CN212079382U - 基于低频脉冲的矿山充填料浆沉降离析控制系统 - Google Patents
基于低频脉冲的矿山充填料浆沉降离析控制系统 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型涉及基于低频脉冲的矿山充填料浆沉降离析控制系统。该系统的充填管道设置在矿山井巷内，低频脉冲泵压系统的入口通过扰流管并联入充填管道，低频脉冲泵压系统的出口通过射流管与充填管道连通，管道蓄能器设置在充填管道上，在线流变监测系统、充填管道压力监测装置、充填管道流量监测装置均设置在充填管道上，脉冲泵压输出管压力监测装置、脉冲泵压输出管流量监测装置均设置在射流管上，数据采集仪采集低频脉冲泵压系统、管道蓄能器、在线流变监测装置、充填管道压力监测装置、充填管道流量监测装置、脉冲泵压输出管压力监测装置、脉冲泵压输出管流量监测装置的数据。本实用新型改变充填料浆的沉降离析状态，实现高效稳态输送。
Description
技术领域
本实用新型涉及基于低频脉冲的矿山充填料浆沉降离析控制系统，属于矿业工程技术领域。
背景技术
矿山充填采矿法是支撑绿色开采与深部资源开采的重要方法，充填料浆多采用泵压或自流输送的方式通过管道输送到井下采空区，实现预定充填功能。充填料浆主要由全尾砂、矿山废石、水泥、添加剂和水等多种复杂材料组成，具有粒级分布广、固体含量高、颗粒表面化学作用强等特点，在这些因素的交互影响作用下，膏体呈现出可塑、稳定等宏观特性，在管道中易出现固体颗粒的沉降与离析现象，形成堵管和爆管的重大隐患，不利于管道安全、稳定地输送。充填料浆的管道输送是整个充填环节的“咽喉工程”，充填料浆在管道输送中的任何事故都将导致充填程序中断，管道输送的恢复需要花费大量时间、人力与财力。
实用新型内容
针对现有矿山充填采矿法中多尺度散体颗粒在输送管道中的沉降的技术问题，本实用新型提供一种基于低频脉冲的矿山充填料浆沉降离析控制系统，本实用新型通过高能量的低频脉冲波扰动颗粒的沉降状态，使其在较长时间内处于悬浮状态，降低沿程阻力损失，同时减少充填管道底部应力集中导致的堵管风险。
本实用新型可依据料浆流变学状态定向为充填料浆提供低频脉冲，改变沉降离析状态，解决长距离输送中复合充填料浆沉降离析而导致的堵管、爆管等问题，实现充填料浆的高效稳态输送。
本实用新型为解决其技术问题而采用的技术方案是：
一种基于低频脉冲的矿山充填料浆沉降离析控制系统，包括充填管道1、低频脉冲泵压系统、管道蓄能器12、在线流变监测装置、充填管道压力监测装置、充填管道流量监测装置、脉冲泵压输出管压力监测装置、脉冲泵压输出管流量监测装置、数据采集仪16，
充填管道1设置在矿山井巷内，低频脉冲泵压系统的入口通过扰流管4并联入充填管道 1，低频脉冲泵压系统的出口通过射流管5与充填管道1连通，扰流管4位于射流管5的上游，管道蓄能器12设置在充填管道1上且位于低频脉冲泵压系统的下游，在线流变监测系统、充填管道压力监测装置、充填管道流量监测装置均设置在充填管道1上，脉冲泵压输出管压力监测装置、脉冲泵压输出管流量监测装置均设置在射流管5上，低频脉冲泵压系统、管道蓄能器12、在线流变监测装置、充填管道压力监测装置、充填管道流量监测装置、脉冲泵压输出管压力监测装置、脉冲泵压输出管流量监测装置均通过数据线与数据采集仪16连接。
所述基于低频脉冲的矿山充填料浆沉降离析控制系统还包括计算机17，数据采集仪16 与计算机17连接。
进一步的，所述低频脉冲泵压系统包括液压站3和低频柱塞泵2，液压站3和低频柱塞泵2连接，低频柱塞泵2的入口通过扰流管4并联入充填管道1，低频柱塞泵2的出口通过射流管5与充填管道1连通。
所述脉冲泵压输出管压力监测装置为压力计III10，脉冲泵压输出管流量监测装置为流量计III11。
所述充填管道压力监测装置包括压力计I8和压力计II13，压力计I8设置在低频脉冲泵压系统上游的充填管道1上，压力计II13设置在管道蓄能器12下游的充填管道1上；充填管道流量监测装置包括流量计I9和流量计II14，流量计I9设置在低频脉冲泵压系统上游的充填管道1上，流量计II14设置在管道蓄能器12下游的充填管道1上。
所述在线流变监测装置包括在线流变仪I7和在线流变仪II15，在线流变仪I7设置在充填管道压力监测装置上游的充填管道1上，在线流变仪II15设置在管道蓄能器12下游的充填管道1上，充填管道压力监测装置和充填管道流量监测装置均位于在线流变仪I7与在线流变仪II15之间。
优选的，所述在线流变仪II15与射流管5的距离不小于5m。
优选的，所述充填管道1的管道直径为50～200mm，充填管道1输送流量在60～300m3/h；低频脉冲泵压系统的释放正向低频脉冲压力，释放频率为0.1～3次/min，最大脉冲压力为5～30 MPa；管道蓄能器12为隔膜式蓄能器，隔膜式蓄能器最大承受压力为低频脉冲泵压系统最大脉冲压力的1.3～2.0倍。
优选的，在线流变仪I7和在线流变仪II15的剪切应力测定范围为0～1000Pa，剪切速率测定范围0～500s-1，压力计I8和压力计II13的最大测量值为5～30MPa，流量计I9和流量计 II14的最大测量值为60～300m3/h，压力计I8、压力计II13、流量计I9和流量计II14的测试范围根据充填管道1内的充填料浆对充填管道1内壁的压力和充填料浆的流量进行选择。
进一步的，扰流管4上设置有阀门6；
所述管道蓄能器可以吸收部分脉冲峰值压力并缓慢释放，延长脉冲波长；低频脉冲泵压系统与管道蓄能器使得充填料浆中沉降在管道底部或处于沉降中的惰性颗粒在低频高能脉冲扰动下，重新处于悬浮状态，有效控制伪均质充填料浆的沉降离析现象。
由于充填管道1输送流量在60～300m3/h，扰流管4输入流量远小于充填管道1的输出流量，故相对于充填管道1的输送流量而言，扰流管4输入流量可忽略不计，低频脉冲泵压系统仅提供低频高压脉冲波。
以充填管道1的充填料浆流动方向计，所述扰流管4位于射流管5的上游即扰流管4比射流管5比射流管5更靠近充填管道1的充填料浆入口，所述管道蓄能器12设置在充填管道 1上且位于低频脉冲泵压系统的下游即低频脉冲泵压系统比管道蓄能器12更靠近充填管道1 的充填料浆入口，所述压力计I8设置在低频脉冲泵压系统上游的充填管道1上即压力计I8 比低频脉冲泵压系统更靠近充填管道1的充填料浆入口，所述压力计II13设置在管道蓄能器 12下游的充填管道1上即管道蓄能器12比压力计II13更靠近充填管道1的充填料浆入口，所述流量计I9设置在低频脉冲泵压系统上游的充填管道1上即流量计I9比低频脉冲泵压系统更靠近充填管道1的充填料浆入口，所述流量计II14设置在管道蓄能器12下游的充填管道1上即管道蓄能器12比流量计II14更靠近充填管道1的充填料浆入口，所述在线流变仪 I7设置在充填管道压力监测装置上游的充填管道1上即在线流变仪I7比充填管道压力监测装置更靠近充填管道1的充填料浆入口，在线流变仪II15设置在管道蓄能器12下游的充填管道1上即管道蓄能器12比在线流变仪II15更靠近充填管道1的充填料浆入口；
采用基于低频脉冲的矿山充填料浆沉降离析控制系统进行控制的方法：
(1)装配好基于低频脉冲的矿山充填料浆沉降离析控制系统的充填管道、低频脉冲泵压系统、管道蓄能器、在线流变监测装置、充填管道压力监测装置、充填管道流量监测装置、脉冲泵压输出管压力监测装置、脉冲泵压输出管流量监测装置、数据采集仪，并将低频脉冲泵压系统、管道蓄能器、在线流变监测装置、充填管道压力监测装置、充填管道流量监测装置、脉冲泵压输出管压力监测装置、脉冲泵压输出管流量监测装置均通过数据线与数据采集仪连接，数据采集仪可与计算机连接以实现数据的自动化存储和计算分析；
(2)配置充填料浆，并将充填料浆以自流方式通过充填管道输送，充填料浆进入扰流管前，通过在线流变监测装置监测获取充填管道底部充填料浆的初始t0时刻的剪切应力和剪切速率，绘制出充填管道底部充填料浆的初始t0时刻的剪切应力与剪切速率关系曲线τ-γ&，并计算出初始t0时刻的屈服应力值τy0，通过充填管道压力监测装置和充填管道流量监测装置监测获取初始t0时刻的充填管道压力和充填管道内充填料浆的流量；
(3)充填料浆未经扰流管接入低频脉冲泵压系统，通过管道蓄能器下游的充填管道压力监测装置、充填管道流量监测装置和在线流变监测装置监测获取充填管道压力、充填管道内充填料浆的流量以及充填管道底部充填料浆的剪切应力和剪切速率，绘制出管道蓄能器下游的充填管道底部充填料浆的剪切应力与剪切速率关系曲线τ-γ&即t1时刻的剪切应力与剪切速率关系曲线τ-γ&，并计算出t1时刻的屈服应力τy1，计算出并判定出充填料浆沉降离析状态；
(4)若充填料浆处于沉降离析状态，充填料浆则经扰流管接入低频脉冲泵压系统，通过低频脉冲泵压系统产生低频脉冲压力，再经射流管泵入充填管道，通过脉冲泵压输出管压力监测装置和脉冲泵压输出管流量监测装置监测获取泵送脉冲压力和泵送脉冲流量；
(5)管道蓄能器吸收充填管道内的部分脉冲峰值压力并缓慢释放以延长脉冲波长，通过充填管道压力监测装置、充填管道流量监测装置和在线流变监测装置监测获取经管道蓄能器延长脉冲波长的充填管道压力、充填管道内充填料浆的流量以及剪切应力和剪切速率，再次绘制出管道蓄能器下游的充填管道底部充填料浆的剪切应力与剪切速率关系曲线τ-γ&即t1时刻的剪切应力与剪切速率关系曲线τ-γ&，并计算出t1时刻的屈服应力τy1，计算出并判定出充填料浆沉降离析状态，并调控柱塞脉冲频率f至充填料浆为均质输送状态；
(6)通过在线流变监测装置获取剪切应力与剪切时间关系曲线τ-t，通过τ-t曲线检测流变参数波动状态，计算波动率w和波长λ，以分析均质输送状态时的脉冲压力、脉冲流量和柱塞频率对充填料浆的扰动程度，并评价管道输送可靠度即脉冲持久性。
进一步的，所述通过在线流变仪I监测获取充填管道底部充填料浆的初始t0时刻的剪切应力和剪切速率，通过在线流变仪II监测获取管道蓄能器下游充填管道底部充填料浆的剪切应力和剪切速率；
进一步的，所述步骤(3)充填料浆沉降离析状态的判定方法：若屈服应力变化梯度阈值 iτ不小于预设阈值时，充填料浆处于沉降离析状态；若屈服应力变化梯度阈值iτ小于预设阈值时，充填料浆处于均质输送状态；
更进一步的，屈服应力变化梯度阈值iτ的预设阈值为20～50Pa/km；
进一步的，屈服应力变化梯度阈值iτ的计算公式为
iτ＝(τy1-τy0)/L
其中，τy0为在线流变仪I对应的屈服应力值，Pa；τy1为在线流变仪II对应的屈服应力值，Pa，L为在线流变仪I和在线流变仪II之间的距离；
屈服应力值τy0和τy1均根据流变特征曲线即剪切应力与剪切速率关系曲线τ-γ&，由 Bingham方程计算出每分钟的屈服应力τy与塑性黏度ηp，每个屈服应力值τy与塑性黏度值ηp均由60个时间点的Bingham方程组拟合求得，即方程组
其中，τ1、τ2、τ3、τ4……τ60分别为第1、2、3、4……60个时间点的剪切应力值，
分别为第1、2、3、4……60个时间点的剪切速率值；
进一步的，柱塞脉冲频率f的调控方法
1)预设初始柱塞脉冲频率f0，计算出初始柱塞脉冲频率f0时的屈服应力变化梯度阈值iτ；
2)若屈服应力变化梯度阈值iτ小于屈服应力变化梯度阈值iτ的预设阈值，则维持初始柱塞脉冲频率f0；若屈服应力变化梯度阈值iτ不小于屈服应力变化梯度阈值iτ的预设阈值，则预设增长系数k，令t＝t+1，f＝f0+kt，再计算出柱塞脉冲频率f时的屈服应力变化梯度阈值iτ至屈服应力变化梯度阈值iτ小于屈服应力变化梯度阈值iτ的预设阈值，维持柱塞脉冲频率f。
进一步的，初始柱塞脉冲频率f0为0.1～0.5次/min，增长系数k为0.1～1，t为1～2min；
进一步的，波动率w和波长λ的计算方法为
τmax为峰值剪切应力，τmid为中值剪切应力，
为最大剪切应力是对应的时刻，
为最小剪切应力是对应的时刻，v为充填浆料的平均流速；
波动率反映低频脉冲对充填料浆扰动强烈程度，波动率越大，扰动越剧烈；波长反映低频脉冲对充填料浆扰动的持久性，波长越大，持久性越好：w﹥1时，扰动效果剧烈；0.5＜w＜1时，扰动效果中等；0＜w＜0.5时，扰动效果差；λ﹥预设值时，当前脉冲有较好的持久性，其中λ的预设值为30～50m；
通过流量计I和流量计II监测低频脉冲泵压系统对充填管道系统流量扰动规律，可用于评估流量稳态状况；通过压力计I和压力计II监测充填管道总压变化特征，可用于评估低频脉冲泵压系统为充填管道系统输入的总能量，为沿程阻力分析与动力需求计算提供参数。
本实用新型的有益效果：
(1)本实用新型在不改变输送管路现有工况前提下，通过低流量、高泵压、低频率脉冲改变充填管道中料浆的沉降离析状态，实现滑动、滚动和跳跃状态的推移质颗粒以悬移质状态运动，结晶充填料浆的伪均质状态，最终实现充填浆体的安全、稳定输送；
(2)本实用新型的基于低频脉冲的矿山充填料浆沉降离析控制系统具有有效控制充填料浆中多尺度散体颗粒在管道内沉降离析的作用，通过流变学状态监测、运动学与动力学监测实现不同物料组成、不同工况下泵送频率的有效调整，针对性提高充填料浆的均质流动性。
附图说明
图1为基于低频脉冲的矿山充填料浆沉降离析控制系统结构示意图；
图2为柱塞脉冲频率f的调控流程图；
图3为实施例3初始t0时刻的剪切应力与剪切速率关系曲线τ-γ&；
图中：1-充填管道、2-低频柱塞泵、3-液压站、4-扰流管、5-射流管、6-阀门、7-在线流变仪I、8-压力计I、9-流量计I、10-压力计III、11-流量计III、12-管道蓄能器、13-压力计II、14-流量计II、15-在线流变仪II、16-数据采集仪、17-计算机。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，对本实用新型作进一步说明。
实施例1：如图1所示，一种基于低频脉冲的矿山充填料浆沉降离析控制系统，包括充填管道1、低频脉冲泵压系统、管道蓄能器12、在线流变监测装置、充填管道压力监测装置、充填管道流量监测装置、脉冲泵压输出管压力监测装置、脉冲泵压输出管流量监测装置、数据采集仪16，
充填管道1设置在矿山井巷内，低频脉冲泵压系统的入口通过扰流管4并联入充填管道 1，低频脉冲泵压系统的出口通过射流管5与充填管道1连通，扰流管4位于射流管5的上游，管道蓄能器12设置在充填管道1上且位于低频脉冲泵压系统的下游，在线流变监测系统、充填管道压力监测装置、充填管道流量监测装置均设置在充填管道1上，脉冲泵压输出管压力监测装置、脉冲泵压输出管流量监测装置均设置在射流管5上，低频脉冲泵压系统、管道蓄能器12、在线流变监测装置、充填管道压力监测装置、充填管道流量监测装置、脉冲泵压输出管压力监测装置、脉冲泵压输出管流量监测装置均通过数据线与数据采集仪16连接；
优选的，本实施例基于低频脉冲的矿山充填料浆沉降离析控制系统还包括计算机17，数据采集仪16与计算机17连接；
优选的，本实施例所述低频脉冲泵压系统包括液压站3和低频柱塞泵2，液压站3和低频柱塞泵2连接，低频柱塞泵2的入口通过扰流管4并联入充填管道1，低频柱塞泵2的出口通过射流管5与充填管道1连通；
优选的，本实施例所述脉冲泵压输出管压力监测装置为压力计III10，脉冲泵压输出管流量监测装置为流量计III11；
优选的，本实施例所述充填管道压力监测装置包括压力计I8和压力计II13，压力计I8 设置在低频脉冲泵压系统上游的充填管道1上，压力计II13设置在管道蓄能器12下游的充填管道1上；充填管道流量监测装置包括流量计I9和流量计II14，流量计I9设置在低频脉冲泵压系统上游的充填管道1上，流量计II14设置在管道蓄能器12下游的充填管道1上；
优选的，本实施例所述在线流变监测装置包括在线流变仪I7和在线流变仪II15，在线流变仪I7设置在充填管道压力监测装置上游的充填管道1上，在线流变仪II15设置在管道蓄能器12下游的充填管道1上，充填管道压力监测装置和充填管道流量监测装置均位于在线流变仪I7与在线流变仪II15之间；
更优选的，本实施例所述在线流变仪II15与射流管5的距离不小于5m；
更优选的，所述充填管道1的管道直径为50～200mm，充填管道1输送流量在60～300m3/h；低频脉冲泵压系统的释放正向低频脉冲压力，释放频率为0.1～3次/min，最大脉冲压力为5～30 MPa；管道蓄能器12为隔膜式蓄能器，隔膜式蓄能器最大承受压力为低频脉冲泵压系统最大脉冲压力的1.3～2.0倍；
更优选的，本实施例所述在线流变仪I7和在线流变仪II15的剪切应力测定范围为0～1000 Pa，剪切速率测定范围0～500s-1，压力计I8和压力计II13的最大测量值为5～30MPa，流量计I9和流量计II14的最大测量值为60～300m3/h，压力计I8、压力计II13、流量计I9和流量计II14的测试范围根据充填管道1内的充填料浆对充填管道1内壁的压力和充填料浆的流量进行选择；
本实施例所述扰流管4上设置有阀门6；
以充填管道1的充填料浆流动方向计，所述扰流管4位于射流管5的上游即扰流管4比射流管5比射流管5更靠近充填管道1的充填料浆入口，所述管道蓄能器12设置在充填管道 1上且位于低频脉冲泵压系统的下游即低频脉冲泵压系统比管道蓄能器12更靠近充填管道1 的充填料浆入口，所述压力计I8设置在低频脉冲泵压系统上游的充填管道1上即压力计I8 比低频脉冲泵压系统更靠近充填管道1的充填料浆入口，所述压力计II13设置在管道蓄能器 12下游的充填管道1上即管道蓄能器12比压力计II13更靠近充填管道1的充填料浆入口，所述流量计I9设置在低频脉冲泵压系统上游的充填管道1上即流量计I9比低频脉冲泵压系统更靠近充填管道1的充填料浆入口，所述流量计II14设置在管道蓄能器12下游的充填管道1上即管道蓄能器12比流量计II14更靠近充填管道1的充填料浆入口，所述在线流变仪 I7设置在充填管道压力监测装置上游的充填管道1上即在线流变仪I7比充填管道压力监测装置更靠近充填管道1的充填料浆入口，在线流变仪II15设置在管道蓄能器12下游的充填管道1上即管道蓄能器12比在线流变仪II15更靠近充填管道1的充填料浆入口；
所述管道蓄能器可以吸收部分脉冲峰值压力并缓慢释放，延长脉冲波长；低频脉冲泵压系统与管道蓄能器使得充填料浆中沉降在管道底部或处于沉降中的惰性颗粒在低频高能脉冲扰动下，重新处于悬浮状态，有效控制伪均质充填料浆的沉降离析现象；
由于充填管道1输送流量在60～300m3/h，扰流管4输入流量远小于充填管道1的输出流量，故相对于充填管道1的输送流量而言，扰流管4输入流量可忽略不计，低频脉冲泵压系统仅提供低频高压脉冲波。
实施例2：采用实施例1基于低频脉冲的矿山充填料浆沉降离析控制系统进行控制的方法：
(1)装配好基于低频脉冲的矿山充填料浆沉降离析控制系统的充填管道、低频脉冲泵压系统、管道蓄能器、在线流变监测装置、充填管道压力监测装置、充填管道流量监测装置、脉冲泵压输出管压力监测装置、脉冲泵压输出管流量监测装置、数据采集仪，并将低频脉冲泵压系统、管道蓄能器、在线流变监测装置、充填管道压力监测装置、充填管道流量监测装置、脉冲泵压输出管压力监测装置、脉冲泵压输出管流量监测装置均通过数据线与数据采集仪连接，数据采集仪可与计算机连接以实现数据的自动化存储和计算分析；
(2)配置充填料浆，并将充填料浆以自流方式通过充填管道输送，充填料浆进入扰流管前，通过在线流变监测装置的在线流变仪I监测获取充填管道底部充填料浆的初始t0时刻的剪切应力和剪切速率，绘制出充填管道底部充填料浆的初始t0时刻的剪切应力与剪切速率关系曲线τ-γ&，并计算出初始t0时刻的屈服应力值τy0，通过充填管道压力监测装置的压力计 I和充填管道流量监测装置的流量计I监测获取初始t0时刻的充填管道压力和充填管道内充填料浆的流量；其中屈服应力值τy0根据流变特征曲线即剪切应力与剪切速率关系曲线τ-γ&，由Bingham方程计算出每分钟的屈服应力τy与塑性黏度ηp，每个屈服应力值τy与塑性黏度值ηp均由60个时间点的Bingham方程组拟合求得，即方程组
其中，τ1、τ2、τ3、τ4……τ60分别为第1、2、3、4……60个时间点的剪切应力值，
分别为第1、2、3、4……60个时间点的剪切速率值；
(3)充填料浆未经扰流管接入低频脉冲泵压系统，通过管道蓄能器下游的充填管道压力监测装置、充填管道流量监测装置和在线流变监测装置的在线流变仪II监测获取充填管道压力、充填管道内充填料浆的流量以及充填管道底部充填料浆的剪切应力和剪切速率，绘制出管道蓄能器下游的充填管道底部充填料浆的剪切应力与剪切速率关系曲线τ-γ&即t1时刻的剪切应力与剪切速率关系曲线τ-γ&，并计算出t1时刻的屈服应力τy1，计算出并判定出充填料浆沉降离析状态；其中充填料浆沉降离析状态的判定方法：若屈服应力变化梯度阈值iτ不小于预设阈值时，充填料浆处于沉降离析状态；若屈服应力变化梯度阈值iτ小于预设阈值时，充填料浆处于均质输送状态；屈服应力变化梯度阈值iτ的预设阈值为20～50Pa/km；
屈服应力变化梯度阈值iτ的计算公式为
iτ＝(τy1-τy0)/L
其中，τy0为在线流变仪I对应的屈服应力值，Pa；τy1为在线流变仪II对应的屈服应力值，Pa，L为在线流变仪I和在线流变仪II之间的距离；
屈服应力值τy1根据流变特征曲线即剪切应力与剪切速率关系曲线τ-γ&，由Bingham方程计算出每分钟的屈服应力τy与塑性黏度ηp，每个屈服应力值τy与塑性黏度值ηp均由60个时间点的Bingham方程组拟合求得，即方程组
其中，τ1、τ2、τ3、τ4……τ60分别为第1、2、3、4……60个时间点的剪切应力值，
分别为第1、2、3、4……60个时间点的剪切速率值；
(4)若充填料浆处于沉降离析状态，充填料浆则经扰流管接入低频脉冲泵压系统，通过低频脉冲泵压系统产生低频脉冲压力，再经射流管泵入充填管道，通过脉冲泵压输出管压力监测装置和脉冲泵压输出管流量监测装置监测获取泵送脉冲压力和泵送脉冲流量；
(5)管道蓄能器吸收充填管道内的部分脉冲峰值压力并缓慢释放以延长脉冲波长，通过充填管道压力监测装置、充填管道流量监测装置和在线流变监测装置监测获取经管道蓄能器延长脉冲波长的充填管道压力、充填管道内充填料浆的流量以及剪切应力和剪切速率，再次绘制出管道蓄能器下游的充填管道底部充填料浆的剪切应力与剪切速率关系曲线τ-γ&即t1时刻的剪切应力与剪切速率关系曲线τ-γ&，并计算出t1时刻的屈服应力τy1，计算出并判定出充填料浆沉降离析状态，并调控柱塞脉冲频率f至充填料浆为均质输送状态；其中柱塞脉冲频率f的调控方法(见图2)，具体步骤如下：
1)预设初始柱塞脉冲频率f0，计算出初始柱塞脉冲频率f0时的屈服应力变化梯度阈值iτ；
2)若屈服应力变化梯度阈值iτ小于屈服应力变化梯度阈值iτ的预设阈值，则维持初始柱塞脉冲频率f0；若屈服应力变化梯度阈值iτ不小于屈服应力变化梯度阈值iτ的预设阈值，则预设增长系数k，令t＝t+1，f＝f0+kt，再计算出柱塞脉冲频率f时的屈服应力变化梯度阈值iτ至屈服应力变化梯度阈值iτ小于屈服应力变化梯度阈值iτ的预设阈值，维持柱塞脉冲频率f；初始柱塞脉冲频率f0为0.1～0.5次/min，增长系数k为0.1～1，t值增加的时间间隔为 1～2min，初始t为1；
(6)通过在线流变监测装置获取剪切应力与剪切时间关系曲线τ-t，通过τ-t曲线检测流变参数波动状态，计算波动率w和波长λ，以分析均质输送状态时的脉冲压力、脉冲流量和柱塞频率对充填料浆的扰动程度，并评价管道输送可靠度即脉冲持久性；其中
波动率w和波长λ的计算方法为
τmax为峰值剪切应力，τmid为中值剪切应力，
为最大剪切应力是对应的时刻，
为最小剪切应力是对应的时刻，v为充填浆料的平均流速；
波动率反映低频脉冲对充填料浆扰动强烈程度，波动率越大，扰动越剧烈；波长反映低频脉冲对充填料浆扰动的持久性，波长越大，持久性越好：w﹥1时，扰动效果剧烈；0.5＜w ＜1时，扰动效果中等；0＜w＜0.5时，扰动效果差；λ﹥预设值时，当前脉冲有较好的持久性，其中λ的预设值为30～50m；
通过流量计I和流量计II监测低频脉冲泵压系统对充填管道系统流量扰动规律，评估流量稳态状况；通过压力计I和压力计II监测充填管道总压变化特征，评估低频脉冲泵压系统为充填管道系统输入的总能量，为沿程阻力分析与动力需求计算提供参数。
实施例3：本实施例全尾砂、废石、水泥和水等制备出的充填料浆质量浓度为72％，全尾砂和废石比例为6:4，灰砂比为1:10，制备出的充填料浆坍落度为26cm，充填管道管径为100mm，水平管道长度5km，管道几何充填倍线为3；
采用实施例1基于低频脉冲的矿山充填料浆沉降离析控制系统进行控制的方法：
(1)装配好基于低频脉冲的矿山充填料浆沉降离析控制系统的充填管道、低频脉冲泵压系统、管道蓄能器、在线流变监测装置、充填管道压力监测装置、充填管道流量监测装置、脉冲泵压输出管压力监测装置、脉冲泵压输出管流量监测装置、数据采集仪，并将低频脉冲泵压系统、管道蓄能器、在线流变监测装置、充填管道压力监测装置、充填管道流量监测装置、脉冲泵压输出管压力监测装置、脉冲泵压输出管流量监测装置均通过数据线与数据采集仪连接，数据采集仪可与计算机连接以实现数据的自动化存储和计算分析；由于在试运行输送充填料浆时在水平管段出现堵管导致充填失效事故，故将基于低频脉冲的矿山充填料浆沉降离析控制系统安装在充填管道的水平管前端100m处；
(2)配置充填料浆，并将充填料浆以自流方式通过充填管道输送，充填料浆进入扰流管前，通过在线流变监测装置的在线流变仪I监测获取充填管道底部充填料浆的初始t0时刻的剪切应力和剪切速率，绘制出充填管道底部充填料浆的初始t0时刻的剪切应力与剪切速率关系曲线τ-γ&(见图3)，并计算出初始t0时刻的屈服应力值τy0为150Pa，通过充填管道压力监测装置的压力计I和充填管道流量监测装置的流量计I监测获取初始t0时刻的充填管道压力10MPa和充填管道内充填料浆的流量80m3/h；其中屈服应力值τy0根据流变特征曲线即剪切应力与剪切速率关系曲线τ-γ&，由Bingham方程计算出每分钟的屈服应力τy与塑性黏度ηp，每个屈服应力值τy与塑性黏度值ηp均由60个时间点的Bingham方程组拟合求得，即方程组
其中，τ1、τ2、τ3、τ4……τ60分别为第1、2、3、4……60个时间点的剪切应力值，
分别为第1、2、3、4……60个时间点的剪切速率值；本实施例屈服应力值τy0为150Pa；
(3)充填料浆未经扰流管接入低频脉冲泵压系统，通过管道蓄能器下游的充填管道压力监测装置的压力计II、充填管道流量监测装置的流量计II和在线流变监测装置的在线流变仪 II监测获取充填管道压力为5MPa、充填管道内充填料浆的流量为80m3/h以及充填管道底部充填料浆的剪切应力和剪切速率，绘制出管道蓄能器下游的充填管道底部充填料浆的剪切应力与剪切速率关系曲线τ-γ&即t1时刻的剪切应力与剪切速率关系曲线τ-γ&，并计算出t1时刻的屈服应力τy1，计算出并判定出充填料浆沉降离析状态；其中充填料浆沉降离析状态的判定方法：若屈服应力变化梯度阈值iτ不小于预设阈值时，充填料浆处于沉降离析状态；若屈服应力变化梯度阈值iτ小于预设阈值时，充填料浆处于均质输送状态；屈服应力变化梯度阈值iτ的预设阈值为40Pa/km；
屈服应力变化梯度阈值iτ的计算公式为
iτ＝(τy1-τy0)/L
其中，τy0为在线流变仪I对应的屈服应力值，Pa；τy1为在线流变仪II对应的屈服应力值，Pa，L为在线流变仪I和在线流变仪II之间的距离；
屈服应力值τy1均根据流变特征曲线即剪切应力与剪切速率关系曲线τ-γ&，由Bingham 方程计算出每分钟的屈服应力τy与塑性黏度ηp，每个屈服应力值τy与塑性黏度值ηp均由60 个时间点的Bingham方程组拟合求得，即方程组
其中，τ1、τ2、τ3、τ4……τ60分别为第1、2、3、4……60个时间点的剪切应力值，
分别为第1、2、3、4……60个时间点的剪切速率值；
(4)由于本实施例中屈服应力变化梯度阈值iτ为50Pa/km大于屈服应力变化梯度阈值iτ的预设阈值40Pa/km，充填料浆处于沉降离析状态，打开扰流管的阀门，充填料浆则经扰流管接入低频脉冲泵压系统，通过低频脉冲泵压系统产生低频脉冲压力，再经射流管泵入充填管道，通过脉冲泵压输出管压力监测装置和脉冲泵压输出管流量监测装置监测获取泵送脉冲压力为8MPa和泵送脉冲流量为100m3/h；
(5)本实施例中管道蓄能器最大承受压力为最大脉冲压力的1.5倍，管道蓄能器吸收充填管道内的部分脉冲峰值压力并缓慢释放以延长脉冲波长，通过充填管道压力监测装置、充填管道流量监测装置和在线流变监测装置监测获取经管道蓄能器延长脉冲波长的充填管道压力、充填管道内充填料浆的流量以及剪切应力和剪切速率，再次绘制出管道蓄能器下游的充填管道底部充填料浆的剪切应力与剪切速率关系曲线τ-γ&即t1时刻的剪切应力与剪切速率关系曲线τ-γ&，并计算出t1时刻的屈服应力τy1，计算出并判定出充填料浆沉降离析状态，并调控柱塞脉冲频率f至充填料浆为均质输送状态；其中柱塞脉冲频率f的调控方法(见图2)：
1)预设初始柱塞脉冲频率f0为0.2次/min，计算出初始柱塞脉冲频率f0时的屈服应力变化梯度阈值iτ；
2)本实施例屈服应力变化梯度阈值iτ的预设阈值为40Pa/km；若屈服应力变化梯度阈值 iτ小于屈服应力变化梯度阈值iτ的预设阈值，则维持初始柱塞脉冲频率f0；而本实施例屈服应力变化梯度阈值iτ为50Pa/km大于屈服应力变化梯度阈值iτ的预设阈值40Pa/km，则预设增长系数k为0.2，令t＝t+1，f＝f0+kt，再计算出柱塞脉冲频率f时的屈服应力变化梯度阈值iτ至屈服应力变化梯度阈值iτ小于屈服应力变化梯度阈值iτ的预设阈值40Pa/km，维持柱塞脉冲频率f为0.4次/min；其中t值增加的时间间隔为1～2min，初始t为1；
(6)通过在线流变监测装置获取剪切应力与剪切时间关系曲线τ-t，通过τ-t曲线检测流变参数波动状态，计算波动率w和波长λ，以分析均质输送状态时的脉冲压力、脉冲流量和柱塞频率对充填料浆的扰动程度，并评价管道输送可靠度即脉冲持久性；其中
波动率w和波长λ的计算方法为
τmax为峰值剪切应力，τmid为中值剪切应力，
为最大剪切应力是对应的时刻，
为最小剪切应力是对应的时刻，v为充填浆料的平均流速；
波动率反映低频脉冲对充填料浆扰动强烈程度，波动率越大，扰动越剧烈；波长反映低频脉冲对充填料浆扰动的持久性，波长越大，持久性越好：w﹥1时，扰动效果剧烈；0.5＜w ＜1时，扰动效果中等；0＜w＜0.5时，扰动效果差；λ﹥预设值时，当前脉冲有较好的持久性，其中λ的预设值为40m；
本实施例中w为0.8，故扰动效果中等；本实施例λ的预设值为40m，λ的实际值为70m，故当前脉冲有较好的持久性；
通过流量计I和流量计II监测低频脉冲泵压系统对充填管道系统流量扰动规律，可评估流量稳态状况；通过压力计I和压力计II监测充填管道总压变化特征，可评估低频脉冲泵压系统为充填管道系统输入的总能量，为沿程阻力分析与动力需求计算提供参数。
上面结合附图对本实用新型的具体实施例作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (8)
1.基于低频脉冲的矿山充填料浆沉降离析控制系统，其特征在于：包括充填管道(1)、低频脉冲泵压系统、管道蓄能器(12)、在线流变监测装置、充填管道压力监测装置、充填管道流量监测装置、脉冲泵压输出管压力监测装置、脉冲泵压输出管流量监测装置、数据采集仪(16)，
充填管道(1)设置在矿山井巷内，低频脉冲泵压系统的入口通过扰流管(4)并联入充填管道(1)，低频脉冲泵压系统的出口通过射流管(5)与充填管道(1)连通，扰流管(4)位于射流管(5)的上游，管道蓄能器(12)设置在充填管道(1)上且位于低频脉冲泵压系统的下游，在线流变监测系统、充填管道压力监测装置、充填管道流量监测装置均设置在充填管道(1)上，脉冲泵压输出管压力监测装置、脉冲泵压输出管流量监测装置均设置在射流管(5)上，低频脉冲泵压系统、管道蓄能器(12)、在线流变监测装置、充填管道压力监测装置、充填管道流量监测装置、脉冲泵压输出管压力监测装置、脉冲泵压输出管流量监测装置均通过数据线与数据采集仪(16)连接。
2.根据权利要求1所述基于低频脉冲的矿山充填料浆沉降离析控制系统，其特征在于：还包括计算机(17)，数据采集仪(16)与计算机(17)连接。
3.根据权利要求1或2所述基于低频脉冲的矿山充填料浆沉降离析控制系统，其特征在于：低频脉冲泵压系统包括液压站(3)和低频柱塞泵(2)，液压站(3)和低频柱塞泵(2)连接，低频柱塞泵(2)的入口通过扰流管(4)并联入充填管道(1)，低频柱塞泵(2)的出口通过射流管(5)与充填管道(1)连通。
4.根据权利要求1所述基于低频脉冲的矿山充填料浆沉降离析控制系统，其特征在于：脉冲泵压输出管压力监测装置为压力计III(10)，脉冲泵压输出管流量监测装置为流量计III(11)。
5.根据权利要求1所述基于低频脉冲的矿山充填料浆沉降离析控制系统，其特征在于：充填管道压力监测装置包括压力计I(8)和压力计II(13)，压力计I(8)设置在低频脉冲泵压系统上游的充填管道(1)上，压力计II(13)设置在管道蓄能器(12)下游的充填管道(1)上；充填管道流量监测装置包括流量计I(9)和流量计II(14)，流量计I(9)设置在低频脉冲泵压系统上游的充填管道(1)上，流量计II(14)设置在管道蓄能器(12)下游的充填管道(1)上。
6.根据权利要求1或5所述基于低频脉冲的矿山充填料浆沉降离析控制系统，其特征在于：在线流变监测装置包括在线流变仪I(7)和在线流变仪II(15)，在线流变仪I(7)设置在充填管道压力监测装置上游的充填管道(1)上，在线流变仪II(15)设置在管道蓄能器(12)下游的充填管道(1)上，充填管道压力监测装置和充填管道流量监测装置均位于在线流变仪I(7)与在线流变仪II(15)之间。
7.根据权利要求6所述基于低频脉冲的矿山充填料浆沉降离析控制系统，其特征在于：在线流变仪II(15)与射流管(5)的距离不小于5m。
8.根据权利要求6所述基于低频脉冲的矿山充填料浆沉降离析控制系统，其特征在于：充填管道(1)的管道直径为50～200mm，充填管道(1)输送流量在60～300m3/h；低频脉冲泵压系统的释放正向低频脉冲压力，释放频率为0.1～3次/min，最大脉冲压力为5～30MPa；管道蓄能器(12)为隔膜式蓄能器，隔膜式蓄能器最大承受压力为低频脉冲泵压系统最大脉冲压力的1.3～2.0倍。
Priority Applications (1)
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| CN202020516945.XU CN212079382U (zh) | 2020-04-10 | 2020-04-10 | 基于低频脉冲的矿山充填料浆沉降离析控制系统 |
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Cited By (3)
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| CN111379588A (zh) * | 2020-04-10 | 2020-07-07 | 昆明理工大学 | 一种基于低频脉冲的矿山充填料浆沉降离析控制系统与方法 |
| CN114522557A (zh) * | 2022-03-18 | 2022-05-24 | 昆明理工大学 | 一种低频高能脉冲的矿山充填料浆泵送装置及均质泵送方法 |
| CN114992521A (zh) * | 2022-05-25 | 2022-09-02 | 十九冶成都建设有限公司 | 判断泵送混凝土堵塞的方法 |
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2020
- 2020-04-10 CN CN202020516945.XU patent/CN212079382U/zh active Active
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