一种监测管道中膏体充填料浆离析的试验装置及方法与流程

本发明一种监测管道中膏体充填料浆离析的试验装置及方法，属于膏体充填料浆管道输送监测技术领域。

背景技术：

作为绿色开采技术体系的重要组成部分，充填开采技术是解放“三下”压煤、减少地表固体废弃物排放的有效途径，符合我国节约资源和保护环境的基本国策，在煤炭行业具有广阔的应用前景。膏体充填开采技术通过把地表制备好的充填料浆利用管道输送至采空区，起到支撑上覆岩层、控制地表下沉的作用。管道输送具有效率高、密封性好、占地空间小等优点，是充填料浆输送的主要方式。对于添加粗骨料的充填料浆，当粗骨料所受到向上的力小于重力时，粗骨料发生离析沉降。特别是在管道输送过程中，料浆会发生剪切稀化，还会通过弯管等使料浆流动状态发生改变的管件，这些都会加剧粗骨料离析。充填料浆中粗骨料离析至一定程度，泵压或重力已不能维持充填料浆在管道中的运动状态，导致堵管现象的发生。堵管阻碍充填开采的顺利进行，给企业带来巨大经济损失，因此，如何采取有效手段对充填管道中料浆粗骨料离析进行监测，对预防堵管现象的发生具有重要指导作用。

充填料浆是由水泥、粉煤灰、煤矸石、水等为原材料所制成的非透明浆体，而且其输送管道为金属材质，这两方面原因导致难以直管观测粗骨料在充填料浆中的离析情况。中国专利cn103728371a公开了一种利用超声波判断管道内料浆离析沉降状态的检测方法及监测装置，沿管道竖直方向上三个层位布置三对超声波发射和接收探头，通过不同探头接收到的超声波信号来计算不同超声波探头之间料浆的浓度，从而判断料浆离析沉降状态。但是，一方面，由于料浆组成成分复杂，很难准确建立料浆浓度和超声波信号间的关系；另一方面，超声波装置复杂，成本高，且井下环境复杂，干扰多，会对超声波信号造成干扰，影响监测效果。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种监测管道中膏体充填料浆离析的试验装置及方法，其装置结构简单、操作方便，方法原理可行，实现了管道中充填料浆离析状态的实时监测。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种监测管道中膏体充填料浆离析的试验装置，包括储料桶、l型管道，电阻率测量装置和料浆流量测量装置，储料桶的出口与l型管道的入口相连通；电阻率测量装置包括测量电极、多路转换器、多通道电阻率测试模块和数据采集与处理模块，若干个测量电极沿l型管道的横截面环绕紧贴在内壁上，测量电极穿过管壁上的通孔后通过导线依序与多路转换器、多通道电阻率测试模块和数据采集与处理模块相连；料浆流量测量装置包括称量筒和台秤，称量筒置于台秤上。

进一步，所述储料桶内壁设有刻度，用于确定储料桶内料浆液面高度。

进一步，所述l型管道包括依序相连的竖直管、弯管、水平管和封闭管道，弯管的转弯角度为90度，竖直管与弯管之间，弯管与水平管之间，水平管与封闭管道之间均通过法兰相连。

进一步，所述水平管在同一横截面上均匀环绕设置有12个测量电极。

进一步，所述水平管包括三段同形并依序相连的第一水平管、第二水平管和第三水平管。

进一步，所述l型管道所用的材料为透明有机玻璃。

进一步，所述测量电极包括弧形电极片和电极棒，电极棒焊接在弧形电极片的外弧面上，电极棒的形状为圆柱体，电极棒的长度大于所述l型管道的内壁厚度，电极棒穿过所述l型管道的内壁后与所述导线相连。

进一步，所述弧形电极片的曲率半径与所述水平管半径相同，所述弧形电极片的圆心角为20度，所述弧形电极片的外弧面与所述水平管的内壁贴合。

一种监测管道中膏体充填料浆离析的试验方法，基于上述的一种监测管道中膏体充填料浆离析的试验装置完成，包括以下步骤：

s1.把测量电极的电极棒从管道内部穿过通孔，使弧形电极片紧贴管壁，对第一水平管、第二水平管、第三水平管上的每一个通孔都执行此操作；

s2.把竖直管、弯管、第一水平管、第二水平管、第三水平管通过法兰连接，把储料桶置于竖直管的上端；料浆流量测量装置置于l型管道出口下方；

s3.把所有测量电极的电极棒通过导线与多路转换器连接，多路转换器连接多通道电阻率测试模块，多通道电阻率测试模块连接数据采集与处理模块；

s4.封闭管道未安装在l型管道末端，把制备好的充填料浆倒入储料桶，使储料桶内液面恒定以保持恒定的流动速率，料浆在重力的作用下沿管道流动，并从第三水平管流入到称量筒内，称量筒记录流入料浆体积，电子秤记录流入料浆质量，同时记录料浆流动的时间可得到料浆流动时的体积流量和质量流量；

s5.通过控制多路转换器使得位于同一截面上12个测量电极中的两个相对的电极依次接通，接通顺序为水平相对的电极对、竖直相对的电极对和直径方向相对的电极对，完成第一水平管的测量后，再进行第二水平管和第三水平管的测量；

s6.通过对第一水平管、第二水平管和第三水平管的测量可得到不同位置的不同方位的充填料浆电阻率值，通过分别判断水平方向、竖直方向和径向方向的电阻率差异可得到流动状态下料浆中粗骨料离析情况和料浆均匀性程度；

s7.测量完成后，利用清水把管道冲洗干净；

s8.把封闭管道安装在第三水平管出口端，使得l型管道封闭，进行静止状态下的离析监测试验，把制备好的充填料浆倒入储料桶，料浆静止在管道中，使储料桶内液面保持在一定高度，利用竖直段料浆的重力使水平管保持满管状态；

s9.每隔10分钟后再次重复步骤s5，直至料浆初凝，得到不同时间的不同位置的不同方位的充填料浆电阻率值，通过分别判断水平方向、竖直方向和径向方向的电阻率差异可得到静止状态下不同时间的料浆中粗骨料离析情况和料浆均匀性程度；

s10.测试完成后，把各部分拆开，清理出料浆，并利用清水把管道冲洗干净。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果。

本发明装置结构简单操作方便，方法原理可行；本装置在l型管道末端添加可拆卸的封闭管道，可进行静止和流动状态下的膏体充填料浆离析监测试验；本装置利用称量筒和台秤测量料浆流量，并通过带有刻度的储料桶保持流量恒定，可进行不同流量下的膏体充填料浆离析监测试验；本装置中的水平管易于拆卸，实验中可根据需求添加或减少水平管；本装置中管道的规格可根据试验需求确定。

附图说明

图1为本发明总体结构示意图。

图2为图1中沿a-a线的剖面图。

图3为本发明提供的测量电极示意图。

图中，1-储料桶，2-竖直管，3-弯管，4-第一水平管，5-第二水平管，6-第三水平管，7-封闭管道，8-通孔，9-法兰，10-电子秤，11-称量筒，12-导线，13-多路转换器，14-多通道电阻率测试模块，15-数据采集与处理模块，16-测量电极，17-弧形电极片，18-电极棒。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

如图1、图2所示，本发明一种监测管道中膏体充填料浆离析的试验装置，包括储料桶1、l型管道，电阻率测量装置和料浆流量测量装置，储料桶1的出口与l型管道的入口相连通；电阻率测量装置包括测量电极16、多路转换器13、多通道电阻率测试模块14和数据采集与处理模块15，12个测量电极16沿l型管道的横截面环绕紧贴在内壁上，测量电极16穿过管壁上的通孔8后通过导线12依序与多路转换器13、多通道电阻率测试模块14和数据采集与处理模块15相连；料浆流量测量装置包括称量筒10和台秤11，称量筒10置于台秤11上。储料桶1内壁设有刻度，用于确定储料桶内料浆液面高度。

l型管道包括依序相连的竖直管2、弯管3、水平管和封闭管道7，弯管3的转弯角度为90度，竖直管2与弯管3之间，弯管3与水平管之间，水平管与封闭管道7之间均通过法兰9相连。l型管道所用的材料为透明有机玻璃。水平管在同一横截面上均匀环绕设置有12个测量电极16。水平管包括三段同形并依序相连的第一水平管4、第二水平管5和第三水平管6。第一水平管4、第二水平管5、第三水平管9的中间横截面均匀开有12个直径为4mm的通孔8。储料桶1和称量筒10的容积为100l，l型管道内径为150mm，壁厚为5mm，竖直管2、第一水平管4、第二水平管5和第三水平管6的长度均为50mm。

如图3所示，测量电极16包括弧形电极片17和电极棒18，电极棒18焊接在弧形电极片17的外弧面上，弧形电极片17的弧长26mm，宽度2mm，厚1mcm。电极棒18的形状为圆柱体，横截面直径为4mm，电极棒18的高度7mm，电极棒18的长度大于l型管道的内壁厚度，电极棒18穿过l型管道的内壁后与导线12相连。12个测量电极对应12个通孔，相邻两个测量电极16保持不接触。弧形电极片17的曲率半径与水平管半径相同，弧形电极片17的圆心角为20度，弧形电极片17的外弧面与水平管的内壁贴合。

上述装置中，水平管的个数可根据实际所需监测点的个数确定，竖直管2、水平管的直径、长度、厚度根据试验需求确定。

本发明还提供了一种监测管道中膏体充填料浆离析的试验，采用上述监测装置，包括以下步骤：

s1.把测量电极16的电极棒18从管道内部穿过通孔8，使弧形电极片17紧贴管壁，对第一水平管4、第二水平管5、第三水平管6上的每一个通孔8都执行此操作；

s2.把竖直管2、弯管3、第一水平管4、第二水平管5、第三水平管6通过法兰连接，把储料桶1置于竖直管2的上端；料浆流量测量装置置于l型管道出口下方；

s3.把所有测量电极16的电极棒18通过导线12与多路转换器13连接，多路转换器13连接多通道电阻率测试模块14，多通道电阻率测试模块14连接数据采集与处理模块15；

s4.封闭管道7未安装在l型管道末端，把制备好的充填料浆倒入储料桶1，使储料桶1内液面恒定以保持恒定的流动速率，料浆在重力的作用下沿管道流动，并从第三水平管6流入到称量筒11内，称量筒11记录流入料浆体积，电子秤10记录流入料将质量，同时记录料浆流动的时间可得到料浆流动时的体积流量和质量流量；

s5.通过控制多路转换器13使得位于同一截面上12个测量电极16中的两个相对的电极依次接通，接通顺序为水平相对的电极对、竖直相对的电极对和直径方向相对的电极对，完成第一水平管4的测量后，再进行第二水平管5和第三水平管6的测量；

s6.通过对第一水平管4、第二水平管5和第三水平管6的测量可得到不同位置的不同方位的充填料浆电阻率值，通过分别判断水平方向、竖直方向和径向方向的电阻率差异可得到流动状态下料浆中粗骨料离析情况和料浆均匀性程度；

s7.测量完成后，利用清水把管道冲洗干净；

s8.把封闭管道7安装在第三水平管6出口端，使得l型管道封闭，进行静止状态下的离析监测试验，把制备好的充填料浆倒入储料桶1，料浆静止在管道中，使储料桶1内液面保持在一定高度，利用竖直段料浆的重力使水平管保持满管状态；

s9.每隔10分钟后再次重复步骤s5，直至料浆初凝，得到不同时间的不同位置的不同方位的充填料浆电阻率值，通过分别判断水平方向、竖直方向和径向方向的电阻率差异可得到静止状态下不同时间的料浆中粗骨料离析情况和料浆均匀性程度；

s10.测试完成后，把各部分拆开，清理出料浆，并利用清水把管道冲洗干净。

本发明的原理：充填料浆的电阻率主要由孔隙离子溶液及其孔隙导电通道决定，当充填料浆中粗骨料发生离析沉降，离子溶液会上升，上部离子浓度增大，下部离子浓度减小，相应的料浆上部电阻率减小，下部电阻率增大，因此，可以通过水平方向上电阻率的差异反映料浆的离析程度，同理，通过竖直方向和直径方向的电阻率值可以反映骨料在不同位置分布的均匀程度。

尽管已经参照其示例性实施例具体显示和描述了本发明，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节上的各种改变。