CN115032116A - 一种温-压可控的膏体料浆流变性能测试装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种温‑压可控的膏体料浆流变性能测试装置与方法，属于金属矿膏体充填技术领域。该装置包括气密垫、气密螺母、气密螺栓、压力计、注气阀、排气阀、浆式流变仪、密封盖、智能管控平台、连接转动轴、控温溢流液罐、罐顶溢流口、壳体、隔热层、水浴层、内嵌式液位传感器、膏体料浆罐、罐底注液口、控温储液罐、温度传感器、密封层、压力氮气瓶和气液泵。膏体料浆罐为圆柱形中空槽体，上方为密封盖；压力计、注气阀、排气阀设于密封盖上部；内嵌式液位传感器嵌布于膏体料浆罐管壁内部；采用智能管控平台实现温度、压力可控可调下的膏体料浆流变参数定量化、智能化监测，为复杂变温‑压条件下膏体料浆输送提供借鉴。

Description

一种温-压可控的膏体料浆流变性能测试装置与方法

技术领域

本发明涉及金属矿膏体充填技术领域，特别是指一种温-压可控的膏体料浆流变性能测试装置与方法。

背景技术

采用金属矿膏体充填开采技术，可充分利用选矿尾砂、废渣、废石等矿山固体废弃物，消除地表尾矿库和地下采空区的重要危害，有效实现了“一废”治“两害”。目前，膏体充填技术已经被广泛应用至中国、美国、加拿大、澳大利亚等国家，采用充填法开采的矿山分布在高原、热带、温带、干旱缺水等不同地区，已成为未来金属矿高效绿色发展的必由之路。

膏体料浆流变性能，是制约膏体充填技术，特别是膏体料将井下输送、充填结顶等过程的重要指标。然而，由于矿山所处地理环境不同，导致充填料浆输送所处区域的温度、气压等环境不同；特别地，当金属矿山进入深部开采后，地层深部地应力、充填采场的环境温度均有明显上升，对于膏体料浆输送、特别是膏体料浆的流变性能的差异十分显著。现有相关发明专利与研究，主要聚焦以下几方面：1)不同浆式流变仪参数条件下膏体料浆流变性能，如：桨叶尺寸、桨叶数量、桨叶转速和转动方式等；2)不同膏体物料条件下的膏体料浆流变性能，如：灰砂比、物料类型、颗粒粒径级配、充填外加剂等；3)不同初始料浆条件下膏体料浆流变性能，如：料浆温度、固化时间等。

结合已有研究，存在三个方面研究难题和欠缺：1)已有关于牛顿、非牛顿流变性能测试的创新方法多、但是针对由矿山固废制备的膏体料浆的方法较少，特别是模拟不同环境温度-压力条件下的膏体料浆流变实验装置和方法更为缺乏；2)现有研究多聚焦初始温度、初始压力等初始条件，即将膏体料浆在一定温度下养护，然后取出放入常温、常压环境下膏体浆式流变仪，进行膏体料浆流变性能测试，由于料浆温度不断变化，导致料浆粘度、应力、应变等关键参数变化显著，导致流变测试数据不准确，未能有效反映恒温恒压条件下的膏体料浆流变性能；3)现有膏体料浆流变性能测试多为静态，几乎很少涉及动态变压力、变温度环境，特别是对于负压、低温条件下的膏体料浆流变性能研究较少，制约着青藏高原等高寒地区膏体充填技术的推广应用。

总体而言，现有有关膏体料浆流变性能的研究装置与方法，主要针对常温常压的标准状况环境，难以有效满足高原、热带、极寒等特殊温度-压力矿山充填开采条件，对于变温-变压条件下膏体料浆流变性能测试研究，仍存在较大的实验装置与方法缺陷，亟待提出相关创新装置或方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种温-压可控的膏体料浆流变性能测试装置与方法，为高原等温-压环境较为复杂地区的膏体料浆流变性能研究提供借鉴。

该装置包括膏体流变性能测试系统、温度调控系统、气压调控系统和数据集成控制系统；其中，膏体流变性能测试系统包括浆式流变仪、连接转动轴、壳体、膏体料浆罐和气液泵；温度调控系统包括控温溢流液罐、罐顶溢流口、隔热层、水浴层、罐底注液口、控温储液罐和温度传感器；气压调控系统包括气密垫、气密螺母、气密螺栓、注气阀、排气阀、密封盖、密封层和压力氮气瓶；数据集成控制系统包括智能管控平台、内嵌式液位传感器和压力计；

膏体料浆罐为圆柱形中空槽体，膏体料浆罐置于壳体内，紧贴壳体内壁设置隔热层，隔热层和膏体料浆罐之间设置水浴层，水浴层内设置温度传感器，内嵌式液位传感器嵌布于膏体料浆罐管壁内；壳体顶部设置密封盖，壳体和密封盖之间设置密封层，并通过气密螺母和气密螺栓固定；注气阀、排气阀、浆式流变仪均安设于密封盖上部，注气阀和排气阀的下端与膏体料浆罐连通，用于调控罐内压力，浆式流变仪下端为三旋浆式桨叶，伸入膏体料浆罐内部，进行膏体料浆流变测试；注气阀通过气液泵连接压力氮气瓶；壳体下部设置罐底注液口，上部设置罐顶溢流口；罐顶溢流口连接控温溢流液罐，罐底注液口连接控温储液罐，控温溢流液罐内液体经气液泵输送至控温储液罐。

其中，气密螺母和密封盖、气密螺母和壳体之间均设置气密垫。

注气阀下部管道上设置压力计；智能管控平台对浆式流变仪、内嵌式液位传感器、压力计、温度传感器进行调控，监测粘度、温度和应力参数，并且将阀门启停调控指令输送至注气阀、排气阀和气液泵。

温度传感器、浆式流变仪、密封层、膏体料浆罐和内嵌式液位传感器均为耐温、耐压和耐磨材质制成。

压力计和智能管控平台监测膏体料浆罐内注气增压、排气泄压过程；温度传感器和智能管控平台监测膏体料浆罐升温降温过程，确保利用浆式流变仪进行膏体料浆流变实验时的恒温恒压状态。

壳体和密封盖在一侧边缘设置连接转动轴。

该装置利用智能管控平台和内嵌式液位传感器，确保膏体料浆液位始终低于密封盖下方的与注气阀和排气阀连接的抽排气口，避免影响注气阀注气作业和排气阀的排气作业。

应用该装置的方法，包括步骤如下：

S1：装置试车阶段：将膏体料浆罐内注入去离子水，在常温常压的标准状况下，对智能管控平台、压力计、内嵌式液位传感器、温度传感器、浆式流变仪进行校准试车，确定装置气密性、控温性良好，随后清空膏体料浆罐以备流变实验；

S2：流变实验准备阶段：将按需求配置好的膏体料浆，注入膏体料浆罐，利用内嵌式液位传感器和智能管控平台确定膏体料浆罐内的膏体料浆液位；利用连接转动轴旋转密封盖，使密封层与壳体实现有效闭合；

S3：气密与变压阶段：在智能管控平台和压力计监控下，依次旋拧气密垫、气密螺栓、气密螺母、注气阀进行气密作业；依据实验环境气压要求，利用压力氮气瓶、气液泵向膏体料浆罐注入氮气提高罐内压力，或利用排气阀、气液泵将膏体料浆罐内部分气体排出降低罐内压力；

S4：调温控温阶段：将去离子水注入控温储液罐，将水温提升至实验要求温度，利用气液泵将恒温去离子水经罐底注液口注入水浴层，当恒温去离子水自下而上充满水浴层后，自上部罐顶溢流口流入控温溢流液罐，利用温度传感器和智能管控平台对环境温度进行监测，利用隔热层提高流变实验过程中稳定性；

S5：流变实验阶段：启动浆式流变仪进行膏体料浆流变实验；

S6：实验收尾阶段：首先，关闭浆式流变仪，调节控温储液罐内液体温度至环境温度，使膏体料浆罐降至环境温度；其次，根据环境压力差，启动排气阀或注气阀，利用压力计、智能管控平台，监测卸压和增压过程，当膏体料浆罐内与外界压力均衡后，以连接转动轴为轴，旋拧开启气密垫、气密螺母和气密螺栓，清洁膏体料浆罐，以备后续再次实验。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

上述方案中，总体实现了温度、压力可控可调条件下的膏体料浆流变性能定量化、智能化监测，获取温度、应力、料浆粘度等关键参数，为开展高原、热带、极寒等特殊温度和压力条件下膏体料浆性能测试提供重要装置和方法支撑，为特殊温-压条件下膏体料浆高效制备提供良好借鉴。

附图说明

图1为本发明的温-压可控的膏体料浆流变性能测试装置结构示意图；

图2为本发明的温-压可控的膏体料浆流变性能测试装置三维立体结构示意图。

其中：1-气密垫；2-气密螺母；3-气密螺栓；4-压力计；5-注气阀；6-排气阀；7-浆式流变仪；8-密封盖；9-智能管控平台；10-连接转动轴；11-控温溢流液罐；12-罐顶溢流口；13-壳体；14-隔热层；15-水浴层；16-内嵌式液位传感器；17-膏体料浆罐；18-罐底注液口；19-控温储液罐；20-温度传感器；21-密封层；22-压力氮气瓶；23-气液泵。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种温-压可控的膏体料浆流变性能测试装置与方法。

如图1和图2所示，该装置包括膏体流变性能测试系统、温度调控系统、气压调控系统和数据集成控制系统；其中，膏体流变性能测试系统包括浆式流变仪7、连接转动轴10、壳体13、膏体料浆罐17和气液泵23；温度调控系统包括控温溢流液罐11、罐顶溢流口12、隔热层14、水浴层15、罐底注液口18、控温储液罐19和温度传感器20；气压调控系统包括气密垫1、气密螺母2、气密螺栓3、注气阀5、排气阀6、密封盖8、密封层21和压力氮气瓶22；数据集成控制系统包括智能管控平台9、内嵌式液位传感器16和压力计4；

膏体料浆罐17为圆柱形中空槽体，膏体料浆罐17置于壳体13内，紧贴壳体13内壁设置隔热层14，隔热层14和膏体料浆罐17之间设置水浴层15，水浴层15内设置温度传感器20，内嵌式液位传感器16嵌布于膏体料浆罐17管壁内；壳体13顶部设置密封盖8，壳体13和密封盖8之间设置密封层21，并通过气密螺母2和气密螺栓3固定；注气阀5、排气阀6、浆式流变仪7均安设于密封盖8上部，注气阀5和排气阀6的下端与膏体料浆罐17连通，用于调控罐内压力，浆式流变仪7下端为三旋浆式桨叶，伸入膏体料浆罐17内部，进行膏体料浆流变测试；注气阀5通过气液泵23连接压力氮气瓶22；壳体13下部设置罐底注液口18，上部设置罐顶溢流口12；罐顶溢流口12连接控温溢流液罐11，罐底注液口18连接控温储液罐19，控温溢流液罐11内液体经气液泵输送至控温储液罐19。

实际设计中，控温储液罐19获取实验温度的溶液，该溶液在气液泵23驱动下，由控温储液罐19和罐底注液口18流入由罐顶溢流口12流出，直至水浴层15充满恒温液体，水浴层15外部为一层隔热层14，确保膏体流变实验的恒温环境。

气密螺母2和密封盖8、气密螺母2和壳体13之间均设置气密垫1。

注气阀5下部管道上设置压力计4；智能管控平台9对浆式流变仪7、内嵌式液位传感器16、压力计4、温度传感器20进行调控，监测粘度、温度和应力参数，并且将阀门启停调控指令输送至注气阀5、排气阀6和气液泵23。

温度传感器20、浆式流变仪7、密封层21、膏体料浆罐17和内嵌式液位传感器16均为耐温、耐压和耐磨材质制成。

压力计4和智能管控平台9监测膏体料浆罐17内注气增压、排气泄压过程；温度传感器20和智能管控平台9监测膏体料浆罐17升温降温过程，确保利用浆式流变仪7进行膏体料浆流变实验时的恒温恒压状态。

壳体13和密封盖8在一侧边缘设置连接转动轴10。

该装置利用智能管控平台9和内嵌式液位传感器16，确保膏体料浆液位始终低于密封盖8下方的与注气阀5和排气阀6连接的抽排气口，避免影响注气阀5注气作业和排气阀6的排气作业。

该装置实际测试过程中，按如下步骤进行：

S1：装置试车阶段：将膏体料浆罐17内注入去离子水，在常温常压的标准状况下，对智能管控平台9、压力计4、内嵌式液位传感器16、温度传感器20、浆式流变仪7进行校准试车，确定装置气密性、控温性良好，随后清空膏体料浆罐17以备流变实验；

S2：流变实验准备阶段：将按需求配置好的膏体料浆，注入膏体料浆罐17，利用内嵌式液位传感器16和智能管控平台9确定膏体料浆罐17内的膏体料浆液位；利用连接转动轴10旋转密封盖8，使密封层21与壳体13实现有效闭合；

S3：气密与变压阶段：在智能管控平台9和压力计4监控下，依次旋拧气密垫1、气密螺栓3、气密螺母2、注气阀5进行气密作业；依据实验环境气压要求，利用压力氮气瓶22、气液泵23向膏体料浆罐17注入氮气提高罐内压力，或利用排气阀6、气液泵将膏体料浆罐17内部分气体排出降低罐内压力；

S4：调温控温阶段：将去离子水注入控温储液罐19，将水温提升至实验要求温度，利用气液泵将恒温去离子水经罐底注液口18注入水浴层15，当恒温去离子水自下而上充满水浴层15后，自上部罐顶溢流口12流入控温溢流液罐11，利用温度传感器20和智能管控平台9对环境温度进行监测，利用隔热层14提高流变实验过程中稳定性；

S5：流变实验阶段：启动浆式流变仪7进行膏体料浆流变实验；利用智能管控平台9和浆式流变仪7获取粘度、应力等关键流变参数，利用温度传感器20、压力计4、内嵌式液位传感器16监控环境温度、压力、料浆液位等；

S6：实验收尾阶段：首先，关闭浆式流变仪7，调节控温储液罐19内液体温度至环境温度，使膏体料浆罐17降至环境温度；其次，根据环境压力差，启动排气阀6或注气阀5，利用压力计4、智能管控平台9，监测卸压和增压过程，当膏体料浆罐17内与外界压力均衡后，以连接转动轴10为轴，旋拧开启气密垫1、气密螺母2和气密螺栓3，清洁膏体料浆罐17，以备后续再次实验。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种温-压可控的膏体料浆流变性能测试装置，其特征在于，包括膏体流变性能测试系统、温度调控系统、气压调控系统和数据集成控制系统；其中，膏体流变性能测试系统包括浆式流变仪、连接转动轴、壳体、膏体料浆罐和气液泵；温度调控系统包括控温溢流液罐、罐顶溢流口、隔热层、水浴层、罐底注液口、控温储液罐和温度传感器；气压调控系统包括气密垫、气密螺母、气密螺栓、注气阀、排气阀、密封盖、密封层和压力氮气瓶；数据集成控制系统包括智能管控平台、内嵌式液位传感器和压力计；

膏体料浆罐为圆柱形中空槽体，膏体料浆罐置于壳体内，紧贴壳体内壁设置隔热层，隔热层和膏体料浆罐之间设置水浴层，水浴层内设置温度传感器，内嵌式液位传感器嵌布于膏体料浆罐管壁内；壳体顶部设置密封盖，壳体和密封盖之间设置密封层，并通过气密螺母和气密螺栓固定；注气阀、排气阀、浆式流变仪均安设于密封盖上部，注气阀和排气阀的下端与膏体料浆罐连通，用于调控罐内压力，浆式流变仪下端为三旋浆式桨叶，伸入膏体料浆罐内部，进行膏体料浆流变测试；注气阀通过气液泵连接压力氮气瓶；壳体下部设置罐底注液口，上部设置罐顶溢流口；罐顶溢流口连接控温溢流液罐，罐底注液口连接控温储液罐，控温溢流液罐内液体经气液泵输送至控温储液罐。

2.根据权利要求1所述的温-压可控的膏体料浆流变性能测试装置，其特征在于，所述气密螺母和密封盖、气密螺母和壳体之间均设置气密垫。

3.根据权利要求1所述的温-压可控的膏体料浆流变性能测试装置，其特征在于，所述注气阀下部管道上设置压力计；智能管控平台对浆式流变仪、内嵌式液位传感器、压力计、温度传感器进行调控，监测粘度、温度和应力参数，并且将阀门启停调控指令输送至注气阀、排气阀和气液泵。

4.根据权利要求1所述的温-压可控的膏体料浆流变性能测试装置，其特征在于，所述温度传感器、浆式流变仪、密封层、膏体料浆罐和内嵌式液位传感器均为耐温、耐压和耐磨材质制成。

5.根据权利要求3所述的温-压可控的膏体料浆流变性能测试装置，其特征在于，所述压力计和智能管控平台监测膏体料浆罐内注气增压、排气泄压过程；温度传感器和智能管控平台监测膏体料浆罐升温降温过程，确保利用浆式流变仪进行膏体料浆流变实验时的恒温恒压状态。

6.根据权利要求1所述的温-压可控的膏体料浆流变性能测试装置，其特征在于，所述壳体和密封盖在一侧边缘设置连接转动轴。

7.根据权利要求1所述的温-压可控的膏体料浆流变性能测试装置，其特征在于，该装置利用智能管控平台和内嵌式液位传感器，确保膏体料浆液位始终低于密封盖下方的与注气阀和排气阀连接的抽排气口，避免影响注气阀注气作业和排气阀的排气作业。

8.应用权利要求1所述的温-压可控的膏体料浆流变性能测试装置的方法，其特征在于，包括步骤如下：

S1：装置试车阶段：将膏体料浆罐内注入去离子水，在常温常压的标准状况下，对智能管控平台、压力计、内嵌式液位传感器、温度传感器、浆式流变仪进行校准试车，确定装置气密性、控温性良好，随后清空膏体料浆罐以备流变实验；

S2：流变实验准备阶段：将按需求配置好的膏体料浆，注入膏体料浆罐，利用内嵌式液位传感器和智能管控平台确定膏体料浆罐内的膏体料浆液位；利用连接转动轴旋转密封盖，使密封层与壳体实现有效闭合；

S3：气密与变压阶段：在智能管控平台和压力计监控下，依次旋拧气密垫、气密螺栓、气密螺母、注气阀进行气密作业；依据实验环境气压要求，利用压力氮气瓶、气液泵向膏体料浆罐注入氮气提高罐内压力，或利用排气阀、气液泵将膏体料浆罐内部分气体排出降低罐内压力；

S4：调温控温阶段：将去离子水注入控温储液罐，将水温提升至实验要求温度，利用气液泵将恒温去离子水经罐底注液口注入水浴层，当恒温去离子水自下而上充满水浴层后，自上部罐顶溢流口流入控温溢流液罐，利用温度传感器和智能管控平台对环境温度进行监测，利用隔热层提高流变实验过程中稳定性；

S5：流变实验阶段：启动浆式流变仪进行膏体料浆流变实验；

S6：实验收尾阶段：首先，关闭浆式流变仪，调节控温储液罐内液体温度至环境温度，使膏体料浆罐降至环境温度；其次，根据环境压力差，启动排气阀或注气阀，利用压力计、智能管控平台，监测卸压和增压过程，当膏体料浆罐内与外界压力均衡后，以连接转动轴为轴，旋拧开启气密垫、气密螺母和气密螺栓，清洁膏体料浆罐，以备后续再次实验。

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