傾斜管實驗的膏體流變特性規律研究

張友志 薛振林 劉志義 孫光華

(1.華北理工大學礦業工程學院，河北 唐山 063210；2.河北省礦業開發與安全技術重點實驗室，河北 唐山 063210)

膏體是指將一種或多種充填材料與水進行優化組合，配制成具有良好穩定性、流動性和可塑性的膏狀膠結漿體[1-2]。膏體的流變特性對礦山現場管道輸送具有重要的意義，因此受到學者廣泛的關注，其主要參數包括膏體的屈服應力與塑性黏度，目前普遍的測試方法是環管實驗法與流變儀法[3-5]。其中，環管實驗工作量大、操作復雜、人力物力消耗大；而流變儀的適應性較差，尤其面對較低濃度與較高濃度時，得出的結果不符合實際意義。因此，本研究制作了一套傾斜管實驗裝置來測試膏體的流變參數，既節省人力物力、操作簡單，又能很好地適應各個濃度范圍的膏體。

1 傾斜管實驗原理

一般認為膏體在管道內為塑性體，做整體運動，顆粒之間不發生相對位移，層間無交流現象，呈柱塞狀結構流。因此，可視其為賓漢姆(Bingham)體，認為其需克服一定外力(初始剪切應力τ0)才開始運動，而且流動后管壁切應力隨著切變速率的增長而增長。

當膏體在傾斜管道中流動時，沿橫斷面取一段膏體進行受力分析，如圖1所示，那么在管道的傾斜方向的受力情況為

(1)

式中，τw為管壁切應力，Pa；D為管道直徑，m；L為膏體微元體長，m；α為管道傾角，(°)；ΔP為膏體兩端面壓差，Pa；ρ為膏體密度，kg/m3；g為重力加速度， m/s2。

圖1 管道內膏體微元受力分析

式(1)經積分并簡化后，為

(2)

對于賓漢姆體，管壁處切應力τw和視切變率(8v)/D之間的關系可以用伯金漢(Buckingham)方程表示

(3)

式中，τ0為屈服應力，Pa；μB為塑性黏度，Pa·s；v為流速，m/s。

在結構流區域內，τw與(8v)/D在視切變率高值范圍內呈直線關系。因而可簡化略去4次方項。則，式(3)可簡化為

(4)

漏斗內徑與傾斜管道內徑相比較大，漏斗內膏體高度與傾斜管道長度相比極小，則膏體在漏斗內流動的摩阻損失較小。為了計算方便，忽略不計膏體在漏

斗內的流動摩阻損失(包括漏斗轉彎處的局部阻力損失)。取漏斗內膏體自由面和傾斜管道出口處橫斷面進行分析，根據伯努利方程，有

(5)

式中，h為膏體自由面高度，m。

由式(5)化簡得

(6)

將式(4)、式(6)代入式(2)得：

(7)

在固定的傾斜管實驗裝置中，D、L為固定值，在同樣的地區重力加速度g值不變，對于某一確定配比下的膏體，ρ、v值可測定。調整裝置的傾角，即改變α后，膏體的流動速度改變，因此，可視為τ0、μB的二元一次方程組。即，選定2個不同的傾角α1、α2，可得到相應的v1、v2，得到以下方程組：

(8)

解方程組(8)，即可得到該配比情況下的流變參數τ0、μB值。

2 實 驗

以西藏某銅礦二期全尾砂、32.5R普通硅酸鹽水泥為實驗材料，采用均勻實驗設計法，開展了傾斜管實驗。

2.1 實驗裝置

傾斜管實驗裝置如圖2所示。

圖2 傾斜管道實驗裝置

裝置說明：

(1)傾斜管為鋼管[6]，長3 m，內徑25 mm，壁厚2.5 mm。

(2)盛料槽2個，一個用于實驗穩定后的流量測量，一個用于實驗穩定以前的料漿盛接。

(3)2根豎管用于托住傾斜管，通過調節2根豎管之間水平距離、更換圖2左端豎管托架，可以調節傾斜管的角度。

(4)漏斗為方形，容積15 L，用軟管與傾斜管鏈接(軟管很短)。

(5)測試時，將制備好的膏體倒入進料漏斗，要不斷添加使漏斗內的膏體自由面保持在同一高度。

2.2 實驗方案

根據采礦方法對充填工藝的要求，尾砂充填分為一步驟采場充填與二步驟采場充填。一步驟采場充填水泥添加量高，強度高；二步驟采場充填水泥添加量小，強度低(滿足固結即可)。根據類似礦山充填經驗，為降低膠結充填成本，選定一步驟采場高度方向分別采用不同灰砂配比充填料，具體為：充填自下而上分為4層，充填高度分為8、10、25和7 m，預計每層的的充填配比在1∶4、1∶6、1∶8和1∶10中選擇。二步驟采場自下而上分2層，底部膠結充填高度8 m，預計灰砂比1∶4，上部預計灰砂比1∶25。通過全尾砂取樣分析，以及前期探索實驗[7-8]，初步確定膏體濃度為70%～78%。

采用均勻實驗設計方法，運用DPS(Data Processing System)軟件設計實驗方案，見表1所示。

表1 U5(52)實驗設計方案

3 實驗結果與討論

3.1 實驗結果

經過實驗測量，按照式(8)計算結果見表2所示。

3.2 回歸與通徑分析

通過實驗結果(見表2)可以看出，屈服應力、塑性黏度與濃度、砂灰比之間均為非線性關系。通過DPS數據處理軟件，采用逐步回歸得出回歸方程，運用通徑分析法分別分析濃度、灰砂比對屈服應力、塑性黏度的影響規律。

表2 傾斜管實驗數據結果

在DPS建立的回歸方程中，回歸模型診斷主要有3點：第一，相關系數R越大(最大為1)說明回歸方程越顯著；第二，方差分析F值的顯著水平p應小于等于0.05；第三，Durbin-Watson統計量d接近于2。

3.2.1 濃度、灰砂比對屈服應力的影響規律

通過DPS數據處理軟件建立屈服應力與濃度、砂灰比之間關系的二次多項式回歸公式，擬合方程的相關系數R=0.999 9，顯著水平p=0.02 01<0.05，Durbin-Watson統計量d=2.165，符合接近于2的要求。方程如式(9)所示。

1.935x1x2,

(9)

式中，y1為料漿屈服應力，Pa；x1為料漿濃度，%；x2為灰砂比。

在屈服應力的回歸方程中，2個因素的相關系數為R1=0.984 3；R2=0.065 0。根據相關系數的符號可初步判斷2個因素對屈服應力的影響均為正相關，且濃度的影響力比灰砂比的影響力大一個數量級。但由于2個因素在回歸方程中并不是以一次項形式存在，因此需要通過通徑系數繼續進行分析[9]。表4所示為屈服應力相關因素的通徑系數。

表3 屈服應力相關因素的通徑系數

注:決定系數=0.999 75，剩余通徑系數=0.016<0.05。

3.2.2 濃度、灰砂比對塑性黏度的影響規律

通過DPS數據處理軟件建立塑性黏度與濃度、砂灰比之間關系的二次多項式回歸公式，擬合方程的相關系數R=0.999 9，顯著水平p=0.003 4<0.05，Durbin-Watson統計量d=2.299，符合接近于2的要求。方程如式(10)所示

(10)

式中，y2為料漿塑性黏度，Pa·s；x1、x2同上。

在塑性黏度的回歸方程(10)中，2個因素的相關系數為R1=0.970 8；R2=0.285 5。由此可知，2個因素對塑性黏度的影響都是正相關，大小順序：料漿濃度(x1)>灰砂比(x2)。x2在回歸方程中是以一次項的形式存在，即單一的正向作用，隨著灰砂比的增大會引起黏度相應的增大；而x1在回歸方程中并不是以一次項形式存在，因此需要通過通徑系數繼續進行分析。表4所示為塑性黏度相關因素的通徑系數。

表4 塑性黏度相關因素的通徑系數

注：其決定系數=0.999 99，剩余通徑系數=0.002 7<0.05。

4 結 論

(1)就對屈服應力的影響能力而言，濃度比灰砂比高出一個數量級，濃度的增加可以引起屈服應力的增加。

(2)當灰砂比接近1∶25甚至更低時，其對屈服應力的影響能力并不明顯。

(3)灰砂比對塑性黏度的影響能力低于濃度的影響能力，但在同一個數量級，灰砂比的升高會引起黏度的升高。

(4)膏體的濃度會影響其穩定性，濃度對塑性黏度的影響不是單調的。

[1] 吳愛祥,王 勇,王洪江.膏體充填技術現狀及趨勢[J].金屬礦山,2016(7):1-9.

Wu Aixiang,Wang Yong,Wang Hongjiang.Status and prospects of the paste backfill technology[J].Metal Mine,2016(7):1-9.

[2] 王新民,張德明,張欽禮,等.基于FLOW-3D軟件的深井膏體管道自流輸送性能[J].中南大學學報:自然科學版,2011,42(7):2102-2108.

Wang Xinmin,Zhang Deming,Zhang Qinli,et al.Pipeline self-flowing transportation property of paste based on FLOW-3D software in deep mine[J].Journal of Central South University:Science and Technology,2011,42(7):2102-2108.

[3] 陳紹杰,劉小巖,韓 野,等.充填膏體蠕變硬化特征與機制實驗研究[J].巖石力學與工程學報,2016,35(3):570-578.

Chen Shaojie,Liu Xiaoyan,Han Ye,et al.Experimental study of creep hardening characteristic and mechanism of filling paste[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2016,35(3):570-578.

[4] Nabassé J F，Koupouli,Tikou Belem,et al.Direct shear tests on cemented paste backfill-rock wall and cemented paste backfill-backfill interfaces[J].Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering,2016,8(4):472-479.

[5] Jian Ouyang,Hongyan Li,Baoguo Han.The rheological properties and mechanisms of cement asphalt emulsion paste with different charge types of emulsion[J].Construction and Building Materials,2017,147：566-575.

[6] GB/T 14976—2012 流體輸送用不銹鋼無縫鋼管[S].北京：中國標準出版社，2012.

GB/T 14976—2012 Seamless Stainless Steel Pipes for Fluid Transport[S].Beijing：Standards Press of China,2012.

[7] 劉 超,王洪江,吳愛祥,等.銅鉬礦細粒全尾膏體濃度范圍確定[J].巖石力學與工程學報,2015,34(S1):3432-3438.

Liu Chao,Wang Hongjiang,Wu Aixiang,et al.Determination of concentration range of fine unclassified tailings paste in copper-molybdenum mine[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2015,34(S1):3432-3438.

[8] 崔增娣,孫恒虎.煤矸石凝石似膏體充填材料的制備及其性能[J].煤炭學報,2010,35(6):896-899.

Cui Zengdi,Sun Henghu.The preparation and properties of coal gangue based sialite paste-like backfill material[J].Journal of China Coal Society,2010,35(6):896-899.