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１，２，羅 濤１，２，朱志成１，２，劉 浩１，２，許楊東１，２，陳忠熙１，２
（１．江西理工大學資源與環(huán)境工程學院，江西 贛州３４１０００；
２．江西理工大學江西省礦業(yè)工程重點實驗室，江西 贛州３４１０００）
摘 要：針對礦山充填系統(tǒng)設(shè)計中輸送物料的合理配比、管道參數(shù)難以確定的問題，采用國際最先進的高精度 ＢＲＯＯＫＦＩＥＬＤ Ｒ／Ｓ＋ＳＳＴ 軟固體測試儀，通過試驗得到不同組別料漿的剪切率－剪切應力流變曲線圖，進而求得料漿相應粘度系數(shù)η 和動態(tài)屈服應力τ０ ，再根據(jù)漿體沿程阻力損失計算公式分別計算出不同流量料漿在不同的管徑輸送時的沿程阻力損失。結(jié)果表明，灰砂比１∶４、濃度７０％ 的料漿以流量 ９０ｍ３／ｈ在管徑 Ｄ３ ＝１８０ｍｍ 輸送時的單位沿程阻力值最小，其值為４７１．９６８Ｐａ／ｍ，可為礦山充填系統(tǒng)的設(shè)計提供依據(jù)。
關(guān)鍵詞：流變特性；屈服應力；黏度系數(shù)；沿程阻力；充填
中圖分類號：ＴＤ８５
文獻標識碼：Ａ
文章編號：１００４－４０５１（２０１４）Ｓ２－０３０１－０４
在礦山開采中，隨著淺部資源的逐漸減少以及深部開采強度逐漸加大，充填采礦法的應用日益廣泛，充填采礦法能夠利用所形成的充填體，進行地壓管理，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)包括屈服應力和黏度系數(shù)，其中屈服應力是由于漿體中的細顆粒產(chǎn)生的，由于細顆粒在漿體中與周圍物料進行物化作用形成絮團，絮團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力，只有施加不小于屈服應力的外力作用，漿 體才會流動［４］。黏度系數(shù)反映了漿體在攪動的情況下，漿體網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的破壞與恢復處于動平衡時，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)摩擦作用的強弱。塑性粘度越大，漿體間摩擦力越大，導致漿體流動越困難［５］。
近年來，對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］通過環(huán)管試驗采集得到足夠多組壓力數(shù)據(jù)并經(jīng)過線性回歸，得到高濃度充填料漿的流變參數(shù)
η 和
τ０，再運用層流狀態(tài)下的管道沿程阻力損失計算公式計算料漿沿程阻力，但環(huán)管試驗的缺點是試驗消耗人力、物力過大，試驗時間太長，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，并通過相關(guān)公式的計算推導出高濃度全尾砂充填料漿的流變參數(shù)
η 和
τ０，進而計算出料漿沿程阻力，屬于較傳統(tǒng)且計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)量分數(shù)，但并未提及充填料漿的管道輸送阻力損失特性； 目前針對采用國際最先進的高精度 ＢＲＯＯＫＦＩＥＬＤ Ｒ／Ｓ＋ＳＳＴ 軟固體測試儀測試得到料漿的流變參數(shù)
η 和
τ０，并運用管道沿程阻力損失公式計算得到料漿沿程阻力，同時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)系的研究未見報道。
本文采用國際最先進的高精度 ＢＲＯＯＫＦＩＥＬＤ Ｒ／Ｓ＋ＳＳＴ 軟固體測試儀，通過試驗測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，同時根據(jù)充填料漿的流變特征和礦山充填試驗要求，運用管道沿程阻力損失計算公式計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)計提供科學依據(jù)。
１ 流變參數(shù)η 和τ０ 測試試驗
１．１ 試驗儀器
本 試 驗 所 用 流 變 測 試設(shè)備為高精度 ＢＲＯＯＫＦＩＥＬＤ Ｒ／Ｓ＋ＳＳＴ 軟固體測試儀(圖１）。
圖１ Ｒ／Ｓ＋ＳＳＴ 軟固體測試儀
Ｒ／ＳＰｌｕｓ 系列流變儀是具有控制剪切應力(Ｓｈｅａｒｓｔｒｅｓｓ）和剪切速率（Ｓｈｅａｒｒａｔｅ）雙重測量模式的流變儀。與同類級別的流變儀相比，ＢｒｏｏｋｆｉｅｌｄＲ／Ｓ Ｐｕｓ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量非牛頓流體在穩(wěn)態(tài)流動下的粘度、流變曲線等物質(zhì)特性，同時，Ｂｒｏｏｋｆｉｅｌｄ Ｒ／Ｓ Ｐｕｓ系列流變儀可以確?？蒲泄ぷ髡咴谫|(zhì)量控制和研發(fā)領(lǐng)域均可進行完美的流變分析。
１．２ 試驗方法
試驗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，為了降低實驗誤差，每種組別料漿進行多組試驗取平均值，將剪切時間設(shè)置為 １２０ｓ，剪切速率范圍 ０～１２０ｓ－１。每次試驗當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，并操作軟件開始進行試驗，剪切時間１２０ｓ過后，四葉槳立即停止轉(zhuǎn)動，一次試驗結(jié)束。
１．３ 實驗結(jié)果與分析
１．３．１ 流變參數(shù)測試試驗結(jié)果
采用 Ｒ／Ｓ＋ＳＳＴ 軟固體測試儀進行試驗可得到不同料漿組別的剪切應力和剪切應變率流變曲 線。由于到一定的剪切時間，四葉槳轉(zhuǎn)動會帶動周 圍料漿整體轉(zhuǎn)動，之后料漿的運動處于穩(wěn)定狀態(tài)，采 集此時的數(shù)據(jù)對試驗無意義，甚至會影響試驗結(jié)果， 因此，不考慮整體料漿轉(zhuǎn)動后的剪切時間，只取每次 試驗前面比較穩(wěn)定的數(shù)據(jù)進行分析。為節(jié)省篇幅， 此處僅給出灰砂比１∶４對應濃度配比的剪切應力－剪切應變率流變曲線和粘度系數(shù)－剪切應變率曲線，見圖２、圖３。
圖２ 灰砂比１∶４對應濃度配比流變曲線
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，即其剪切應變率和剪切應力表現(xiàn)出線性關(guān)系［９－１３］。對所有組別料漿的剪切應力－剪切應變率流變曲線進行線性擬合，可得到不同組別高濃度全尾砂料漿的相應的粘度系數(shù)η 和動態(tài)屈服應力τ０，見表１。
圖３ 粘度系數(shù)－剪切應變率曲線
１．３．２ 實驗結(jié)果分析
１）料漿濃度對料漿屈服應力的影響比較顯著， 料漿屈服應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力與料漿濃度之間的關(guān)系見圖４。
２）料漿屈服應力與灰砂比相關(guān)，屈服應力總體
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力的變化曲線見圖５。
３）灰砂比對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算與分析
全尾砂高濃度充填料漿在管道輸送過程中處于
圖４ 不同灰砂比條件下全尾砂料漿屈服應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
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算公式［１８］
式中：Ｊｍ 為單位長度沿程阻力，Ｐａ／ｍ；Ｄ 為直管內(nèi)徑， m；ｖ 為平均流速，m／s;其中
為料漿流量，ｍ
３／ｓ。
礦山充填試驗要求計算推導出全尾砂高濃度充填 料 漿 以 ９０ｍ
３／ｈ、１００ｍ
３／ｈ、１２０ｍ
３／ｈ 在 管 徑 １２０ｍｍ、１５０ｍｍ、１８０ｍｍ 輸送時的沿程阻力損失數(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，以指導礦山充填系統(tǒng)的設(shè)計。限于篇幅原因，僅列出全尾砂高濃度充填料漿以 ９０ｍ
３／ｈ 在管徑 １２０ｍｍ 輸送時的沿程阻力計算結(jié)果，如表２所示。
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)測試試驗可得，料漿的屈服應力與料漿濃度成正比關(guān)系，即濃度越大，料漿屈服應力就越大；灰砂比對料漿屈服應力有一定的影響，料漿屈服應力總體上是隨著灰砂比的減少而增大。
２）料漿濃度對粘度的影響無明顯規(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)進行充填系統(tǒng)的設(shè)計。
４）相比于傳統(tǒng)試驗方法操作繁難，試驗時間太長且準確率低等問題，采用國際最先進的高精度ＢＲＯＯＫＦＩＥＬＤ Ｒ／Ｓ＋ＳＳＴ 軟固體測試儀可簡便快速且準確地測定不同組別高濃度全尾砂料漿的粘度系數(shù)η 和動態(tài)屈服應力τ０，同時，運用漿體沿程阻力損失計算公式分別計算出了不同流量料漿在不同的管徑輸送時的沿程阻力損失，以確定合理的物料配比、管道輸送參數(shù)。此方法科學合理，簡單易行，能為其他礦山充填料漿沿程阻力損失的計算，充填系統(tǒng)的設(shè)計提供借鑒。
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