CN112679149B - 深层矿井蓄热水泥砂浆制备及垂直防固化输浆系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了深层矿井蓄热水泥砂浆制备及垂直防固化输浆系统，包括料浆搅拌罐、料浆防溅罩、井上输浆管道、输浆直管、渐缩管、输浆中空管、渐扩管、弯头、井下水平管道和安装于井下水平管道上的水灰比检测仪和井下输浆泵；输浆直管一端与料浆防溅罩下部开口连通，井上输浆管道上安装有第一电磁式流量调节阀，渐扩管与弯头竖直段连通，输浆直管上安装有第一压力传感器，输浆中空管上安装有加热器，弯头的竖直段上安装有第二压力传感器，井下水平管道一端与弯头水平段连通，另一端向远离弯头水平段的方向延伸，井下水平管道上安装有第三压力传感器和第四压力传感器。该系统方便进行蓄热水泥砂浆输送到深层矿井，操作方便，成本低，工作可靠度高。

Description

深层矿井蓄热水泥砂浆制备及垂直防固化输浆系统及方法

技术领域

本发明属于高温深层矿井充填技术领域，具体涉及深层矿井蓄热水泥砂浆制备及垂直防固化输浆系统及方法。

背景技术

随着浅部资源逐渐减少和枯竭，开采深度越来越大，目前我国面临深部开采的矿山占全国矿山总数的90％，对于深部矿床开采，必定会出现高地应力、高地温等诸多问题，所以深部矿山开采时，高地应力造成的安全问题、高地温带来的热害问题日益成为制约深部矿床有效开采的重要因素。

充填采矿法是伴随落矿、运搬及进行其他作业的同时，用充填料充填采空区的采矿方法。随着回采工作面的推进，向采空区送入充填材料，以进行地压管理、控制围岩崩落和地表移动，并在形成的充填体上或在其保护下进行回采，是深部开采时控制地压的有效措施。在利用充填法进行深部矿床开采的同时，充填材料如果添加蓄热功能材料，则可以利用其蓄热性能吸收周围围岩及采场风流热量进行蓄热，吸收地热的同时实现采场降温，即利用充填体进行地热开采并实现采场协同降温。

对于深井充填采矿法的制备蓄热浆和输送过程中，快速制备定形相变材料和深井输送蓄热浆过程是两个重要的环节。现有制备定形相变材料技术无法满足制备充填蓄热浆时定形相变材料的大量使用的要求，且在制备定形相变材料的过程中存在大量的未使用的相变材料溶液被浪费，十分不环保，并且对于水泥砂浆的深井输送过程中，大多使用缓降装置如卸压箱、蝶阀等，来避免水泥砂浆在深井垂直管道中的固化、堵管和离析，由于深井管道很长，在垂直管道上要设置数量众多的缓降装置，为了容纳缓降装置需要把深井挖掘直径相应扩大，增大深井挖掘难度，且缓降装置不利于回收再次利用，当前在这两个环节上，还存在上述诸多问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供深层矿井蓄热水泥砂浆制备及垂直防固化输浆系统及方法。该深层矿井蓄热水泥砂浆及垂直防固化输浆系统，结构简单，设计新颖合理，方便进行蓄热水泥砂浆输送到深层矿井，操作方便，成本底，通过设置包括渐缩管、输浆中空管、渐扩管、加热器和水灰比检测仪的深井垂直输浆系统，使蓄热浆处于适宜的水灰比状态，工作可靠度高。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种深层矿井蓄热水泥砂浆制备及垂直防固化输浆系统，其特征在于，包括深井垂直输浆系统，所述深井垂直输浆系统包括井上输浆系统、垂直输浆管道、弯头和井下水平输浆管道；

所述井上输浆系统包括料浆搅拌罐、料浆防溅罩和用于将料浆搅拌罐中的料浆输送到料浆防溅罩的井上输浆管道；

所述垂直输浆管道包括依次连接的输浆直管、渐缩管、输浆中空管和渐扩管，所述输浆直管远离渐缩管的一端与料浆防溅罩下部开口连通；

所述井上输浆管道上安装有第一电磁式流量调节阀；

所述弯头包括垂直连通的竖直段和水平段，所述水平段的中轴延长线与渐扩管的中轴延长线垂直，所述渐扩管远离输浆中空管的一端与所述弯头的竖直段连通；

所述输浆直管上靠近料浆防溅罩处安装有第一压力传感器；

所述输浆中空管上靠近渐扩管处安装有加热器，所述加热器上连接有加热器温度传感器，所述加热器的数量为多个；

所述弯头的竖直段上安装有第二压力传感器；

所述井下水平输浆管道包括井下水平管道和安装于井下水平管道上的水灰比检测仪和井下输浆泵，所述井下水平管道一端与所述弯头水平段连通，所述井下水平管道另一端向远离弯头水平段的方向延伸；

所述井下水平管道上靠近弯头处安装有第三压力传感器，所述井下水平管道上远离弯头处安装有第四压力传感器。

上述的深层矿井蓄热水泥砂浆制备及垂直防固化输浆系统，其特征在于：还包括制备定形相变材料装置和复合搅拌砂浆装置；

所述制备定形相变材料装置包括一级材料储存设备、一级称重装置、二级称重装置、恒温搅拌制备容器、冷却装置、废液回收装置和物料提升机；

所述一级材料储存设备包括相变材料储存箱、改变相变温度材料储存箱、去离子水箱和载体材料储存箱；

所述恒温搅拌制备容器包括设置于一级称重装置下方且与一级称重装置下部开口连通的一级恒温搅拌装置和设置于二级称重装置下方且与二级称重装置下部开口连通的二级恒温搅拌装置；

所述相变材料储存箱的底部和改变相变温度材料储存箱的底部分别设置有用于向一级称重装置传输物料的管道；

所述去离子水箱与一级恒温搅拌装置连通，去离子水箱与一级恒温搅拌装置的连接管道上安装有第二电磁式流量调节阀；

所述冷却装置包括一级冷却器和二级冷却器，所述废液回收装置包括一级废液泵、二级废液泵和第三电磁式流量调节阀，所述一级冷却器的上部开口与一级恒温搅拌装置的下侧部开口通过管道连接；

所述一级恒温搅拌装置的侧面连接有废液主管路，所述一级废液泵的入口端与一级冷却器下侧部开口连通，所述二级废液泵的入口端与二级恒温搅拌装置连通，所述一级废液泵的出口端和二级废液泵的出口端均与所述废液主管路连通，所述第三电磁式流量调节阀安装于所述废液主管路上；

所述一级冷却器和载体材料储存箱的底部分别设置有用于向二级称重装置传输物料的管道；

所述物料提升机设置于二级恒温搅拌装置和二级冷却器之间；

所述复合搅拌砂浆装置包括二级材料储存设备、三级称重装置和与三级称重装置的下部开口连通的双卧轴搅拌机；

所述二级材料储存设备包括填料储存罐、水泥储存罐、水箱和与所述二级冷却器的底部连通的定形相变材料储存箱；

所述定形相变材料储存箱的下部、水泥储存罐的下部、填料储存罐的下部分别设置有用于向三级称重装置传输物料的管道；

所述水箱与双卧轴搅拌机的上部开口管道连接，连接水箱与双卧轴搅拌机的连接管道上安装有第四电磁式流量调节阀；

所述双卧轴搅拌机的下侧部开口与料浆搅拌罐的上部开口连通，所述双卧轴搅拌机和料浆搅拌罐连接的管路上安装有料浆提升泵。

上述的深层矿井蓄热水泥砂浆制备及垂直防固化输浆系统，其特征在于：还包括防固化输浆监测及控制系统，所述防固化输浆监测及控制系统包括计算机和与计算机相接的数据采集控制器；所述水灰比检测仪连接有水灰比信号传感器；

所述水灰比信号传感器、第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第四压力传感器和加热器温度传感器均与所述数据采集控制器的输入端连接，所述第一电磁式流量调节阀与数据采集控制器的输出端连接。

上述的深层矿井蓄热水泥砂浆制备及垂直防固化输浆系统，其特征在于：多个所述加热器在所述输浆中空管靠近渐扩管处外壁轴向和周向均布，安装有加热器的输浆中空管的长度为输浆中空管总长度的5％～20％。

此外，本发明还提供一种采用上述深层矿井蓄热水泥砂浆制备及垂直防固化输浆系统进行深层矿井蓄热水泥砂浆制备及垂直防固化输浆的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、制备相变材料，具体包括：

步骤101、运行一级称重装置，向一级恒温搅拌装置中加入预设量的相变材料和改变相变温度材料，开启第二电磁式流量调节阀，向一级恒温搅拌装置中加入预设量的去离子水；

步骤102、开启搅拌使一级恒温搅拌装置内物料均匀混合，得到液态相变材料；

步骤103、步骤102中的液态相变材料经一级恒温搅拌装置的下侧部开口流入到一级冷却器中冷却，得到固态饱和相变材料；

冷却结束后开启一级废液泵，在一级废液泵作用下，一级冷却器中未结晶液相回到一级恒温搅拌装置；

步骤104、运行二级称重装置，向二级恒温搅拌装置中加入预设量的固态饱和相变材料和载体材料；

步骤105、开启搅拌使二级恒温搅拌装置内物料均匀混合，得到吸附有相变材料的固体载体材料；

二级恒温搅拌装置内物料均匀混合后开启二级废液泵，在二级废液泵的作用下，二级恒温搅拌装置中液相相变材料回到一级恒温搅拌装置中；

步骤106、步骤105中的吸附有相变材料的固体载体材料经物料提升机进入二级冷却器进行冷却，得到定形相变材料，所述定形相变材料经二级冷却器下部开口进入定形相变材料储存箱；

步骤二、蓄热浆制备，具体包括：

运行三级称重装置，向双卧轴搅拌机中依次加入预设量所述定形相变材料、水泥和填料材料，开启搅拌使双卧轴搅拌机内物料均匀混合，开启第四电磁式流量调节阀向双卧轴搅拌机中加入预设量自来水，继续搅拌，得到高水灰比蓄热浆；

启动料浆提升泵将所述高水灰比蓄热浆输送到料浆搅拌罐；

向双卧轴搅拌机中加入的自来水的体积为将定形相变材料、水泥和填料材料配制为预定含水量料浆所需水体积的105％～110％；所述高水灰比蓄热浆的水灰比高于0.40；

步骤三、输浆，具体包括：

启动料浆搅拌罐对高水灰比蓄热浆进行搅拌；

启动第一电磁式流量调节阀，搅拌后高水灰比蓄热浆经井上输浆管道进入料浆防溅罩后依次经过输浆直管、渐缩管流入输浆中空管被加热器加热，加热后蓄热浆经渐扩管、弯头和井下水平管道进行输送。

上述的方法，其特征在于，还包括利用回到一级恒温搅拌装置中的液相材料配制液态相变材料，将配制得到的液态相变材料经步骤103～步骤106制备得到定形相变材料并储存在定形相变材料储存箱中；所述液相材料包括经一级废液泵回到一级恒温搅拌装置中的所述未结晶液相和/或经二级废液泵回到一级恒温搅拌装置中的所述液相相变材料；

利用液相材料配制液态相变材料具体包括：在一级废液泵和/或二级废液泵作用结束后运行一级称重装置向一级恒温搅拌装置中加入步骤101中所述的相变材料和改变相变温度材料，开启第二电磁式流量调节阀，向一级恒温搅拌装置中加入去离子水，然后按照步骤102的方法得到液态相变材料；加入的去离子水的体积为步骤101中去离子水的预设量-液相材料体积。

上述的方法，其特征在于，步骤三中进入渐缩管的高水灰比蓄热浆为满流状态高水灰比蓄热浆，控制进入渐缩管的高水灰比蓄热浆为满流状态高水灰比蓄热浆的方法包括：

计算机将数据采集控制器中接收的第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器和第四压力传感器实时检测数据按照公式(1)和(2)进行计算，得到渐缩管上部开口处到弯头竖直段入口处垂直距离H_c和蓄热浆在井下水平管道能被运送的最长水平距离L_c，并将计算得到的H_c与预设H₀和计算得到的L_c与预设L₀分别进行比较，

当计算得到的H_c小于预设H₀时，数据采集控制器控制第一电磁式流量调节阀按照预设增大幅度增大开度，至H_c等于预设H₀；

当计算得到的H_c大于预设H₀时，数据采集控制器控制第一电磁式流量调节阀按照预设减小幅度减小开度，至H_c等于预设H₀；

当计算得到的H_c等于预设H₀时，第一电磁式流量调节阀开度保持不变；预设增大幅度和预设减小幅度均为第一电磁式流量调节阀总开度的3％～5％；所述预设H₀为预先输入到计算机中的渐缩管上部开口处到弯头竖直段入口处的实际高度；

当计算得到的L_c小于预设L₀时，井下输浆泵开启；

当计算得到的L_c大于等于预设L₀时，井下输浆泵不开启；

所述预设L₀为预先输入到计算机中的井下水平管道的实际长度；

其中，H_c为渐缩管上部开口处到弯头竖直段入口处垂直距离，单位为m；

L_c为蓄热浆在井下水平管道能被运送的最长水平距离，单位为m；

H为井口到弯头竖直段入口处的垂直距离，单位为m；

N为井口到弯头竖直段入口处的垂直距离H和井下水平管道两者之和与井口到底部弯头竖直段入口处的垂直距离H之比；

i_a为第一压力传感器读数减去第二压力传感器读数之差与井口到弯头竖直段入口处垂直距离之比，单位为Pa·m^-1；

i_b为第三压力传感器读数减去第四压力传感器读数之差与井下水平管道总长度之比，单位为Pa·m^-1；

β为阻力系数；

ρ_j为料浆密度，单位为t·m^-3。

上述的方法，其特征在于，在将计算得到的H_c与预设H₀进行比较之前还包括按照公式(3)计算并判断弯头竖直段与水平段连接处的最大压力P_max是否满足P_max≤弯头最大承压，当P_max≤弯头最大承压时，继续进行计算得到的H_c与预设H₀和计算得到的L_c与预设L₀分别进行比较；

当计算得到的P_max＞弯头最大承压，停止进行输浆，对弯头进行更换，直至P_max≤弯头最大承压；

公式(3)为P_max＝(ρ_j·g-β·i_a)·H_c；

P_max为弯头竖直段与水平段连接处的最大压力，单位为Pa。

上述的方法，其特征在于，步骤三输浆过程还包括控制进入井下水平管道中的蓄热浆为适宜水灰比蓄热浆，控制方法包括：

水灰比信号传感器实时将井下水平管道内蓄热浆的水灰比信号经数据采集控制器传输到计算机，与预设水灰比进行比较，当检测的水灰比高于预设水灰比时，加热器的加热功率增大，至检测到的水灰比等于预设水灰比；所述适宜水灰比蓄热浆的水灰比和预设水灰比均为0.38～0.40。

上述的方法，其特征在于：步骤三控制进入井下水平管道中的蓄热浆为适宜水灰比蓄热浆的过程，还包括控制加热温度使加热温度保持在预设温度区间范围内，控制方法包括：加热器温度传感器检测并传递输浆中空管中空部分的温度至数据采集控制器；

当检测温度低于预设温度区间范围下限时，加热器的加热功率增大至温度处于预设温度区间范围内。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明的深层矿井蓄热水泥砂浆及垂直防固化输浆系统，结构简单，设计新颖合理，方便进行蓄热水泥砂浆输送到深层矿井，操作方便，成本底。

2、本发明的本发明提供一种包括深井垂直输浆系统的深层矿井蓄热水泥砂浆制备及垂直防固化输浆系统，该深井垂直输浆系统包括渐缩管、输浆中空管、渐扩管、加热器和水灰比检测仪，以使蓄热浆处于适宜的水灰比状态，工作可靠度高。

3、本发明的深层矿井蓄热水泥砂浆及垂直防固化输浆系统，包括制备定形相变材料装置，能够准确快速制备深层矿井内蓄热浆所需求的定形相变材料，通过废液泵将一级冷却器和二级恒温搅拌装置中液相材料运送回一级恒温搅拌装置中进行回收，节约材料并且效率很高。

4、作为优选，本发明利用密封件和保温隔板将本领域常用冷却器分隔形成一级冷却器和二级冷却器，一级冷却器和二级冷却器共用制冷控制器，保持相同冷却温度，既可以满足制备定形相变材料的二级冷却功能，又做到充分节省空间，提高设备效率。

5、在利用本发明的深层矿井蓄热水泥砂浆及垂直防固化输浆系统进行深层矿井蓄热水泥砂浆制备及垂直防固化输浆时，无需使下落至渐缩管之前的蓄热浆处于满流状态，可有效减少满管流动的蠕动速率慢和对管道内壁损伤的缺陷。

6、利用本发明的深层矿井蓄热水泥砂浆及垂直防固化输浆系统进行深层矿井蓄热水泥砂浆制备及垂直防固化输浆的方法包括先制备高水灰比蓄热浆，随后通过加热使输浆中空管中高水比蓄热浆内部多余水分蒸发，可以有效防止蓄热浆在输浆中空管上发生固化，解决蓄热浆在深井长管道传输过程中容易固化的问题的同时保证到达井下的蓄热浆的质量品质。

下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为一级冷却器、二级冷却器和二级恒温搅拌装置与第三电磁式流量调节阀的连接关系示意图；

图3为加热器及垂直输浆中空管刨面连接关系示意图；

图4为料浆搅拌罐、料浆防溅罩、输浆直管、渐缩管和输浆中空管的连接关系示意图；

图5为输浆中空管、渐扩管、弯头和井下水平管道的连接关系示意图；

图6为控制防固化输浆监测系统的电路原理框图。

图7为称重控制的电路原理框图。

图8为流量控制的电路原理框图。

附图标记说明

1—去离子水箱； 2—相变材料储存箱； 3—改变相变温度材料储存箱；

4—第二电磁式流量调节阀； 5—一级称重装置； 6—一级恒温搅拌装置；

7—一级冷却器； 8—二级冷却器； 9—保温隔板；

10—密封件； 11—二级称重装置； 12—载体材料储存箱；

13—一级废液泵； 14—二级废液泵； 15—第三电磁式流量调节阀；

16—二级恒温搅拌装置； 17—物料提升机； 18—定形相变材料储存箱；

19—填料储存罐； 20—水泥储存罐； 21—水箱；

22—三级称重装置； 23—第四电磁式流量调节阀；

24—双卧轴搅拌机； 25—料浆提升泵； 26—料浆搅拌罐；

27—挡板； 28—第一电磁式流量调节阀；

29—井上输浆管道； 30—料浆防溅罩； 31—输浆直管；

32—渐缩管； 33—输浆中空管； 34—加热器；

35—加热器支撑件； 36—渐扩管； 37—弯头；

38—第一段井下水平管道； 39—水灰比检测仪； 40—井下水平管道；

41—第一压力传感器； 42—第二压力传感器；

43—第三压力传感器； 44—第四压力传感器；

45—法兰； 46—螺栓螺母组件； 47—过滤网；

48—数据采集控制器； 48-1—电源模块； 48-2—PLC模块处理器；

48-3—手动操作电路； 48-4—数据存储装置；

48-5—通信模块； 49—计算机； 50—水灰比信号传感器；

51—加热器温度传感器； 52—加热器控制器；

53—井下输浆泵； 54—井下输浆泵控制器。

具体实施方式

如图1～8所示，本实施例的深层矿井蓄热水泥砂浆制备及垂直防固化输浆系统，包括深井垂直输浆系统，所述深井垂直输浆系统包括井上输浆系统、垂直输浆管道、弯头37和井下水平输浆管道；

所述井上输浆系统包括料浆搅拌罐26、料浆防溅罩30和用于将料浆搅拌罐26中的料浆输送到料浆防溅罩30的井上输浆管道29；所述井上输浆管道29一端与料浆搅拌罐26的下部开口连通，所述井上输浆管道29的另一端与料浆防溅罩30的上部开口连通；

所述垂直输浆管道包括依次连接的输浆直管31、渐缩管32、输浆中空管33和渐扩管36，所述输浆直管31远离渐缩管32的一端与料浆防溅罩30下部开口连通；所述料浆搅拌罐26的搅拌为慢速搅拌，其搅拌速率为10r/min～20r/min；

料浆防溅罩30、输浆直管31、渐缩管32、输浆中空管33和渐扩管36由上向下依次设置，料浆防溅罩30下部开口与输浆直管31连接，输浆直管31下部开口与渐缩管32的大口径端连接，渐缩管32的小口径端与输浆中空管33中的内套管的上部开口连通，输浆中空管33中的内套管的下部开口与渐扩管36的小口径端连通；

所述输浆直管31设置于料浆防溅罩30下部；

所述井上输浆管道29上安装有第一电磁式流量调节阀28；第一电磁式流量调节阀28用于控制蓄热浆进入垂直输浆管道的流量；

所述弯头37包括垂直连通的竖直段和水平段，所述水平段的中轴延长线与渐扩管36的中轴延长线垂直，所述渐扩管36远离输浆中空管33的一端与所述弯头37的竖直段连通；所述渐扩管36的大口径端与所述弯头37的竖直段开口连通；

所述输浆直管31上靠近料浆防溅罩30处安装有第一压力传感器41；

所述输浆中空管33上靠近渐扩管36处安装有加热器34，所述加热器34上连接有加热器温度传感器51，所述加热器34的数量为多个；

所述弯头37的竖直段上安装有第二压力传感器42；

所述输浆直管31为多段式输浆直管，相邻两段通过法兰连接；

所述输浆中空管33为由内套管和外套管组成的双层套管结构，内套管和外套管之间为中空结构，加热器34安装于输浆中空管33外套管的外壁面上；

所述井下水平输浆管道包括井下水平管道40和安装于井下水平管道40上的水灰比检测仪39和井下输浆泵53，所述井下水平管道40一端与所述弯头37水平段连通，所述井下水平管道40另一端向远离弯头37水平段的方向延伸；

所述井下水平管道40上靠近弯头37处安装有第三压力传感器43，所述井下水平管道40上远离弯头37处安装有第四压力传感器44。

所述水灰比检测仪39连接于井下水平管道40靠近所述弯头37的一侧的侧壁上；所述井下输浆泵53安装于井下水平管道40的中部；

井下水平管道40为多段式井下水平管道，包括连通的第一段井下水平管道38和其余段井下水平管道，相邻两段通过法兰连接，所述第三压力传感器43设置于第一段井下水平管道38的侧壁上，所述第四压力传感器44设置于最后一段井下水平管道上；

所述料浆防溅罩30、多段输浆直管31、渐缩管32、多段输浆中空管33、渐扩管36、弯头37、第一段井下水平管道38第二段井下水平管道和其余段井下水平管道均通过法兰45进行连接，所述法兰45分别设置于相邻两段的端头处，所述法兰45上设置有螺栓螺母组件46，两个法兰45通过螺栓螺母组件46紧固连接。

本实施例的深层矿井蓄热水泥砂浆制备及垂直防固化输浆系统，还包括制备定形相变材料装置和复合搅拌砂浆装置；

所述制备定形相变材料装置包括一级材料储存设备、一级称重装置5、二级称重装置11、恒温搅拌制备容器、冷却装置、废液回收装置和物料提升机17；

所述一级材料储存设备包括相变材料储存箱2、改变相变温度材料储存箱3、去离子水箱1和载体材料储存箱12；

所述相变材料包括六水氯化钙和/或十水硫酸钠；

所述改变相变温度材料包括六水氯化锶和/或硼砂；

所述载体材料包括膨胀蛭石和/或膨胀珍珠岩；

所述恒温搅拌制备容器包括设置于一级称重装置5下方且与一级称重装置5下部开口连通的一级恒温搅拌装置6和设置于二级称重装置11下方且与二级称重装置11下部开口连通的二级恒温搅拌装置16；

所述相变材料储存箱2的底部和改变相变温度材料储存箱3的底部分别设置有用于向一级称重装置5传输物料的管道；

所述去离子水箱1与一级恒温搅拌装置6连通，去离子水箱1与一级恒温搅拌装置6的连接管道上安装有第二电磁式流量调节阀4；

所述冷却装置包括一级冷却器7和二级冷却器8，所述废液回收装置包括一级废液泵13、二级废液泵14和第三电磁式流量调节阀15，所述一级冷却器7的上部开口与一级恒温搅拌装置6的下侧部开口通过管道连接；作为一种可行的实施方式，所述一级废液泵13和二级废液泵14均为铸铁气动隔膜泵；

所述一级恒温搅拌装置6的侧面连接有废液主管路，所述一级废液泵13的入口端与一级冷却器7下侧部开口连通，所述二级废液泵14的入口端与二级恒温搅拌装置16连通，所述一级废液泵13的出口端和二级废液泵14的出口端均与所述废液主管路连通，所述第三电磁式流量调节阀15安装于所述废液主管路上；一级恒温搅拌装置6与一级冷却器7连通的下侧部开口和一级恒温搅拌装置6连接废液主管路的开口位于一级恒温搅拌装置6相对的两个侧面上；

所述一级冷却器7和载体材料储存箱12的底部分别设置有用于向二级称重装置11传输物料的管道；

所述物料提升机17设置于二级恒温搅拌装置16和二级冷却器8之间；物料提升机17用于将从二级恒温搅拌装置16底部送出的吸满相变材料的固态载体材料运送至二级冷却器8的上部开口，所述吸满相变材料的固态载体材料为二级恒温搅拌装置中物料均匀混合后的固态物质；

所述复合搅拌砂浆装置包括二级材料储存设备、三级称重装置22和与三级称重装置22的下部开口连通的双卧轴搅拌机24；所述三级称重装置22下部开口与双卧轴搅拌机24入口端连接；所述双卧轴搅拌机24用于搅拌混合定形相变材料、水泥和填料材料，所述填料材料为尾砂；

所述一级称重装置5、二级称重装置11和三级称重装置22均包括计量阀、LDC-S失重料斗秤和关料阀，通过计量阀、LDC-S失重料斗秤和关料阀和配合实现对物料的称取；一级称重装置5中的计量阀分别设置于相变材料储存箱2底部开口处和改变相变温度材料储存箱3底部开口处，一级称重装置5中的关料阀设置于相应LDC-S失重料斗秤下部开口处；如图7所示，每个所述LDC-S失重料斗秤均连接有失重料斗秤压力传感器，每个所述失重料斗秤压力传感器均与称重PLC模块的输入端连接；

二级称重装置11中的计量阀分别设置于一级冷却器7底部开口处和载体材料储存箱12底部开口处，二级称重装置11中关料阀设置于相应LDC-S失重料斗秤下部开口处；

三级称重装置22中的计量阀分别设置于定形相变材料储存箱18底部开口处、水泥储存罐20底部开口处和填料储存罐19底部开口处，三级称重装置22中的关料阀设置于相应LDC-S失重料斗秤下部开口处；

如图7所示，以上称重装置中的每个所述计量阀和关料阀均连接于所述称重PLC模块的输出端上；同一级称重装置内的计量阀和关料阀均处于互斥状态，即同一级称重装置内的任一计量阀打开状态下，其余计量阀和关料阀均关闭；

所述二级材料储存设备包括填料储存罐19、水泥储存罐20、水箱21和与所述二级冷却器8的底部连通的定形相变材料储存箱18；

所述定形相变材料储存箱18的下部、水泥储存罐20的下部、填料储存罐19的下部分别设置有用于向三级称重装置22传输物料的管道；

所述水箱21与双卧轴搅拌机24的上部开口管道连接，连接水箱21与双卧轴搅拌机24的连接管道上安装有第四电磁式流量调节阀23；

所述双卧轴搅拌机24的下侧部开口与料浆搅拌罐26的上部开口连通，所述双卧轴搅拌机24和料浆搅拌罐26连接的管路上安装有料浆提升泵25。

如图8所示，第二电磁式流量调节阀4的流量传感器、第三电磁式流量调节阀15的流量传感器和第四电磁式流量调节阀23的流量传感器均与流量PLC模块的输入端连接；所述去离子水箱1上设置有去离子水箱开关调节阀，所述一级废液泵13上连接有一级废液泵开关控制器，所述二级废液泵14上连接有二级废液泵开关控制器，所述水箱21上设置有水箱开关调节阀；所述去离子水箱开关调节阀、一级废液泵开关控制器、二级废液泵开关控制器和水箱开关调节阀均与所述流量PLC模块的输出端连接；

本实施例的深层矿井蓄热水泥砂浆制备及垂直防固化输浆系统，还包括防固化输浆监测及控制系统，所述防固化输浆监测及控制系统包括计算机49和与计算机49相接的数据采集控制器48；所述水灰比检测仪39的输出端连接有水灰比信号传感器50；所述加热器34连接有加热器控制器52，所述井下输浆泵53连接有井下输浆泵控制器54；

所述水灰比信号传感器50、第一压力传感器41、第二压力传感器42、第三压力传感器43、第四压力传感器44和加热器温度传感器51均与所述数据采集控制器48的输入端连接，所述第一电磁式流量调节阀28与数据采集控制器48的输出端连接；

所述数据采集控制器48的输出端还与加热器控制器52和井下输浆泵控制器54连接；

具体实施时，通过加热器控制器52对加热器34的加热功率进行控制。

作为一种可行的实施方式，所述数据采集控制器48包括PLC模块处理器48-2、手动操作电路48-3、数据存储装置48-4、通信模块48-5和为数据采集控制器48内各用电单元供电的电源模块48-1，所述PLC模块处理器48-2、数据存储装置48-4和手动操作电路48-3分别与通信模块48-5连接，所述通信模块48-5与计算机49连接并通信；

所述水灰比信号传感器50、第一压力传感器41、第二压力传感器42、第三压力传感器43、第四压力传感器44和加热器温度传感器51分别连接于PLC模块处理器48-2的输入端上，

所述加热器控制器52、第一电磁式流量调节阀28及井下输浆泵控制器54分别连接于PLC模块处理器48-2的输出端上。

作为一种可行的实施方式，所述相变材料储存箱2、改变相变温度材料储存箱3、载体材料储存箱12和定形相变材料储存箱18的材质均为防潮材质；

所述相变材料储存箱2、改变相变温度材料储存箱3、载体材料储存箱12和定形相变材料储存箱18内的物料湿度均低于30％；

所述水泥储存罐20和填料储存罐19的材质均为不锈钢。

作为一种可行的实施方式，所述一级称重装置5和二级称重装置11的称重精度均为0.5级，所述三级称重装置22的称重精度为2.5级。

作为一种可行的实施方式，所述一级恒温搅拌装置6和二级恒温搅拌装置16的外部均设置有保温层；所述一级恒温搅拌装置6和二级恒温搅拌装置16中的搅拌均为磁力搅拌。

作为一种可行的实施方式，所述一级废液泵13与一级冷却器7连通的管路上和所述二级废液泵14与二级恒温搅拌装置16连通的管路上均设置有过滤网47。过滤网47为致密过滤网，用于防止一级冷却器7中的固态饱和相变材料流入到一级废液泵13，以及防止二级恒温搅拌装置16中载体材料残渣流入到二级废液泵14造成损坏。所述一级冷却器7和二级冷却器8为冷却器经内部阻隔件分隔而成，所述冷却器为本领域常用冷却器，所述阻隔件包括密封件10和保温隔板9。

作为一种可行的实施方式，所述料浆搅拌罐26内部且位于料浆搅拌罐26上部开口的下方安装有挡板27。所述料浆搅拌罐26内安装有搅拌叶片，所述挡板27一端设置于料浆搅拌罐26内部侧壁上，所述挡板27另一端延伸到搅拌叶片上方，挡板27可作为蓄热浆下落缓冲，防止蓄热浆直接冲击搅拌叶片，造成料浆搅拌罐26内部的搅拌叶片损坏。

本实施例的深层矿井蓄热水泥砂浆制备及垂直防固化输浆系统，多个所述加热器34在所述输浆中空管33靠近渐扩管36处外壁轴向和周向均布，安装有加热器34的输浆中空管33的长度为输浆中空管33总长度的5％～20％。所述加热器34的加热面紧贴输浆中空管33外壁，加热器34通过加热器支撑件35与管道紧贴，加热器温度传感器51用于检测内部物料的温度，安装有加热器34的输浆中空管33的长度可根据不同的深井输送长度进行调整；

实施例2

一种采用实施例1所述深层矿井蓄热水泥砂浆制备及垂直防固化输浆系统进行深层矿井蓄热水泥砂浆制备及垂直防固化输浆的方法，包括以下步骤：

步骤一、制备相变材料，具体包括：

步骤101、运行一级称重装置5，向一级恒温搅拌装置6中加入预设量的相变材料和改变相变温度材料，开启第二电磁式流量调节阀4，向一级恒温搅拌装置6中加入预设量的去离子水；作为一种可行的实施方式，向一级恒温搅拌装置6中加入预设量的相变材料和改变相变温度材料的过程，可以为：相变材料储存箱2下部的计量阀打开，其余计量阀和关料阀均关闭，相变材料进入LDC-S失重料斗秤并按照预设失重速率进入一级恒温搅拌装置6，LDC-S失重料斗秤内物料的重量变化经LDC-S失重料斗秤的压力传感器传递给与之相连的称重PLC模块，待达到预定值时，称重PLC模块发出信号关闭相变材料储存箱2下部的计量阀，同时打开一级称重装置关料阀，预设量相变材料进入一级恒温搅拌装置6；称取改变相变温度材料的过程同上；

作为一种可行的实施方式，向一级恒温搅拌装置6中加入预设量的去离子水的过程可以为：流量PLC模块控制所述去离子水箱开关调节阀打开，在重力作用下，去离子水流经第二电磁式流量调节阀4，被第二电磁式流量调节阀4内的流量传感器监测并将监测得到的流量信号实时传输给流量PLC模块，当达到预设值时，流量PLC模块发出信号关闭去离子水箱开关调节阀；

去离子水的预设量为相变材料和改变相变温度材料在去离子水中达到饱和所需去离子的体积；

去离子水的预设量V的单位为m³，去离子水的预设量V按照以下公式进行计算V＝πD²vt/4，其中，t为液体流经时间，单位为s；D为管道内径，单位为m；v为经过第二电磁式流量调节阀4的流速，单位为m/s；

步骤102、开启搅拌使一级恒温搅拌装置6内物料均匀混合，得到液态相变材料；作为一种可行的实施方式，利用一级恒温搅拌装置6将所述物料搅拌至混合均匀，得到液态相变材料的条件为：恒定温度条件下，300r/min搅拌速率条件下搅拌1h；所述恒定温度为相变材料融化温度+(20℃～25℃)，比如，相变材料六水氯化钙的融化温度为30℃，一级恒温搅拌装置6的恒定温度可以为50℃～55℃；

步骤103、设定一级冷却器7的冷却温度为0～2℃，步骤102中的液态相变材料经一级恒温搅拌装置6的下侧部开口流入到一级冷却器7后在0～2℃温度条件下冷却40min～60min，得到固态饱和相变材料；

冷却结束后开启一级废液泵13，在一级废液泵13作用下，一级冷却器7中未结晶液相回到一级恒温搅拌装置6；所述未结晶液相为一级冷却器7中未被冷却固化的液相；作为一种可行的实施方式，未结晶液相回到一级恒温搅拌装置6中的过程可以为：在一级废液泵13的作用下，未结晶液相流经第三电磁式流量调节阀15的流量传感器，第三电磁式流量调节阀15的流量传感器对未结晶液相流量进行实时监测并将监测到的信号实时传输给流量PLC模块，当监测到无流量或者达到一级废液泵预设运行时间时流量PLC模块控制关闭一级废液泵13，流量PLC模块换算得到未结晶液相体积；所述一级废液泵13预设运行时间为5min～10min；

步骤104、运行二级称重装置11，向二级恒温搅拌装置16中加入预设量的固态饱和相变材料和载体材料；

利用二级称重装置11称取固态饱和相变材料和载体材料和原理与利用一级称重装置5称取相变材料的原理相同，在此不做赘述；

步骤105、开启搅拌使二级恒温搅拌装置16内物料均匀混合，得到吸附有相变材料的固体载体材料；作为一种可行的实施方式，利用二级恒温搅拌装置16将所述物料搅拌至混合均匀，得到吸附有相变材料的固体载体材料的条件为：恒定温度条件下，300r/min搅拌速率条件下搅拌1h；所述恒定温度为相变材料融化温度+(20℃～25℃)，比如，相变材料六水氯化钙的融化温度为30℃，二级恒温搅拌装置16的恒定温度为50℃～55℃；

二级恒温搅拌装置16内物料均匀混合后开启二级废液泵14和第三电磁式流量调节阀15，在二级废液泵14的作用下，二级恒温搅拌装置16中液相相变材料回到一级恒温搅拌装置6中；恒定温度搅拌条件下，二级恒温搅拌装置16内的固态饱和相变材料融化，得到液态相变材料，所述液相相变材料为未被吸入载体中的液态相变材料；作为一种可行的实施方式，液相相变材料回到一级恒温搅拌装置6中的过程，可以为：在二级废液泵14的作用下，液相相变材料流经第三电磁式流量调节阀15的流量传感器，第三电磁式流量调节阀15的流量传感器对液相相变材料流量进行实时监测并将监测到的信号实时传输给流量PLC模块，当监测到无流量或达到二级废液泵14预设运行时间时，流量PLC模块控制关闭二级废液泵14，流量PLC模块换算得到液相相变材料体积；所述二级废液泵14预设运行时间为5min～10min；

步骤106、步骤105中的吸附有相变材料的固体载体材料经物料提升机17进入二级冷却器8在0～2℃温度条件下冷却40min～60min，得到定形相变材料，所述定形相变材料经二级冷却器8下部开口进入定形相变材料储存箱18；

步骤二、蓄热浆制备，具体包括：

运行三级称重装置22，向双卧轴搅拌机24中依次加入预设量所述定形相变材料、水泥和填料材料，开启搅拌使双卧轴搅拌机24内物料均匀混合，开启第四电磁式流量调节阀23向双卧轴搅拌机24中加入预设量自来水，继续搅拌，得到高水灰比蓄热浆；

启动料浆提升泵25将所述高水灰比蓄热浆输送到料浆搅拌罐26；

向双卧轴搅拌机24中加入的自来水的体积为将定形相变材料、水泥和填料材料配制为预定含水量料浆所需水体积的105％～110％；所述高水灰比蓄热浆的水灰比高于0.40；

利用三级称重装置22称取定形相变材料、水泥和填料材料与利用一级称重装置5称取相变材料的原理相同，在此不作赘述；

自来水的预设量的计算与去离子水的预设量的计算公式原理相同，在此不做赘述；

步骤三、输浆，具体包括：

启动料浆搅拌罐26，按照搅拌速率为10r/min～20r/min对高水灰比蓄热浆进行慢速搅拌；

启动第一电磁式流量调节阀28，搅拌后高水灰比蓄热浆经井上输浆管道29进入料浆防溅罩30后经过输浆直管31后，以满流状态进入渐缩管32，经渐缩管32下部开口流入输浆中空管33被加热器34加热，加热后蓄热浆经渐扩管36、弯头37后，以适宜水灰比状态进入井下水平管道40进行输送；

控制进入渐缩管32的高水灰比蓄热浆为满流状态高水灰比蓄热浆和控制进入井下水平管道40内的蓄热浆为适宜水灰比状态蓄热浆的方法包括：

控制进入渐缩管32的高水灰比蓄热浆为满流状态高水灰比蓄热浆的方法包括：计算机49将数据采集控制器48中接收的第一压力传感器41、第二压力传感器42、第三压力传感器43和第四压力传感器44实时检测数据按照公式(1)、公式(2)和公式(3)计算得到弯头37竖直段与水平段连接处的最大压力P_max、渐缩管32上部开口处到弯头37竖直段入口处垂直距离H_c和蓄热浆在井下水平管道40能被运送的最长水平距离L_c；

将计算得到P_max与弯头37最大承压进行比较，判断P_max是否满足P_max≤弯头37最大承压，当P_max≤弯头37最大承压时，分别比较计算得到的H_c与预设H₀和计算得到的L_c与预设L₀；

当计算得到的P_max＞弯头37最大承压，数据采集控制器48控制第一电磁式流量调节阀28关闭，停止进行输浆，对弯头37进行更换，直至P_max≤弯头37最大承压；

当计算得到的H_c小于预设H₀时，数据采集控制器48控制第一电磁式流量调节阀28按照预设增大幅度增大开度，至H_c等于预设H₀；

当计算得到的H_c大于预设H₀时，数据采集控制器48控制第一电磁式流量调节阀28按照预设减小幅度减小开度，至H_c等于预设H₀；

当计算得到的H_c等于预设H₀时，第一电磁式流量调节阀28开度保持不变；预设增大幅度和预设减小幅度均为第一电磁式流量调节阀28总开度的3％～5％；所述预设H₀为预先输入到计算机中的渐缩管32上部开口处到弯头37竖直段入口处的实际高度；

当计算得到的L_c小于预设L₀时，井下输浆泵控制器54控制开启井下输浆泵53，在井下输浆泵53的辅助作用下进行输浆；

当计算得到的L_c大于等于预设L₀时，井下输浆泵53不开启，输浆可以自动进行，无需启用井下输浆泵53；所述预设L₀为预先输入到计算机中的井下水平管道40的实际长度；

P_max＝(ρ_j·g-β·i_a)·H_c 公式(3)；

其中，H_c为渐缩管32上部开口处到弯头37竖直段入口处垂直距离，单位为m；

L_c为蓄热浆在井下水平管道40能被运送的最长水平距离，单位为m；

P_max为弯头37竖直段与水平段连接处的最大压力，单位为Pa；

H为井口到弯头37竖直段入口处的垂直距离，单位为m；

N为井口到弯头37竖直段入口处的垂直距离H和井下水平管道40两者之和与井口到底部弯头37竖直段入口处的垂直距离H之比；

i_a为第一压力传感器41读数减去第二压力传感器42读数之差与井口到弯头37竖直段入口处垂直距离之比，单位为Pa·m^-1；

i_b为第三压力传感器43读数减去第四压力传感器44读数之差与井下水平管道40总长度之比，单位为Pa·m^-1；

β为阻力系数，取1.2；

ρ_j为料浆密度，单位为t·m^-3；

控制进入井下水平管道40中的蓄热浆为适宜水灰比蓄热浆的控制方法包括：

计算机49将数据采集控制器48中接收的水灰比信号传感器50实时传输的井下水平管道40内蓄热浆的水灰比信号与预设水灰比进行比较，当接收到的水灰比高于预设水灰比时，数据采集控制器48控制加热器控制器52，加热器控制器52增大加热器34的加热功率，至检测到的水灰比等于预设水灰比；所述适宜水灰比和预设水灰比均为0.38～0.40。

以上方法中，还包括利用回到一级恒温搅拌装置6中的液相材料配制液态相变材料，将配制得到的液态相变材料经步骤103～步骤106制备得到定形相变材料并储存在定形相变材料储存箱18中；所述液相材料包括经一级废液泵13回到一级恒温搅拌装置6中的所述未结晶液相和/或经二级废液泵14回到一级恒温搅拌装置6中的所述液相相变材料；

利用液相材料配制液态相变材料具体包括：在一级废液泵13和/或二级废液泵14作用结束后运行一级称重装置5向一级恒温搅拌装置6中加入步骤101中所述的相变材料和改变相变温度材料，流量PLC模块利用液相材料体积换算得到向一级恒温搅拌装置6中加入去离子水的体积，流量PLC模块控制第二电磁式流量调节阀4向一级恒温搅拌装置6中加入去离子水，然后按照步骤102的方法得到液态相变材料；加入的去离子水的体积为步骤101中去离子水的预设量-液相材料体积。

液相材料体积的计算公式与步骤101中去离子水的预设量的计算公式原理相同，其中流速为经过第三电磁式流量调节阀15中的液相材料的流速；

向一级恒温搅拌装置6中加入步骤101中所述的相变材料和改变相变温度材料的质量分别为m₁₀＝m₁₂*(V_O/V₂),m₂₀＝m₂₂*(V_O/V₂)

其中：m₁₂—步骤101中预设量相变材料的质量；

m₁₀—向一级恒温搅拌装置中加入的相变材料的质量；

m₂₂—步骤101中预设量改变相变温度材料的质量；

m₂₀—向一级恒温搅拌装置中加入的改变相变温度材料的质量；

V_O—向一级恒温搅拌装置中加入的去离子水的体积；

V₂—步骤101中预设量的去离子水的体积；

以上方法中，步骤三控制进入井下水平管道40中的蓄热浆为适宜水灰比蓄热浆的过程中，还包括控制加热温度使所述加热温度保持在预设温度区间范围内，控制方法包括：加热器温度传感器51检测并传递输浆中空管33中空部分的温度至数据采集控制器48；

当检测温度低于预设温度区间范围下限时，数据采集控制器48控制加热器控制器52，加热器控制器52增大加热器34的加热功率至温度处于预设温度区间范围内；

当检测温度高于预设温度区间范围上限时，数据采集控制器48控制加热器控制器52，加热器控制器52降低加热器34的加热功率至温度回到预设温度区间范围内。

在加热以降低水灰比过程中，通过设置预设温度区间范围对加热温度进行控制，所述预设温度区间范围为将所述高水灰比蓄热浆的水灰比降低至适宜范围的温度区间范围，所述预设温度区间范围与向双卧轴搅拌机24中加入的自来水的体积有关，通过预设温度区间范围的设置，可以在降低水灰比的过程中，避免发生温度过高或过低造成管道损伤，可以更好的保护管道。

本发明通过上述方法实现蓄热水泥砂浆输送到深层矿井，包括先准确快速制备呈高水比的深层矿井内蓄热浆，然后将蓄热浆以满流状态流入渐缩管，最后将蓄热浆以适宜水灰比状态进入井下水平管道，具有高的工作可靠度。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何限制，凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种深层矿井蓄热水泥砂浆制备及垂直防固化输浆系统，其特征在于，包括深井垂直输浆系统，所述深井垂直输浆系统包括井上输浆系统、垂直输浆管道、弯头(37)和井下水平输浆管道；

所述井上输浆系统包括料浆搅拌罐(26)、料浆防溅罩(30)和用于将料浆搅拌罐(26)中的料浆输送到料浆防溅罩(30)的井上输浆管道(29)；

所述垂直输浆管道包括依次连接的输浆直管(31)、渐缩管(32)、输浆中空管(33)和渐扩管(36)，所述输浆直管(31)远离渐缩管(32)的一端与料浆防溅罩(30)下部开口连通；

所述井上输浆管道(29)上安装有第一电磁式流量调节阀(28)；

所述弯头(37)包括垂直连通的竖直段和水平段，所述水平段的中轴延长线与渐扩管(36)的中轴延长线垂直，所述渐扩管(36)远离输浆中空管(33)的一端与所述弯头(37)的竖直段连通；

所述输浆直管(31)上靠近料浆防溅罩(30)处安装有第一压力传感器(41)；

所述输浆中空管(33)上靠近渐扩管(36)处安装有加热器(34)，所述加热器(34)上连接有加热器温度传感器(51)，所述加热器(34)的数量为多个；

所述弯头(37)的竖直段上安装有第二压力传感器(42)；

所述井下水平输浆管道包括井下水平管道(40)和安装于井下水平管道(40)上的水灰比检测仪(39)和井下输浆泵(53)，所述井下水平管道(40)一端与所述弯头(37)水平段连通，所述井下水平管道(40)另一端向远离弯头(37)水平段的方向延伸；

所述井下水平管道(40)上靠近弯头(37)处安装有第三压力传感器(43)，所述井下水平管道(40)上远离弯头(37)处安装有第四压力传感器(44)。

2.根据权利要求1所述的深层矿井蓄热水泥砂浆制备及垂直防固化输浆系统，其特征在于：还包括制备定形相变材料装置和复合搅拌砂浆装置；

所述制备定形相变材料装置包括一级材料储存设备、一级称重装置(5)、二级称重装置(11)、恒温搅拌制备容器、冷却装置、废液回收装置和物料提升机(17)；

所述一级材料储存设备包括相变材料储存箱(2)、改变相变温度材料储存箱(3)、去离子水箱(1)和载体材料储存箱(12)；

所述恒温搅拌制备容器包括设置于一级称重装置(5)下方且与一级称重装置(5)下部开口连通的一级恒温搅拌装置(6)和设置于二级称重装置(11)下方且与二级称重装置(11)下部开口连通的二级恒温搅拌装置(16)；

所述相变材料储存箱(2)的底部和改变相变温度材料储存箱(3)的底部分别设置有用于向一级称重装置(5)传输物料的管道；

所述去离子水箱(1)与一级恒温搅拌装置(6)连通，去离子水箱(1)与一级恒温搅拌装置(6)的连接管道上安装有第二电磁式流量调节阀(4)；

所述冷却装置包括一级冷却器(7)和二级冷却器(8)，所述废液回收装置包括一级废液泵(13)、二级废液泵(14)和第三电磁式流量调节阀(15)，所述一级冷却器(7)的上部开口与一级恒温搅拌装置(6)的下侧部开口通过管道连接；

所述一级恒温搅拌装置(6)的侧面连接有废液主管路，所述一级废液泵(13)的入口端与一级冷却器(7)下侧部开口连通，所述二级废液泵(14)的入口端与二级恒温搅拌装置(16)连通，所述一级废液泵(13)的出口端和二级废液泵(14)的出口端均与所述废液主管路连通，所述第三电磁式流量调节阀(15)安装于所述废液主管路上；

所述一级冷却器(7)和载体材料储存箱(12)的底部分别设置有用于向二级称重装置(11)传输物料的管道；

所述物料提升机(17)设置于二级恒温搅拌装置(16)和二级冷却器(8)之间；

所述复合搅拌砂浆装置包括二级材料储存设备、三级称重装置(22)和与三级称重装置(22)的下部开口连通的双卧轴搅拌机(24)；

所述二级材料储存设备包括填料储存罐(19)、水泥储存罐(20)、水箱(21)和与所述二级冷却器(8)的底部连通的定形相变材料储存箱(18)；

所述定形相变材料储存箱(18)的下部、水泥储存罐(20)的下部、填料储存罐(19)的下部分别设置有用于向三级称重装置(22)传输物料的管道；

所述水箱(21)与双卧轴搅拌机(24)的上部开口管道连接，连接水箱(21)与双卧轴搅拌机(24)的连接管道上安装有第四电磁式流量调节阀(23)；

所述双卧轴搅拌机(24)的下侧部开口与料浆搅拌罐(26)的上部开口连通，所述双卧轴搅拌机(24)和料浆搅拌罐(26)连接的管路上安装有料浆提升泵(25)。

3.按照权利要求2所述的深层矿井蓄热水泥砂浆制备及垂直防固化输浆系统，其特征在于：还包括防固化输浆监测及控制系统，所述防固化输浆监测及控制系统包括计算机(49)和与计算机(49)相接的数据采集控制器(48)；所述水灰比检测仪(39)连接有水灰比信号传感器(50)；

所述水灰比信号传感器(50)、第一压力传感器(41)、第二压力传感器(42)、第三压力传感器(43)、第四压力传感器(44)和加热器温度传感器(51)均与所述数据采集控制器(48)的输入端连接，所述第一电磁式流量调节阀(28)与数据采集控制器(48)的输出端连接。

4.按照权利要求2所述的深层矿井蓄热水泥砂浆制备及垂直防固化输浆系统，其特征在于：多个所述加热器(34)在所述输浆中空管(33)靠近渐扩管(36)处外壁轴向和周向均布，安装有加热器(34)的输浆中空管(33)的长度为输浆中空管(33)总长度的5％～20％。

5.一种采用如权利要求2～4任一权利要求所述深层矿井蓄热水泥砂浆制备及垂直防固化输浆系统进行深层矿井蓄热水泥砂浆制备及垂直防固化输浆的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、制备相变材料，具体包括：

步骤101、运行一级称重装置(5)，向一级恒温搅拌装置(6)中加入预设量的相变材料和改变相变温度材料，开启第二电磁式流量调节阀(4)，向一级恒温搅拌装置(6)中加入预设量的去离子水；

步骤102、开启搅拌使一级恒温搅拌装置(6)内物料均匀混合，得到液态相变材料；

步骤103、步骤102中的液态相变材料经一级恒温搅拌装置(6)的下侧部开口流入到一级冷却器(7)中冷却，得到固态饱和相变材料；

冷却结束后开启一级废液泵(13)，在一级废液泵(13)作用下，一级冷却器(7)中未结晶液相回到一级恒温搅拌装置(6)；

步骤104、运行二级称重装置(11)，向二级恒温搅拌装置(16)中加入预设量的固态饱和相变材料和载体材料；

步骤105、开启搅拌使二级恒温搅拌装置(16)内物料均匀混合，得到吸附有相变材料的固体载体材料；

二级恒温搅拌装置(16)内物料均匀混合后开启二级废液泵(14)，在二级废液泵(14)的作用下，二级恒温搅拌装置(16)中液相相变材料回到一级恒温搅拌装置(6)中；

步骤106、步骤105中的吸附有相变材料的固体载体材料经物料提升机(17)进入二级冷却器(8)进行冷却，得到定形相变材料，所述定形相变材料经二级冷却器(8)下部开口进入定形相变材料储存箱(18)；

步骤二、蓄热浆制备，具体包括：

运行三级称重装置(22)，向双卧轴搅拌机(24)中依次加入预设量所述定形相变材料、水泥和填料材料，开启搅拌使双卧轴搅拌机(24)内物料均匀混合，开启第四电磁式流量调节阀(23)向双卧轴搅拌机(24)中加入预设量自来水，继续搅拌，得到高水灰比蓄热浆；

启动料浆提升泵(25)将所述高水灰比蓄热浆输送到料浆搅拌罐(26)；

向双卧轴搅拌机(24)中加入的自来水的体积为将定形相变材料、水泥和填料材料配制为预定含水量料浆所需水体积的105％～110％；所述高水灰比蓄热浆的水灰比高于0.40；

步骤三、输浆，具体包括：

启动料浆搅拌罐(26)对高水灰比蓄热浆进行搅拌；

启动第一电磁式流量调节阀(28)，搅拌后高水灰比蓄热浆经井上输浆管道(29)进入料浆防溅罩(30)后依次经过输浆直管(31)、渐缩管(32)流入输浆中空管(33)被加热器(34)加热，加热后蓄热浆经渐扩管(36)、弯头(37)和井下水平管道(40)进行输送。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括利用回到一级恒温搅拌装置(6)中的液相材料配制液态相变材料，将配制得到的液态相变材料经步骤103～步骤106制备得到定形相变材料并储存在定形相变材料储存箱(18)中；所述液相材料包括经一级废液泵(13)回到一级恒温搅拌装置(6)中的所述未结晶液相和/或经二级废液泵(14)回到一级恒温搅拌装置(6)中的所述液相相变材料；

利用液相材料配制液态相变材料具体包括：在一级废液泵(13)和/或二级废液泵(14)作用结束后运行一级称重装置(5)向一级恒温搅拌装置(6)中加入步骤101中所述的相变材料和改变相变温度材料，开启第二电磁式流量调节阀(4)，向一级恒温搅拌装置(6)中加入去离子水，然后按照步骤102的方法得到液态相变材料；加入的去离子水的体积为步骤101中去离子水的预设量-液相材料体积。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤三中进入渐缩管(32)的高水灰比蓄热浆为满流状态高水灰比蓄热浆，控制进入渐缩管(32)的高水灰比蓄热浆为满流状态高水灰比蓄热浆的方法包括：

计算机(49)将数据采集控制器(48)中接收的第一压力传感器(41)、第二压力传感器(42)、第三压力传感器(43)和第四压力传感器(44)实时检测数据按照公式(1)和(2)进行计算，得到渐缩管(32)上部开口处到弯头(37)竖直段入口处垂直距离H_c和蓄热浆在井下水平管道(40)能被运送的最长水平距离L_c，并将计算得到的H_c与预设H₀和计算得到的L_c与预设L₀分别进行比较，

当计算得到的H_c小于预设H₀时，数据采集控制器(48)控制第一电磁式流量调节阀(28)按照预设增大幅度增大开度，至H_c等于预设H₀；

当计算得到的H_c大于预设H₀时，数据采集控制器(48)控制第一电磁式流量调节阀(28)按照预设减小幅度减小开度，至H_c等于预设H₀；

当计算得到的H_c等于预设H₀时，第一电磁式流量调节阀(28)开度保持不变；预设增大幅度和预设减小幅度均为第一电磁式流量调节阀(28)总开度的3％～5％；所述预设H₀为预先输入到计算机中的渐缩管(32)上部开口处到弯头(37)竖直段入口处的实际高度；

当计算得到的L_c小于预设L₀时，井下输浆泵(53)开启；

当计算得到的L_c大于等于预设L₀时，井下输浆泵(53)不开启；

所述预设L₀为预先输入到计算机中的井下水平管道(40)的实际长度；

其中，H_c为渐缩管(32)上部开口处到弯头(37)竖直段入口处垂直距离，单位为m；

L_c为蓄热浆在井下水平管道(40)能被运送的最长水平距离，单位为m；

H为井口到弯头(37)竖直段入口处的垂直距离，单位为m；

N为井口到弯头(37)竖直段入口处的垂直距离H和井下水平管道(40)两者之和与井口到底部弯头(37)竖直段入口处的垂直距离H之比；

i_a为第一压力传感器(41)读数减去第二压力传感器(42)读数之差与井口到弯头(37)竖直段入口处垂直距离之比，单位为Pa·m^-1；

i_b为第三压力传感器(43)读数减去第四压力传感器(44)读数之差与井下水平管道(40)总长度之比，单位为Pa·m^-1；

β为阻力系数；

ρ_j为料浆密度，单位为t·m^-3。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在将计算得到的H_c与预设H₀进行比较之前还包括按照公式(3)计算并判断弯头(37)竖直段与水平段连接处的最大压力P_max是否满足P_max≤弯头(37)最大承压，当P_max≤弯头(37)最大承压时，继续进行计算得到的H_c与预设H₀和计算得到的L_c与预设L₀分别进行比较；

当计算得到的P_max＞弯头(37)最大承压，停止进行输浆，对弯头(37)进行更换，直至P_max≤弯头(37)最大承压；

公式(3)为P_max＝(ρ_j·g-β·i_a)·H_c；

P_max为弯头(37)竖直段与水平段连接处的最大压力，单位为Pa。

9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤三输浆过程还包括控制进入井下水平管道(40)中的蓄热浆为适宜水灰比蓄热浆，控制方法包括：

水灰比信号传感器(50)实时将井下水平管道(40)内蓄热浆的水灰比信号经数据采集控制器(48)传输到计算机(49)，与预设水灰比进行比较，当检测的水灰比高于预设水灰比时，加热器(34)的加热功率增大，至检测到的水灰比等于预设水灰比；所述适宜水灰比蓄热浆的水灰比和预设水灰比均为0.38～0.40。

10.按照权利要求9所述的方法，其特征在于：步骤三控制进入井下水平管道(40)中的蓄热浆为适宜水灰比蓄热浆的过程，还包括控制加热温度使加热温度保持在预设温度区间范围内，控制方法包括：加热器温度传感器(51)检测并传递输浆中空管(33)中空部分的温度至数据采集控制器(48)；

当检测温度低于预设温度区间范围下限时，加热器(34)的加热功率增大至温度处于预设温度区间范围内。

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