CN105825762A - 测试矿山充填膏体输送管道中输送阻力的模拟装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测试矿山充填膏体输送管道中输送阻力的模拟装置及方法，属于矿山胶结充填材料管道输送技术领域。该模拟装置包括环形封闭管道和监控装置，环形封闭管道上设有一个阀门，用于放入和取出测试块，环形封闭管道内设有测试块，测试块由膏体组成，膏体两端分别设有橡胶活塞，且两活塞上镶有圆形永久磁铁，在环形封闭管道外表面缠绕线圈，并向线圈中通以电流向管道内持续提供均匀磁场；所述的监控装置包括传感器和电流表。本发明解决了膏体管道输送系统中存在的建造复杂、昂贵、占地面积大、试验配套设备、操作复杂、实验废料多等问题。

Description

测试矿山充填膏体输送管道中输送阻力的模拟装置及方法

技术领域

本发明涉及一种测试矿山充填膏体输送管道中输送阻力的模拟装置及方法，属于矿山胶结充填材料管道输送技术领域。

背景技术

矿山膏体充填就是将煤矸石、粉煤灰及尾砂等固体废弃物作为充填原材料与胶凝料、水以一定比例进行优化组合，配制成具有良好流动性、稳定性和可塑性的膏状胶结体，在重力或外力(泵压)作用下通过管道以柱塞流的形态输送到采空区的过程，是解决三下压煤、矿山开采沉陷及地表破坏的有效方法。

管道输送作为矿山膏体充填的一个重要环节，在实际输送时由于膏体与管道的摩擦造成输送膏体压力损失，使泵送效率降低，不仅增加了膏体管道输送的成本，更有可能造成堵管，影响开采进度，甚至引起安全事故等严重后果。此外，由于充填系统较为复杂，仅靠理论设计，无法保证充填料浆输送的可靠性，因此有必要研究管道输送时膏体与管道之间的阻力变化。现阶段的大型环管实验，主要是通过在管道不同位置分别安装压差传感器，再通过读取不同位置传感器的压力数据来获得各个传感器之间膏体输送阻力损失。但是在进行环管实验时存在许多困难：首先，由于环管实验模拟时，膏体输送距离较长，因此在实验时必须要配备长距离的输送管道、大型的混凝土泵、大型的上料搅拌装置以及昂贵的压差传感器，整套实验设备不仅价格昂贵，而且要占用大面积的空间。其次，在进行环管实验时必须要配制大量的模拟材料来满足膏体长距离输送，这就需要大量的实验人员，从而使实验运行难度进一步增加，导致实验在操作运行时极不方便。此外，环管实验在结束后，实验膏体即变成废料，必须妥善处理，否则会造成实验废料的污染。

综上，现有环管实验尚不能达到操作简单、经济合理的要求，很难实现矿山膏体充填材料管道输送模拟实验的普遍化，不能很好的推动管道输送研究的进行，因此有必要发明一种测试矿山充填膏体模拟管道输送阻力的装置。

发明内容

本发明旨在提供一种测试矿山充填膏体输送管道中输送阻力的模拟装置及方法，解决了膏体管道输送系统中存在的建造复杂、昂贵、占地面积大、试验配套设备、操作复杂、实验废料多等问题。

本发明提供了一种测试矿山充填膏体输送管道中输送阻力的模拟装置，包括环形封闭管道和监控装置，环形封闭管道内设有测试块，环形封闭管道上设有一个阀门，用于放入和取出测试块，测试块由膏体组成，膏体两端分别设有活塞，且两活塞上镶有圆形永久磁铁，在环形封闭管道外表面缠绕线圈，并向线圈中通以电流，根据通电螺旋管原理，通电线圈向管道内持续提供均匀磁场，管内均匀磁场将会对活塞上的永久磁铁产生排斥力，推动膏体在管道中循环流动；

所述的监控装置包括传感器和电流表，传感器镶嵌在橡胶活塞中，电流表与管道表面的线圈、直流电源、滑动变阻器串联形成完整回路。活塞中的速度传感器可以监测到活塞在管道中的流动速度即膏体在管道中的流动速度，电流表可以监测到管道表面线圈中的电流大小。

本发明提供了一种测试矿山充填膏体输送管道中输送阻力的模拟方法，包括以下步骤：取一小段输送膏体为模拟实验的样本，在其两端用带有永久磁铁的橡胶活塞将膏体密封，打开管道上的阀门，将输送膏体样本放入环形封闭管道内部；在管道外表面缠绕线圈，线圈与直流电源、电流表、滑动变阻器连接形成回路，通电后产生磁场，对活塞中的永久磁铁产生推动力，推动小段输送膏体在环形封闭管道中循环运动，并记录监控装置采集的传感器和电流的实验数据；带入下述公式通过计算得到小段膏体输送时的阻力τ：

膏体的推动力F是通过安装在环形管道表面的线圈通以电流，管道内产生的均匀磁场向安装在两活塞上的永久磁铁的排斥力来获得输送膏体的持续动力。根据

得到推力的大小。其中：

I——通电电流的大小；A

N——管道上缠绕线圈的匝数；

μ——磁导率；

δ——工作气隙长度；cm

S——管道横截面面积；cm

监控装置通过电脑系统监测活塞移动速度得到膏体在管道中的流动速度、管道表面通电导线的电流大小，进而根据F-τ＝m(v₁-v₂)/(t₁-t₂)最终获得膏体在管道中的水利坡度。其中τ为输送阻力，m为膏体质量，v₁，v₂分别为t₁，t₂时刻的膏体流动速度。

所述的环形封闭管道为钢管组成，包括平行设置的两段直管和弯曲的两段半圆形管，直管的长度为5～6米，半圆形管对应圆的直径长为5～6米，钢管的内径为17～21厘米，外径为23～26厘米，环形封闭管道的总长为25～30米。

所述的小段输送膏体的长度为0.5～1米，直径为16～20厘米，膏体在管道中的速度可达到1.5～2.0米/每秒。所述的圆形永久磁铁直径为11～15厘米。

所述橡胶活塞与钢管的内壁接触。所述橡胶活塞与管道之间有一定压力接触，产生静摩擦力，来阻止膏体在管道中自流，达到小段膏体在管道中的满管输送。

本发明提供的小段输送膏体是通过在管道中安装两个橡胶活塞并使得活塞与管道之间有一定压力接触，产生静摩擦力，来阻止膏体在管道中自流，达到小段膏体在管道中的满管输送。

本发明的有益效果：

(1)本发明的测试方法是通过一段环形管道来实现膏体循环流动的，不需要长距离的输送管道，也不需要大型的混凝土泵来提供动力，更不需要价格昂贵的压差传感器和电磁流量计，；而且也不需要占用大量空间，使得实验更便于在实验室内进行；

(2)本发明的小段膏体输送的方法所需实验膏体的量大大减少，因此，本实验不需要大量配制实验膏体，避免了实验结束时实验废料处理的工序，使得实验更易于操作，更加经济合理，易于实施；

(3)相比于大型环管实验，本发明节约了实验成本，简化了实验程序，减少了实验所需人员，最终达到实验目的，是一种更适合于实验室研究的管道输送模拟系统。

附图说明

图1为本发明模拟装置的结构示意图(俯视)。

图2为沿图1中A-A线的剖面图。

图3为钢管管道内部的局部放大图。

其中：1、阀门；2、橡胶活塞；3、膏体；4、线圈；5、永久磁铁；6、磁铁S极；7、磁铁N极；8、管道；9、传感器；10为电流表；11、直流电源；12、滑动变阻器。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

附图1为本发明模拟装置俯视状态的结构示意图。环形封闭管道8为水平放置，阀门1用于放入和取出小段膏体3；管道表面缠绕通电流的线圈4，电流方向如图中标注所示；N,S分别为永久磁铁的N极和S极；图中6为磁铁S极；7为磁铁N极。

附图2为环形封闭管道的钢管的剖面图。橡胶活塞2中镶嵌永久磁铁5，橡胶活塞2与钢管的内壁接触。

附图3为钢管内部的局部放大图，橡胶活塞2依靠与管道的摩擦力保证小段膏体3的满管输送。

如图1所示，一种测试矿山充填膏体输送管道中输送阻力的模拟装置，包括环形封闭管道8和监控装置，环形封闭管道8内设有测试块，环形封闭管道8上设有一个阀门1，用于放入和取出测试块，测试块由膏体3组成，膏体3两端分别设有橡胶活塞2，且两活塞上镶有圆形永久磁铁5，在环形封闭管道8外表面缠绕线圈4，并向线圈4中通以电流向管道内持续提供均匀磁场，根据通电螺旋管的原理，管内均匀磁场将会对活塞上的磁铁产生排斥力，推动膏体在管道中循环流动；

所述的监控装置包括传感器9和电流表10，传感器9镶嵌在橡胶活塞中，电流表10与直流电源11、滑动变阻器12、线圈4串联形成完整回路。活塞中的速度传感器可以监测到活塞在管道中的流动速度即膏体在管道中的流动速度，电流表可以监测到管道表面线圈中的电流大小。

所述的环形封闭管道为钢管组成，包括平行设置的两段直管和弯曲的两段半圆形管，直管的长度为6米，半圆形管对应圆的直径长为5米，钢管的内径为17厘米，外径为23厘米，环形封闭管道的总长为27.7米。

本发明的模拟方法包括以下的工艺步骤：依次通过实验原料准备，测试系统调试，实验模拟膏体的制备，实验膏体的模拟输送，实验膏体输送数据采集及计算，清洗管道整理实验设备。下面通过具体实施例说明本发明的模拟方法。

实施例1：

具体包括以下步骤：

1、实验模拟膏体的制备

本实验膏体是用山西省孝义市新阳煤矿生产的煤矸石，新阳煤矿电厂生产的二级粉煤灰，以及32.5^#普通硅酸盐水泥，水为原料，以煤矸石：粉煤灰：水泥：水＝4：2：1：1.5(质量比)的比例配制成质量浓度为79％的实验模拟输送膏体，取0.8m的膏体，直径16cm，质量为2kg；

2、测试系统调试

组建模拟管道装置，钢管的外径为21cm，内径为17cm，管道表面缠绕线圈500圈。打开电脑检测系统，测试各电路是否连接正常，确认电路连接无误后开始调试仪器，即先将活塞装入管道中，然后开始给管道表面的通电导线通电，并调节滑动变阻器，逐渐增大电流使得活塞上的推动力达到活塞与管道之间的静摩擦力，此时中断通电并保持该数值不变，将其中活塞退出管道准备装入实验膏体；

3、实验膏体的模拟输送

在正式装入实验膏体前要先打开阀门，拿少许本次测试膏体进行润管处理，然后将实验膏体装入管道中，把活塞推入管道口中，关闭阀门。接着以步骤2中的电流值为起始值开始逐渐增大两活塞中通电导线的电流，管道表面的缠绕线圈产生磁场，对活塞中的永久磁铁产生推动力，推动膏体在管道中流动起来；

4、实验膏体输送数据采集

当实验膏体在管道中流动时，监控装置会时时监测到通电导线中的电流大小以及活塞的移动速度。当t＝0时，v＝0m/s，当t＝3s时，实验模拟膏体达到输送速度1.5m/s时，停止增大电流。应用采集到的膏体流动速度值1.5m/s以及对应的电流大小的值0.2A，代入下述公式

$F=\frac{1}{2}\×{10}^{-6}{\left(IN\right)}^2\frac{\mathrm{\μ}S}{{\mathrm{\δ}}^2}$

可以求出F＝2.4N；(δ＝8.5cm，μ＝100)

再利用公式F-τ＝m(v₁-v₂₎/t₁-t₂公式中求出v＝1.5m/s受到的输送阻力τ＝1.4N；

5、清洗管道整理实验设备

一组实验结束时必须用清水来清洗管道，接着再用实验膏体再进行润管，然后开始重复以上实验步骤开始下一步实验。在实验测试完毕以后将活塞退出管道，进行管道清理以及实验膏体的处理，最后做好实验仪器的整理工作。

实施例2：

具体包括以下步骤：

1、实验膏体的制备

本实验膏体是用山西省孝义市新阳煤矿生产的煤矸石，新阳煤矿电厂生产的二级粉煤灰，以及32.5^#普通硅酸盐水泥，水为原料以煤矸石：粉煤灰：水泥：水＝4：2：1：1.5(质量比)配制成质量浓度为81％的实验模拟输送膏体，取0.8m的膏体，直径16cm，，质量为2kg；以一定比例配置成一定质量浓度的实验膏体；

2、测试系统调试

组建模拟管道装置，外径21cm，内径17cm，管道表面缠绕线圈500圈。打开电脑检测系统，测试各电路是否连接正常，确认电路连接无误后开始调试仪器，即先将活塞装入管道中，然后开始给管道表面的通电导线通电，并调节滑动变阻器，逐渐增大电流使的活塞上的推动力达到活塞与管道之间的静摩擦力，此时中断通电并保持该数值不变，将其中活塞退出管道准备装入实验膏体；

3、实验膏体的模拟输送

在正式装入实验膏体前要先打开阀门，拿少许本次测试膏体进行润管处理，然后将实验膏体装入管道中，把活塞推入管道口中，关闭阀门。接着以步骤2中的电流值为起始值开始逐渐增大两活塞中通电导线的电流，管道表面的缠绕线圈产生磁场，对活塞中的永久磁铁产生推动力，推动膏体在管道中流动起来；

4、实验膏体输送数据采集

当实验膏体在管道中流动时，监控装置会时时监测到通电导线中的电流大小以及活塞的移动速度。当t＝0时，v＝0m/s，当t＝5s时，实验模拟膏体达到输送速度2m/s时，停止增大电流。应用采集到的膏体流动速度值2m/s以及对应的电流大小的值0.23A，代入下述公式

$F=\frac{1}{2}\×{10}^{-6}{\left(IN\right)}^2\frac{\mathrm{\μ}S}{{\mathrm{\δ}}^2}$

可以求出F＝3.1N，(δ＝8.5cm，μ＝100)

再利用公式F-τ＝m(v₁-v₂₎/t₁-t₂公式中求出v＝2m/s受到的输送阻力τ＝2.3N；

5、清洗管道整理实验设备

一组实验结束时必须用清水来清洗管道，接着再用实验膏体再进行润管，然后开始重复以上实验步骤开始下一步实验。在实验测试完毕以后将活塞退出管道，进行管道清理以及实验膏体的处理，最后做好实验仪器的整理工作。

Claims (6)

1.测试矿山充填膏体输送管道中输送阻力的模拟装置，其特征在于：包括环形封闭管道和监控装置，环形封闭管道内设有测试块，环形封闭管道上设有一个阀门，用于放入和取出测试块，测试块由膏体组成，膏体两端分别设有橡胶活塞，且两活塞上镶有圆形永久磁铁，在环形封闭管道外表面缠绕线圈，并向线圈中通以电流向管道内持续提供均匀磁场；

所述的监控装置包括传感器和电流表，传感器镶嵌入橡胶活塞中，电流表与直流电源、滑动变阻器、管道表面的线圈串联形成完整回路。

2.根据权利要求1所述的测试矿山充填膏体输送管道中输送阻力的模拟装置，其特征在于：所述的环形封闭管道为钢管组成，包括平行设置的两段直管和弯曲的两段半圆形管，直管的长度为5～6米，半圆形管对应圆的直径长为5～6米，钢管的内径为17～21厘米，外径为23～26厘米，环形封闭管道的总长为25～30米。

3.根据权利要求1所述的测试矿山充填膏体输送管道中输送阻力的模拟装置，其特征在于：所述的膏体的长度为0.5～1米，直径为16～20厘米，膏体在管道中的速度可达到1.5～2.0米/每秒。

4.根据权利要求1所述的测试矿山充填膏体输送管道中输送阻力的模拟装置，其特征在于：所述的圆形永久磁铁直径为11～15厘米。

5.根据权利要求1所述的测试矿山充填膏体输送管道中输送阻力的模拟装置，其特征在于：所述橡胶活塞与钢管的内壁接触。

6.测试矿山充填膏体输送管道中输送阻力的模拟方法，采用权利要求1～5任一项所述的模拟装置，其特征在于：包括以下步骤：取一小段输送膏体为模拟实验的样本，在其两端用带有永久磁铁的橡胶活塞将膏体密封，打开管道上的阀门，将输送膏体样本放入环形封闭管道内部；在管道外表面缠绕线圈，线圈与直流电源、电流表、滑动变阻器连接形成回路，通电后产生磁场，对活塞中的永久磁铁产生推动力，推动小段输送膏体在环形封闭管道中循环运动，并记录监控装置采集的传感器和电流的实验数据；带入下述公式通过计算得到小段膏体输送时的阻力τ：

F-τ＝m(v₁-v₂)/(t₁-t₂)

式中：τ为输送阻力，m为膏体质量，v₁，v₂分别为t₁，t₂时刻的膏体流动速度；F为膏体的推动力；其中：

$F=\frac{1}{2}\×{10}^{-6}{\left(IN\right)}^2\frac{\mathrm{\μ}S}{{\mathrm{\δ}}^2}$

上述公式中，I——通电电流的大小；A

N——管道上缠绕线圈的匝数；

μ——磁导率；

δ——工作气隙长度；cm

S——管道横截面面积；cm。