一种采空区充填过程中料浆现场取样装置及使用方法
技术领域
本发明涉及矿山充填采样
技术领域
，特别是指一种采空区充填过程中料浆现场取样装置及使用方法。背景技术
相比其他采矿方法，充填采矿法具有回收率高、贫化率低、开采安全等优点，尤其进入深部开采后，在控制地压和改善环境保护方面具有明显的优势，国家相关部门也给予高度重视，要求新开矿山，原则上应采用充填法开采。
充填法开采中的关键因素之一，是充填体强度，确定合理的充填体强度，对控制采场地压、保证开采安全、降低充填成本具有关键性作用。因此，充填体强度研究已成为了目前矿业领域的研究热点之一，同时也是各大工矿企业关心的核心问题之一。目前，针对充填体的研究，大多是在实验室中，采用与现场充填料浆相同的配比，制作充填体试件，在标准条件下进行养护。然而，实际充填法实施过程中，影响充填体强度的因素众多，如搅拌工艺、输送参数、采场下料点、采场大小等。经过长距离输送后，充填料浆往往会发生一定程度的沉淀与离析，尤其进入采场后，由于流动较慢，离析较严重，因此采场内的充填料浆与原始配比已发生较大变化。因此，只通过室内试验的手段进行测试，结果与现场实际存在较大的差异，需在现场进行原位取样。
目前，现场原位充填体取样一直是一个技术难题，通常采用地质钻机取样、井下预埋模具、取充填体大块切割等方法。
地质钻机取样具有施工速度快、取样尺寸灵活、取样深度大等优点，但由于充填体强度往往较低，在地质钻机高速钻进过程中，很容易发生折断，取样成功率低。井下预埋模具取样具有成本低、灵活等优点，但通常需要等到相邻采场开采至预埋点后，采用机械切割甚至爆破的方式取样，极易对充填体造成损伤，导致取样失败，同时，取样周期长。现场取充填体大块进行切割取样，也极易导致充填体整体破坏，无法取样。
现阶段，关于充填体原位取样技术的研究较少，主要在上述三种手段的技术上进行改良，如现有技术中，关于充填体井下现场取样装置的研究，其具有加工简单、便携、取样速度快、充填体不受损伤，取样成功率高等优点，但该方法取样深度较小，样品不具有代表性，也无法取得现场原位料浆。
发明内容
本发明为解决目前充填料浆现场取样难度大、施工复杂、取样成功率低、取样深度不足、代表性较差以及无法取得原位料浆等问题，提供一种采空区充填过程中料浆现场取样装置及使用方法。
该装置包括外套管、内套管、盖板和L型钢板支架，外套管设有外套管导轨，内套管设有内套管滑轨和滑槽，内套管滑轨与外套管导轨对准，实现内套管插入外套管，盖板插入滑槽，外套管通过一对L型钢板支架和底板固定膨胀螺栓固定。
其中，外套管截面为正方形，正方形边长为200mm～300mm，采用薄壁钢板加工而成，钢板厚度为1mm～3mm；外套管长度根据实际情况确定，在长度方向上，外套管采用一块钢板加工而成；在外套管一边中间位置保留宽度为20mm～30mm的缺口，在采场内侧一端保留300mm～500mm的长度不做缺口，采场内侧端部进行封口处理，外套管在采场外侧端部伸出充填挡墙外200mm～300mm，且在采场外侧端部完全开口。
外套管导轨为半圆形导轨，外套管导轨焊接在外套管未设缺口的三面内部中间位置，外套管导轨壁厚4～6mm，内径大于12mm，采用不锈钢管制作，外套管导轨内部做抛光处理，焊接时，保证导轨平直，处于中间位置，长度方向上保持同一根完整导轨，外套管导轨贯穿整个外套管。
内套管采用薄壁钢板制成，壁厚0.5～2mm，内套管为异型截面，其中三边尺寸相同，为180～280mm，最后一个边保留缺口，缺口尺寸为300mm～400mm，且大于外套管预留的缺口；内套管缺口两侧的钢板斜向上弯折，保证内套管安装进入外套管后，斜向上弯折的钢板斜边最高点与外套管内壁相接触，斜边低点分别与两侧边加工为两个滑槽。
滑槽深度为5～10mm，高度为1～5mm。
内套管加工长度为1m，内套管一侧端部采用同规格钢板焊接封闭，另一侧端部开放，封闭时，保证端部截面平整光滑，端部背板与截面正方形区域大小一致，沿两侧端部截面边缘位置粘贴密封垫层，分别在截面正方形区域外侧四个边角位置焊接螺栓连接板，连接板厚度≥2mm，边长10mm～20mm，连接板上安装连接螺栓，螺栓口直径为8mm～16mm。
内套管滑轨为实心光轴，内套管滑轨焊接在内套管截面正方形区域外侧边长中线位置，光轴尺寸与外套管导轨匹配，保证内套管插入外套管时，三边的内套管滑轨与外套管导轨全部接触，且外套管导轨处于内套管滑轨中心位置；同一个内套管一边的内套管滑轨采用同一根光轴制作，保证光轴位于各边的中线位置，且平直；同一根内套管滑轨两端处理为圆头，并抛光。
盖板采用钢板制作，厚度为0.5～4mm，盖板宽度为189～289mm，保证刚好插入内套管上部滑槽内。
该取样装置的使用方法，包括步骤如下：
S1：平整场地，保证底板平整，根据取样方案，确定取样深度、取样深度及取样类型；
S2：施工钢板支架，制作L型钢板支架，L型钢板支架成对布置，每一对L型钢板支架之间的距离与外套管外壁尺寸相同，根据外套管长度，每隔1～5m布置一对L型钢板支架，L型钢板支架沿长度方向上沿直线布置，不出现拐弯现象，采用底板固定膨胀螺栓将L型钢板支架的短边固定在底板上；
S3：布置外套管，外套管缺口一边在最上方，外套管布置在每对L型钢板支架内部，并焊接，保证外套管在同一平面，且保持平直，布置好后，在外套管导轨内侧涂抹润滑油，布置时，外套管伸出充填挡墙200mm～300mm的长度；
S4：插入内套管，首先在内套管滑轨表面涂抹润滑油、内套管内侧管壁涂抹脱模油，然后将三边的内套管滑轨与外套管导轨对准，缓慢推入第一个内套管，采用连接螺栓将第一个内套管与第二个内套管连接，第二个内套管的封闭一端与第一个内套管的开放一端连接，连接时使端部的密封垫层受力挤压紧密接触，以此将所需的内套管连接，推入外套管，保证内套管的拼接长度大于外套管长度；
S5：采场充填，料浆通过外套管缺口和内套管缺口流入内套管中，充填过程中，通过人力或卷扬机，前后抽动内套管，抽动过程中观察内套管中料浆的充满程度，直到最外侧内套管充满料浆；
S6：插入盖板，待充填高度超过外套管高度后，将盖板沿内套管滑槽缓慢推入，直至推入到底；
S7：根据取样设计要求，在料浆初凝之前将内套管抽出，以取得原位料浆；或保持原位养护，待3天后，将内套管抽出，取得不同位置处的胶结充填体。
其中，S7中，在保持原位养护时，每隔6～8h抽动一次内套管，保证内套管滑动顺利，直至最终完全取出。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述方案中，采用分离式套管结构，可根据取样要求，灵活进行拼装，结构简单，安装迅速。内套管可重复利用，降低成本，外套管保留在充填体内，可作为增强结构，提高充填体整体强度。取样深度大，具有典型代表性，取样成功率高。根据生产需要，既可以原位取出充填料浆，也可取出充填体，以满足不同的生产检查及试验需求。
附图说明
图1为本发明的采空区充填过程中料浆现场取样装置整体结构示意图；
图2为本发明的采空区充填过程中料浆现场取样装置的外套管俯视图；
图3为图2中C-C剖面示意图；
图4为图2中D-D剖面示意图；
图5为本发明的采空区充填过程中料浆现场取样装置的内套管剖面图；
图6为图5中A-A剖面示意图；
图7为图5中B-B剖面示意图；
图8为本发明的采空区充填过程中料浆现场取样装置现场连接示意图。
其中：1-外套管；2-内套管；3-外套管导轨；4-内套管滑轨；5-盖板；6-斜边最高点与外套管内壁距离；7-密封垫层；8-连接螺栓；9-内套管端部背板；10-滑槽；11-斜边最高点；12-L型钢板支架；13-底板固定膨胀螺栓。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种采空区充填过程中料浆现场取样装置及使用方法。
如图1和图8所示，该装置包括外套管1、内套管2、盖板5和L型钢板支架12，外套管1设有外套管导轨3，内套管2设有内套管滑轨4和滑槽10，内套管滑轨4与外套管导轨3对准，实现内套管2插入外套管1，盖板5插入滑槽10，外套管1通过一对L型钢板支架12和底板固定膨胀螺栓13固定。
如图2、图3和图4所示，外套管1截面为正方形，正方形边长为200mm～300mm，采用薄壁钢板加工而成，钢板厚度为1mm～3mm；外套管1长度根据实际情况确定，在长度方向上，外套管1采用一块钢板加工而成；在外套管1一边中间位置保留宽度为20mm～30mm的缺口，在采场内侧一端保留300mm～500mm的长度不做缺口，采场内侧端部进行封口处理，外套管1在采场外侧端部伸出充填挡墙外200mm～300mm，且在采场外侧端部完全开口。
外套管导轨3为半圆形导轨，外套管导轨3焊接在外套管1未设缺口的三面内部中间位置，外套管导轨3壁厚4～6mm，内径大于12mm，采用不锈钢管制作，外套管导轨3内部做抛光处理，焊接时，保证导轨平直，处于中间位置，长度方向上保持同一根完整导轨，外套管导轨3贯穿整个外套管1。
如图5、图6和图7所示，内套管2采用薄壁钢板制成，壁厚0.5～2mm，内套管为异型截面，其中三边尺寸相同，为180～280mm，最后一个边保留缺口，缺口尺寸为300mm～400mm，且大于外套管预留的缺口；内套管缺口两侧的钢板斜向上弯折，保证内套管2安装进入外套管1后，斜向上弯折的钢板斜边最高点11与外套管1内壁相接触，斜边低点分别与两侧边加工为两个滑槽10。
滑槽深度为5～10mm，高度为1～5mm。
内套管2加工长度为1m，内套管2一侧端部采用同规格钢板焊接封闭，另一侧端部开放，封闭时，保证端部截面平整光滑，端部背板与截面正方形区域大小一致，沿两侧端部截面边缘位置粘贴密封垫层7，分别在截面正方形区域外侧四个边角位置焊接螺栓连接板，连接板厚度≥2mm，边长10mm～20mm，连接板上安装连接螺栓8，螺栓口直径为8mm～16mm。
内套管滑轨4为实心光轴，内套管滑轨4焊接在内套管2截面正方形区域外侧边长中线位置，光轴尺寸与外套管导轨3匹配，保证内套管2插入外套管1时，三边的内套管滑轨4与外套管导轨3全部接触，且外套管导轨3处于内套管滑轨4中心位置；同一个内套管一边的内套管滑轨4采用同一根光轴制作，保证光轴位于各边的中线位置，且平直；同一根内套管滑轨4两端处理为圆头，并抛光。
盖板5采用钢板制作，厚度为0.5～4mm，盖板5宽度为189～289mm，保证刚好插入内套管上部滑槽10内。
该取样装置的使用方法，包括步骤如下：
S1：平整场地，保证底板平整，根据取样方案，确定取样深度、取样深度及取样类型；
S2：施工钢板支架，制作L型钢板支架12，L型钢板支架12成对布置，每一对L型钢板支架12之间的距离与外套管1外壁尺寸相同，根据外套管1长度，每隔1～5m布置一对L型钢板支架12，L型钢板支架12沿长度方向上沿直线布置，不出现拐弯现象，采用底板固定膨胀螺栓13将L型钢板支架12的短边固定在底板上；
S3：布置外套管，外套管缺口一边在最上方，外套管1布置在每对L型钢板支架12内部，并焊接，保证外套管1在同一平面，且保持平直，布置好后，在外套管导轨3内侧涂抹润滑油，布置时，外套管1伸出充填挡墙200mm～300mm的长度；
S4：插入内套管，首先在内套管滑轨4表面涂抹润滑油、内套管内侧管壁涂抹脱模油，然后将三边的内套管滑轨4与外套管导轨3对准，缓慢推入第一个内套管1，采用连接螺栓8将第一个内套管与第二个内套管连接，第二个内套管的封闭一端与第一个内套管的开放一端连接，连接时使端部的密封垫层7受力挤压紧密接触，以此将所需的内套管连接，推入外套管1，保证内套管的拼接长度大于外套管长度；
S5：采场充填，料浆通过外套管缺口和内套管缺口流入内套管2中，充填过程中，通过人力或卷扬机，前后抽动内套管2，抽动过程中观察内套管中料浆的充满程度，直到最外侧内套管充满料浆；
S6：插入盖板，待充填高度超过外套管高度后，将盖板5沿内套管滑槽10缓慢推入，直至推入到底；
S7：根据取样设计要求，在料浆初凝之前将内套管抽出，以取得原位料浆；或保持原位养护，待3天后，将内套管抽出，取得不同位置处的胶结充填体。
其中，S7中，在保持原位养护时，每隔6～8h抽动一次内套管，保证内套管滑动顺利，直至最终完全取出。
下面结合具体实施过程予以说明。
首先进行装置设计。
本装置包括三个部分，分别为外套管、内套管及盖板。
(1)外套管结构说明
外套管加工为正方形截面形状，边长200mm～300mm，采用薄壁钢板进行加工，钢板厚度1mm～3mm。根据取样设计要求，可加工成不同长度，外套管在长度方向上应采用同一块钢板加工完成，若不得不采用多块钢板拼接，则应采用焊接，且必须保证外套管内侧的平整。
加工时，在外套管一边中间位置保留20mm～30mm的缺口，但在采场内侧一端保留300mm～500mm的长度不做缺口，端部则进行封口处理。采场外侧端部伸出充填挡墙外200mm～300mm，且端部完全开口。加工过程中，分别在其余三边中间位置焊接半圆形导轨，导轨壁厚4～6mm，内径大于12mm，采用不锈钢管制作，且内部应做抛光处理，焊接时，应保证导轨平直，处于中间位置，长度方向上应保持同一根导轨，若不得不采用多段导轨拼接，应保证拼接处的平整、连续和光滑，避免出现凹凸起伏。半圆形导轨贯穿整个外套管。
(2)内套管
内套管采用薄壁钢板制作，壁厚0.5～2mm，异型截面。其中三边尺寸相同，为180～280mm。最后一个边保留缺口，尺寸300mm～400mm，且应大于外套管预留的缺口。缺口两侧的钢板应斜向上弯折，保证内套管安装进入外套管后，斜边最高点与外套管内壁相接触。斜边低点分别与两侧边加工为两个滑槽，滑槽深度5～10mm，高度1～5mm。
内套管加工长度为1m，一侧端部采用同规格钢板焊接封闭，另一侧端部开放。封闭时，保证端部截面平整光滑，端部背板与截面正方形区域大小一致，沿两侧端部截面边缘位置粘贴密封橡胶。分别在截面正方形区域外侧四个边角位置焊接螺栓连接板，连接板厚度≥2mm，边长10mm～20mm，螺栓口直径8mm～16mm。
在内套管截面正方形区域外侧边长中线位置焊接实心光轴作为滑轨，光轴尺寸与外套管内侧半圆导轨匹配，直径小于半圆导轨内径，还应保证内套管插入外套管时，三边的导轨与半圆滑轨全部接触，且处于滑轨中心位置。同一个内套管一边的滑轨应采用同一根光轴制作，保证光轴位于各边的中线位置，且必须平直。同一根滑轨两端应处理为圆头，并抛光。
(3)盖板
盖板采用钢板制作，厚度0.5～4mm。盖板宽度189～289mm，保证刚好可插入内套管上部滑槽内。
其次，该装置具体应用方法如下：
①平整场地，将底板浮石清理掉，尽量保证底板平整，坚固；取样方案设计，确定取样深度、取样时间及取样类型。
②施工钢板支架。采用钢板制作L型钢板支架，钢板厚度＞4mm，长边长度1m～2m，短边长度100mm～200mm。L型钢板支架成对布置，每一对支架之间的距离与外套管外壁尺寸相同。根据外套管长度，每隔1～5m布置一对支架，支架沿长度方向上应沿直线布置，不能出现拐弯现象。采用底板固定膨胀螺栓将短边固定在底板上，膨胀螺栓选用M20～M30规格，长度300mm～400mm。
③布置外套管。外套管缺口一边在最上方，外套管布置在每对钢板支架内部，与支架进行焊接连接，高度根据取样设计要求和支架高度灵活调整。焊接时，必须保证外套管在同一平面，且保持平直。布置好后，在滑轨内侧涂抹润滑油。布置时，外套管应伸出充填挡墙200mm～300mm的长度。
④插入内套管。首先在内套管外侧滑轨表面涂抹润滑油、内套管内侧管壁涂抹脱模油，然后将三边的滑轨与外套管内导轨对准，缓慢推入第一个内套管，然后采用螺栓与第二个内套管连接，封闭一端与开放一端连接，连接时务必拧紧，使端部的密封橡胶制成的密封垫层受力挤压紧密接触。以此将所需的内套管连接，推入外套管，最终内套管的拼接长度应大于外套管长度至少200mm。
⑤采场充填，料浆通过缺口流入内套管中，充填过程中，通过人力或卷扬机，前后抽动内套管，抽动幅度300mm～500mm，且小于外套管内侧端部封口长度。抽动过程中观察内套管中料浆的充满程度，直到最外侧内套管充满料浆。
⑥插入盖板。待充填高度超过外套管高度后，将盖板沿内套管滑槽缓慢推入，直至推入到底。
⑦取出内套管
根据取样设计要求，可在料浆初凝之前将内套管抽出，以取得原位料浆。也可保持原位养护，待3天后，将内套管抽出，以取得不同位置处的胶结充填体，但在原位养护时，应每隔6～8h抽动一次内套管，保证内套管滑动顺利，直至最终完全取出。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
