一种基于低频电场监测及处理充填管道堵塞的装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于低频电场监测及处理充填管道堵塞的装置和方法，该装置包括待监测管道、低频电场控制电路、低频电场发生装置、监测机构以及反馈控制模块；待监测管道布置在采空区长距离沿水平直线运输路径上；低频电场发生装置由两个低频电场发生器的上、下极板、绝缘垫片与绝缘支柱组成；低频电场控制电路由函数发生器、电压放大器以及电源组成，并与低频电场发生装置连接；监测机构由上、下监测探头与绝缘固定架组成，反馈控制模块包括PC计算机、PLC；该模块主要通过对监测探头输出信号进行计算，判别管道是否发生堵塞。本发明专利技术能够通过监测电场强度的大小实现堵管的判定，采用非接触式监测，提高管道的使用寿命与充填作业的运行效率。运行效率。运行效率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于低频电场监测及处理充填管道堵塞的装置和方法


[0001]本专利技术涉及一种基于低频电场监测及处理充填管道堵塞的装置和方法，属于矿山充填管道堵塞监测与处理领域。

技术介绍

[0002]我国是一个发展中的大国，广阔的国土面积和丰富的矿产资源为国家的发展提供了能源保障，“富煤、贫油、少气”的国情也奠定了煤炭在我国能源的主导地位。随着长久以来煤炭的持续开采，全国多数地区的易采煤炭资源已近乎殆尽，但村庄下、铁路下以及水体下的“三下”压煤量十分丰富，是未来我国能源开采的主要方向。为了确保“三下”压煤的安全开采，一般需要使用充填开采的采煤方式进行开采，胶结充填开采是充填开采的主要形式之一，是一种绿色环保的开采方式。一般地，在地下工作面采煤过后会形成采空区，为了防止地表沉降等事故发生，需要将煤矸石、粉煤灰、石膏、水泥等材料用水搅拌成充填料浆通过充填管道泵送至采空区，待养护凝固后的充填体能够起到支撑上覆岩层的作用，保障开采安全。但料浆在泵送时极易发生离析沉淀现象，特别是在地下长距离直线运输处，受到重力影响管道底部料浆密度逐渐增大，长时间堆积后会导致管道堵塞，严重时会发生管道炸裂等重大问题，造成巨额的经济损失。因此，为了能够确保煤矿充填作业的安全运行，需要对长距离直线运输处的充填管道进行监测，对管道堵塞的实际情况进行分析，并立即做出相应处理，防止堵管问题的发生。
[0003]现阶段，在充填管道监测技术方面已有很多研究，通常分为接触式监测与非接触式监测两类。接触式监测一般是指监测设备需要安装在充填管道内部，通过直接接触管道内输送物质对管道进行监测，从而判定堵管情况的发生，例如：压力传感器、电阻率传感器、电磁流量计等。中国专利CN201210019453.X公开了一项防止充填管路堵塞的压力检测方法，其主要工作原理是通过监测不同位置的管壁压力实现对管道堵塞的判定，在充填管路上选择至少三个监测点，将三个位置的压力实时传送给PLC，通过PLC预留的控制程序判断是否堵管，实现管道的监测功能。中国专利CN202210914687.4公开了一种基于GIS的充填泵送管路流量监测预警系统，通过使用GIS技术在管道传输内壁设置的监测点上安装流量监测传感器，根据各传感器采集的地理分布数据进行可视化的地图绘制，并在绘制的地图上对各传感器采集的流量监测数据进行显示，并根据监测数据判断管道是否破损或发生堵塞。此类监测方法比较常见、容易实现，但需要对原充填管道进行改造，提高了充填成本，且监测精度较低，堵管判定的精准度较差；监测点设计在管道内部，很容易被泵送流量过大的料浆冲走，不便于推广使用。
[0004]而非接触式监测是指监测设备不需要安装在管道内部，只需要在管道外部设置相应的监测机构即可，例如：超声波监测等。中国专利CN201710174436.6公开了一种非介入式膏体充填管路堵管监测装置及方法，该装置主要使用超声波监测装置，将发射探头与接收探头设置在待监测管道两端，通过测得超声波在管道中不同的波速实现管道堵塞的判断。中国专利CN202210632162.1公开了一种基于磁阻传感器的防止充填管道堵塞的装置和方
法，在料浆中按照相同间隔时间加入磁钉，使用磁阻传感器监测每个磁钉的通过时间，并根据通过时间计算料浆流速判断管道堵塞。上述方法虽然不需要对原充填管道进行修改，但是为了满足监测效果，需要在充填料浆内增加部分物质，大大提高了充填成本，且可能会影响充填材料的相关性能，无法广泛应用。
[0005]因此，需要对矿山充填领域充填管道监测环节进行创新。设计一种新型的基于低频电场监测充填管道堵塞及处理的装置和方法，能够非接触式监测充填管道，降低监测成本、提高响应速度，及时判断管道堵塞，有效、全面的解决充填管道堵塞问题。

技术实现思路

[0006]本专利技术旨在提供一种基于低频电场监测及处理充填管道堵塞的装置和方法，能够监测充填管道的运行情况，精准的判断充填管道是否发生堵塞，并及时进行处理将管道疏通。
[0007]本专利技术的原理：充填料浆在长距离直线运输处受重力影响极易发生离析沉淀现象，此时管道底部料浆的密度逐渐增大，堵塞位置的料浆浓度和非堵塞位置的浓度有较大的差异。将长距离直线运输处的充填管道沿垂直方向放入匀强电场，由于不同质量浓度料浆产生的导电特性均不相同，因此影响电场强度的效果也不相同。充填料浆制备原料大都具备导电特性，因此当料浆发生离析沉淀现象时，会导致所在位置方向上的电场强度逐渐升高，由此可根据电场强度的大小实现充填管道堵塞的判断。
[0008]本专利技术提供了一种基于低频电场监测及处理充填管道堵塞的装置，包括待监测管道、低频电场控制电路、低频电场发生装置、监测机构以及反馈控制模块；
[0009]低频电场发生装置由两个金属板、绝缘垫片与绝缘支柱组成。两个金属板分别作为低频电场发生器的上、下极板，上极板连接经电压放大器的输出电路，下极板连接电压放大器的接地线；两个金属板平行放置，中间通过绝缘支柱进行支撑，上下极板外侧粘有绝缘垫片。
[0010]低频电场控制电路由函数发生器、电压放大器以及电源组成，并与低频电场发生装置连接。函数发生器为低频电场提供不同频率与不同幅值的正弦波信号，并将信号传送给电压放大器，能够将生成的信号进行放大，放大后的电压传输给上极板。电源连接各个电器并为其提供电源支撑，函数发生器连接电压放大器，电压放大器分别与上、下极板连接，提供匀强电场。
[0011]监测机构由上、下监测探头与绝缘固定架组成，探头安装在匀强电场的监测区域，负责监测管道附近电场强度的变化，上、下监测探头通过绝缘固定架进行固定。绝缘固定架固定在两个金属板上，绝缘固定架设置在金属板的中心位置，上、下监测探头分别在上、下两个极板的连接轴上进行监测。
[0012]反馈控制模块包括PC计算机、PLC；该模块主要通过对监测探头输出信号进行计算，判别管道是否发生堵塞。上、下两个监测探头与PC计算机连接，PC计算机连接PLC，当管道发生堵塞时，通过PLC控制充填泵调节泵送流量，处理管道堵塞问题。上、下监测探头与PC计算机连接，PC计算机通过PLC控制充填泵进行工作，实现充填管道的监测与堵管处理。
[0013]本专利技术中，基于低频电场监测充填管道堵塞的装置均匀连续地布置在采空区长距离沿水平直线运输路径上，能够精准的判定管道堵塞。待监测管道布置在长距离直线运输
段，由长度相等的多节管道组合而成，方便管道的安装与后期维修更换，节约成本。为了保证监测精度，每一节管道的长度可在10～20米之间，管道内径为8cm，管厚为1.5cm。
[0014]上述装置中，长距离直线运输处布置的待监测管道与其他区段布置的泵送式管道的尺寸规格一致，原有的泵送式管道为金属材质，为了提高测试的准确度，本专利技术中设计的待监测管道材料选用亚克力材质或PVC材质，减小对匀强电场的影响，提高监测精度。
[0015]上述装置中，多节监测管道之间通过法兰进行连接，使用长螺钉穿过两相邻管道的法兰，并通过螺栓进行固定。监测区域中的长螺钉与螺母等零件也选用对电场强度影本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于低频电场监测及处理充填管道堵塞的装置，其特征在于：包括待监测管道、低频电场控制电路、低频电场发生装置、监测机构以及反馈控制模块；待监测管道布置在采空区长距离沿水平直线运输路径上；低频电场发生装置由两个金属板、绝缘垫片与绝缘支柱组成；两个金属板分别作为低频电场发生器的上、下极板，上极板连接经电压放大器的输出电路，下极板连接电压放大器的接地线；两个金属板平行放置，中间通过绝缘支柱进行支撑，上下极板外侧粘有绝缘垫片；低频电场控制电路由函数发生器、电压放大器以及电源组成，并与低频电场发生装置连接；函数发生器为低频电场提供不同频率与不同幅值的正弦波信号，并将信号传送给电压放大器，能够将生成的信号进行放大，放大后的电压传输给上极板；电源连接各个电器并为其提供电源支撑，函数发生器连接电压放大器，电压放大器分别与上、下极板连接，提供匀强电场；监测机构由上、下监测探头与绝缘固定架组成，探头安装在匀强电场的监测区域，负责监测管道附近电场强度的变化，上、下监测探头通过绝缘固定架进行固定；绝缘固定架与两个金属板连接，绝缘固定架固定在金属板的中心位置，上、下监测探头分别在上、下两个极板的连接轴上进行监测；反馈控制模块包括PC计算机、PLC；该模块主要通过对监测探头输出信号进行计算，判别管道是否发生堵塞；上、下两个监测探头与PC计算机连接，PC计算机连接PLC，当管道发生堵塞时，通过PLC控制充填泵调节泵送流量，处理管道堵塞问题。2.根据权利要求1所述的基于低频电场监测及处理充填管道堵塞的装置，其特征在于：所述待监测管道布置在长距离直线运输段，由长度相等的多节管道组合而成，每一节管道的长度为10～20米，管道内半径为8cm，管厚为1.5cm；待监测管道材料选用亚克力材质或PVC材质，减小对匀强电场的影响，提高监测精度；多节管道之间通过法兰进行连接，使用长螺钉穿过两相邻管道的法兰，并通过螺栓进行固定。3.根据权利要求1所述的基于低频电场监测及处理充填管道堵塞的装置，其特征在于：函数发生器提供的输出频率为1.0Hz
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25.0MHz，电压放大器的参数为1.0Hz
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400.0kHz，最大输出200Vpp；低频电场的频率设置在10.0Hz
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400.0kHz。4.根据权利要求1所述的基于低频电场监测及处理充填管道堵塞的装置，其特征在于：上、下极板为铁或铝电极材料组成，形状为圆形或矩形；上、下极板平行放置，金属板为圆形时，直径为1.0m；金属板为矩形时，长
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宽为1.5m
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0.8m；四根绝缘支柱用于支撑上、下极板，金属板间距离为0.5m，绝缘支柱为半径3cm的圆柱；圆形电极板的四根绝缘支柱分别设置在两条相互垂直的直径上，距离圆心的3/5处，矩形电极板的绝缘支柱设置在两对角线交点两侧的3/5处。5.根据权利要求1所述的基于低频电场监测及处理充填管道堵塞的装置，其特征在于：上、下极板连接着上、下监测探头，分别监测不同位置的电场强度，未在匀强电场中放置其它物体的电场强度计算公式为E＝U/d，其中E表示电场强度，V/m，U表示金属板电压值，V，d表示距离上极板位置，m；上、下探头通过绝缘固定架进行固定，安装在上下极板中心点向内5
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15cm，根据管道尺寸对位置进行调节；上、下监测探头为正方体结构，高度为9.0cm；探头通过光纤传输数据；
探头充电线外壳采用屏蔽绝缘材料，当进行充填作业时，电源停止向探头充电，探头使用自带的屏蔽电源进行供电，通过光纤向PC计算机提供监测数据；当未进行充填作业时，接通充电线对探头进行充电，防止监测过程中充电影响监测效果。6.一种基于低频电场监测及处理充填管道堵塞的方法，采用权利要求1～5任一项所述的基于低频电场监测及处理充填管道堵塞的装置，其特征在于包括以下步骤：S1：固定监测装置并接线：将监测机构两两间隔10m安装在长距离直线运输...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯国瑞，张志城，戚庭野，郭彦豫，李科技，宋杜茜，占梦楠，崔业凯，仇恬，
申请(专利权)人：山西浙大新材料与化工研究院，
类型：发明
国别省市：