CN115127960B - 一种全固废膏体料浆管道输送在线流变测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种全固废膏体料浆管道输送在线流变测试方法，属于矿山充填管道输送技术领域。该方法首先选取与被测管道内径相同的压力传感器和电阻层析成像电极传感器，沿料浆流动方向将压力传感器一、电极传感器和压力传感器二依次接入料浆管道的被测区域；当料浆在被测管道内部稳定流动时，测量记录管内压强和料浆流速分布曲线，获取管道横截面上任意点的切应力分布表达式；进一步得到料浆流速分布表达式；计算得到管道横截面上任意点的切变率分布表达式；最后得到全固废膏体管道输送流动状态下的流变模型。该方法有助于突破传统模型的限制，构建更为准确、考虑剪切历史的全固废膏体料浆管输流变模型。

Description

一种全固废膏体料浆管道输送在线流变测试方法

技术领域

本发明涉及矿山充填管道输送技术领域，特别是指一种全固废膏体料浆管道输送在线流变测试方法。

背景技术

矿产资源开发过程中产生的全固废(包括废石、尾砂和炉渣等)占大宗工业固体废弃物的75％以上，全固废膏体充填是将地表堆积的全固废制备成牙膏状、不泌水的料浆，并通过管道输送至井下采空区，该技术是协同治理全固废和采空区这两大污染源和危险源、实现矿山绿色开采的有力技术手段。

管道输送是矿山充填的关键环节，管网设计、管道输送阻力计算与料浆流变参数密切相关，流变参数的准确测量及流变模型的科学构建则是管道输送研究领域的重要课题。目前，常用的流变测试方法有两大类，一类是利用毛细管式、同轴圆筒式等不同类型的黏度计或流变仪直接测量料浆的流变参数，另一类是通过坍落度、L管以及环管实验等方式间接求取流变参数。但是，传统流变仪对粗颗粒适应性差，难以准确测量此类颗粒尺度跨越多个数量级(废石、炉渣属于厘米级，尾砂属于毫米级甚至百纳米级)的全固废膏体料浆；L管、坍落度等实验获取的流变参数受人工操作的影响易出现误差巨大、结果不统一的情况。更为重要的是，上述测量方案均为线下测试，没有考虑管输流动剪切对料浆流变特性的影响，其测量结果对实际工程设计的参考价值相对有限。

因此，亟需一种管道输送在线流变测试方法，实时获取管输流动状态下全固废膏体料浆的流变参数，有助于实现全固废膏体管道输送阻力的精准预测，为膏体管道输送的工程设计及***维护提供理论依据，促进全固废膏体技术的应用和推广。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种全固废膏体料浆管道输送在线流变测试方法。

该测试方法，包括步骤如下：

S1：根据被测料浆管道的内径，选取尺寸相同的压力传感器和电阻层析成像电极传感器，沿料浆流动方向将压力传感器一、电极传感器和压力传感器二依次接入料浆管道的被测区域；

S2：当料浆在被测料浆管道内部持续、满管、稳定流动时，分别测量并记录管内压强和料浆流速分布曲线，获取管道横截面上与管道轴线距离为r的任意点的切应力τ的分布表达式τ＝f(r)；

S3：利用N阶多项式对料浆流速分布曲线进行拟合，通过可决系数确定最佳拟合效果下的多项式阶数N，得到管道横截面上与管道轴线距离为r的任意点的料浆流速u的分布表达式u＝g(r)；

S4：对u＝g(r)进行一阶求导，得到管道横截面上任意点的切变率

的分布表达式/>

S5：联立τ＝f(r)和

得到全固废膏体管道输送流动状态下的流变模型

该方法所应用的装置包括电阻层析成像***、压力传感器一、压力传感器二、普通数据采集器和主控计算机，

电阻层析成像***包括电极传感器和电阻层析成像专属数据采集器，

压力传感器一、电极传感器、压力传感器二依次通过法兰连接后，再通过法兰接入料浆管道的被测区域；

电极传感器信号传递至电阻层析成像专属数据采集器，压力传感器一和压力传感器二的信号传递至普通数据采集器，电阻层析成像专属数据采集器和普通数据采集器的信息传递至主控计算机。

上述料浆管道内料浆为全固废膏体料浆，全固废包括全尾砂、分级尾砂、废石、炉渣、煤矸石、赤泥中的一种或多种。

电极传感器沿料浆管道轴向设有两个电极平面，用于测量管道横截面上的料浆流速分布曲线。

上述S2中计算过程如下：

其中，P₁、P₂分别为压力传感器一和压力传感器二测量的压力值，L为压力传感器一和压力传感器二之间的距离。

S3中具体采用EXCEL或者Origin软件拟合，由于可决系数越接近于1，拟合效果越好，因此通过可决系数决定多项式的阶数N。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

与现有黏度计或流变仪相比，上述方案能够更好地适应粒级组成复杂、颗粒尺度跨越多个数量级的充填料浆，且该方法应用的装置结构简单，制作方便，使用时可以灵活安装和拆卸。另外，传统流变模型(如：宾汉姆模型、幂律模型、Herschel–Bulkley模型等)均不考虑时间的影响，本发明在不干扰管内料浆流动的情况下，能够实现管输流动剪切作用下料浆流变参数的实时测量，有助于突破传统模型的限制，构建更为准确、考虑剪切历史甚至温度效应的全固废膏体料浆管输流变模型。

附图说明

图1为本发明的全固废膏体料浆管道输送在线流变测试方法所应用装置结构示意图；

图2为本发明实施例中测量的管道横截面上速度分布测试散点及其拟合曲线；

其中：1-电阻层析成像***；2-压力传感器一；3-压力传感器二；4-普通数据采集器；5-主控计算机；6-法兰；101-电极传感器；102-电阻层析成像专属数据采集器。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种全固废膏体料浆管道输送在线流变测试方法。

如图1所示，该方法所使用的装置包括电阻层析成像***1、压力传感器一2、压力传感器二3、普通数据采集器4和主控计算机5，

电阻层析成像***1包括电极传感器101和电阻层析成像专属数据采集器102，

其中，压力传感器一2、电极传感器101和压力传感器二3沿料浆流动方向依次通过法兰6连接后，再通过法兰接入料浆管道；

电极传感器101信号传递至电阻层析成像专属数据采集器102，压力传感器一2和压力传感器二3的信号传递至普通数据采集器4，电阻层析成像专属数据采集器102和普通数据采集器4的信息传递至主控计算机5。

该测试方法，包括步骤如下：

S1：根据被测料浆管道的内径，选取尺寸相同的压力传感器和电阻层析成像电极传感器，沿料浆流动方向将压力传感器一2、电极传感器101和压力传感器二3依次接入料浆管道的被测区域；

S2：当料浆在被测料浆管道内部持续、满管、稳定流动时，分别测量并记录管内压强和料浆流速分布曲线，获取管道横截面上与管道轴线距离为r的任意点的切应力τ的分布表达式τ＝f(r)；

S3：利用N阶多项式对料浆流速分布曲线进行拟合，通过可决系数确定最佳拟合效果下的多项式阶数N，得到管道横截面上与管道轴线距离为r的任意点的料浆流速u的分布表达式u＝g(r)；

S4：对u＝g(r)进行一阶求导，得到管道横截面上任意点的切变率的分布表达式

S5：联立τ＝f(r)和

得到全固废膏体管道输送流动状态下的流变模型

下面结合具体实施例予以说明。

为测试某金属矿质量浓度80％的全固废膏体料浆在内径65mm垂直管道内满管流动的流变参数，需要进行如下步骤：

步骤1：根据被测管道的内径，选择长度24cm，内径65mm，壁厚5mm的UPVC管道制作电阻层析成像***的电极传感器，以管道中心截面为对称面，左、右两边分别布置一个电极平面，每个电极平面与管中心截面的距离为4cm，电极平面由十六个沿管壁均匀分布的不锈钢电极组成。采用内径65mm的法兰分别连接压力传感器一2、电极传感器101和压力传感器二3，并将组装完毕的流变测试装置安装在垂直管线的被测区域，测量压力传感器一2和压力传感器二3之间的距离L为42cm。

步骤2：当料浆在被测管道内部持续、满管、稳定流动时，计算机实时记录所有传感器的测量数据。

选取测试过程某一时刻的数据，压力传感器一2测量值P₁＝9867Pa、压力传感器二3测量值P₂＝9060Pa，计算管道横截面上任意点(与管道轴线的距离为r)的切应力分布表达式

利用电阻层析成像***1获取料浆流速分布测试散点图，如图2所示；

步骤3：由可决系数可知，六阶多项式拟合上述散点的效果最佳。利用六阶多项式y＝A₀+A₁x+A₂x²+A₃x³+A₄x⁴+A₅x⁵+A₆x⁶对料浆流速分布测试散点进行拟合(其中横坐标x＝r/D，管道内径D＝65mm)，拟合方程中各单项前面的系数分别为：A₀＝0.96，A₁＝6.67×10^-16，A₂＝-7.87，A₃＝-2.07×10^-14，A₄＝24.57，A₅＝8.92×10^-14，A₆＝-18.08。由于A₁、A₃和A₅非常小，为简化计算，将A₁、A₃和A₅视为等于0，得到管道横截面上任意点(与管道轴线的距离为r)的料浆流速分布表达式：

步骤4：为保证剪切速率恒为正值，对u＝g(r)进行一阶求导并取绝对值，得到管道横截面上任意点(与管道轴线的距离为r)的切变率分布表达式：

步骤5：联立τ＝f(r)和

得到全固废膏体管输流动状态下的流变模型

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种全固废膏体料浆管道输送在线流变测试方法，其特征在于，包括步骤如下：

S1：根据被测料浆管道的内径，选取尺寸相同的压力传感器和电阻层析成像电极传感器，沿料浆流动方向将压力传感器一、电极传感器和压力传感器二依次接入料浆管道的被测区域；

S2：当料浆在被测管道内部持续、满管、稳定流动时，分别测量并记录管内压强和料浆流速分布曲线，获取管道横截面上与管道轴线距离为r的任意点的切应力τ的分布表达式τ＝f(r)；

S3：利用N阶多项式对料浆流速分布曲线进行拟合，通过可决系数确定最佳拟合效果下的多项式阶数N，得到管道横截面上与管道轴线距离为r的任意点的料浆流速u的分布表达式u＝g(r)；

S4：对u＝g(r)进行一阶求导，得到管道横截面上任意点的切变率

的分布表达式

S5：联立τ＝f(r)和

得到全固废膏体管道输送流动状态下的流变模型

2.根据权利要求1所述的全固废膏体料浆管道输送在线流变测试方法，其特征在于，该方法所应用的装置包括电阻层析成像***、压力传感器一、压力传感器二、普通数据采集器和主控计算机，

电阻层析成像***包括电极传感器和电阻层析成像专属数据采集器，

压力传感器一、电极传感器、压力传感器二依次通过法兰连接后，再通过法兰接入料浆管道的被测区域；

电极传感器信号传递至电阻层析成像专属数据采集器，压力传感器一和压力传感器二的信号传递至普通数据采集器，电阻层析成像专属数据采集器和普通数据采集器的信息传递至主控计算机。

3.根据权利要求1所述的全固废膏体料浆管道输送在线流变测试方法，其特征在于，所述料浆管道内料浆为全固废膏体料浆，全固废包括全尾砂、分级尾砂、废石、炉渣、煤矸石、赤泥中的一种或多种。

4.根据权利要求2所述的全固废膏体料浆管道输送在线流变测试方法，其特征在于，所述电极传感器沿料浆管道轴向设有两个电极平面，用于测量管道横截面上的料浆流速分布曲线。

5.根据权利要求1所述的全固废膏体料浆管道输送在线流变测试方法，其特征在于，所述S2中计算过程如下：

其中，P₁、P₂分别为压力传感器一和压力传感器二测量的压力值，L为压力传感器一和压力传感器二之间的距离。

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