一种深井充填管道自主降压装置
阅读：254发布：2020-05-14
专利汇可以提供一种深井充填管道自主降压装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型公开了一种深井充填管道自主降压装置，包括竖向布置的料筒和设于料筒内部的 旋转机 构，所述料筒的上部通过进料管与所述降压装置上方的充填站连通，所述料筒底部通过出料管与井下采空区连通；所述进料管用于将充填站输送的料浆输送至料筒中并推动所述旋转机构旋转。深井充填时，充填料浆通过进料管进入料筒中推动旋转机构旋转，一方面带动旋转机构下端的 叶片 对料浆进行剪切搅拌，防止料浆 离析 沉淀，造成管道堵塞；另一方面由于料浆高 势能 转换为 动能 ，势能得以削减，管道底部压 力 降低，防止爆管事故发生。本实用新型无需外部动力驱动，利用料浆 能量 自主降压，成本低，管理控制简单。，下面是一种深井充填管道自主降压装置专利的具体信息内容。
1.一种深井充填管道自主降压装置，其特征在于，包括竖向布置的料筒（1）和设于料筒（1）内部的旋转机构（2），所述料筒（1）的上部通过进料管（3）与所述降压装置上方的充填站（4）连通，所述料筒（1）底部通过出料管（5）与井下采空区（6）连通；所述进料管（3）用于将充填站（4）输送的料浆输送至料筒（1）中并推动所述旋转机构（2）旋转。
2.根据权利要求1所述的深井充填管道自主降压装置，其特征在于，所述旋转机构（2）包括与料筒（1）共轴心线的转轴（21），以及与转轴（21）相连的多个第一叶片（22），多个第一叶片（22）绕所述转轴（21）的轴心线呈放射状分布；所述进料管（3）的出口端穿过所述料筒（1）的侧壁并朝向至少一个第一叶片（22）设置。
3.根据权利要求2所述的深井充填管道自主降压装置，其特征在于，所述进料管（3）包括与充填站（4）连通的入料竖直段（31）、与料筒（1）连通的入料水平段（32），以及连通入料竖直段（31）和入料水平段（32）的入料弯管段（33）。
4.根据权利要求3所述的深井充填管道自主降压装置，其特征在于，所述第一叶片（22）的冲击面（221）位于竖直平面内。
5.根据权利要求4所述的深井充填管道自主降压装置，其特征在于，所述入料水平段（32）的出口端伸入所述料筒（1）中，所述入料水平段（32）伸入所述料筒（1）中的长度为300mm-500mm。
6.根据权利要求5所述的深井充填管道自主降压装置，其特征在于，所述入料水平段（32）出口端朝向的第一叶片（22）中，与所述入料水平段（32）出口端最近的第一叶片（22）外缘距离所述入料水平段（32）出口端200mm-300mm。
7.根据权利要求2-6任一项所述的深井充填管道自主降压装置，其特征在于，所述旋转机构（2）还包括与转轴（21）相连的多个第二叶片（23），多个第二叶片（23）绕所述转轴（21）的轴心线呈放射状分布；所述第二叶片（23）位于所述第一叶片（22）的下方。
10.根据权利要求2-6任一项所述的深井充填管道自主降压装置，其特征在于，所述料筒（1）的底部连接有出料斗（8），所述出料管（5）连通于所述出料斗（8）的底部。
技术领域
本实用新型属于深井矿山充填设备领域，涉及一种深井充填管道自主降压装置。
背景技术
矿产资源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础，人类目前使用的95%以上的能源、80%以上的工业原材料和70%以上的农业生产资料都是来自于矿产资源。然而随着浅部矿产资源被逐渐消耗殆尽，深部矿产资源开采已然成为常态。由于深井开采面临高地应力、强扰动等复杂环境，采空区垮塌、井巷变形破坏、岩爆等地压灾害频发，极大的制约了深部矿产资源的安全高效开采。充填法开采能及时有效地处理井下采空区以控制围岩移动和变形，保障深井开采过程中人员和设备的安全，同时又能最大程度消耗尾砂固体废弃物，是实现绿色矿山建设和循环经济发展的先进技术。
然而，深井充填由于地表与井下工作面高差大，充填倍线小，料浆流速快，容易导致管道被快速磨蚀，增加管道材料成本；同时由于高势能造成的管道压力大，一旦管道堵塞，极易造成爆管事故，污染井下作业环境，危害作业人员安全。因此，深井充填需要解决的最关键问题在于料浆管道输送过程中如何实现有效安全降压，现有的降压措施包括在井下设置开放式搅拌站，或采用阻尼节流孔、孔状节流管等，虽然技术上可行，但现场应用甚少。究其原因，主要在于当前使用的井下搅拌站需要定员值守，操作设备启停，能耗高，自动化控制程度低。而节流孔和节流管磨损快，材料消耗大，更换安装复杂，降压效果有限。
实用新型内容
为解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案：
一种深井充填管道自主降压装置，包括竖向布置的料筒和设于料筒内部的旋转机构，所述料筒的上部通过进料管与所述降压装置上方的充填站连通，所述料筒底部通过出料管与井下采空区连通；所述进料管用于将充填站输送的料浆输送至料筒中并推动所述旋转机构旋转。
借由上述结构，深井充填时，充填料浆通过进料管进入料筒中推动旋转机构旋转，料浆高势能转换为动能，能量得以削减。一方面带动旋转机构下端的叶片对料浆进行剪切搅拌，防止料浆离析沉淀，造成管道堵塞；另一方面由于料浆高势能转换为动能，势能得以削减，管道底部压力降低，防止爆管事故发生。
本实用新型无需外部动力驱动，利用料浆能量自主降压，成本低，管理控制简单。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述旋转机构包括与料筒共轴心线的转轴，以及与转轴相连的多个第一叶片，多个第一叶片绕所述转轴的轴心线呈放射状分布；所述进料管的出口端穿过所述料筒的侧壁并朝向至少一个第一叶片设置。料浆势能转换的动能被动力叶片阻挡得以进一步消减。
所述第一叶片的冲击面位于竖直平面内。由此，确保冲击力朝向冲击面，可确保料浆进入料筒后精准冲击到第一叶片的冲击面上，最大化消散浆料动能和确保能带动旋转机构旋转。
第一叶片为椭圆形板，长轴方向长为300mm-500mm，短轴方向长为100mm-200mm。叶片数量为4扇，沿转轴圆周方向均布。
所述入料水平段的出口端伸入所述料筒中，所述入料水平段伸入所述料筒中的长度为300mm-500mm。
所述入料水平段出口端朝向的第一叶片中，与所述入料水平段出口端最近的第一叶片外缘距离所述入料水平段出口端200mm-300mm。既保证射流料浆有效冲击到叶片，动能最大化转为机械能，又能保证料浆高速冲击到叶片后防止反弹对出口料浆形成反冲击，消耗出口料浆的能量。
所述旋转机构还包括与转轴相连的多个第二叶片，多个第二叶片绕所述转轴的轴心线呈放射状分布；所述第二叶片位于所述第一叶片的下方。
所述料筒与出料管通过溢流管连通，所述溢流管的入口端位于所述进料管出口端的下方。
所述料筒的底部连接有出料斗，所述出料管连通于所述出料斗的底部。
所述出料管包括上竖直段、U型管段和出料弯管段；所述U型管段包括上水平段、下水平段，以及连通上水平段和下水平段的下竖直段；所述上竖直段与所述出料斗连通，所述下水平段与井下采空区连通，所述出料弯管段连通所述上竖直段和上水平段。
本实用新型的工作原理为：
深井充填时，充填料浆通过入料竖直段和入料弯管段由入料水平段进入料筒中，料浆大高度差形成的高势能转换为动能，快速冲击到料筒上部的第一叶片，第一叶片带动转轴旋转，从而使固定在转轴下部的第二叶片旋转，对料浆进行自主剪切。一方面料浆由管道进入开放式筒体空间后，压力得到很大释放，另一方面通过上部叶片阻挡和下部叶片剪切，使料浆动能进一步降低，以相对缓和的状态进入下部圆锥型料斗中汇集。剪切后的料浆能保持良好和易性，不离析沉淀，同时通过剪切也能使料浆残余的动能得到消减。料浆通过能量消散，汇集进入下部料斗中，由底部的出料管输送至采空区，由于料浆动能被动力叶片阻挡消减，同时被剪切消散，料浆进入出料管时不会出现水击现象，空气不会被带入管道，有利于形成满管流。当上部圆形筒体内料浆液面高度过高，可能造成剪切叶片受到压力过大而旋转困难，则通过筒壁上的溢流回收管道汇入U型管段的上水平段，进入采空区。防止液位超高引起叶片阻力增大，剪切困难，保证降压装置的安全可靠运行。
与现有技术相比，本实用新型的优点在于：
本实用新型具有开放式完全泄压、无需外部动力驱动、料浆能量转换自主搅拌、防液位超高自主调节等特点，能够有效降低深井充填料浆输送过程中管道受到的压力，防止爆管，保障生产安全。
图2为本实用新型实施例的深井充填管道自主降压装置的应用示意图。
图3为本实用新型实施例的深井充填管道自主降压装置的剖面结构示意图。
图4为本实用新型实施例的深井充填管道自主降压装置的俯视结构示意图。
图例说明：1、料筒；11、封料盖；111、排气孔；2、旋转机构；21、转轴；22、第一叶片；221、冲击面；23、第二叶片；3、进料管；31、入料竖直段；32、入料水平段；33、入料弯管段；4、充填站；5、出料管；51、上竖直段；52、出料弯管段；53、上水平段；54、下水平段；55、下竖直段；6、井下采空区；7、溢流管；8、出料斗；9、支座梁。
具体实施方式
以下结合具体优选的实施例对本实用新型作进一步描述，但并不因此而限制本实用新型的保护范围。
实施例1：
如图1和图2所示，本实施例的深井充填管道自主降压装置，包括竖向布置的料筒1和设于料筒1内部的旋转机构2，料筒1的上部通过进料管3与降压装置上方的充填站4连通，料筒1底部通过出料管5与井下采空区6连通；进料管3用于将充填站4输送的料浆输送至料筒1中并推动旋转机构2旋转。
如图4所示，料筒1顶部设有封料盖11，封料盖11采用厚度50mm钢板制作而成，封料盖11上开设有正方形排气孔111，边长为500mm。排气孔111同时作为观察孔和维修出入通道。料筒1直径1000mm~3000mm，高度1000mm~3000mm。
本实施例中，旋转机构2包括与料筒1共轴心线的转轴21，以及连接于转轴21上部的多个第一叶片22和连接于转轴21下部的多个第二叶片23。
如图3所示，多个第一叶片22绕转轴21的轴心线呈放射状分布；第一叶片为椭圆形板，长轴方向长为300mm-500mm，短轴方向长为100mm-200mm。叶片数量为4扇，沿转轴圆周方向均布。第一叶片22的冲击面221位于竖直平面内。进料管3包括与充填站4连通的入料竖直段31、与料筒1连通的入料水平段32，以及连通入料竖直段31和入料水平段32的入料弯管段33。入料水平段32的出口端穿过料筒1的侧壁并朝向至少一个第一叶片22设置。由此，冲击力朝向冲击面，可确保料浆进入料筒1后精准冲击到第一叶片22的冲击面221上。
入料水平段32伸入料筒1中的长度为300mm-500mm。入料水平段32出口端朝向的第一叶片22中，与入料水平段32出口端最近的第一叶片22外缘距离入料水平段32出口端200mm-300mm。由此，既保证射流料浆有效冲击到叶片，动能最大化转为机械能，又能保证料浆高速冲击到叶片后防止反弹对出口料浆形成反冲击，消耗出口料浆的能量。
第二叶片23位于支座梁9以上100mm~300mm。多个第二叶片23绕转轴21的轴心线呈放射状均布，第二叶片23与水平面的夹角为15°-45°。第二叶片23的数量为3扇或4扇。第二叶片23为矩形板，长度为300mm-500mm，宽度为100mm-200mm。能够保证对料浆进行充分的剪切搅拌。
本实施例中，料筒1与出料管5通过溢流管7连通，溢流管7的入口端位于进料管3出口端的下方。
料筒1的底部连接有出料斗8，出料管5连通于出料斗8的底部。
具体地，出料管5包括上竖直段51、U型管段和出料弯管段52；U型管段包括上水平段53、下水平段54，以及连通上水平段53和下水平段54的下竖直段55；上竖直段51与出料斗8连通，下水平段54与井下采空区6连通，出料弯管段52连通上竖直段51和上水平段53。
下面通过一实例对本实用新型作进一步说明：
如图2所示，充填系统位于地表标高+50m，井下充填作业面为-650m，高差达700m，如果采用连续管道输送料浆，最大管道静压将超过12Mpa，远远超过现有充填管道承压范围，存在极大的爆管风险，严重威胁人员安全。因此，在-300m中段设置降压硐室，硐室内采用本实用新型的降压装置。料浆从地表充填制备站至井下降压硐室高差为350m，充填料浆浓度72%，料浆容重1.6t/m
3，充填钻孔管道直径200mm，管道输送阻力损失系数为1.8kPa/m，根据能量守恒，料浆从钻孔入口处到达出口处产生的重力势能克服管道摩擦阻力能量损耗后，仍有约1.5×10
6焦的能量，相当于约150m高度水头压力。
降压装置上部料筒1的直径为2000mm，高度为2500mm。封料盖11规格尺寸与料筒1断面一致，采用厚度50mm钢板制作。封料盖11上布置一个边长为500mm的正方形排气孔111。入料水平段32与入料竖直段31通过入料弯管段33连接。第一叶片22作为动力叶片，第二叶片23作为剪切叶片。入料水平段32的出口端朝向料筒1中的某一第一叶片22的冲击面221，保证料浆进入料筒1后精准冲击到第一叶片22的表面。入料水平段32出口端部进入圆形筒体1内部，超出内壁300mm。入料水平段32的出口端与上部第一叶片22旋转圆周外缘间距250mm。转轴21通过轴承固定于封料盖11和支座梁9之间。上部第一叶片22在转轴21上的位置与入料水平段32高度相同，4扇叶片相邻各呈90°布置，叶片表面无弯曲，叶片法线方向与转轴21呈90°。上部第一叶片22呈椭圆形，长轴方向长为300mm，短轴方向长为150mm。下部第二叶片23位置在支座梁9以上200mm。4扇叶片各相邻之间角度各呈90°。下部第二叶片23长度为300mm，宽度为150mm。下部第二叶片23表面与水平面夹角为30°。溢流管7的入料端与料筒1外壁相连，开口位置在下部第二叶片23以上1000mm。下部圆锥体出料斗8锥面角度45°，下部圆锥体出料斗8底部与出料管5连接，上竖直段51通过出料弯管段52与U型管段连接。
料浆从入料水平段32出来快速冲击到上部第一叶片22的表面，将会使上部动力叶片发生快速旋转，从而带动转轴21和下部第二叶片23快速旋转，对料浆进行剪切搅拌。搅拌后的料浆能有效避免离析沉淀、同时搅拌使料浆进入桶内后的能量得以消减，有利于避免料浆由于快速进入出料管5而引起水击现象，造成空气进入管道，形成非满管流，加速管道的磨损。当料筒1内料浆液面高度过高，可能造成第二叶片23受到压力过大而旋转困难，则通过筒壁上的溢流管7汇入出料管5中，进入采空区。完成充填后，地表高位水池供水进行充填管道冲洗，洗管水经钻孔管道进入降压装置后，对降压装置进行清洗。
以上所述，仅是本申请的较佳实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。
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