本發(fā)明涉及礦山充填領(lǐng)域，具體地說是一種充填料漿在管道內(nèi)臨界流速與沉降速率檢測裝置以及使用該裝置進行檢測的方法，適用于充填料漿大直徑管道輸送特性檢測與研究。

背景技術(shù)：

在礦山充填領(lǐng)域中，充填料漿屬于沉降性固液兩相流，非膏體狀態(tài)的充填料漿具有沉降性，較低流速輸送時會由于沉降發(fā)生管道堵塞和磨損現(xiàn)象。臨界流速和沉降速率是充填料漿在管道中的主要輸送特征參數(shù)，對充填料漿管道輸送的穩(wěn)定性起決定性作用，被用于指導(dǎo)地下礦充填系統(tǒng)設(shè)計和運行。

目前，對于沉降性固液兩相流管道輸送臨界流速的定義說法基本可分為兩種：一種是管道內(nèi)流體不同運動狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換時的過渡流速；一種是固體顆粒在輸送中保持懸浮狀態(tài)而不產(chǎn)生淤積的流速。而充填料漿在管道中的流動狀態(tài)取決于沉降特性，臨界流速和沉降特性決定了充填倆將管道輸送的穩(wěn)定性。由于充填料漿是由骨料、水和超細膠凝材料形成的混合料漿，充填料漿在管道中流動過程的動態(tài)沉降和臨界流速難以監(jiān)測。對于充填料漿管道輸送臨界流速的取值一般使用經(jīng)驗公式計算的方法，誤差較大；充填料漿沉降速率的檢測多使用豎直料桶靜態(tài)沉降試驗的方法，難以直接用于充填料漿動態(tài)沉降的檢測與分析，目前尚缺乏流動過程中動態(tài)沉降和臨界流速的檢測裝置和方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的一是提供一種充填料漿臨界流速與沉降速率檢測裝置；二是提供一種用充填料漿臨界流速與沉降速率檢測裝置檢測充填料漿臨界流速與動態(tài)沉降速率的方法；三是提供一種用充填料漿臨界流速與沉降速率檢測裝置檢測充填料漿沉降速率的方法；該裝置通過充填料漿在圓環(huán)柱狀桶中圓周運動，以充填料漿在圓環(huán)柱狀桶中的切向速率近似模擬充填料漿在管道中的流速，用速度激光測速儀檢測浮子運動速率作為料漿流動速率，采用高清攝像儀觀察母線上充填料漿的沉降過程，得到充填料漿流動過程中的臨界流速、動態(tài)沉降速率。

實現(xiàn)上述目的采用以下技術(shù)方案：

一種充填料漿臨界流速與沉降速率檢測裝置，所述的檢測裝置包括圓環(huán)柱形桶、變頻調(diào)速伸縮軸轉(zhuǎn)子、直角攪拌桿、供料管道、浮子、激光測速儀、刻度尺、高清攝像儀、液壓支架，供料管固定安裝在圓環(huán)柱形桶的上部與圓環(huán)柱形桶相通，激光測速儀、刻度尺分別固定在圓環(huán)柱形桶外部，直角攪拌桿與變頻調(diào)速轉(zhuǎn)子連接置于圓環(huán)柱形桶內(nèi)，與圓環(huán)柱形桶同軸安裝；高清攝像儀用液壓支架支撐位于圓環(huán)柱形桶外；通過充填料漿在圓環(huán)柱狀桶內(nèi)的圓周運動，用激光測速儀檢測料漿流動速率，用高清攝像儀觀察充填料漿的沉降過程，得到充填料漿流動過程中的臨界流速、動態(tài)沉降速率。

作為優(yōu)選，所述圓環(huán)柱形桶外徑大于三倍充填料漿管道內(nèi)徑，圓環(huán)柱形桶外徑與其內(nèi)徑的差大于等于50mm，圓環(huán)柱形桶內(nèi)的充填料漿深度等于充填管道內(nèi)徑。

作為優(yōu)選，直角攪拌桿安裝交角為120°，攪拌過程中不留料漿沉積死角。

作為優(yōu)選，所述激光測速儀也是料漿運動速度記錄儀，具有時間和速度監(jiān)測與存儲功能。

一種用所述的充填料漿臨界流速與沉降速率檢測裝置檢測充填料漿臨界流速的方法，包括以下步驟：

1)設(shè)備啟動：安裝直角攪拌桿，設(shè)置變頻調(diào)速轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，啟動變頻調(diào)速轉(zhuǎn)子，開啟高清攝像儀；

2)注入充填料漿：通過供料管道注入充填料漿至要求深度，調(diào)節(jié)變頻調(diào)速轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速使充填骨料充分均勻懸浮，充填料漿流速與攪拌桿同步轉(zhuǎn)動時關(guān)閉轉(zhuǎn)子快速升起攪拌桿；

3)充填料漿流速計量：升起攪拌桿后快速投入浮子，浮子在充填料漿表面的運動速度等于料漿的實際流速，浮子經(jīng)過激光測速儀時，記下并儲存料漿流速與時間；

4)不均勻懸浮臨界流速檢測：通過高清攝像儀觀察分析同一母線上的充填料漿濃度變化，料漿徑向恰好出現(xiàn)濃度差時的流速為充填料漿均勻懸浮向不均勻懸浮轉(zhuǎn)變的臨界流速，并在激光測速儀上記錄；

5)臨界淤積流速檢測：通過高清攝像儀觀察圓環(huán)柱形桶恰好有骨料淤積時，所記錄的流速即為充填料漿臨界淤積流速。

作為優(yōu)選，所述步驟2)與步驟3)中充填料漿在攪拌作用下形成的料漿均勻懸浮同步流速大于等于管道輸送臨界流速經(jīng)驗公式計算值的1.5倍。

一種用充填料漿臨界流速與沉降速率檢測裝置檢測充填料漿沉降速率的方法，包括以下步驟：

1)設(shè)備啟動與料漿注入：安裝直角攪拌桿，設(shè)置變頻調(diào)速轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，啟動變頻調(diào)速轉(zhuǎn)子，開啟高清攝像儀，通過供料管注入充填料漿至要求深度，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速使骨料充分均勻懸?。?/p>

2)動態(tài)沉降速率檢測：充填料漿流速與攪拌桿轉(zhuǎn)速相等后降低變頻調(diào)速轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，降低充填料漿運動速度，觀察料漿運動過程中刻度尺位置同一母線上料漿沉降過程，記錄清水與濁水交界面的下降位移和時間，計算充填料漿的動態(tài)沉降速率。

作為優(yōu)選，改變充填料漿的骨料粒級組成、配比參數(shù)和料漿深度，使用所述的檢測裝置測試多組充填料漿的臨界流速，通過理論分析得到充填料漿臨界流速的理論函數(shù)模型；通過改變充填料漿的骨料粒級組成、配比參數(shù)和料漿深度測出不同充填料漿的動態(tài)沉降速率，建立動態(tài)沉降速率的數(shù)學(xué)模型。

作為優(yōu)選，記錄充填料漿圓周運動過程中，由清水與濁水交界面的下降位移和時間，檢測計算沉降速率。

作為優(yōu)選，通過臨界流速數(shù)學(xué)模型和動態(tài)沉降速率數(shù)學(xué)模型，分析充填料漿在管道中運動過程中臨界流速與動態(tài)沉降速率的相關(guān)關(guān)系。

采用上述技術(shù)放方案，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明采用的直角攪拌桿在圓環(huán)柱形桶中相對位置均勻且不留料漿沉積死角，充填料漿在直角攪拌桿作用下同步圓周運動至骨料均勻懸浮，上升直角攪拌桿離開料漿液面，在料漿液面放上浮子，時間與速度激光測速儀顯示同一母線上出現(xiàn)濃度差時的料漿流速即為不均勻懸浮臨界流速，圓環(huán)柱形桶底部有骨料淤積時的料漿流速即為淤積臨界流速。攪拌過程中調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，改變充填料漿運動速度，觀察刻度尺位置同一母線上料漿沉降過程，可以檢測到不同流速下充填料漿的動態(tài)沉降速率。根據(jù)檢測結(jié)果，通過理論分析，建立充填料漿臨界流速數(shù)學(xué)模型、動態(tài)沉降速率數(shù)學(xué)模型和相關(guān)關(guān)系。該檢測裝置及方法為充填料漿管道輸送理論與工藝研究提供了確實可靠的科學(xué)支撐。

附圖說明

圖1為本發(fā)明充填料漿臨界流速與動態(tài)沉降監(jiān)測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中標(biāo)記：供料管1，圓環(huán)柱形桶2，伸縮軸3，變頻調(diào)速轉(zhuǎn)子4，直角攪拌桿5，激光測速儀6，刻度尺7，高清攝像儀8，液壓支架9。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步的陳述，需要說明的是：本發(fā)明的保護范圍并不局限于以下所描述具體實施方式的范圍，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。

本實施例是一種充填料漿臨界流速與沉降速率檢測裝置，該裝置以圓環(huán)柱形桶2為基體，由供料管1，圓環(huán)柱形桶2，伸縮軸3，變頻調(diào)速轉(zhuǎn)子4，直角攪拌桿5，激光測速儀6，刻度尺7，高清攝像儀8，液壓支架9等組成。見附圖1，充填料漿的供料管1固定安裝在圓環(huán)柱形桶2的上部與圓環(huán)柱形桶2相通，激光測速儀6、刻度尺7分別固定在圓環(huán)柱形桶2的外部，直角攪拌桿5與伸縮軸3連接，伸縮軸3與變頻調(diào)速轉(zhuǎn)子4連接為一體置于圓環(huán)柱形桶2的內(nèi)環(huán)，與圓環(huán)柱形桶2同軸安裝；高清攝像儀8用液壓支架9支撐位于圓環(huán)柱形桶2外部；通過充填料漿在圓環(huán)柱狀桶中圓周運動，以充填料漿在圓環(huán)柱狀桶2中的切向速率近似模擬充填料漿在管道中的流速，用激光測速儀6檢測浮子運動速率作為料漿流動速率，采用高清攝像儀觀察母線上充填料漿的沉降過程，得到充填料漿流動過程中的臨界流速、動態(tài)沉降速率。

圓環(huán)柱形桶2的外徑大于等于三倍充填料漿管道的內(nèi)徑，圓環(huán)柱形桶2外徑與其內(nèi)徑的差大于等于50mm，圓環(huán)柱形桶2內(nèi)的充填料漿深度等于充填管道的內(nèi)徑。

直角攪拌桿5安裝交角為120°，攪拌過程中不留料漿沉積死角。

所述激光測速儀6也是料漿運動速度記錄儀，具有時間和速度監(jiān)測與存儲功能，將其調(diào)至充填料漿液面位置，記錄充填料漿作圓周運動的切向速度，用于模擬在管道斷面中心徑向位置的水平流速。

用充填料漿臨界流速與沉降速率檢測裝置進行檢測的方法，包括充填料漿臨界流速和動態(tài)沉降速率檢測的檢測方法，檢測過程中需要使用浮子。

具體實施例

1.充填料漿臨界流速檢測方法

分別把充填料將供料管1、激光測速儀6、刻度尺1固定在圓環(huán)柱形桶2上，在變頻調(diào)速轉(zhuǎn)子4外安放圓環(huán)柱形桶2，使變頻調(diào)速轉(zhuǎn)子與圓環(huán)柱形桶同軸，提升變頻調(diào)速轉(zhuǎn)子4的伸縮軸3至圓環(huán)柱形桶兩倍的位置，安裝直角攪拌桿5，下調(diào)伸縮軸3使直角攪拌桿5接觸圓環(huán)柱形桶2的底部，直角攪拌桿5安裝交角為120°且保證攪拌時不留淤積死角；通過調(diào)節(jié)液壓支架9的高度變換高清攝像儀8的位置，使高清攝像儀能清晰夠拍攝到料漿全部范圍。

設(shè)置變頻調(diào)速轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，啟動變頻調(diào)速轉(zhuǎn)子4，開啟高清攝像儀8；通過供料管1注入充填料漿至要求深度，調(diào)節(jié)變頻調(diào)速轉(zhuǎn)子4的轉(zhuǎn)速使充填骨料充分均勻懸浮，充填料漿在攪拌作用下形成的初始流速大于等于相等工況下管道輸送臨界流速經(jīng)驗計算值的1.5倍時，關(guān)閉變頻調(diào)速轉(zhuǎn)子4，快速上調(diào)變頻調(diào)速轉(zhuǎn)子伸縮軸3升起攪拌桿5離開料漿液面。在料漿液面快速放上浮子，浮子在充填料漿表面的運動速度等于料漿的實際流速，浮子經(jīng)過激光測速儀6時，激光測速儀6記下并儲存料漿流速與時間；通過高清攝像儀8觀察圓環(huán)柱形桶2同一母線上的充填料漿濃度變化，料漿恰好出現(xiàn)濃度差、料漿液面變清時的流速為充填料漿均勻懸浮向不均勻懸浮轉(zhuǎn)變的臨界流速，記為不均勻懸浮臨界流速，在激光測速儀6上對進行標(biāo)定和存儲；觀察圓環(huán)柱形桶2底部，當(dāng)恰好有骨料淤積時在激光測速儀上所標(biāo)定的流速即為充填料漿臨界淤積流速。

本實施例中

圓環(huán)柱形桶2的外徑大于等于三倍充填料漿管道的內(nèi)徑，圓環(huán)柱形桶2外徑與其內(nèi)徑的差大于等于50mm，本實施例為52mm。圓環(huán)柱形桶2內(nèi)的充填料漿深度等于充填管道的內(nèi)徑，在實施例中為200mm。

直角攪拌桿5安裝交角為120°，其相對空間位置使攪拌過程中不留料漿沉積死角。

所述激光測速儀也是料漿運動試件時間和速度記錄儀，采用zls激光測速儀監(jiān)測并存儲料漿運動的時間和速度，將其調(diào)至充填料漿液面位置，充填料漿作圓周運動的切向速度模擬在管道斷面中心徑向位置的水平流速。

2.動態(tài)沉降速率的檢測方法：

1)設(shè)備啟動與料漿注入：安裝直角攪拌桿，設(shè)置轉(zhuǎn)速，啟動變頻調(diào)速轉(zhuǎn)子，開啟高清攝像儀，通過供料管注入充填料漿至要求深度，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速使骨料充分均勻懸??；

2)動態(tài)沉降速率檢測：充填料漿流速與攪拌桿轉(zhuǎn)速相等后降低變頻調(diào)速轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，降低充填料漿運動速度，觀察料漿運動過程中刻度尺位置同一母線上料漿沉降過程，記錄清水與濁水交界面的下降位移和時間，計算充填料漿的動態(tài)沉降速率。

3)改變充填料漿的骨料粒級組成(中值粒徑d50和有效粒徑d10)、濃度c、灰砂比i、模擬的管道直徑d，使用所述的充填料漿臨界流速與動態(tài)沉降的檢測裝置與方法測試不同充填料漿的臨界流速，通過理論分析得到充填料漿臨界流速vc的理論模型：

vc＝kf(v,c,d50,d10,i,d)(1)

式中：k為臨界流速模型的修正系數(shù)，f為模型函數(shù)符號。

4)改變充填料漿的骨料粒級組成(中值粒徑d50和有效粒徑d10)、濃度c、灰砂比i、模擬的管道直徑d，測出不同充填料漿的動態(tài)沉降速率，建立動態(tài)沉降速率vcj的數(shù)學(xué)模型。

vcj＝gf(v,c,d50,d10,i,d)(3)

式中：g為沉降速率模型的修正系數(shù)，f為模型函數(shù)符號。

采用數(shù)學(xué)的方法理論分析充填料漿的臨界流速與動態(tài)沉降速率vcj相關(guān)關(guān)系，得出充填料漿在管道中運動過程中臨界流速與動態(tài)沉降速率的關(guān)系模型為：

式中：vc為臨界流速，vcj為動態(tài)沉降速率，為模型修正系數(shù)，f為臨界流速與動態(tài)沉降速率的關(guān)系函數(shù)。

顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明的部分實施例，而不是全部實施例?；诒景l(fā)明的實施例，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。