膏體充填材料實驗參考資料.doc

膏體充填材料管道輸送試驗實驗目的：（1）了解充填開采的適用情況及優(yōu)缺點，了解充填開采方式；（2）熟悉膏體充填開采的實際生產(chǎn)過程；（3）掌握充填材料配比實驗基本過程及各種性能測定方法及注意事項；（4）建立充填開采空間概念。實驗方式：模型參觀演示、模型功能講解及分析實驗設備：室內(nèi)膏體充填模擬系統(tǒng)實驗報告要求：結合實驗目的，根據(jù)實際實驗講解，完成實驗報告。附以下相關參考資料。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，再啟動水平皮帶機，將稱量的骨料提升到膏體攪拌桶中。膠結材料稱重后由螺旋輸送機送往膠結材料攪拌桶中，然后將稱量好的水由水泵送入膠結材料攪拌桶中，對膠結材料進行攪拌。將攪拌好的膠結材料料漿卸至膏體攪拌機內(nèi)與骨料混合并進行攪拌，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)運動為止。在膏體循環(huán)運動過程中，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)是由上位控制計算機、信號轉換接口以及可編程控制器（PLC）組成。單元之間利用標準RS232串行通訊口進行通訊，使之成為一套完整的系統(tǒng)。控制系統(tǒng)采用集散方式對膏體充填模擬系統(tǒng)設備的主要單元進行直接控制，上位控制計算機還提供生產(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行稱重檢測，信號送入稱重儀表PLY600。稱重儀表把骨料設定值與骨料重量檢測值進行比較，通過電磁閥和氣缸控制料倉門的開關，從料斗出來的骨料直接進入膏體攪拌桶中。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）膠結材料控制線路氣動蝶閥膠結料攪拌桶螺旋給料機在膠結材料控制線路中，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料斗閥門的開與關。膠結材料從膠結料斗出來后，經(jīng)螺旋給料機進入膠結料攪拌桶，膠結料攪拌好后經(jīng)氣動蝶閥進入膏體攪拌桶中。膠結材料稱重控制線路如圖5.3所示。膠結料膠結料卸料口稱重傳感器氣動蝶閥稱重儀表圖5.3 膠結材料控制線路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，達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入膠結料攪拌桶中。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行測量，檢測管道上的壓差信號，壓差信號直接送入PLC進行運算并傳到上位機顯示。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流量計算儀PLC模塊上位機流量檢測選用沖板式固體流量計，傳感器檢測到流量信號送到流量計算儀，通過PLC模塊送入上位機顯示。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)密度計集PLC模塊上位機密度檢測選用工業(yè)核子密度計，密度計檢測到的信號直接送入PLC模塊，通過轉換送入上位機顯示。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)硬件結構由于施工現(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)硬件設計采用了抗干擾強且應用成熟的集散控制系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)可方便地進行人機對話、參數(shù)調(diào)整以及控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)，并可打印出設備運行及報警記錄，控制系統(tǒng)硬件結構模塊見圖5.8。圖5.8系統(tǒng)硬件結構圖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、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。5.1.5膏體充填模擬系統(tǒng)的主要操作流程（1）進入操作系統(tǒng)環(huán)境后用鼠標左鍵雙擊“運行系統(tǒng)”圖標進入登錄畫面，如圖5.9所示。（2）登錄后，點擊屏幕下方的畫面切換按鍵，進入“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定重量，并單擊“儲存配方”按鈕實現(xiàn)配方的儲存。（3）配方完成后，進入膏體配制操作界面，如圖5.11所示。在此界面可實現(xiàn)膠結材料攪拌時間、膏體攪拌時間、以及卸料的自動控制，并可實現(xiàn)自動和手動控制的相互轉化。此外，在此界面還實現(xiàn)了壓差、密度和流量的自動顯示。（4）試驗完成后，將系統(tǒng)關機。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、攪拌機、攪拌桶、空氣壓縮機、混凝土泵、充填管道、管道清洗機、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)主要功能及其技術指標（1）主要功能膏體充填材料配比試驗；膏體充填材料攪拌試驗；膏體充填材料管道輸送試驗。（2）技術指標系統(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5.2.1膏體材料的制備在進行膏體制備之前首先要計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)管道的容積進行計算。試驗所用的管道直徑為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，本次試驗準備2m3的膏體材料。本次試驗對象為第四章優(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)量比例關系，可計算出本次試驗所需煤矸石、粉煤灰、膠結材料和水的質(zhì)量分別為1741.5kg、812.7kg、232.2kg和653.6kg。計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)行車分別運至膏體系統(tǒng)中的料斗1和料斗2，并把拌好后的膠結材料輸送至其儲料倉中。然后啟動電腦，設定配方為煤矸石:粉煤灰:膠結材料:水=600kg:280kg:80kg:224kg，并保存配方。然后進入“操作”界面，設定膠結料攪拌時間為1min，膏體攪拌時間為2min，啟動自動運行狀態(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。而膠結材料自動稱重后經(jīng)螺旋輸送機進入膠結料攪拌桶中，然后，水經(jīng)稱重后進入膠結料攪拌桶中，并在膠結材料攪拌桶中進行攪拌，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行攪拌，膏體攪拌完成后卸至HBT50C泵車中進行管道輸送，如圖5.13所示。在試驗過程中，經(jīng)過三次配料，管道中的材料開始循環(huán)運動，配料試驗完成。 圖5.12 煤矸石經(jīng)皮帶輸送 圖5.13 膏體經(jīng)泵車進行管道輸送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到了2km以上，膏體在管道中的輸送時間達到了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)進行泵送我們無法得知，只有通過管道輸送試驗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研究過程中，膏體充填材料在管道中進行循環(huán)運動，以模擬實際中的距離和輸送時間。我們設定膏體輸送速度為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構流（膏體）的方式進行管道輸送。（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。可以看出，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材料發(fā)生了水化反應，導致膏體中的自由水減少，從而導致了膏體質(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)運轉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準養(yǎng)護箱中進行養(yǎng)護，養(yǎng)護至試驗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度對比圖，由圖可以看出，經(jīng)管道輸送后的充填體強度比相同齡期的