一种测试充填膏体中骨料沉降的装置及方法与流程

本发明涉及一种测试充填膏体中骨料沉降的装置及方法，属于煤矿开采充填技术领域。

背景技术：

我国煤矿“三下”压煤巨大，实施充填开采可提高“三下”压煤采出率，并有效保障矿井的安全生产，同时处置矿区固体废弃物，减少占地和减轻地表沉陷，减少村庄搬迁，保护和改善矿区生态环境，有利于资源开发与生态环境协调发展。我国“三下”采煤方法形式多样，其中膏体充填对控制地表移动和变形效果较好，因而被普遍采用。

膏体充填工艺系统简单，依靠管道实现高效连续输送，因此膏体充填料必须满足可泵性要求的基本条件。对于添加骨料的膏体更应该注意在高泵压作用下保证不离析、不泌水、不沉降。膏体充填料中骨料的离析必然导致沉降,而骨料的沉降容易导致堵管事故的发生，堵管不仅影响充填作业的正常进行，而且会污染井下环境。骨料的沉降还会影响充填体的强度，减弱控制上覆岩层及地表移动变形的效果。因此，对于制备好的膏体，通过测试其中骨料是否沉降来判断充填膏体质量的高低显得尤为重要。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种测试充填膏体中骨料沉降的装置及方法，解决了充填膏体中骨料沉降的测定问题。

本发明提供了一种测试充填膏体中骨料沉降的装置，包括有机玻璃槽、电阻率测试装置；

所述有机玻璃槽为长方体结构，在竖直的四个面的竖直中心线上分别均匀设有若干个绝缘卡槽，绝缘卡槽用于连接电阻率测试装置；

所述电阻率测试装置包括铜片电极、多芯电缆、电极转换器、H桥发射回路、光耦隔离驱动装置、电流传感器、信号调理电路、放大器、单片机、PC计算机、电源，铜片电极焊接在有机玻璃槽的绝缘卡槽内，与铜片电极相连的导线穿过有机玻璃槽上的圆形小孔连接电极转换器，通过控制电极转换器可以分别测试充填膏体试件上部、中部、下部的电阻率，电极转换器连接有H桥发射回路和放大器，H桥发射回路发射电流信号，H桥发射回路外接电流传感器，电流传感器将发射的电流脉冲信号转换为易测量的电压信号，再经信号调理模块后输入到单片机内，放大器将待测电压信号放大到单片机的输入范围内；单片机通过光耦隔离驱动装置来控制H桥发射回路，单片机与PC计算机连接，通过PC计算机来接收单片机的数据并进行处理。

上述装置中，在有机玻璃槽内壁的每个竖直面上分别设有三个绝缘卡槽，沿有机玻璃槽四个竖直面的中心线的上、中、下处分别开有三个圆形小孔，且绝缘卡槽中心与圆形小孔中心重合。

上述装置中，所述H桥发射回路的四个桥臂由四个门极可关断晶闸管VT1、VT2、VT3、VT4组成，输入电流为电源所提供的高压直流，当对角线上的VT1、VT3开通，VT2、VT4关断时，输出电流为正；当VT2、VT4开通，VT1、VT3关断时，输出电流为负，控制四个门极可关断晶闸管的关断就可以得到所需的正负相间的方波脉冲发射信号。

所述光耦隔离驱动装置采用四通道的线性光耦TLP521-4。

所述信号调理电路把电流传感器的输出信号的零点平移到单片机中ADC量程的中点。

所述单片机的型号是MSP430F149。

所述铜片电极和卡槽之间设有硬海绵，所述硬海绵为凸台形，并经过CuSO₄溶液浸泡，具有良好的导电性，当试件放置在有机玻璃槽中时，可以保证铜片电极和试件在测试时充分接触。

本发明提供了一种测试充填膏体中骨料沉降的方法，通过充填膏体试件上部、中部、下部电阻率的差异情况来判断充填膏体在凝固过程中骨料是否发生沉降，其具体按下列步骤进行：

（1）将铜片电极焊接在有机玻璃槽的卡槽内，与铜片电极相连的导线从卡槽内的圆形小孔接出，并将CuSO₄溶液浸泡过的硬海绵卡在铜片电极和卡槽之间；

（2）连接电阻率测试装置；

（3）把制备好的充填膏体试件放在有机玻璃槽内；

（4）接通电源，启动PC计算机，观察比较充填膏体试件的上部、中部、下部的电阻率，从而判断骨料是否发生沉降。

本发明的原理：初凝固后的充填膏体由于孔隙结构中的水分含量较多，充填膏体电阻率的影响因素主要是孔隙溶液和流通通道，流通通道包括孔隙结构中的连通孔和骨料周围的界面过渡区多孔结构，骨料含量越多，界面过渡区的比表面积越大，孔隙溶液越容易在充填膏体内部传输，电阻率数值越低。如果新拌和的膏体内，骨料不发生沉降即骨料在充填膏体内均匀分布，凝固后的充填膏体在上、下位置处测的电阻率数值应该一致，如果骨料发生沉降，下部测得的电阻率数值明显低于上部测得的电阻率数值，通过凝固后充填膏体不同位置电阻率数值的测量，判断充填膏体是否沉降。

本发明的有益效果：

（1）本发明采用电阻率的方法来测试充填膏体中骨料的沉降，测试方法简单易行，测试结果精确可靠；

（2）操作方便，装置安装完成后，只需取放试件、软件操作即可完成多组试件的测试；

（3）测试所需时间短，测试效率高，一个人单独可以测试多组数据；

（4）根据电阻率测试结果，能快速判断骨料是否沉降，并对充填膏体的原料种类和含量进行调整，该方法和装置适用于实验室和工业现场对充填膏体性能的测试。

附图说明

图1为本发明测试装置的总体结构示意图；

图2为有机玻璃槽内壁一侧布置示意图；

图3为H桥发射回路的电路图；

图中：1为有机玻璃槽，2为圆形小孔，3为绝缘卡槽，4为硬海绵，5为铜片电极，6为多芯电缆，7为电极转换器，8为H桥发射回路，9为光耦隔离驱动装置，10为电流传感器，11为信号调理电路，12为放大器，13为单片机，14为PC计算机，15为电源。

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。

实施例：

如图1~2所示，一种测试充填膏体中骨料下沉的装置，包括有机玻璃槽1、圆形小孔2、绝缘卡槽3、硬海绵4、电阻率测试装置；有机玻璃槽1前后左右四个侧面沿竖直方向在中心线上分别开有三个圆形小孔2，有机玻璃槽1内壁每个面沿竖直方向上分别焊接三个绝缘卡槽3；电阻率测试装置包括铜片电极5、多芯电缆6、电极转换器7、H桥发射回路8、光耦隔离驱动装置9、电流传感器10、信号调理电路11、放大器12、单片机13、PC计算机14、电源15，铜片电极5焊接在有机玻璃槽1的绝缘卡槽3内，与铜片电极5相连的导线穿过有机玻璃槽上的圆形小孔2连接到电极转换器7上，电极转换器7连接有H桥发射回路8和放大器12，H桥发射回路8发射电流信号，H桥发射回路8外接电流传感器10，电流传感器10将发射的电流脉冲信号转换为易测量的电压信号，再经信号调理模块后输入到单片机13内，放大器12将待测电压信号放大到单片机13的输入范围内，单片机13通过光耦隔离驱动装置9来控制H桥发射回路8，单片机13连接PC计算机14，PC计算机14用来接收单片机的数据并进行处理。

进一步说明利用上述装置进行测试的方法，包括如下步骤：

1、有机玻璃槽1规格为；长140mm宽140mm高110mm，有机玻璃厚度为10mm，在有机玻璃槽1前后左右四个侧面在高度为20mm、60mm、100mm处分别开有三个直径为3mm圆形小孔2；有机玻璃槽1内壁每个面沿竖直方向上分别焊接三个绝缘卡槽3，绝缘卡槽3规格为：长40mm宽10mm高20mm，绝缘卡槽3的中心在竖直方向上的高度为20mm、60mm、100mm；

2、将铜片电极焊接在有机玻璃槽的卡槽内，与铜片电极相连的导线从圆形小孔接出，并将CuSO₄溶液浸泡过的硬海绵卡在铜片电极和卡槽之间；

3、连接电阻率测试装置；

4、将刚凝固好脱模的长100mm宽100mm高100mm充填膏体试件放入有机玻璃槽内；

5、接通电源，启动PC计算机，观察比较充填膏体试件上部、中部、下部电阻率，确定骨料是否发生沉降；（具体说，通过电极转换器，将铜片电极和其对面对应的位置的电极打开，同时供电并接收电阻率数据，待测试数据稳定后，记录结果。）

6、测试完成后关闭电脑和电源，取出充填膏体试件。