高濃度充填料漿流變特性及其管道輸送阻力損失研究

張 亮，羅 濤，朱志成，劉 浩，許楊東，陳忠熙

（1.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州341000；2.江西理工大學(xué)江西省礦業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 贛州341000）

在礦山開采中，隨著淺部資源的逐漸減少以及深部開采強(qiáng)度逐漸加大，充填采礦法的應(yīng)用日益廣泛，充填采礦法能夠利用所形成的充填體，進(jìn)行地壓管理，以控制圍巖冒落和地表下沉，因此，充填采礦法已成為礦山開采的主要采礦方法［1－3］。

高濃度充填料漿流變特性參數(shù)包括屈服應(yīng)力和黏度系數(shù)，其中屈服應(yīng)力是由于漿體中的細(xì)顆粒產(chǎn)生的，由于細(xì)顆粒在漿體中與周圍物料進(jìn)行物化作用形成絮團(tuán)，絮團(tuán)間相互搭接形成絮網(wǎng)，這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)具有一定的抗剪能力，即具有一定的屈服應(yīng)力，只有施加不小于屈服應(yīng)力的外力作用，漿體才會(huì)流動(dòng)［4］。黏度系數(shù)反映了漿體在攪動(dòng)的情況下，漿體網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的破壞與恢復(fù)處于動(dòng)平衡時(shí)，懸浮的固相顆粒之間、固相顆粒與液相之間以及連續(xù)液相內(nèi)部的內(nèi)摩擦作用的強(qiáng)弱。塑性粘度越大，漿體間摩擦力越大，導(dǎo)致漿體流動(dòng)越困難［5］。

近年來(lái)，對(duì)于高濃度全尾砂充填料漿的相關(guān)特性的研究已取得諸多寶貴成果，劉超等［6］通過(guò)環(huán)管試驗(yàn)采集得到足夠多組壓力數(shù)據(jù)并經(jīng)過(guò)線性回歸，得到高濃度充填料漿的流變參數(shù)η和τ0，再運(yùn)用層流狀態(tài)下的管道沿程阻力損失計(jì)算公式計(jì)算料漿沿程阻力，但環(huán)管試驗(yàn)的缺點(diǎn)是試驗(yàn)消耗人力、物力過(guò)大，試驗(yàn)時(shí)間太長(zhǎng)，因此在某些礦山難以開展；胡亞軍、南世卿等［7］采用L型管道試驗(yàn)，并通過(guò)相關(guān)公式的計(jì)算推導(dǎo)出高濃度全尾砂充填料漿的流變參數(shù)η和τ0，進(jìn)而計(jì)算出料漿沿程阻力，屬于較傳統(tǒng)且計(jì)算精度不高的一種方法；翟永剛等［8］利用四葉槳式旋轉(zhuǎn)式流變儀測(cè)定了高濃度全尾砂充填料漿的流變特征及其參數(shù)，且得到了該充填料漿的臨界質(zhì)量分?jǐn)?shù)，但并未提及充填料漿的管道輸送阻力損失特性；目前針對(duì)采用國(guó)際最先進(jìn)的高精度BROOKFIELD R/S＋SST軟固體測(cè)試儀測(cè)試得到料漿的流變參數(shù)η和τ0，并運(yùn)用管道沿程阻力損失公式計(jì)算得到料漿沿程阻力，同時(shí)分析并揭示流變參數(shù)η和τ0與料漿的濃度配比、灰砂比的變化關(guān)系的研究未見報(bào)道。

本文采用國(guó)際最先進(jìn)的高精度BROOKFIELD R/S＋SST軟固體測(cè)試儀，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試得到不同組別高濃度全尾砂充填料漿的流變參數(shù)η和τ0，并分析和揭示了流變參數(shù)η和τ0與料漿濃度配比、灰砂比的變化關(guān)系，同時(shí)根據(jù)充填料漿的流變特征和礦山充填試驗(yàn)要求，運(yùn)用管道沿程阻力損失計(jì)算公式計(jì)算得到不同組別料漿沿程阻力，比較阻力值的大小以選擇最佳的管道輸送參數(shù)，為礦山充填系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

1 流變參數(shù)η和τ0測(cè)試試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)儀器

本試驗(yàn)所用流變測(cè)試設(shè)備為高精度BROOKFIELD R/S＋SST軟固體測(cè)試儀（圖1）。

圖1 R/S＋SST軟固體測(cè)試儀

R/S Plus系列流變儀是具有控制剪切應(yīng)力（Shear stress）和剪切速率（Shear rate）雙重測(cè)量模式的流變儀。與同類級(jí)別的流變儀相比，Brookfield R/S Plus系列流變儀具有更多的選擇性和靈活性。R/S Plus系列流變儀尤其適合于測(cè)量非牛頓流體在穩(wěn)態(tài)流動(dòng)下的粘度、流變曲線等物質(zhì)特性，同時(shí)，Brookfield R/S Plus系列流變儀可以確?？蒲泄ぷ髡咴谫|(zhì)量控制和研發(fā)領(lǐng)域均可進(jìn)行完美的流變分析。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所用充填料漿濃度配比為：70%、71%、72%、73%、；灰砂比為：1∶4、1∶6、1∶8，為了降低實(shí)驗(yàn)誤差，每種組別料漿進(jìn)行多組試驗(yàn)取平均值，將剪切時(shí)間設(shè)置為120s，剪切速率范圍0～120s－1。每次試驗(yàn)當(dāng)燒杯中的料漿被攪拌均勻后，將燒杯快速放至流變儀底座合適位置，并操作軟件開始進(jìn)行試驗(yàn)，剪切時(shí)間120s過(guò)后，四葉槳立即停止轉(zhuǎn)動(dòng)，一次試驗(yàn)結(jié)束。

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

1.3.1 流變參數(shù)測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果

采用R/S＋SST軟固體測(cè)試儀進(jìn)行試驗(yàn)可得到不同料漿組別的剪切應(yīng)力和剪切應(yīng)變率流變曲線。由于到一定的剪切時(shí)間，四葉槳轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)帶動(dòng)周圍料漿整體轉(zhuǎn)動(dòng)，之后料漿的運(yùn)動(dòng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，采集此時(shí)的數(shù)據(jù)對(duì)試驗(yàn)無(wú)意義，甚至?xí)绊懺囼?yàn)結(jié)果，因此，不考慮整體料漿轉(zhuǎn)動(dòng)后的剪切時(shí)間，只取每次試驗(yàn)前面比較穩(wěn)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。為節(jié)省篇幅，此處僅給出灰砂比1∶4對(duì)應(yīng)濃度配比的剪切應(yīng)力－剪切應(yīng)變率流變曲線和粘度系數(shù)－剪切應(yīng)變率曲線，見圖2、圖3。

圖2 灰砂比1∶4對(duì)應(yīng)濃度配比流變曲線

根據(jù)現(xiàn)有研究，全尾砂高濃度充填料漿表現(xiàn)出明顯的賓漢體流變特征，因此其流變特性可用賓漢流體模式描述，即其剪切應(yīng)變率和剪切應(yīng)力表現(xiàn)出線性關(guān)系［9－13］。對(duì)所有組別料漿的剪切應(yīng)力－剪切應(yīng)變率流變曲線進(jìn)行線性擬合，可得到不同組別高濃度全尾砂料漿的相應(yīng)的粘度系數(shù)η和動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力τ0，見表1。

圖3 粘度系數(shù)－剪切應(yīng)變率曲線

表1 全尾砂高濃度充填料漿流變參數(shù)結(jié)果

1.3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

1）料漿濃度對(duì)料漿屈服應(yīng)力的影響比較顯著，料漿屈服應(yīng)力隨著料漿濃度的增加而增大。不同灰砂比條件下全尾砂料漿屈服應(yīng)力與料漿濃度之間的關(guān)系見圖4。

2）料漿屈服應(yīng)力與灰砂比相關(guān)，屈服應(yīng)力總體上是隨著灰砂比的增大而減少。不同灰砂比條件下全尾砂料漿屈服應(yīng)力的變化曲線見圖5。

3）灰砂比對(duì)料漿粘度有一定的影響，料漿粘度與灰砂比成反比關(guān)系，即灰砂比越大，料漿粘度越小。不同灰砂比條件下全尾砂料漿粘度系數(shù)的變化曲線見圖6。

2 管流輸送沿程阻力的計(jì)算與分析

圖4 不同灰砂比條件下全尾砂料漿屈服應(yīng)力與料漿濃度之間的關(guān)系

圖5 不同灰砂比條件下全尾砂料漿屈服應(yīng)力的變化曲線

圖6 不同灰砂比條件下全尾砂料漿粘度系數(shù)的變化曲線

全尾砂高濃度充填料漿在管道輸送過(guò)程中處于層流狀態(tài)，且料漿呈“栓塞流”［14－16］，則聯(lián)立哈根－巴塞爾公式［17］和布金海姆方程［17］得到漿體沿程摩阻損失計(jì)算公式［18］。

式中：Jm為單位長(zhǎng)度沿程阻力，Pa/m；D為直管內(nèi)徑，m；v為平均流速，m/s；其中，Q為料漿流量，m3/s。

礦山充填試驗(yàn)要求計(jì)算推導(dǎo)出全尾砂高濃度充填料漿以90m3/h、100m3/h、120m3/h在管徑120mm、150mm、180mm輸送時(shí)的沿程阻力損失數(shù)據(jù)，從而選擇合理的物料配比參數(shù)、管道輸送參數(shù)等，以指導(dǎo)礦山充填系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。限于篇幅原因，僅列出全尾砂高濃度充填料漿以90m3/h在管徑120mm輸送時(shí)的沿程阻力計(jì)算結(jié)果，如表2所示。

表2 料漿以90m3/h在管徑120mm輸送時(shí)的沿程阻力值

比較所有單位沿程阻力值可得到，礦山全尾砂高濃度充填料漿在管道輸送過(guò)程中，灰砂比1∶4、濃度70%的 料 漿 以 流 量90m3/h在 管 徑D3＝180mm輸送時(shí)的單位沿程阻力值最小，其值為471.968Pa/m。

3 結(jié)論

1）由流變參數(shù)測(cè)試試驗(yàn)可得，料漿的屈服應(yīng)力與料漿濃度成正比關(guān)系，即濃度越大，料漿屈服應(yīng)力就越大；灰砂比對(duì)料漿屈服應(yīng)力有一定的影響，料漿屈服應(yīng)力總體上是隨著灰砂比的減少而增大。

2）料漿濃度對(duì)粘度的影響無(wú)明顯規(guī)律，但料漿粘度與灰砂比成反比關(guān)系，即灰砂比越小，料漿粘度越大。

3）灰砂比1∶4、濃度70%的料漿以流量90m3/h在管徑D3＝180mm輸送時(shí)的單位沿程阻力值最小，其值為471.968Pa/m，僅從輸送阻力與能量損失的角度考慮，礦山宜選擇此種物料配比、管道輸送參數(shù)進(jìn)行充填系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

4）相比于傳統(tǒng)試驗(yàn)方法操作繁難，試驗(yàn)時(shí)間太長(zhǎng)且準(zhǔn)確率低等問題，采用國(guó)際最先進(jìn)的高精度BROOKFIELD R/S＋SST軟固體測(cè)試儀可簡(jiǎn)便快速且準(zhǔn)確地測(cè)定不同組別高濃度全尾砂料漿的粘度系數(shù)η和動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力τ0，同時(shí)，運(yùn)用漿體沿程阻力損失計(jì)算公式分別計(jì)算出了不同流量料漿在不同的管徑輸送時(shí)的沿程阻力損失，以確定合理的物料配比、管道輸送參數(shù)。此方法科學(xué)合理，簡(jiǎn)單易行，能為其他礦山充填料漿沿程阻力損失的計(jì)算，充填系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供借鑒。

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