CN109085085B - 一种水砂突涌试验系统中水砂分离和计量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水砂突涌试验系统中水砂分离和计量装置，包括操作台和第二输气管，所述操作台的上端固定有四个固定杆，四个固定杆的上端共同固定有横梁，所述横梁的上端固定有油缸，所述油缸的活塞杆贯穿横梁的侧壁并延伸至横梁的下端，所述操作台的上端固定有四个承载杆，所述承载杆的上端设有夹持装置，且四个夹持装置均抵触在试验舱的一侧，所述试验舱的上端贯穿设有水仓，且油缸的活塞杆末端固定在水仓的上端，所述水仓的上端设有出气孔。本发明解决了在试验时压力不足的问题，同时也解决了无法对砂土进行压实的问题，实现了可以对水砂突涌量进行分别计量的功能，提高了试验数据的准确性，操作简单，方便使用。

Description

一种水砂突涌试验系统中水砂分离和计量装置
技术领域
本发明涉及水砂技术领域，尤其涉及一种水砂突涌试验系统中水砂分离和计量装置。
背景技术
目前，煤的使用量正在逐年递增，对煤矿的开采量也越来越大，厚度大、埋深浅、基岩薄、上覆厚松散砂层是西部地区煤炭典型的赋存特征。此类煤层开采诱发的覆岩运动程度强烈、波及范围较广，上覆岩层难以形成较稳定的支撑结构，覆岩裂隙发育充分，采动裂缝甚至可直达地表，若上覆厚松散砂层富水性较好，含砂量较高的水砂混合物沿着采动覆岩裂隙溃入井下工作面，导致造成财产损失甚至人员伤亡的事故时有发生，给矿井的安全生产带来很大威胁。要保证煤炭资源的稳步开发，摆脱突水溃砂灾害的严重困扰，在水体下(包括地表水体和含水层)采煤时，进行含水层下采动覆岩裂隙中水砂突涌研究，获得采煤工作面涌水溃砂机制，是亟待解决的关键问题
在对煤矿进行采掘时，容易诱发覆岩运动，由于地下采掘工程隐蔽性的特点，使得采煤引起的覆岩裂隙中水砂运移和突涌的机制难以借助现场观测进行研究，室内试验成为解决这一问题的有效手段，但是，在现有的水砂突涌试验时，水和砂的突涌量不能进行分别计量，而且在试验前并没有对试验舱内的砂土进行一定的压实或仅对其进行了粗略性捣实，并且水头压力不足，由于受到试验空间的限制，只能依靠调节水仓的高度或水仓内水面的高度来获取不同的水头压力，试验时很不方便，为此，我们提出了一种水砂突涌试验系统中水砂分离和计量装置来解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种水砂突涌试验系统中水砂分离和计量装置。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种水砂突涌试验系统中水砂分离和计量装置，包括操作台和第二输气管，所述操作台的上端固定有四个固定杆，四个固定杆的上端共同固定有横梁，所述横梁的上端固定有油缸，所述油缸的活塞杆贯穿横梁的侧壁并延伸至横梁的下端，所述操作台的上端固定有四个承载杆，所述承载杆的上端设有夹持装置，四个夹持装置的上端共同夹持有试验舱，且四个夹持装置均抵触在试验舱的一侧，所述试验舱的上端贯穿设有水仓，且油缸的活塞杆末端固定在水仓的上端，所述水仓的上端设有出气孔，所述水仓的下端设有多个渗水孔，所述水仓的一周侧壁上固定有密封圈，且密封圈的一侧抵触在试验舱内的一周侧壁上，所述水仓内的相对侧壁上均固定有承力架，所述试验舱的下端设有第二开口，所述第二开口处可拆卸连接有水砂通道，所述水砂通道的下端连接有输送管，所述输送管上设有蝶阀，所述输送管的一端可拆卸连接有连接管，所述操作台的一侧设有承载台，所述承载台的上端固定有四个支撑杆，四个支撑杆的上端共同固定有保护箱，所述保护箱的下端设有转动装置，所述承载台的一侧设有烘干装置，且烘干装置和转动装置相对应，所述第二输气管和连接管上均贯穿设有固定箱，所述固定箱内设有封闭装置，所述操作台的两侧均固定有固定板，所述固定板上设有两个减震装置，四个减震装置的一端分别转动连接在操作台的两侧，所述操作台的一侧设有支撑架，所述支撑架的上端固定有高压气泵，所述高压气泵的一端连接有第一输气管，所述第一输气管的一端连接在水仓的上端，所述试验舱内的底部设有水压传感器，所述保护箱的两侧均设有第一开口，且两个第一开口分别和两个封闭装置相对应，所述转动装置包括固定在保护箱下端的放置箱，所述放置箱内的一端侧壁上固定有驱动电机，所述驱动电机的输出轴贯穿保护箱的侧壁并延伸至保护箱内，所述驱动电机的输出轴末端固定有水砂分离罐，所述连接管的一端贯穿保护箱的侧壁并连接在水砂分离罐的上端，所述水砂分离罐内的底部设有称重装置。
优选地，所述封闭装置包括设置在固定箱内的推块，所述固定箱的一侧设有第一螺纹通孔，所述第一螺纹通孔内贯穿设有螺杆，所述螺杆的一端转动连接在推块的一侧，所述螺杆的另一端固定有转动轮，所述第二输气管和连接管上均设有第三开口，且推块和第三开口相对应。
优选地，所述减震装置包括转动连接在固定板上端的两个套管，所述套管内的相对侧壁上均设有滑槽，所述滑槽内安装有滑块，两个滑块之间共同固定有压板，所述套管内的底部固定有弹簧，所述弹簧的一端固定在压板的一侧，所述压板的另一侧固定有压杆，所述压杆的一端贯穿套管的侧壁并转动连接在操作台的一侧。
优选地，所述夹持装置包括固定在四个承载杆上端的四个支撑板，四个支撑板的上端均抵触在试验舱的下端，所述支撑板的一侧固定有夹持环，且四个夹持环的一侧均抵触在试验舱的一侧。
优选地，所述试验舱的下端连接有连接盖，所述连接盖的下端设有凹槽，所述水砂通道的上端固定有连接头，所述连接头的上端延伸至凹槽内，所述连接头的一周侧壁上设有外螺纹，所述凹槽内的一周侧壁上设有和外螺纹相对应的内螺纹，且外螺纹和内螺纹相对应。
优选地，所述操作台的两侧均固定有连接板，所述连接板上设有第二螺纹通孔，所述第二螺纹通孔内贯穿设有第一螺栓。
优选地，所述烘干装置包括固定在承载台一侧的热风机，所述热风机一端连接有第二输气管，所述水砂分离罐的上端连接有进气管，所述第二输气管的一端可拆卸连接在进气管的上端。
优选地，所述支撑板上设有第三螺纹通孔，所述试验舱的两侧均设有和第三螺纹通孔对应的螺纹盲孔，所述第三螺纹通孔内贯穿设有第二螺栓，且第二螺栓的一端延伸至螺纹盲孔内。
优选地，所述水砂分离罐的一侧连接有排水管和排气管，所述排水管和排气管上均设有阀门。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、通过高压水泵和第一输气管之间的配合，解决了在试验时压力不足的问题，达到了根据试验要求，将压力值提高到理想数值的效果；
2、通过热风机、水砂分离罐和驱动电机之间的配合，解决了不能对水砂突涌量进行计量的问题，对干燥砂利用称重装置进行称重，实现了能对水和砂的突涌量进行分别计量的功能；
3、通过油缸水仓之间的配合，解决了对砂土没有进行压实的问题，实现了在试验前对砂土进行压实，防止因没有压实导致试验结果出现偏差的功能；
综上所述，该装置解决了在试验时压力不足的问题，同时也解决了无法对砂土进行压实的问题，实现了可以对水砂突涌量进行分别计量的功能，提高了试验数据的准确性，操作简单，方便使用。
附图说明
图1为本发明提出的一种水砂突涌试验系统中水砂分离和计量装置的内部结构示意图；
图2为本发明提出的一种水砂突涌试验系统中水砂分离和计量装置的外部结构示意图；
图3为本发明提出的一种水砂突涌试验系统中水砂分离和计量装置的螺杆的结构示意图；
图4为本发明提出的一种水砂突涌试验系统中水砂分离和计量装置夹持环的结构示意图；
图5为本发明提出的一种水砂突涌试验系统中水砂分离和计量装置弹簧的结构示意图；
图6为本发明提出的一种水砂突涌试验系统中水砂分离和计量装置第一连接头的结构示意图；
图7为本发明提出的一种水砂突涌试验系统中水砂分离和计量装置的A处放大图。
图中：1保护箱、2套管、3支撑杆、4第一螺栓、5操作台、6承载杆、7连接盖、8支撑架、9第一输气管、10高压气泵、11承力架、12水仓、13横梁、14油缸、15渗水孔、16密封圈、17试验舱、18支撑板、19输送管、20第二连接头、21第二输气管、22水砂分离罐、23排水管、24热风机、25承载台、26夹持环、27固定杆、28连接板、29固定板、30压杆、31压板、32滑块、33滑槽、34弹簧、35凹槽、36连接头、37外螺纹、38水砂通道、39转动轮、40螺杆、41固定箱、42推块、43第一开口、44进气管。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
参照图1-7，一种水砂突涌试验系统中水砂分离和计量装置，包括操作台5和第二输气管21，方便支撑试验舱17，防止在每次试验过程中都要对试验舱17进行拆卸，避免对试验舱17造成磨损，操作台5的上端固定有四个固定杆27，四个固定杆27的上端共同固定有横梁13，横梁13的上端固定有油缸14，油缸14的活塞杆贯穿横梁13的侧壁并延伸至横梁13的下端，操作台5的上端固定有四个承载杆6，承载杆6的上端设有夹持装置，四个夹持装置的上端共同夹持有试验舱17，且四个夹持装置均抵触在试验舱17的一侧，试验舱17的上端贯穿设有水仓12，且油缸14的活塞杆末端固定在水仓12的上端，通过油缸14活塞杆带动水仓12进行升降，从而对试验舱17内的水砂混合物进行压实，在压实过程中，通过夹持装置提高了试验舱17的稳定性；
水仓12的上端设有出气孔，水仓12的下端设有多个渗水孔15，水仓12的一周侧壁上固定有密封圈16，提高实验过程中试验舱17密封性能，且密封圈16的一侧抵触在试验舱17内的一周侧壁上，水仓12内的相对侧壁上均固定有承力架11，为了提高水仓12的抗变形能力，保证实验过程的刚性加载，试验舱17的下端设有第二开口，第二开口处可拆卸连接有水砂通道38，在试验时需要更换水砂通道38，方便了水砂通道38的安装和拆卸，提高了效率，节省了时间；
水砂通道38的下端连接有输送管19，输送管19上设有蝶阀，输送管19的一端可拆卸连接有连接管，操作台5的一侧设有承载台25，承载台25的上端固定有四个支撑杆3，四个支撑杆3的上端共同固定有保护箱1，保护箱1的下端设有转动装置，承载台25的一侧设有烘干装置，且烘干装置和转动装置相对应，方便将砂土颗粒进行烘干，第二输气管21和连接管上均贯穿设有固定箱41，固定箱41内设有封闭装置，便于打开和关闭热气和水砂混合物，在进行水砂分离时，停止输送，将第二输气管21和输送管19拆下，便于进行水砂分离；
操作台5的两侧均固定有固定板29，固定板29上设有两个减震装置，四个减震装置的一端分别转动连接在操作台5的两侧，操作台5的一侧设有支撑架8，支撑架8的上端固定有高压气泵10，高压气泵10的一端连接有第一输气管9，第一输气管9的一端连接在水仓12的上端，为了提高输入试验舱17内水压和水流量的稳定性，试验舱17内的底部设有水压传感器，用于监测试验过程中水压分布情况，支撑板18上设有第三螺纹通孔，试验舱17的两侧均设有和第三螺纹通孔对应的螺纹盲孔，第三螺纹通孔内贯穿设有第二螺栓，且第二螺栓的一端延伸至螺纹盲孔内，便于安装拆卸，保护箱1的两侧均设有第一开口43，且两个第一开口43分别和两个封闭装置相对应，操作台5的两侧均固定有连接板28，连接板28上设有第二螺纹通孔，第二螺纹通孔内贯穿设有第一螺栓4，方便安装和拆卸，在操作台5受到外力作用时，能通过减震装置进行缓冲，从而提高了操作台5的稳定性，方便顺利进行试验。
本发明中，封闭装置包括设置在固定箱41内的推块42，固定箱41的一侧设有第一螺纹通孔，第一螺纹通孔内贯穿设有螺杆40，螺杆40的一端转动连接在推块42的一侧，螺杆40的另一端固定有转动轮39，第二输气管21和连接管上均设有第三开口，且推块42和第三开口相对应，转动轮39转动带动螺杆40转动，螺杆40转动带动推块42移动，根据需要可以调节推块42的位置。
本发明中，减震装置包括转动连接在固定板29上端的两个套管2，套管2内的相对侧壁上均设有滑槽33，滑槽33内安装有滑块32，两个滑块32之间共同固定有压板31，方便压板31移动，减少压板31移动时遇到的阻力，套管2内的底部固定有弹簧34，弹簧34的一端固定在压板31的一侧，压板31的另一侧固定有压杆30，压杆30的一端贯穿套管2的侧壁并转动连接在操作台5的一侧，压板31移动时挤压弹簧34，利用弹簧34的复位功能进行减震，防护性能强。
本发明中，转动装置包括固定在保护箱1下端的放置箱，放置箱内的一端侧壁上固定有驱动电机，驱动电机的输出轴贯穿保护箱1的侧壁并延伸至保护箱1内，驱动电机的输出轴末端固定有水砂分离罐22，便于对水砂进行分离，水砂分离罐22的一侧连接有排水管23和排气管，排水管23和排气管上均设有阀门，连接管的一端贯穿保护箱1的侧壁并连接在水砂分离罐22的上端，水砂分离罐22内的底部设有称重装置，将水砂分离之后，通过称重装置对砂颗粒进行称重，通过计算得到试验数据。
本发明中，夹持装置包括固定在四个承载杆6上端的四个支撑板18，四个支撑板18的上端均抵触在试验舱17的下端，支撑板18的一侧固定有夹持环26，且四个夹持环26的一侧均抵触在试验舱17的一侧，通过夹持环26对试验舱17进行夹持固定，提高了试验舱17的稳定性。
本发明中，试验舱17的下端连接有连接盖7，连接盖7的下端设有凹槽35，水砂通道38的上端固定有连接头36，连接头36的上端延伸至凹槽35内，连接头36的一周侧壁上设有外螺纹37，凹槽35内的一周侧壁上设有和外螺纹37相对应的内螺纹，且外螺纹37和内螺纹相对应，方便安装和拆卸，提高了安装效率，节省了时间。
本发明中，烘干装置包括固定在承载台25一侧的热风机24，热风机24一端连接有第二输气管21，水砂分离罐22的上端连接有进气管44，第二输气管21的一端可拆卸连接在进气管44的上端，通过热风机24的作用将水砂分离罐22内的砂进行干燥，从而提高试验数据的准确性。
本发明中，在使用时，先将连接板28通过第一螺栓4固定在合适的位置，然后通过油缸14的活塞杆带动水仓12移动，水仓12在试验舱17内移动，从而对试验舱17内的水砂混合物进行挤压，通过高压气泵10将高压气体输送到水仓12内进行增压，利用支撑板18上的夹持环26对试验舱17进行夹持固定，当压力达到一定数值时，水仓12内的水压传感器发生警报，打开蝶阀，水砂混合物通过水砂通道38和输送管19落入到水砂分离罐22内，通过放置箱内的伺服电机输出轴转动带动水砂分离罐22转动，从对而水砂进行分离，然后通过热风机24对砂粒进行烘干，然后利用称重装置进行称重，在进行水砂分离时，将第一输气管9和输送管19从水砂分离罐22上拆下，然后再进行水砂分离罐22的旋转，在试验舱17受到外力作用时，操作台5移动会挤压压杆30，压杆30挤压压板31，压板31挤压弹簧34，从而利用弹簧34的复位功能进行缓冲减震，在进行水砂突涌试验过程中，开启蝶阀的同时，启动驱动电机，使得水砂分离罐22在设定频率(f)下做匀速转动，从水砂通道38中涌出的水砂混合物便会溃入水砂分离罐22中。假设n为水砂分离罐22的数量，个；t为单个水砂分离罐22收集水砂混合物的时间，s；f为驱动的转动频率，Hz；mx为t时间内第x(1≤x≤n)个水砂分离罐22收集到的水砂混合物的总质量，g；Vx为t时间内第x(1≤x≤n)个水砂分离罐22收集到的水砂混合物的总体积，ml。则有
Figure GDA0002686741600000091
t越短，每个水砂分离罐22中收集到的水砂混合物越少，
Figure GDA0002686741600000092
越接近水砂突涌过程中水砂混合物的瞬时流量，在数值上与安装在高压气泵10出水口处的流量计监测到的流量值应一致。利用热风机24将水砂分离罐22中的水砂混合物烘干至恒重，利用称量装置称量并记录每个水砂分离罐22中干燥砂的质量，假设m1x为第x(1≤x≤n)个水砂分离罐22中的水砂混合物烘干后剩余的干燥砂的质量，g。则
Figure GDA0002686741600000101
为第x(1≤x≤n)个水砂分离罐22中的水砂混合物中砂的单独平均流出速度，g/s。将坐标点
Figure GDA0002686741600000102
绘制到平面直角坐标系中，并采用平滑曲线进行连接，即可获得水砂突涌过程中砂的流出速度随时间的变化曲线。同理若将坐标点
Figure GDA0002686741600000103
Figure GDA0002686741600000104
绘制到平面直角坐标系中，并采用平滑曲线进行连接，即可获得水砂突涌过程中水的流出速度随时间的变化曲线，根据需要，也可将水的质量换算为体积。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种水砂突涌试验系统中水砂分离和计量装置，包括操作台(5)和第二输气管(21)，其特征在于：所述操作台(5)的上端固定有四个固定杆(27)，四个固定杆(27)的上端共同固定有横梁(13)，所述横梁(13)的上端固定有油缸(14)，所述油缸(14)的活塞杆贯穿横梁(13)的侧壁并延伸至横梁(13)的下端，所述操作台(5)的上端固定有四个承载杆(6)，所述承载杆(6)的上端设有夹持装置，四个夹持装置的上端共同夹持有试验舱(17)，且四个夹持装置均抵触在试验舱(17)的一侧，所述试验舱(17)的上端贯穿设有水仓(12)，且油缸(14)的活塞杆末端固定在水仓(12)的上端，所述水仓(12)的上端设有出气孔，所述水仓(12)的下端设有多个渗水孔(15)，所述水仓(12)的一周侧壁上固定有密封圈(16)，且密封圈(16)的一侧抵触在试验舱(17)内的一周侧壁上，所述水仓(12)内的相对侧壁上均固定有承力架(11)，所述试验舱(17)的下端设有第二开口，所述第二开口处可拆卸连接有水砂通道(38)，所述水砂通道(38)的下端连接有输送管(19)，所述输送管(19)上设有蝶阀，所述输送管(19)的一端可拆卸连接有连接管，所述操作台(5)的一侧设有承载台(25)，所述承载台(25)的上端固定有四个支撑杆(3)，四个支撑杆(3)的上端共同固定有保护箱(1)，所述保护箱(1)的下端设有转动装置，所述承载台(25)的一侧设有烘干装置，且烘干装置和转动装置相对应，所述第二输气管(21)和连接管上均贯穿设有固定箱(41)，所述固定箱(41)内设有封闭装置，所述操作台(5)的两侧均固定有固定板(29)，所述固定板(29)上设有两个减震装置，四个减震装置的一端分别转动连接在操作台(5)的两侧，所述操作台(5)的一侧设有支撑架(8)，所述支撑架(8)的上端固定有高压气泵(10)，所述高压气泵(10)的一端连接有第一输气管(9)，所述第一输气管(9)的一端连接在水仓(12)的上端，所述试验舱(17)内的底部设有水压传感器，所述保护箱(1)的两侧均设有第一开口(43)，且两个第一开口(43)分别和两个封闭装置相对应，所述转动装置包括固定在保护箱(1)下端的放置箱，所述放置箱内的一端侧壁上固定有驱动电机，所述驱动电机的输出轴贯穿保护箱(1)的侧壁并延伸至保护箱(1)内，所述驱动电机的输出轴末端固定有水砂分离罐(22)，所述连接管的一端贯穿保护箱(1)的侧壁并连接在水砂分离罐(22)的上端，所述水砂分离罐(22)内的底部设有称重装置。
2.根据权利要求1所述的一种水砂突涌试验系统中水砂分离和计量装置，其特征在于，所述封闭装置包括设置在固定箱(41)内的推块(42)，所述固定箱(41)的一侧设有第一螺纹通孔，所述第一螺纹通孔内贯穿设有螺杆(40)，所述螺杆(40)的一端转动连接在推块(42)的一侧，所述螺杆(40)的另一端固定有转动轮(39)，所述第二输气管(21)和连接管上均设有第三开口，且推块(42)和第三开口相对应。
3.根据权利要求1所述的一种水砂突涌试验系统中水砂分离和计量装置，其特征在于，所述减震装置包括转动连接在固定板(29)上端的两个套管(2)，所述套管(2)内的相对侧壁上均设有滑槽(33)，所述滑槽(33)内安装有滑块(32)，两个滑块(32)之间共同固定有压板(31)，所述套管(2)内的底部固定有弹簧(34)，所述弹簧(34)的一端固定在压板(31)的一侧，所述压板(31)的另一侧固定有压杆(30)，所述压杆(30)的一端贯穿套管(2)的侧壁并转动连接在操作台(5)的一侧。
4.根据权利要求1所述的一种水砂突涌试验系统中水砂分离和计量装置，其特征在于，所述夹持装置包括固定在四个承载杆(6)上端的四个支撑板(18)，四个支撑板(18)的上端均抵触在试验舱(17)的下端，所述支撑板(18)的一侧固定有夹持环(26)，且四个夹持环(26)的一侧均抵触在试验舱(17)的一侧。
5.根据权利要求1所述的一种水砂突涌试验系统中水砂分离和计量装置，其特征在于，所述试验舱(17)的下端连接有连接盖(7)，所述连接盖(7)的下端设有凹槽(35)，所述水砂通道(38)的上端固定有连接头(36)，所述连接头(36)的上端延伸至凹槽(35)内，所述连接头(36)的一周侧壁上设有外螺纹(37)，所述凹槽(35)内的一周侧壁上设有和外螺纹(37)相对应的内螺纹，且外螺纹(37)和内螺纹相对应。
6.根据权利要求1所述的一种水砂突涌试验系统中水砂分离和计量装置，其特征在于，所述操作台(5)的两侧均固定有连接板(28)，所述连接板(28)上设有第二螺纹通孔，所述第二螺纹通孔内贯穿设有第一螺栓(4)。
7.根据权利要求1所述的一种水砂突涌试验系统中水砂分离和计量装置，其特征在于，所述烘干装置包括固定在承载台(25)一侧的热风机(24)，所述热风机(24)一端连接有第二输气管(21)，所述水砂分离罐(22)的上端连接有进气管(44)，所述第二输气管(21)的一端可拆卸连接在进气管(44)的上端。
8.根据权利要求4所述的一种水砂突涌试验系统中水砂分离和计量装置，其特征在于，所述支撑板(18)上设有第三螺纹通孔，所述试验舱(17)的两侧均设有和第三螺纹通孔对应的螺纹盲孔，所述第三螺纹通孔内贯穿设有第二螺栓，且第二螺栓的一端延伸至螺纹盲孔内。
9.根据权利要求1所述的一种水砂突涌试验系统中水砂分离和计量装置，其特征在于，所述水砂分离罐(22)的一侧连接有排水管(23)和排气管，所述排水管(23)和排气管上均设有阀门。
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