泵送过程中其基本性能发生了一定的变化，其主要原因是膏体在泵送过程中少量的胶结材料发生了水化反应，导致膏体中的自由水减少，从而导致了膏体质量浓度的增加，以及塌落度和分层度的减小。膏体在管道循环运转4h后，取部分膏体放至150150150mm试模中，待其能自立时拆模并将试块放至标准养护箱中进行养护，养护至试验龄期取出测定其性能。图5.16为经管道输送和未经管道输送的充填体强度对比图，由图可以看出，经管道输送后的充填体强度比相同龄期的未经管道输送的膏体强度稍低，下降的主要原因是膏体在管道输送中