CN106940285A - 一种测试充填膏体中骨料沉降的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测试充填膏体中骨料沉降的装置及方法，属于采空区充填技术领域。该装置包括充填膏体测试槽和超声波波速测量装置；充填膏体测试槽为长方体槽，长方体结构的四个竖直面上分别设有三个定位孔，所述定位孔位于竖直面的中心线上，且三个定位孔均匀分布；超声波波速测量装置中，单片机与电脑连接，单片机另一端依次连接超声波发射装置、进路多路转换开关、发射探头、接收探头、回路多路转换开关和超声波接收装置；发射探头和接收探头分别安装在长方体槽的定位孔内。本发明是通过充填膏体试件上部、中部、下部的超声波波速的差异情况来判断充填膏体在凝固过程中骨料是否发生沉降，操作简便，测试周期短，能快速判断骨料是否沉降。
Description
技术领域
本发明涉及一种测试充填膏体中骨料沉降的装置及方法，属于采空区充填技术领域。
背景技术
我国煤矿“三下”压煤巨大，实施充填开采可提高“三下”压煤采出率，并有效保障矿井的安全生产，同时处置矿区固体废弃物，减少占地和减轻地表沉陷，减少村庄搬迁，保护和改善矿区生态环境，有利于资源开发与生态环境协调发展。我国“三下”采煤方法形式多样，其中膏体充填对控制地表移动和变形效果较好，因而被普遍采用。
膏体充填工艺系统简单，依靠管道实现高效连续输送，因此膏体充填料必须满足可泵性要求的基本条件。对于添加骨料的膏体更应该注意在高泵压作用下保证不离析、不泌水、不沉降。膏体充填料中骨料的离析必然导致骨料的沉降。一方面，骨料的沉降容易导致堵管事故的发生，堵管不仅影响充填作业的正常进行，而且会污染井下环境；另一方面，骨料的沉降还会影响充填体的强度和充填体的接顶率，减弱控制上覆岩层及地表移动变形的效果。因此，对于制备好的膏体，通过测试其中的骨料是否沉降来判断充填膏体的质量高低显得尤为重要。
发明内容
本发明旨在提供一种测试充填膏体中骨料沉降的装置，解决了充填膏体中骨料沉降的测定问题。
本发明提供了一种测试充填膏体中骨料沉降的装置，包括充填膏体测试槽和超声波波速测量装置；所述充填膏体测试槽为长方体槽，长方体结构的四个竖直面上分别设有三个定位孔，所述定位孔位于竖直面的中心线上，且三个定位孔均匀分布；所述超声波波速测量装置包括发射探头、接收探头、进路多路转换开关、回路多路转换开关，超声波发射装置、超声波接收装置、单片机、电脑；单片机与电脑连接，单片机另一端依次连接超声波发射装置、进路多路转换开关、发射探头、接收探头、回路多路转换开关和超声波接收装置；发射探头和接收探头分别安装在长方体槽的定位孔内，长方体槽的两个相对面上水平对应的两个孔定位为一对，一对定位孔中分别设有发射探头和接收探头；超声波发射装置向发射探头发射电信号，超声波发射探头把接收来的电信号转化为声信号，超声波接收探头把接收到的声信号转化为电信号，超声波接收装置把接收来的电信号进行处理，超声波发射装置、超声波接收装置连接到单片机上，受单片机控制，单片机连接电脑，电脑用于设置参数和处理数据。
上述装置中，所述长方体槽的厚度为10mm，长方体槽的尺寸为以下任一种：
长×宽×高分别为120mm×120mm×110mm、170mm×170mm×160mm、220mm×220mm×210mm、120mm×120mm×310mm、170mm×170mm×310mm、220mm×220mm×410mm；可根据试件尺寸的不同选择适合的长方体槽。
上述装置中，所述定位孔为圆孔，其直径为10mm，厚度为10mm。
上述装置中，所述发射探头、接收探头为截面半径为5mm，高为10mm的圆柱体结构；发射探头均匀设置在充填膏体测试槽的相邻两个竖直面上，接收探头设置在与发射探头对应的竖直面上。
上述装置中，所述单片机为MSP430系列单片机。
上述装置中，所述超声波波速测量装置的进路多路转换开关、回路多路转换开关为控制开关，旋转进路多路转换开关的旋钮使其中一个发射探头和发射装置接通，旋转回路多路转换开关旋钮使与发射探头相对的接收探头与接收装置接通；通过调整进路多路转换开关和回路多路转换开关的位置，测得超声波在充填膏体试件上部、中部、下部的传播速度。
本发明提供了一种测试充填膏体中骨料沉降的方法，通过充填膏体试件上部、中部、下部的超声波波速的差异情况来判断充填膏体在凝固过程中骨料是否发生沉降，具体按下列步骤进行：
（1）根据所制备的充填膏体试件的大小选择相配套的长方体槽；
其中100mm×100mm×100mm的试件对应的长方体槽的大小为120mm×120mm×110mm，相应的，150mm×150mm×150mm、200mm×200mm×200mm、100mm×100mm×300mm、150mm×150mm×300mm、200mm×200mm×400mm的试件分别对应的长方体槽的大小为170mm×170mm×160mm、220mm×220mm×210mm、120mm×120mm×310mm、170mm×170mm×310mm、220mm×220mm×410mm；
（2）将发射探头、接收探头安装在长方体槽的定位孔内，保证发射探头与接收探头位置水平相对；
（3）连接超声波波速测量装置；
（4）把制备好的充填膏体试件放入长方体槽中；
（5）接通电源，启动电脑，控制进路多路转换开关、回路多路转换开关，分别接通位于长方体槽上部、中部、下部的发射探头和接收探头，具体控制方式如下：
旋转进路多路转换开关的旋钮使位于长方体槽上部一个发射探头和发射装置接通，旋转回路多路转换开关旋钮使与长方体槽上部发射探头相对的接收探头与接收装置接通，测量充填膏体试件上部超声波波速，待测试数据稳定后，记录结果，测量完成后调整进路转换开关和回路转换开关的位置再对充填膏体试件中部和下部的超声波波速进行测量；
（6）观察比较充填膏体试件的上部、中部、下部的超声波波速，从而判断骨料是否发生沉降。若上部、中部、下部的超声波波速一致，则说明骨料分布均匀，未发生沉降；若上部、中部、下部的超声波波速不一致，说明骨料发生了沉降。
本发明的原理：固体介质中的超声波横波波速，CT随固体介质的弹性模量E、密度ρ、泊松比σ有关。如果新拌和的膏体稳定性差，由于重力作用，易出现浆体上浮而骨料下沉的分层现象。分层后由于下部骨料聚集必然直接导致下部膏体和上部膏体性质的不同，弹性模量E、密度ρ、泊松比σ等参数会产生较大的差异，使得测得的充填膏体上部超声波波速与下部超声波波速有明显差异；如果新拌和的膏体具有良好的稳定性，骨料不发生沉降即骨料在充填膏体内均匀分布，则凝固后的充填膏体在上、下位置处测的超声波波速大小应该基本一致。通过凝固后充填膏体不同位置超声波波速的测量，判断充填膏体是否沉降。
本发明的有益效果：
（1）本发明采用超声波的方法来测试充填膏体中骨料的沉降，操作简便，测试周期短，人为因素影响小，很好地解决了充填膏体中骨料沉降的测试问题；
（2）本发明适用性广，适用于各种不同种类和不同配比的充填材料；
（3）不破坏试件的完整性，测试完成后不会影响后续实验的进行；
（4）根据超声波测试结果，能快速判断骨料是否沉降，并对充填膏体的原料种类和含量进行调整，该方法和装置适用于实验室和工业现场对充填膏体性能的测试。
附图说明
图1为本发明测试装置的总体结构示意图；
图中：1长方体槽，2定位孔，3发射探头，4接收探头，5进路多路转换开关，6回路多路转换开关，7超声波发射装置，8超声波接收装置，9单片机，10电脑。
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。
实施例1：
如图1所示，一种测试充填膏体中骨料沉降的装置，包括充填膏体测试槽和超声波波速测量装置；所述充填膏体测试槽为长方体槽1，长方体结构的四个竖直面上分别设有三个定位孔2，所述定位孔2位于竖直面的中心线上，且三个定位孔2均匀分布；所述超声波波速测量装置包括发射探头3、接收探头4、进路多路转换开关5、回路多路转换开关6，超声波发射装置7、超声波接收装置8、单片机9、电脑10；单片机9和电脑10连接，单片机9另一端依次连接超声波发射装置7、进路多路转换开关5、发射探头3、接收探头4、回路多路转换开关6和超声波接收装置8；发射探头3和接收探头4分别安装在长方体槽1的定位孔2内，长方体槽1的两个相对面上水平对应的两个孔定位为一对，一对定位孔2中分别设有发射探头3和接收探头4；超声波发射装置7向发射探头3发射电信号，超声波发射探头3把接收来的电信号转化为声信号，超声波接收探头4把接收到的声信号转化为电信号，超声波接收装置8把接收来的电信号进行处理，超声波发射装置7、超声波接收装置8连接到单片机9上，受单片机9控制，单片机9连接电脑10，电脑10用于设置参数和处理数据。通过控制进路多路转换开关5、回路多路转换开关6：旋转进路多路转换开关的旋钮使其中一个发射探头和发射装置接通，旋转回路多路转换开关旋钮使与发射探头相对的接收探头与接收装置接通，则可以监测到某一点的超声波速；通过调整进路多路转换开关5和回路多路转换开关6的位置，可以测得超声波在充填膏体试件上部、中部、下部的传播速度。
上述装置中，所述长方体槽1的厚度为10mm，长方体槽的尺寸为以下任一种：
长×宽×高分别为120mm×120mm×110mm、170mm×170mm×160mm、220mm×220mm×210mm、120mm×120mm×310mm、170mm×170mm×310mm、220mm×220mm×410mm；可根据试件尺寸的不同选择适合的长方体槽。
上述装置中，所述定位孔2为圆孔，其直径为10mm，厚度为10mm。
上述装置中，所述发射探头3、接收探头4为截面半径为5mm，高为10mm的圆柱体结构；发射探头均匀设置在充填膏体测试槽的相邻两个竖直面上，接收探头设置在与发射探头对应的竖直面上。
上述装置中，所述单片机9为MSP430系列单片机。
进一步说明利用上述装置进行测试的方法，包括如下步骤：
1、长方体槽1规格为：长120mm宽120mm高110mm，长方体槽厚度为10mm，在长方体槽1前后左右的四个竖直面上，在高度为30mm、60mm、90mm（定位孔是均匀分布）处分别开有三个直径为10mm的定位孔；发射探头3和接收探头4为截面半径为5mm、高为10mm的圆柱体结构；
2、将发射探头、接收探头安装在长方体槽的定位孔内，保证发射探头与接收探头位置水平相对；
3、连接超声波波速测量装置；
4、将刚凝固好脱模的长100mm宽100mm高100mm充填膏体试件放入长方体槽中（长方体槽的厚度10mm，长120mm宽120mm高110mm的内部空间正好为100mm×100mm×100mm尺寸的试件）；
5、接通电源，启动电脑，控制进路多路转换开关、回路多路转换开关，分别接通位于长方体槽上部、中部、下部的发射探头和接收探头，具体控制方式如下：
旋转进路多路转换开关的旋钮使位于长方体槽上部一个发射探头和发射装置接通，旋转回路多路转换开关旋钮使与长方体槽上部发射探头相对的接收探头与接收装置接通，测量充填膏体试件上部超声波波速，待测试数据稳定后，记录结果；测量完成后调整进路转换开关和回路转换开关的位置再对充填膏体试件中部和下部的超声波波速进行测量；
接通探头后，同时供电并接收超声波波速数据，待测试数据稳定后，记录结果；
6、观察比较充填膏体试件的上部、中部、下部的超声波波速，从而判断骨料是否发生沉降。
7、测试完成后关闭电脑和电源，取出充填膏体试件。
Claims (8)
1.一种测试充填膏体中骨料沉降的装置，其特征在于：包括充填膏体测试槽和超声波波速测量装置；
所述充填膏体测试槽为长方体槽，长方体结构的四个竖直面上分别设有三个定位孔，所述定位孔位于竖直面的中心线上，且三个定位孔均匀分布；
所述超声波波速测量装置包括发射探头、接收探头、进路多路转换开关、回路多路转换开关、超声波发射装置、超声波接收装置、单片机、电脑；单片机与电脑连接，单片机另一端依次连接超声波发射装置、进路多路转换开关、发射探头、接收探头、回路多路转换开关和超声波接收装置；发射探头和接收探头分别安装在长方体槽的定位孔内，长方体槽的两个相对面上水平对应的两个孔定位为一对，一对定位孔中分别设有发射探头和接收探头；超声波发射装置向发射探头发射电信号，超声波发射探头把接收来的电信号转化为声信号，超声波接收探头把接收到的声信号转化为电信号，超声波接收装置把接收来的电信号进行处理，超声波发射装置、超声波接收装置连接到单片机上，受单片机控制，与单片机连接的电脑用于设置参数和处理数据。
2.根据权利要求1所述的测试充填膏体中骨料沉降的装置，其特征在于：所述长方体槽的厚度为10mm，长方体槽的尺寸为以下任一种：
长×宽×高分别为120mm×120mm×110mm、170mm×170mm×160mm、220mm×220mm×210mm、120mm×120mm×310mm、170mm×170mm×310mm、220mm×220mm×410mm。
3.根据权利要求1所述的测试充填膏体中骨料沉降的装置，其特征在于：所述定位孔为圆孔，其直径为10mm，厚度为10mm。
4.根据权利要求1所述的测试充填膏体中骨料沉降的装置，其特征在于：所述发射探头、接收探头为截面半径为5mm，高为10mm的圆柱体结构；发射探头均匀设置在充填膏体测试槽的相邻两个竖直面上，接收探头设置在与发射探头对应的竖直面上。
5.根据权利要求1所述的测试充填膏体中骨料沉降的装置，其特征在于：所述单片机为MSP430系列单片机。
6.根据权利要求1所述的测试充填膏体中骨料沉降的装置，其特征在于：超声波波速测量装置的进路多路转换开关、回路多路转换开关为控制开关，旋转进路多路转换开关的旋钮使其中一个发射探头和发射装置接通，旋转回路多路转换开关旋钮使与发射探头相对的接收探头与接收装置接通；通过调整进路多路转换开关和回路多路转换开关的位置，测得超声波在充填膏体试件上部、中部、下部的传播速度。
7.一种测试充填膏体中骨料沉降的方法，采用权利要求1~6任一项所述的测试充填膏体中骨料沉降的装置，其特征在于：通过充填膏体试件上部、中部、下部的超声波波速的差异情况来判断充填膏体在凝固过程中骨料是否发生沉降，具体按下列步骤进行：
（1）根据所制备的充填膏体试件的大小选择相配套的长方体槽；
（2）将发射探头、接收探头安装在长方体槽的定位孔内，保证发射探头与接收探头位置水平相对；
（3）连接超声波波速测量装置；
（4）把制备好的充填膏体试件放入长方体槽中；
（5）接通电源，启动电脑，控制进路多路转换开关、回路多路转换开关，分别接通位于长方体槽上部、中部、下部的发射探头和接收探头，具体控制方式如下：
旋转进路多路转换开关的旋钮使位于长方体槽上部一个发射探头和发射装置接通，旋转回路多路转换开关旋钮使与长方体槽上部发射探头相对的接收探头与接收装置接通，测量充填膏体试件上部超声波波速，待测试数据稳定后，记录结果；测量完成后调整进路转换开关和回路转换开关的位置再对充填膏体试件中部和下部的超声波波速进行测量；
（6）观察比较充填膏体试件的上部、中部、下部的超声波波速，从而判断骨料是否发生沉降。
8.根据权利要求7所述的测试充填膏体中骨料沉降的方法，其特征在于：所述充填膏体试件的尺寸为以下任一种：100mm×100mm×100mm、150mm×150mm×150mm、200mm×200mm×200mm、100mm×100mm×300mm、150mm×150mm×300mm或200mm×200mm×400mm；
其中，100mm×100mm×100mm的试件对应的长方体槽的大小为120mm×120mm×110mm；150mm×150mm×150mm的试件对应的长方体槽的大小为170mm×170mm×160mm；200mm×200mm×200mm的试件对应的长方体槽的大小为220mm×220mm×210mm；100mm×100mm×300mm的试件对应的长方体槽的大小为120mm×120mm×310mm；150mm×150mm×300mm的试件对应的长方体槽的大小为170mm×170mm×310mm；200mm×200mm×400mm的试件对应的长方体槽的大小为220mm×220mm×410mm。
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2017
- 2017-03-22 CN CN201710174438.5A patent/CN106940285A/zh active Pending
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