高濃度全尾砂料漿流變特性參數(shù)試驗(yàn)及管道輸送研究

羅濤， 張亮， 姜亮亮， 馮蕭

（江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州341000）

隨著礦山的快速發(fā)展和對(duì)環(huán)境保護(hù)的嚴(yán)格控制，充填采礦法逐漸成為礦山地下開采的一種必然趨勢.我國作為一個(gè)礦業(yè)大國，全尾砂堆積過多，為充分利用資源，全尾砂充填在大部分礦山都廣泛地應(yīng)用，在礦山地下開采發(fā)揮著重要的作用.高濃度全尾砂充填料漿在地下開采中使用非常廣泛，其料漿的輸送性能直接影響充填效果.然而其流變參數(shù)是判斷充填輸送效果的重要指標(biāo)，由屈服應(yīng)力（初始剪切應(yīng)力）和黏度系數(shù)描述[1-2].

屈服應(yīng)力是由于漿體中的細(xì)顆粒間相互作用產(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).全尾砂料漿在其他條件一定的情況下，顆粒間靠得更近，接觸也就更緊密，相互作用的機(jī)會(huì)就更多，并形成絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)，屈服應(yīng)力變大.黏度系數(shù)是流體的一種特性，流體相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，必然在內(nèi)部產(chǎn)生剪力以抵抗料漿的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即黏度系數(shù)值越大，表明流體抵抗剪切變形的能力就越大[3-5].因此，進(jìn)行高濃度全尾砂料漿流變特性參數(shù)測試試驗(yàn)研究，分析料漿流變參數(shù)與濃度、灰砂比的關(guān)系，并分析管道輸送時(shí)的沿程損失，為全尾砂充填輸送性能研究提供理論基礎(chǔ).

針對(duì)某礦山全尾砂膠結(jié)充填料漿管道輸送技術(shù)的實(shí)際問題，為實(shí)現(xiàn)高濃度全尾砂充填料漿的自流穩(wěn)定輸送，進(jìn)行流變特性參數(shù)測試試驗(yàn)，測試得出剪切力-剪切應(yīng)變率流變曲線，利用擬合得出相應(yīng)料漿的屈服應(yīng)力和黏度系數(shù)流動(dòng)特性參數(shù)[6]，結(jié)合流變參數(shù)測試結(jié)果和單位沿程阻力，對(duì)高濃度全尾砂料漿流變特性測試試驗(yàn)進(jìn)行研究[7-8].

1 流變參數(shù)測試試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

以某礦山高濃度全尾砂充填料漿為例，在保證料漿配比準(zhǔn)確、攪拌均勻和無外界因素的干擾情況下，應(yīng)用國際最先進(jìn)的高精度R/S+SST軟固體測試儀（圖1）進(jìn)行該料漿的流變參數(shù)測試試驗(yàn).

圖1 R/S+SST軟固體測試儀Fig.1 R/S+SST soft solids tester

R/S系列流變儀是具有控制剪切應(yīng)力（Shear stress）和剪切應(yīng)變率（Shear rate）雙重測量模式的流變儀，具有更多的選擇性和靈活性，尤其適合于測量非牛頓流體在穩(wěn)態(tài)流動(dòng)下的黏度、流變曲線等物質(zhì)特性，同時(shí)，可確?？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)方案

本試驗(yàn)應(yīng)用人工制備不同配比的料漿試樣測試，來分析濃度對(duì)流變參數(shù)的影響規(guī)律.此次試驗(yàn)為了研究結(jié)果具有區(qū)域一般性和代表性，設(shè)定全尾砂料漿的灰砂比為 1∶4、1∶6 和 1∶8， 濃度設(shè)定為 68%、70%、72%和74%，其料漿的配比見表1.應(yīng)用高精度R/S+SST軟固體測試儀進(jìn)行流變參數(shù)測試試驗(yàn)，得出剪切應(yīng)力τ-剪切應(yīng)變率γ流變特性曲線圖.

表1 料漿配比Tab le 1 Slurry ratio

為了降低試驗(yàn)結(jié)果誤差，每組料漿進(jìn)行多組試驗(yàn)取平均值.每次試驗(yàn)當(dāng)燒杯中的料漿確保攪拌均勻后，快速將燒杯放至流變儀底座指定位置，之后快速將十字葉槳下沉到指定位置，并操作配有的Rheo3000軟件開始進(jìn)行試驗(yàn)，其中設(shè)置剪切應(yīng)變率范圍0～120 s-1，當(dāng)剪切應(yīng)變率達(dá)到120 s-1，十字立即停止轉(zhuǎn)動(dòng)，一次試驗(yàn)完成.

1.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

一次實(shí)驗(yàn)完成后，Reho3000軟件自動(dòng)保存數(shù)據(jù)，操作該軟件即可自動(dòng)生成流變曲線，又能形成相應(yīng)的線性擬合曲線.但由于料漿轉(zhuǎn)動(dòng)到一定的剪切時(shí)間，十字葉槳會(huì)帶動(dòng)周圍料漿形成整體轉(zhuǎn)動(dòng)，之后料漿的運(yùn)動(dòng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，采集此后的數(shù)據(jù)對(duì)試驗(yàn)無意義，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)形成的剪切力-剪切應(yīng)變率流變特性曲線進(jìn)行分析.為節(jié)約篇幅，只列出灰砂比1∶8料漿的剪切應(yīng)力-剪切應(yīng)變率流變曲線以及黏度-剪切應(yīng)變率的曲線，見圖2和圖3.

圖2 剪切應(yīng)力-剪切應(yīng)變率流變曲線Fig.2 Flow curve of shear stress and shear rate

表2 試驗(yàn)及計(jì)算結(jié)果Tab le 2 Test and calculate resu lts

圖3 黏度-剪切應(yīng)變率流變曲線Fig.3 Flow curve of viscosity and shear rate

圖4 屈服應(yīng)力與濃度的關(guān)系曲線Fig.4 Curve of yield stress and concentration

由圖3可知，全尾料漿黏度在剪切過程中隨剪切應(yīng)變率的增加而減小，下降到一定程度時(shí)趨于水平穩(wěn)定，具有“剪切稀化”特征.根據(jù)現(xiàn)有研究和試驗(yàn)所得到的黏度-剪切應(yīng)變率流變曲線可知，高濃度全尾砂充填料漿表現(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)力τ與剪切應(yīng)變率γ表現(xiàn)出線性關(guān)系[9-13]，即：

式（1）中：τ0為料漿的初始剪切應(yīng)力（屈服應(yīng)力），Pa；η為料漿的黏度系數(shù)，Pa·s；

1.4 試驗(yàn)測試結(jié)果

全尾砂料漿流變參數(shù)測試數(shù)據(jù)通過式（1）線性擬合，得到的料漿流變參數(shù)屈服應(yīng)力和黏度系數(shù)，再根料漿流量100m3/h在管徑D=150mm輸送時(shí)的單位沿程阻力[14-18]，其結(jié)果見表2.

圖5 黏度系數(shù)與濃度的關(guān)系曲線Fig.5 Curve of viscosity coefficient and concentration

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 料漿流變參數(shù)與濃度的關(guān)系

由表2可得到不同灰砂比條件下全尾砂料漿的流變參數(shù)（屈服應(yīng)力和黏度系數(shù)）與料漿濃度的關(guān)系曲線見圖4、圖5.

由圖4可知：在一定的灰砂比下，料漿屈服應(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；料漿屈服應(yīng)力與料漿濃度的遞增速度與灰砂比成反比，即灰砂比越小，其遞增速度越快.

由圖5可知，料漿黏度系數(shù)與濃度的關(guān)系無明顯規(guī)律；灰砂比1∶4的料漿黏度系數(shù)隨著濃度的增大而增大；灰砂比1∶6的料漿在濃度68%～70%之間黏度系數(shù)隨著濃度的增大而增大，在濃度70%～72%之間黏度系數(shù)隨著濃度的增大而減??；在濃度72%～74%之間黏度系數(shù)隨濃度的增大而增大；灰砂比1∶8的料漿黏度系數(shù)隨著濃度的增大而減小.

2.2 料漿流變參數(shù)與灰砂比的關(guān)系

由表2可得到不同灰砂比條件下全尾砂料漿流變參數(shù)（屈服應(yīng)力和黏度系數(shù)）與灰砂比的關(guān)系曲線見圖 6、圖 7.

圖6 屈服應(yīng)力與灰砂比的關(guān)系曲線Fig.6 Curve of yield stress and cem ent-sand ratio

圖7 灰砂比與黏度系數(shù)之間的關(guān)系曲線Fig.7 Curve of viscosity coefficent and cem ent-sand ratio

由圖6可知，料漿濃度在68%～70%之間的屈服應(yīng)力隨著灰砂比的增大而增大；料漿濃度在72%～74%之間的屈服應(yīng)力隨著灰砂比的增大而減小.由圖7可知，料漿黏度與灰砂比的關(guān)系無明顯規(guī)律；料漿濃度在68%～72%之間的屈服應(yīng)力隨著灰砂比的增大而減小；料漿濃度74%時(shí)的屈服應(yīng)力隨著灰砂比的增大而增大.

2.3 料漿單位沿程阻力與濃度、灰砂比的關(guān)系

由表2可得到不同灰砂比條件下全尾砂料漿單位沿程阻力與濃度、灰砂比之間的關(guān)系見圖8、圖9.

由圖8、圖9可知：在一定的灰砂比下，料漿單位沿程阻力隨濃度的的增大而增大；在一定的濃度下，料漿單位沿程阻力隨灰砂比的增大而減小.

圖8 單位沿程阻力與濃度的關(guān)系曲線Fig.8 Curve of the unit frictional drag and concentration

圖9 單位沿程阻力與灰砂比的關(guān)系曲線Fig.9 Curve of the unit firctional d rag and cement-sand ratio

3 結(jié) 論

應(yīng)用國際最先進(jìn)的高精度R/S+SST軟固體測試儀進(jìn)行全尾砂充填料漿的流變特性測試，得到流變參數(shù)測試結(jié)果，并計(jì)算料漿流量100 m3/h在管徑D=150 mm輸送時(shí)的單位沿程阻力，對(duì)高濃度全尾砂料漿流變特性測試試驗(yàn)進(jìn)行研究，主要的結(jié)論如下：

1）在一定的灰砂比下，料漿屈服應(yīng)力與濃度成正比關(guān)系，即濃度越大，料漿屈服應(yīng)力就越大，其遞增速度與灰砂比成反比，即灰砂比越小，其遞增速度越快.

2）料漿黏度系數(shù)與濃度的關(guān)系無明顯規(guī)律：灰砂比1∶4的料漿黏度系數(shù)隨著濃度的增大而增大；灰砂比1∶6的料漿在濃度68%～70%之間黏度系數(shù)隨著濃度的增大而增大，在濃度70%～72%之間黏度系數(shù)隨著濃度的增大而減??；在濃度72%～74%之間黏度系數(shù)隨濃度的增大而增大；灰砂比1∶8的料漿黏度系數(shù)隨著濃度的增大而減小.

3）料漿濃度在68%～70%之間的屈服應(yīng)力隨著灰砂比的增大而增大；料漿濃度在72%～74%之間的屈服應(yīng)力隨著灰砂比的增大而減小.料漿黏度與灰砂比的關(guān)系無明顯規(guī)律；料漿濃度在68%～72%之間的屈服應(yīng)力隨著灰砂比的增大而減??；料漿濃度74%時(shí)的屈服應(yīng)力隨著灰砂比的增大而增大.

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