CN114658929A - 一种内层可旋转防止充填管道堵塞的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内层可旋转防止充填管道堵塞的装置及方法，包括内层可旋转双层充填管道、密封滚珠轴承、传感器装置、电阻率监测装置与齿轮传动装置；内层可旋转双层充填管道由内层管道和外层管道连接组成，内层管道为可旋转管道，外层管道安装在内层管道外侧，用于固定内层可旋转管道的位置并保护内层管道；内层管道上设有传感器装置，传感器装置与电阻率监测装置连接，所述电阻率监测装置包括信号滤波与放大电路、单片机、PC计算机、PLC控制器；当管内电阻率高于设定的安全值时即启动PLC控制器控制电机旋转，电机通过齿轮传动装置带动内层管道进行旋转。本发明通过翻滚充填作业中的料浆，保证料浆浓度均匀，解决了堵管问题的发生。

Description

一种内层可旋转防止充填管道堵塞的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种内层可旋转防止充填管道堵塞的装置及方法，属于矿山充填中管道防堵管领域。

背景技术

煤炭一直是我国能源供应的重要矿物，采煤的同时也需要对采空区进行充填作业。通常充填的料浆都是将一定量的原料进行配比混合处理后通过管道传输至采空区，在输送的过程中会存在料浆产生离析沉淀、地表泵送压力不足、管内进入杂物等问题，这些问题会导致管道的堵塞，给充填作业带来了很大的影响。堵管现象不但会延迟充填作业的完成时间，也会产生重大的经济损失，甚至会出现爆管等危险情况的发生。因此充填管道的堵塞问题需要有更多更优的方案来解决，不仅需要对堵管问题的处理上提出改进，更要在管道本身的结构上进行改进，提高充填效率，降低充填成本。

目前，堵管现象处理的方式还比较单一，通常都是对管道内壁产生的部分沉淀进行处理，但都只能够使管道在一定程度上进行疏通。针对充填堵管成因分析与处理以及充填作业最优数值理论计算，郑州煤炭工业集团公司工程师张建礼（张建礼,程小梅,王公忠,吴金刚.泵送矸石充填管道磨损与堵塞成因及对策研究[J].煤,2013,22(10):6-8.）分析了泵送矸石充填体在管道内的流动特性，并且详细介绍了泵送矸石充填体对管道的磨损，计算了最佳的矸石颗粒大小、料浆浓度以及管径大小，给出了用小锤敲打管路检查堵管位置，并用高压水将堵塞的料浆冲洗干净的处理方案。此外，堵管问题的处理上也已有一些研究，中国专利CN113738440公开了一种膏体充填管道的处理方法及装置，通过对堵塞的充填管道通过高压风进行疏通，其次将充填管道进行引流及清洗并将水排入到沉淀池中，最后充填完毕后的充填管道通过高压风进行清洗；中国专利CN214660339U公开了一种充填钻孔清理井下充填管道堵塞的装置，通过在水平管道内注入水推动料浆流动，从而实现水平管道内料浆的清空又达到清洗水平管道的目的。然而，已有的充填管道堵塞处理方案都是对管道内沉淀物进行处理，这种方法虽然简单方便，但加大泵送水压的同时会造成管道很大的磨损，降低了管道的使用寿命，影响了充填作业的安全，并且具有较低的疏通效率。

因此，有必要对管道本身的结构进行改进与创新，以有效地避免堵管问题的发生。

发明内容

本发明提出一种内层可旋转的充填管道，具体地提供一种内层可旋转防止管道堵塞的充填装置及方法，有效的防止充填管道堵塞并保证充填作业的高效完成。

本发明的原理：充填作业料浆在管道内输送时往往会产生离析沉淀现象，此时由于受到重力的影响会使靠近管道底部的位置料浆密度逐渐增大，如果未能进行相关处理的话很容易造成堵管问题。因此使管道旋转起来，当密度较大的位置旋转到管道上部时，料浆会受到重力的作用向下运动，不停地旋转会使料浆在管道中任意翻滚，从而使料浆均匀的分布在管道的各个位置，避免了堵管现象的发生。

本发明提供了一种内层可旋转防止管道堵塞的装置，包括内层可旋转双层充填管道、密封滚珠轴承、传感器装置、电阻率监测装置与齿轮传动装置（管道旋转装置）；内层可旋转双层充填管道由内层管道和外层管道连接组成，其中内层管道为可旋转管道，外层管道安装在内层管道外侧，用于固定内层可旋转管道的位置并保护内层管道；外层管道和内层管道之间通过滚珠连接；所述内层可旋转双层充填管道与原有的充填管道相连接，在二者连接处放置有密封滚珠轴承保证管道的正常旋转，密封滚珠轴承可实现管道运输内部的密闭，防止料浆的四处飞溅而对管道的旋转造成影响。

内层管道上设有传感器装置，传感器装置包含上、下两个电极与绝缘垫片，传感器装置与电阻率监测装置连接，所述电阻率监测装置包括信号滤波与放大电路、单片机、PC计算机、PLC控制器；传感器装置将管道内的实时状态传送给信号滤波与放大电路进行处理，接着再传输至单片机进行处理，单片机将处理后的数据发送至PC计算机，当管内电阻率高于设定的安全值时即启动PLC控制器控制电机旋转，电机通过齿轮传动装置带动内层管道进行旋转；

所述齿轮传动装置包括电机、齿轮和内层管道的外齿，内层管道端部（在与普通管道连接的一端）设有一圈外齿；用于连接外部传动装置进行管道的旋转；外部传动装置由电机及电机的转动轴上设有的一个齿轮构成，该齿轮与内层管道上的外齿啮合（齿轮与齿轮一一对应交错重合）。当电机开始工作时，电机带动齿轮随之旋转，同时作为主动齿轮带动内层管道上的外齿旋转，进而带动可旋转管道发生转动，即实现内层管道旋转的功能。

内层可旋转双层充填管道的内层管道为可旋转管道，其外壁设有若干条凹槽，用于放置滚珠实现内层管道相对转动（外层固定不转、内层旋转）的功能；外层管道外壁上设有固定装置，能够固定管道和保护内层旋转管道。上述装置中，内层可旋转双层充填管道内层管道外壁的凹槽的宽度与滚珠的直径匹配，二者为间隙配合，且凹槽内侧粘有一圈磁条，并需要涂抹润滑油，方便管道的安装与减小管道旋转的摩擦力。

本发明中，内层可旋转双层充填管道与原有的充填管道结合使用，布置在采空区长距离沿水平直线运输路径上。以120米的充填管道作为基本单元进行定义，在120米的充填管道上需要布置20米长的内层可旋转双层充填管道，与原有100米的普通管道连接，其具体位置布置在运输路径中易发生堵管的区间，具体布置也可根据料浆配比与输送环境进行调整。

上述装置中，内层可旋转管道的内层管道与普通管道连接处设置有一个用于放置密封滚珠轴承的连接槽，普通管道外侧设置有卡簧槽，将密封滚珠轴承放入槽中，并在密封滚珠轴承外侧安装卡簧进行固定，卡簧安装在普通管道外侧的卡簧槽内，既能保证管道的密闭性，也能使管道相互紧固。且滚珠轴承与管道连接处需涂抹润滑油，方便管道的安装与减小管道旋转的摩擦力。

上述装置中，内层可旋转双层充填管道的内层管道和外层管道之间为同轴非固定式结构，其中心轴都处于同一水平直线上。

上述装置中，内层可旋转双层充填管道的外层管道设有固定装置，用于固定在充填作业的需求环境中，保证内层管道的旋转。固定装置由固定环和固定支架组成。内层可旋转管道的外层装有固定环，固定环的数量和管道的长度有关，通常每5米的长度上需要安装2个固定环，且分别安置在距端部1.5米的位置处；固定支架安装在固定环的外侧，根据现场环境，将固定支架安装在现场的岩石层或者土壤层中。

上述装置中，内层管道上的传感器装置的两个电极分别固定在绝缘垫片中，两个绝缘垫片分别粘结在内层管道的内壁上，可用来测试管内电阻率情况。下电极与恒流源连接，上电极与信号滤波与放大电路连接，出口段连接有单片机，单片机还与PC计算机相连，PC计算机控制PLC控制器，PLC控制器电路与电机相连，同时电源与恒流源、信号滤波与放大电路、单片机、PC计算机、PLC控制器、电机相连，为其提供所需要的电力情况。

上述装置中，PLC控制器操控电机进行旋转，按照“顺时针旋转—逆时针旋转—顺时针旋转”的工作方式交替进行，更换两种工作方式时间隔2秒钟。

本发明提供了一种内层可旋转防止充填管道堵塞的方法，采用上述装置，包括以下步骤：

（1）将传感器装置安装在内层管道的内壁上，传感器装置与信号滤波与放大电路、单片机以及PC计算机连接，监控管道的运行情况；

（2）将内层可旋转管道的内层管道的带有外齿的一端与普通充填管道进行水平连接，需要注意把密封滚珠轴承放置在相应的凹槽内，将卡簧装在内层管道与普通管道相交的位置处普通管道外侧的卡簧槽上，防止管道相互移动并做好密封。

（3）将内层管道的凹槽放置滚珠，外层管道沿水平方向安装在内层管道外部，并对外层管道进行固定。

（4）当管道开始进行充填作业时，打开电源开关，启动PC计算机，对管道中运输的料讲过进行实时监测，通过电阻率的大小反映管道堵塞情况，当管内电阻率高于设定的安全值时即启动PLC控制器控制电机旋转，再通过电机的小齿轮带动内层管道外齿进行旋转，通过内层可旋转管道使料浆在管道内进行翻滚，从而防止管道堵塞。

（5）PC计算机实时监测管内电阻率的变化，当其监测值低于设定的安全值时，向PLC控制器发送停止信号，中止电机的工作。此时管内输送的料浆已不再会产生离析沉淀，避免了堵管的发生。

本发明的有益效果：

本发明提供一种内层可旋转防止充填管道堵塞的装置及方法，通过翻滚充填作业中的料浆，保证料浆浓度均匀，从根本层面上解决了堵管问题的发生。能够很大程度上提高管道输送效率，节省高压冲洗管道的成本，提高了管道的使用寿命，对于充填管道堵管的处理方面有重要意义。

附图说明

图1为本发明中内层可旋转的双层充填管道装置的结构示意图。

图2为本发明中内层可旋转的双层充填管道装置的平面图。

图3为本发明中内层可旋转的双层充填管道装置与监测装置的连接示意图。

图4为本发明中内层可旋转的双层充填管道装置的零件分散示意图。

图5为本发明中内层可旋转的双层充填管道装置内层管道的结构示意图。

图中：1为外层管道，2为管道固定环，3为滚珠，4为内层管道外齿，5为普通充填管道，6为密封滚珠轴承，7为卡簧，8为内层管道，9为管道固定支架，10为凹槽，11为连接槽，12为传感器装置，13为电机，14为主动齿轮，15为恒流源，16为电源，17为信号滤波与放大电路，18为PC计算机，19为单片机，20为PLC控制器 ，21为卡簧槽，22为电极，23为绝缘垫片。

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。

如图1~5所示，一种内层可旋转防止管道堵塞的装置，包括内层可旋转双层充填管道、密封滚珠轴承、传感器装置、电阻率监测装置与齿轮传动装置（管道旋转装置）；内层可旋转双层充填管道由内层管道8和外层管道1连接组成，其中内层管道8为可旋转管道，外层管道1安装在内层管道8外侧，用于固定内层可旋转管道的位置并保护内层管道8；外层管道1和内层管道8之间通过滚珠3连接；所述内层可旋转双层充填管道与原有的普通充填管道5相连接，在二者连接处放置有密封滚珠轴承6保证管道的正常旋转，密封滚珠轴承6可实现管道运输内部的密闭，防止料浆的四处飞溅而对管道的旋转造成影响。

内层管道8上设有传感器装置12，传感器装置12包含上、下两个电极22与绝缘垫片23，传感器装置12与电阻率监测装置连接，所述电阻率监测装置包括信号滤波与放大电路17、单片机19、PC计算机18、PLC控制器20；传感器装置将管道内的实时状态传送给信号滤波与放大电路进行处理，接着再传输至单片机进行处理，单片机将处理后的数据发送至PC计算机，当管内电阻率高于设定的安全值时即启动PLC控制器控制电机13旋转，电机通过齿轮传动装置带动内层管道进行旋转；

所述齿轮传动装置包括电机13、主动齿轮14和内层管道外齿4，内层管道端部（在与普通管道连接的一端）设有一圈外齿；用于连接外部传动装置进行管道的旋转；外部传动装置由电机及电机的转动轴上设有的主动齿轮构成，该齿轮与内层管道上的外齿啮合（齿轮与齿轮一一对应交错重合）。当电机开始工作时，电机带动齿轮随之旋转，同时作为主动齿轮带动内层管道上的外齿旋转，进而带动可旋转管道发生转动，即实现内层管道旋转的功能。

内层可旋转双层充填管道的内层管道为可旋转管道，其外壁设有若干条凹槽10，用于放置滚珠3实现内层管道相对转动（外层固定不转、内层旋转）的功能；外层管道外壁上设有固定装置，能够固定管道和保护内层旋转管道。上述装置中，内层可旋转双层充填管道内层管道外壁的凹槽10的宽度与滚珠3的直径匹配，二者为间隙配合，且凹槽内侧粘有一圈磁条，并需要涂抹润滑油，方便管道的安装与减小管道旋转的摩擦力。

本发明中，内层可旋转双层充填管道与原有的充填管道结合使用，布置在采空区长距离沿水平直线运输路径上。水平直线运输距离为2000米，除去前100米和最后100米，中间1800米的位置为最容易堵塞的区域，将1800米分为15个120米的区间，分别在120米的区间中间加装20米的内层可旋转双层充填管道。

上述装置中，内层可旋转管道的内层管道与普通管道连接处设置有一个用于放置密封滚珠轴承6的连接槽11，普通管道外侧设置有卡簧槽21，将密封滚珠轴承放入槽中，并在密封滚珠轴承外侧安装卡簧进行固定，卡簧7安装在普通管道外侧的卡簧槽21内，既能保证管道的密闭性，也能使管道相互紧固。且滚珠轴承与管道连接处需涂抹润滑油，方便管道的安装与减小管道旋转的摩擦力。

上述装置中，内层可旋转双层充填管道的内层管道和外层管道之间为同轴非固定式结构，其中心轴都处于同一水平直线上。

在一个具体实施例中，内层可旋转双层充填管道采用防水且光滑合金材质。一节普通充填管道5内的半径为5cm，管厚为2cm，长度为30cm；一节双层管道，长度为50cm，内层管道8内的半径为8cm，管厚为3cm，外层管道1内的半径为13cm，管厚为2cm；内外层管道连接处滚珠3直径为4cm，凹槽10宽度与深度均为2cm。内层管道与普通充填管道的连接处密封滚珠轴承6直径为2cm，连接槽11的宽度与深度均为1cm，见图1~5所示。内层管道与普通管道的连接槽设置在内层管道的内壁上，连接槽槽底与普通管道端口对齐，用于放置密封滚珠轴承，保证管道的密封性。

上述装置中，内层可旋转双层充填管道的外层管道设有固定装置，用于固定在充填作业的需求环境中，保证内层管道的旋转。固定装置由管道固定环2和管道固定支架9组成。内层可旋转管道的外层装有固定环，固定环的数量和管道的长度有关，通常每5米的长度上需要安装2个固定环，且分别安置在距端部1.5米的位置处；固定支架安装在固定环的外侧，根据现场环境，将固定支架安装在现场的岩石层或者土壤层中。

上述装置中，内层管道上的传感器装置的两个电极22分别固定在绝缘垫片23中，两个绝缘垫片23分别粘结在内层管道的内壁上，可用来测试管内电阻率情况。下电极与恒流源15连接，上电极与信号滤波与放大电路17连接，出口段连接有单片机19，单片机19还与PC计算机18相连，PC计算机18控制PLC控制器20，PLC控制器电路与电机13相连，同时电源与恒流源、信号滤波与放大电路、单片机、PC计算机、PLC控制器、电机相连，为其提供所需要的电力情况。

上述装置中，PLC控制器操控电机进行旋转，按照“顺时针旋转—逆时针旋转—顺时针旋转”的工作方式交替进行，更换两种工作方式时间隔2秒钟。

本发明提供了一种内层可旋转防止充填管道堵塞的方法，采用上述装置，包括以下步骤：

（1）将传感器装置安装在内层管道的内壁上，传感器装置与信号滤波与放大电路、单片机以及PC计算机连接，监控管道的运行情况；

（2）将内层可旋转管道的内层管道的带有外齿的一端与普通充填管道进行水平连接，需要注意把密封滚珠轴承放置在相应的凹槽内，将卡簧装在内层管道与普通管道相交的位置处普通管道外侧的卡簧槽上，防止管道相互移动并做好密封。

（3）将内层管道的凹槽放置滚珠，外层管道沿水平方向安装在内层管道外部，并对外层管道进行固定。

（4）当管道开始进行充填作业时，打开电源开关，启动PC计算机，对管道中运输的料讲过进行实时监测，通过电阻率的大小反映管道堵塞情况，当管内电阻率高于设定的安全值时即启动PLC控制器控制电机旋转，再通过电机的小齿轮带动内层管道外齿进行旋转，通过内层可旋转管道使料浆在管道内进行翻滚，从而防止管道堵塞。

（5）PC计算机实时监测管内电阻率的变化，当其监测值低于设定的安全值时，向PLC控制器发送停止信号，中止电机的工作。此时管内输送的料浆已不再会产生离析沉淀，避免了堵管的发生。

Claims (9)

1.一种内层可旋转防止充填管道堵塞的装置，其特征在于：包括内层可旋转双层充填管道、密封滚珠轴承、传感器装置、电阻率监测装置与齿轮传动装置；内层可旋转双层充填管道由内层管道和外层管道连接组成，其中内层管道为可旋转管道，外层管道安装在内层管道外侧，用于固定内层可旋转管道的位置并保护内层管道；外层管道和内层管道之间通过滚珠连接；所述内层可旋转双层充填管道与原有的充填管道相连接，在二者连接处放置有密封滚珠轴承保证管道的正常旋转；

内层管道上设有传感器装置，传感器装置包含上、下两个电极与绝缘垫片，传感器装置与电阻率监测装置连接，所述电阻率监测装置包括信号滤波与放大电路、单片机、PC计算机、PLC控制器；传感器装置将管道内的实时状态传送给信号滤波与放大电路进行处理，接着再传输至单片机进行处理，单片机将处理后的数据发送至PC计算机，当管内电阻率高于设定的安全值时即启动PLC控制器控制电机旋转，电机通过齿轮传动装置带动内层管道进行旋转；

所述齿轮传动装置包括电机、齿轮和内层管道的外齿，内层管道端部设有一圈外齿；用于连接外部传动装置进行管道的旋转；外部传动装置由电机及电机的转动轴上设有的一个齿轮构成，该齿轮与内层管道上的外齿啮合。

2.根据权利要求1所述的内层可旋转防止充填管道堵塞的装置，其特征在于：内层可旋转双层充填管道的内层管道为可旋转管道，其外壁设有若干条凹槽，用于放置滚珠轴承实现内层管道相对转动的功能；外层管道外壁上设有固定装置，能够固定管道和保护内层旋转管道。

3.根据权利要求1所述的内层可旋转防止充填管道堵塞的装置，其特征在于：内层可旋转双层充填管道内层管道外壁的凹槽的宽度与滚珠的直径匹配，二者为间隙配合，且凹槽内侧粘有一圈磁条，并需要涂抹润滑油，方便管道的安装与减小管道旋转的摩擦力。

4.根据权利要求1所述的内层可旋转防止充填管道堵塞的装置，其特征在于：内层可旋转管道的内层管道与普通管道连接处设置有一个用于放置密封滚珠轴承的连接槽，普通管道外侧设置有卡簧槽，将密封滚珠轴承放入槽中，并在密封滚珠轴承外侧安装卡簧进行固定，卡簧安装在普通管道外侧的卡簧槽内，既能保证管道的密闭性，也能使管道相互紧固；且滚珠轴承与管道连接处需涂抹润滑油，方便管道的安装与减小管道旋转的摩擦力。

5.根据权利要求1所述的内层可旋转防止充填管道堵塞的装置，其特征在于：内层可旋转双层充填管道的内层管道和外层管道之间为同轴非固定式结构，其中心轴都处于同一水平直线上。

6.根据权利要求1所述的内层可旋转防止充填管道堵塞的装置，其特征在于：内层可旋转双层充填管道的外层管道设有固定装置，用于固定在充填作业的需求环境中，保证内层管道的旋转；固定装置由固定环和固定支架组成；内层可旋转管道的外层装有固定环，固定环的数量和管道的长度有关，通常每5米的长度上需要安装2个固定环，且分别安置在距离管道中心的3/5处；固定支架安装在固定环的外侧，根据现场环境，将固定支架安装在现场的岩石层或者土壤层中。

7.根据权利要求1所述的内层可旋转防止充填管道堵塞的装置，其特征在于：内层管道上的传感器装置的两个电极分别固定在绝缘垫片中，两个绝缘垫片分别粘结在内层管道的内壁上，用来测试管内电阻率情况；下电极与恒流源连接，上电极与信号滤波与放大电路连接，出口段连接有单片机，单片机还与PC计算机相连，PC计算机控制PLC控制器，PLC控制器电路与电机相连，同时电源与恒流源、信号滤波与放大电路、单片机、PC计算机、PLC控制器、电机相连，为其提供所需要的电力情况。

8.根据权利要求7所述的内层可旋转防止充填管道堵塞的装置，其特征在于：PLC控制器操控电机进行旋转，按照“顺时针旋转—逆时针旋转—顺时针旋转”的工作方式交替进行，更换两种工作方式时间隔2秒钟。

9.一种内层可旋转防止充填管道堵塞的方法，采用权利要求1~8任一项所述的内层可旋转防止充填管道堵塞的装置，其特征在于包括以下步骤：

（1）将传感器装置安装在内层管道的内壁上，传感器装置与信号滤波与放大电路、单片机以及PC计算机连接，监控管道的运行情况；

（2）将内层可旋转管道的内层管道的带有外齿的一端与普通充填管道进行水平连接，需要注意把密封滚珠轴承放置在相应的凹槽内，将卡簧装在内层管道与普通管道相交的位置处普通管道外侧的卡簧槽上，防止管道相互移动并做好密封；

（3）将内层管道的凹槽放置滚珠，外层管道沿水平方向安装在内层管道外部，并对外层管道进行固定；

（4）当管道开始进行充填作业时，打开电源开关，启动PC计算机，对管道中运输的料讲过进行实时监测，通过电阻率的大小反映管道堵塞情况，当管内电阻率高于设定的安全值时即启动PLC控制器控制电机旋转，再通过电机的小齿轮带动内层管道外齿进行旋转，通过内层可旋转管道使料浆在管道内进行翻滚，从而防止管道堵塞；

（5）PC计算机实时监测管内电阻率的变化，当其监测值低于设定的安全值时，向PLC控制器发送停止信号，中止电机的工作；此时管内输送的料浆已不再会产生离析沉淀，避免了堵管的发生。

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