結構流充填料漿管道輸送阻力特性

吳愛祥，劉曉輝，王洪江，王貽明，焦華喆，劉斯忠

(北京科技大學 土木與環(huán)境工程學院 金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京，100083)

近年來，隨著礦山環(huán)境污染及安全生產(chǎn)等問題的日益顯著，尾礦充填采礦技術逐漸成為地下開采的主導工藝，為選廠尾礦的處置提供了新的途徑，同時有效控制了地壓活動，保障了井下回采安全。膏體充填是目前礦山充填技術的發(fā)展方向，其具有尾礦利用率大、含水率低、充填強度高等優(yōu)點[1-2]。但同時，膏體充填料漿中含有大量細粒尾礦，固含較高，且混合有絮凝劑等化學藥劑[3]，由此導致其流動特性復雜，對其管道輸送阻力特性的研究一直是眾多學者關注的重點。研究表明：在膏體料漿中，固體顆粒在表面物理化學作用下將產(chǎn)生具有一定強度的絮網(wǎng)結構，由此導致其在管道中呈整體流動，即稱之為結構流體[4-6]。對于結構流管道輸送阻力特性的研究，一般從流變學入手，如翟勇剛等[7]和王劼等[8]在對會澤膏體充填料漿的研究中，將其視作為賓漢姆流體，并基于白金漢姆公式對管道阻力進行了計算。張宗生[9]及王五松等[10]對金川膏體進行流變測試，發(fā)現(xiàn)H-B 流變模型具有更好的適用性，并推導了其相應的管阻計算模型。此外，Hallbom 等[11]提出了一種膏體流變關系的通用模型(yield plastic model，Y-P 模型)，并利用該模型對管輸阻力進行了分析。上述研究均是將漿體流變關系視作為與剪切作用無關的函數(shù)，進而分析其管阻特性的變化。事實上，對于結構流體而言，不同的剪切作用對其內部結構的破壞程度各異，必然導致流變關系及管阻特性的改變。因此，本文作者首先基于結構動力學理論對剪切作用下漿體絮網(wǎng)結構的動態(tài)變化過程進行了描述，同時結合賓漢姆流體模型建立了考慮漿體內部結構變化的流變關系模型，最終通過水力學推導探討了結構流管阻特性的變化規(guī)律，為管道輸送參數(shù)的優(yōu)化提供了新的思路。

1 剪切過程中絮網(wǎng)結構動態(tài)變化

膏體充填料漿中包含有大量的細粒尾礦，單位體積內固體顆粒的表面積較大，由此導致顆粒間的相互作用較強。細顆粒在水中吸附異性離子，形成雙電層的帶電顆粒，在表面電場的作用下互相吸引，進而逐漸搭接形成絮團，這種由單個顆粒結合成集合體的過程稱為絮凝作用。隨著漿體濃度的提高，顆粒絮凝不斷發(fā)展，當絮團數(shù)達到一定數(shù)量之后，絮團之間開始發(fā)生連接，形成一種松散的網(wǎng)狀結構，稱之為絮網(wǎng)結構[12]。絮網(wǎng)結構的存在，使顆粒本身的特性消失，取而代之的是絮網(wǎng)整體特性的呈現(xiàn)[13]。在管內流動過程中，漿體絮網(wǎng)結構受到剪切作用，其可由剪切速率γ及作用時間t 來進行衡量，根據(jù)水力學理論[14]，剪切速率與流速v 及管徑D 相關：

在剪切過程中，漿體絮網(wǎng)結構一方面在外力作用下拉斷、破壞；同時，由于顆粒間的相互作用，結構又不斷搭接，修復。當破壞速率與修復速率相等時，結構最終達到動態(tài)平衡。Jarny 等[15-16]提出以結構系數(shù)S 來對此進行描述，其假設絮網(wǎng)結構的變化可由破壞和修復2 個可逆過程組成，有下式成立：

式中：a 和b 分別為絮網(wǎng)結構的恢復系數(shù)及破壞系數(shù)，均為正值，對于相同漿體，其值恒定；S 為結構系數(shù)；Smax為絮網(wǎng)結構完全發(fā)育時的結構系數(shù)，可假定其值為1；Smin為結構完全破壞時的結構系數(shù)，假定為0；γ 為剪切速率，s-1[17]。

由式(2)可知，S 越大漿體結構越發(fā)育，反之亦然，當dS/dt =0 時，則為達到動態(tài)平衡時的結構系數(shù)Se，如式(3)所示：

式中：β=b/a。

由式(3)可知：在漿體其他條件不變的情況下，改變剪切作用強度，將導致漿體平衡結構系數(shù)的變化，剪切作用越強(即γ 越大)，則漿體結構的破壞越充分，Se相應越小。對式(1)兩邊積分，則可得到結構系數(shù)S隨時間t 及剪切速率γ˙的變化規(guī)律，如下式所示：

分析可知：在某剪切速率作用下，漿體最終將達到平衡結構系數(shù)Se，而不同的剪切作用強度，對應有不同的Se。

2 結構流管道阻力特性

流變性質是研究結構流體管道阻力特性的根本出發(fā)點，在以往的研究中，一般將充填料漿視作為賓漢流體，如下式所示：

式中：τy及μp分別為屈服應力及塑性黏度，同時認為，該值是與時間t 及剪切速率γ 無關的參量，并由此推導了其管道阻力的理論計算公式，如式(6)所示，在輸送條件(管徑、漿體)確定的條件下，管阻損失im隨流速v 呈線性增加。

式中：im為管輸阻力損失，Pa/m；τy為漿體屈服應力，Pa；μP為漿體塑性黏度，Pa/s；v 為輸送流速，m/s；D 為管徑，m。

由前述分析表明，對于結構流體，由于其內部絮網(wǎng)結構的存在，剪切作用條件不同，將導致相應流變參數(shù)(τy及μp)的變化。韓文亮等[13,18-19]提出將屈服應力τy及塑性黏度μp視為與絮網(wǎng)結構系數(shù)S 相關的變量，有：

式中：τ0為絮網(wǎng)結構完全破壞時的屈服應力，Pa；τs絮網(wǎng)結構應力，Pa；μ0為絮網(wǎng)結構完全破壞時的塑性黏度，Pa/s；μs為絮網(wǎng)結構受剪過程中塑性黏度的變化值，Pa/s。

將式(7)代入式(6)則得到結構流管道阻力的計算公式為

對于充填料漿長距離管道輸送而言，其管阻損失im是指漿體穩(wěn)定流動時的能量損失[20]，此時漿體結構達到平衡狀態(tài)，結構系數(shù)S=Se，則由式(3)和(7)得：

由式(9)可知：τy及μP均為剪切速率γ 的函數(shù)，其值隨γ 增加，呈非線性遞減，當剪切速率γ→∞，有τy=τ0，μP=μs。因此，在管道輸送過程中，低流速條件下，漿體受剪切破壞程度較小，其屈服應力τy及塑性黏度值μP較大，隨著流速增大，剪切對漿體絮網(wǎng)結構破壞越充分，其τy及μP相應減小。

將式(11)代入式(10)中，得到式(12)。對于同一漿體，當其輸送管徑D 一定時，式中A，B，τ0，τs，μ0，μs，β 等值不變，則管輸阻力im為僅與流速v 相關的函數(shù)，但與不考慮漿體結構變化時(式6)不同，im與v不再是簡單的線性關系，而表現(xiàn)為復雜的非線性關系。

為了對im(v)的變化規(guī)律進行分析，將式(12)對流速v 求導，得：

因此，當v=vx，im(v)存在最小值im(vx)，如圖1 所示。則對于結構流體，隨著流速v 的增加，管輸阻力im呈先減小再增大的變化趨勢，存在一最佳流速vx，在此條件下漿體輸送的管道阻力最小。在實際生產(chǎn)過程中，可將此流速作為最合理的輸送流速，從而降低系統(tǒng)能耗損失。

圖1 管輸阻力與輸送流速的關系Fig.1 Relationships between resistance loss and flow velocity in pipeline transport

同時，由式(14)可知：對于某一確定漿體(即τ0，τs，μ0，μs和β 一定)，最佳流速vx為關于A 的函數(shù)，即與管徑D 相關(A=16/(3D))，管徑越大，則vx越大。究其原因，由式(1)分析得，欲使?jié){體受到相同的剪切作用(即γ 一定)，對于較大管徑D，必須相應提高漿體流速v。

3 試驗驗證

3.1 試驗材料

實驗材料來源于國內某鉛鋅礦的充填膏體料漿，充填物料由選廠全粒級尾砂、冶煉水淬渣以及普通硅酸鹽水泥組成[21]。全尾砂密度為2.71 t/m3，平均粒徑為75.59 μm，其中＜20 μm 的顆粒累計含量占37.20%，比表面積為0.5 m2/cm2。水淬渣密度為2.59 t/m3，粒徑主要為2 mm 左右，圖2 所示為不同組分的粒級分布曲線。同時，全尾砂中含有濃密過程中殘留的聚丙烯酰胺(PAM)陰離子型有機高分子絮凝劑(品牌SNF，型號AN934SH)，添加量為30 g/t。

圖2 膏體物料粒級組成曲線Fig.2 Grain size curves of paste materials

3.2 試驗設備及方案

為對漿體的管阻特性進行研究，設計了泵送環(huán)管試驗系統(tǒng)。料漿制備采用2 臺混凝土攪拌機進行2 段攪拌，人工計量上料。輸送設備為一臺HBT50.13.90S混凝土泵，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用電磁流量計、遠傳壓力變送器、工控系統(tǒng)自動記錄，監(jiān)測數(shù)據(jù)利用“概率統(tǒng)計法”進行處理。選用輸送管徑為150 mm 及178 mm，試驗系統(tǒng)管路總長度220 m。本文基于膏體泵送環(huán)管試驗的部分監(jiān)測數(shù)據(jù)，探討不同物料組成、管徑對其管阻特性的影響?？紤]的充填物料主要包括：全尾砂、全尾砂+分級尾砂、(m(全尾砂):m(分級尾砂)=3:1)以及全尾砂+水淬渣(m(全尾砂):m(水淬渣)=3:1) 3 種配比方案，均按照1:8 的灰砂質量比與水泥均勻拌合，漿體質量分數(shù)為78%～80%，系統(tǒng)流量為20～80 m3/h。

3.3 試驗結果分析

3.3.1 物料組成對管阻損失的影響

圖3 所示為3 種不同物料漿體管阻損失im隨流速v 的變化規(guī)律。由圖3 可知：im隨v 增大，均呈現(xiàn)先降低再增大的趨勢，存在最佳流速vx，此條件下im有最小值。觀察發(fā)現(xiàn)，不同物料條件下的最佳流速vx各不相同，這是由于不同物料組成導致漿體流變性質各異，從而引起vx變化。相比之下，“全尾砂+分級尾砂”、“全尾砂”3 種物料組合模式下最佳流速vx偏小，在此條件下雖能降低系統(tǒng)能耗損失，但充填效率較低，難以滿足生產(chǎn)要求。而采用“全尾砂+水淬渣”時，其最佳流速在0.7～0.8 m/s 之間，對應流量為60～70 m3/h，可滿足礦山充填要求。

3.3.2 管徑對管阻損失的影響

圖4 所示為質量分數(shù)為80%，全尾砂+水淬渣，灰砂質量比為1:8 的膏體料漿在150 mm 及178 mm 2種管徑條件下的阻力特性。由圖4 可知：隨著流速v增大，其管阻損失im均呈現(xiàn)出先減小再增大的趨勢。在管徑為150 mm 的管道中，當流速v 在0.5～0.6 m/s范圍內，其摩阻損失有最小值，約為2.2 MPa/km；而對于管徑為178 mm 管道中，管阻損失在0.7～0.8 m/s范圍內有最小值1.87 MPa/km。相比之下，管徑178 mm時的最佳流速比管徑150 mm 的大，這與前述理論分析結果一致。結果表明：對于該充填膏體，采用管徑178 mm，流速為0.7～0.8 m/s 時，其管阻損失im為1.87 MPa/km 左右，且充填能力達60～70 m3/h，為系統(tǒng)最佳輸送參數(shù)。

圖3 物料組成對管阻損失的影響Fig.3 Effects of material content on resistance loss

圖4 管徑對管阻損失的影響Fig.4 Effects of pipe diameter on resistance loss

4 結論

1) 膏體充填料漿中存在三維絮網(wǎng)結構，呈結構流流動，漿體流變性質及管道輸送阻力特性與其內部結構狀態(tài)緊密相關。

2) 在不同剪切作用下，結構破壞程度不同，由此導致漿體流變性質的變化，剪切速率越大，其屈服應力及塑性黏度值相應越小。

3) 對于結構流充填料漿，隨流速增大，其管道阻力損失im呈先減小再增大的變化趨勢，存在最佳流速vx，在此條件下，其管道阻力im有最小值。vx主要受漿體流變性質及輸送管徑D 的影響，D 越大，則vx越大，此結論為管道輸送參數(shù)優(yōu)化提供了一種新的思路。

4) 基于某鉛鋅礦充填膏體泵送環(huán)管實驗數(shù)據(jù)，分析了物料組成及輸送管徑兩因素對管阻特性的影響，結果驗證了前述結論，同時表明：對于該礦的全尾砂+水淬渣膏體，采用管徑178 mm，流速為0.7～0.8 m/s時，其管阻損失im為1.87 MPa/km 左右，且充填能力達60～70 m3/h，為系統(tǒng)合理輸送參數(shù)。

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