充填料浆临界流速与沉降速率检测装置及用其检测的方法与流程

本发明涉及矿山充填领域，具体地说是一种充填料浆在管道内临界流速与沉降速率检测装置以及使用该装置进行检测的方法，适用于充填料浆大直径管道输送特性检测与研究。

背景技术：

在矿山充填领域中，充填料浆属于沉降性固液两相流，非膏体状态的充填料浆具有沉降性，较低流速输送时会由于沉降发生管道堵塞和磨损现象。临界流速和沉降速率是充填料浆在管道中的主要输送特征参数，对充填料浆管道输送的稳定性起决定性作用，被用于指导地下矿充填系统设计和运行。

目前，对于沉降性固液两相流管道输送临界流速的定义说法基本可分为两种：一种是管道内流体不同运动状态之间转换时的过渡流速；一种是固体颗粒在输送中保持悬浮状态而不产生淤积的流速。而充填料浆在管道中的流动状态取决于沉降特性，临界流速和沉降特性决定了充填俩将管道输送的稳定性。由于充填料浆是由骨料、水和超细胶凝材料形成的混合料浆，充填料浆在管道中流动过程的动态沉降和临界流速难以监测。对于充填料浆管道输送临界流速的取值一般使用经验公式计算的方法，误差较大；充填料浆沉降速率的检测多使用竖直料桶静态沉降试验的方法，难以直接用于充填料浆动态沉降的检测与分析，目前尚缺乏流动过程中动态沉降和临界流速的检测装置和方法。

技术实现要素：

本发明的目的一是提供一种充填料浆临界流速与沉降速率检测装置；二是提供一种用充填料浆临界流速与沉降速率检测装置检测充填料浆临界流速与动态沉降速率的方法；三是提供一种用充填料浆临界流速与沉降速率检测装置检测充填料浆沉降速率的方法；该装置通过充填料浆在圆环柱状桶中圆周运动，以充填料浆在圆环柱状桶中的切向速率近似模拟充填料浆在管道中的流速，用速度激光测速仪检测浮子运动速率作为料浆流动速率，采用高清摄像仪观察母线上充填料浆的沉降过程，得到充填料浆流动过程中的临界流速、动态沉降速率。

实现上述目的采用以下技术方案：

一种充填料浆临界流速与沉降速率检测装置，所述的检测装置包括圆环柱形桶、变频调速伸缩轴转子、直角搅拌杆、供料管道、浮子、激光测速仪、刻度尺、高清摄像仪、液压支架，供料管固定安装在圆环柱形桶的上部与圆环柱形桶相通，激光测速仪、刻度尺分别固定在圆环柱形桶外部，直角搅拌杆与变频调速转子连接置于圆环柱形桶内，与圆环柱形桶同轴安装；高清摄像仪用液压支架支撑位于圆环柱形桶外；通过充填料浆在圆环柱状桶内的圆周运动，用激光测速仪检测料浆流动速率，用高清摄像仪观察充填料浆的沉降过程，得到充填料浆流动过程中的临界流速、动态沉降速率。

作为优选，所述圆环柱形桶外径大于三倍充填料浆管道内径，圆环柱形桶外径与其内径的差大于等于50mm，圆环柱形桶内的充填料浆深度等于充填管道内径。

作为优选，直角搅拌杆安装交角为120°，搅拌过程中不留料浆沉积死角。

作为优选，所述激光测速仪也是料浆运动速度记录仪，具有时间和速度监测与存储功能。

一种用所述的充填料浆临界流速与沉降速率检测装置检测充填料浆临界流速的方法，包括以下步骤：

1)设备启动：安装直角搅拌杆，设置变频调速转子转速，启动变频调速转子，开启高清摄像仪；

2)注入充填料浆：通过供料管道注入充填料浆至要求深度，调节变频调速转子转速使充填骨料充分均匀悬浮，充填料浆流速与搅拌杆同步转动时关闭转子快速升起搅拌杆；

3)充填料浆流速计量：升起搅拌杆后快速投入浮子，浮子在充填料浆表面的运动速度等于料浆的实际流速，浮子经过激光测速仪时，记下并储存料浆流速与时间；

4)不均匀悬浮临界流速检测：通过高清摄像仪观察分析同一母线上的充填料浆浓度变化，料浆径向恰好出现浓度差时的流速为充填料浆均匀悬浮向不均匀悬浮转变的临界流速，并在激光测速仪上记录；

5)临界淤积流速检测：通过高清摄像仪观察圆环柱形桶恰好有骨料淤积时，所记录的流速即为充填料浆临界淤积流速。

作为优选，所述步骤2)与步骤3)中充填料浆在搅拌作用下形成的料浆均匀悬浮同步流速大于等于管道输送临界流速经验公式计算值的1.5倍。

一种用充填料浆临界流速与沉降速率检测装置检测充填料浆沉降速率的方法，包括以下步骤：

1)设备启动与料浆注入：安装直角搅拌杆，设置变频调速转子转速，启动变频调速转子，开启高清摄像仪，通过供料管注入充填料浆至要求深度，调节转子转速使骨料充分均匀悬浮；

2)动态沉降速率检测：充填料浆流速与搅拌杆转速相等后降低变频调速转子的转速，降低充填料浆运动速度，观察料浆运动过程中刻度尺位置同一母线上料浆沉降过程，记录清水与浊水交界面的下降位移和时间，计算充填料浆的动态沉降速率。

作为优选，改变充填料浆的骨料粒级组成、配比参数和料浆深度，使用所述的检测装置测试多组充填料浆的临界流速，通过理论分析得到充填料浆临界流速的理论函数模型；通过改变充填料浆的骨料粒级组成、配比参数和料浆深度测出不同充填料浆的动态沉降速率，建立动态沉降速率的数学模型。

作为优选，记录充填料浆圆周运动过程中，由清水与浊水交界面的下降位移和时间，检测计算沉降速率。

作为优选，通过临界流速数学模型和动态沉降速率数学模型，分析充填料浆在管道中运动过程中临界流速与动态沉降速率的相关关系。

采用上述技术放方案，本发明的有益效果是：

本发明采用的直角搅拌杆在圆环柱形桶中相对位置均匀且不留料浆沉积死角，充填料浆在直角搅拌杆作用下同步圆周运动至骨料均匀悬浮，上升直角搅拌杆离开料浆液面，在料浆液面放上浮子，时间与速度激光测速仪显示同一母线上出现浓度差时的料浆流速即为不均匀悬浮临界流速，圆环柱形桶底部有骨料淤积时的料浆流速即为淤积临界流速。搅拌过程中调节转子转速，改变充填料浆运动速度，观察刻度尺位置同一母线上料浆沉降过程，可以检测到不同流速下充填料浆的动态沉降速率。根据检测结果，通过理论分析，建立充填料浆临界流速数学模型、动态沉降速率数学模型和相关关系。该检测装置及方法为充填料浆管道输送理论与工艺研究提供了确实可靠的科学支撑。

附图说明

图1为本发明充填料浆临界流速与动态沉降监测装置的结构示意图。

图中标记：供料管1，圆环柱形桶2，伸缩轴3，变频调速转子4，直角搅拌杆5，激光测速仪6，刻度尺7，高清摄像仪8，液压支架9。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的陈述，需要说明的是：本发明的保护范围并不局限于以下所描述具体实施方式的范围，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

本实施例是一种充填料浆临界流速与沉降速率检测装置，该装置以圆环柱形桶2为基体，由供料管1，圆环柱形桶2，伸缩轴3，变频调速转子4，直角搅拌杆5，激光测速仪6，刻度尺7，高清摄像仪8，液压支架9等组成。见附图1，充填料浆的供料管1固定安装在圆环柱形桶2的上部与圆环柱形桶2相通，激光测速仪6、刻度尺7分别固定在圆环柱形桶2的外部，直角搅拌杆5与伸缩轴3连接，伸缩轴3与变频调速转子4连接为一体置于圆环柱形桶2的内环，与圆环柱形桶2同轴安装；高清摄像仪8用液压支架9支撑位于圆环柱形桶2外部；通过充填料浆在圆环柱状桶中圆周运动，以充填料浆在圆环柱状桶2中的切向速率近似模拟充填料浆在管道中的流速，用激光测速仪6检测浮子运动速率作为料浆流动速率，采用高清摄像仪观察母线上充填料浆的沉降过程，得到充填料浆流动过程中的临界流速、动态沉降速率。

圆环柱形桶2的外径大于等于三倍充填料浆管道的内径，圆环柱形桶2外径与其内径的差大于等于50mm，圆环柱形桶2内的充填料浆深度等于充填管道的内径。

直角搅拌杆5安装交角为120°，搅拌过程中不留料浆沉积死角。

所述激光测速仪6也是料浆运动速度记录仪，具有时间和速度监测与存储功能，将其调至充填料浆液面位置，记录充填料浆作圆周运动的切向速度，用于模拟在管道断面中心径向位置的水平流速。

用充填料浆临界流速与沉降速率检测装置进行检测的方法，包括充填料浆临界流速和动态沉降速率检测的检测方法，检测过程中需要使用浮子。

具体实施例

1.充填料浆临界流速检测方法

分别把充填料将供料管1、激光测速仪6、刻度尺1固定在圆环柱形桶2上，在变频调速转子4外安放圆环柱形桶2，使变频调速转子与圆环柱形桶同轴，提升变频调速转子4的伸缩轴3至圆环柱形桶两倍的位置，安装直角搅拌杆5，下调伸缩轴3使直角搅拌杆5接触圆环柱形桶2的底部，直角搅拌杆5安装交角为120°且保证搅拌时不留淤积死角；通过调节液压支架9的高度变换高清摄像仪8的位置，使高清摄像仪能清晰够拍摄到料浆全部范围。

设置变频调速转子转速，启动变频调速转子4，开启高清摄像仪8；通过供料管1注入充填料浆至要求深度，调节变频调速转子4的转速使充填骨料充分均匀悬浮，充填料浆在搅拌作用下形成的初始流速大于等于相等工况下管道输送临界流速经验计算值的1.5倍时，关闭变频调速转子4，快速上调变频调速转子伸缩轴3升起搅拌杆5离开料浆液面。在料浆液面快速放上浮子，浮子在充填料浆表面的运动速度等于料浆的实际流速，浮子经过激光测速仪6时，激光测速仪6记下并储存料浆流速与时间；通过高清摄像仪8观察圆环柱形桶2同一母线上的充填料浆浓度变化，料浆恰好出现浓度差、料浆液面变清时的流速为充填料浆均匀悬浮向不均匀悬浮转变的临界流速，记为不均匀悬浮临界流速，在激光测速仪6上对进行标定和存储；观察圆环柱形桶2底部，当恰好有骨料淤积时在激光测速仪上所标定的流速即为充填料浆临界淤积流速。

本实施例中

圆环柱形桶2的外径大于等于三倍充填料浆管道的内径，圆环柱形桶2外径与其内径的差大于等于50mm，本实施例为52mm。圆环柱形桶2内的充填料浆深度等于充填管道的内径，在实施例中为200mm。

直角搅拌杆5安装交角为120°，其相对空间位置使搅拌过程中不留料浆沉积死角。

所述激光测速仪也是料浆运动试件时间和速度记录仪，采用zls激光测速仪监测并存储料浆运动的时间和速度，将其调至充填料浆液面位置，充填料浆作圆周运动的切向速度模拟在管道断面中心径向位置的水平流速。

2.动态沉降速率的检测方法：

1)设备启动与料浆注入：安装直角搅拌杆，设置转速，启动变频调速转子，开启高清摄像仪，通过供料管注入充填料浆至要求深度，调节转子转速使骨料充分均匀悬浮；

2)动态沉降速率检测：充填料浆流速与搅拌杆转速相等后降低变频调速转子的转速，降低充填料浆运动速度，观察料浆运动过程中刻度尺位置同一母线上料浆沉降过程，记录清水与浊水交界面的下降位移和时间，计算充填料浆的动态沉降速率。

3)改变充填料浆的骨料粒级组成(中值粒径d50和有效粒径d10)、浓度c、灰砂比i、模拟的管道直径d，使用所述的充填料浆临界流速与动态沉降的检测装置与方法测试不同充填料浆的临界流速，通过理论分析得到充填料浆临界流速vc的理论模型：

vc＝kf(v,c,d50,d10,i,d)(1)

式中：k为临界流速模型的修正系数，f为模型函数符号。

4)改变充填料浆的骨料粒级组成(中值粒径d50和有效粒径d10)、浓度c、灰砂比i、模拟的管道直径d，测出不同充填料浆的动态沉降速率，建立动态沉降速率vcj的数学模型。

vcj＝gf(v,c,d50,d10,i,d)(3)

式中：g为沉降速率模型的修正系数，f为模型函数符号。

采用数学的方法理论分析充填料浆的临界流速与动态沉降速率vcj相关关系，得出充填料浆在管道中运动过程中临界流速与动态沉降速率的关系模型为：

式中：vc为临界流速，vcj为动态沉降速率，为模型修正系数，f为临界流速与动态沉降速率的关系函数。

显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。