粗骨料膏體充填料漿流變特性與管道輸送阻力計(jì)算

陳 寅，郭利杰，邵亞平，楊 超

(1.新疆喀拉通克礦業(yè)有限責(zé)任公司，新疆 富蘊(yùn) 836107； 2.北京礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160)

充填開采法不僅能夠有力保障礦山回采的安全性，而且兼具環(huán)境保護(hù)和提高礦石回收率雙重功效，是礦山綠色開采技術(shù)體系中的一種典型的技術(shù)代表[1-2]。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，充填技術(shù)已由早期的水砂充填、分級(jí)尾砂膠結(jié)充填發(fā)展到全尾砂高濃度充填。由于膏體充填具有不離析、不脫水、充填體質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，已成為未來充填發(fā)展方向，近十年膏體充填在我國得到了快速發(fā)展與推廣應(yīng)用[3]。膏體充填料漿管道輸送阻力確定是確保膏體充填料漿安全、可靠輸送的關(guān)鍵[4]。環(huán)管試驗(yàn)是最早，且最為接近工程實(shí)際的確定膏體充填料漿管道輸送阻力的方法，但該方法試驗(yàn)工程量較大、耗時(shí)較長、材料用量多、成本高，一般僅用于大型高難度管道輸送系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，難以在實(shí)驗(yàn)室開展相關(guān)試驗(yàn)研究工作[5]。

本文通過理論分析建立了基于流變參數(shù)計(jì)算粗骨料膏體料漿管道輸送阻力的數(shù)學(xué)模型，并采用美國Brookfield公司的RST-SST型軟固體流變儀針對(duì)粗骨料膏體料漿開展流變特性試驗(yàn)，測(cè)試了粗骨料膏體充填料漿流變參數(shù)，結(jié)合膏體充填料漿管道輸送阻力數(shù)學(xué)計(jì)算模型，計(jì)算了膏體充填料漿管道輸送阻力，最終確定了管道輸送參數(shù)。

1 充填骨料基本參數(shù)

1.1 充填骨料

礦山周邊除大量存在的戈壁集料外，無可用的充填骨料，設(shè)計(jì)采用戈壁集料作為膏體充填料漿制備的骨料。

1.2 物理參數(shù)

測(cè)試戈壁集料物理參數(shù)見表1。

1.3 粒徑組成

戈壁集料粒級(jí)分析結(jié)果見表2。

表1 物理參數(shù)

表2 粒徑組成表

α為顆粒不均勻系數(shù)，是骨料中顆粒級(jí)配均勻程度的參數(shù)，按式(1)計(jì)算。

(1)

式中，d10、d60分別為累計(jì)含量為10%、60%顆粒能夠通過的篩孔直徑。

通過計(jì)算可知骨料不均勻系數(shù)為6.8，屬于缺失細(xì)顆粒物料。

2 粗骨料膏體料漿流動(dòng)性及泌水試驗(yàn)

2.1 流動(dòng)性試驗(yàn)

采用“坍落筒法”測(cè)試不同濃度、不同灰砂比條件下的粗骨料膏體充填料漿流動(dòng)性能，通過測(cè)試擴(kuò)散直徑反映粗骨料膏體充填料漿的流動(dòng)特性[6]。試驗(yàn)設(shè)計(jì)充填料漿質(zhì)量濃度76%～82%，灰砂比1∶4～1∶12。試驗(yàn)結(jié)果見表3,圖1和圖2為不同參數(shù)下料漿擴(kuò)散狀態(tài)。

表3結(jié)果表明：①在灰砂比相同的條件下，隨著料漿質(zhì)量濃度的增加，料漿的流動(dòng)性降低；②在相同料漿質(zhì)量濃度條件下，不同灰砂比的料漿擴(kuò)散直徑差別不大；③料漿質(zhì)量濃度是影響料漿流動(dòng)性能的主要因素，當(dāng)濃度為82%時(shí)，料漿的流動(dòng)性變差，濃度低于78%時(shí)料漿易出現(xiàn)分層離析現(xiàn)象。因此，建議輸送濃度為80%。

表3 充填料漿擴(kuò)散度試驗(yàn)結(jié)果

圖1 80%質(zhì)量濃度料漿擴(kuò)散狀態(tài)

圖2 82%質(zhì)量濃度料漿擴(kuò)散狀態(tài)

2.2 水試驗(yàn)

礦山充填工程中不同配比的充填物料，在其自由沉降的過程中，由于水、骨料及膠凝材料的含量不同，會(huì)造成混合料漿表面出現(xiàn)不同程度的泌水現(xiàn)象。泌水率(料漿凝固后的泌水量與漿體質(zhì)量之比)是衡量充填料漿進(jìn)入采場(chǎng)后脫水量的重要指標(biāo)，直接影響充填采場(chǎng)脫、濾水裝置的設(shè)計(jì)和充填體的早期強(qiáng)度。根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合粗骨料膏體充填特性，一般要求粗骨料膏體充填料漿泌水率不大于3%。為了考察不同濃度及灰砂比條件下各料漿泌水情況，開展泌水率試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)計(jì)充填料漿質(zhì)量濃度76%～82%，灰砂比1∶4～1∶12。試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 充填料漿泌水試驗(yàn)結(jié)果

表4試驗(yàn)結(jié)果表明：①在料漿質(zhì)量濃度一定的條件下，泌水率隨著灰砂比的減小而增大；②在灰砂比一定的條件下，泌水率隨料漿的質(zhì)量濃度的增大而減?。虎鄢涮盍蠞{濃度為80%時(shí)，充填料漿泌水率較小，基本無離析分層現(xiàn)象；料漿濃度低于78%時(shí)，泌水率較大，且從試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，低于此濃度時(shí)，出現(xiàn)嚴(yán)重分層離析現(xiàn)象，在輸送過程中易發(fā)生堵管事故；④從泌水率指標(biāo)來看，由于充填骨料粒級(jí)較粗，推薦適合的輸送濃度為80%，灰砂比不應(yīng)小于1∶10。

3 基于流變參數(shù)計(jì)算管道輸送阻力的數(shù)學(xué)模型

膏體充填料漿流態(tài)屬于賓漢(Bingham)體，其流變方程見式(2)[7-8]。

(2)

膏體充填料漿在輸送管道中呈整體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，屬于一種柱塞狀的結(jié)構(gòu)流體，在這種層流條件下，可由白金漢(Buckingham)方程(式(3))求出膏體充填料在管道中的平均流速。

(3)

由式(3)可得式(4)。

(4)

(5)

式(5)整理可得式(6)。

(6)

以上各式中：τw為管壁處切應(yīng)力，Pa；τ0為初始切應(yīng)力，Pa；η為塑性黏度系數(shù)，Pa·s；D為管道內(nèi)徑，m；v為平均流速，m/s。

在工業(yè)應(yīng)用中，采用測(cè)試一定管道長度l兩端的壓差ΔP，即管流沿程阻力(Δp/l),將管流沿程阻力和管壁單位面積上的流體摩擦阻力聯(lián)系起來，與管壁切應(yīng)力相聯(lián)系考慮，根據(jù)管流靜力學(xué)平衡理論，可得式(7)。

(7)

式(7)整理可得式(8)。

(8)

如果管流沿程阻力(Δp/l)用jm表示，則式(8)可寫成式(9)。

(9)

以上各式中：τW為管壁處切應(yīng)力，Pa；D為管道內(nèi)徑，m；l為兩測(cè)點(diǎn)間的管道長度，m；ΔP為兩測(cè)點(diǎn)間的壓差，Pa；jm為管流沿程阻力，Pa/m。

聯(lián)立式(6)和式(9)，可得式(10)。

(10)

式中：jm為管流沿程阻力，Pa/m；D為輸送管道內(nèi)徑，m；v為輸送管道中膏體充填料的平均流速，m/s；τ0為初始切應(yīng)力，Pa；η為塑性黏度系數(shù)，Pa·s。

經(jīng)過理論推導(dǎo)得出的式(9)為膏體充填料漿管道輸送沿程阻力的理論計(jì)算數(shù)學(xué)模型。

4 流變?cè)囼?yàn)

采用RST-SST型軟固體流變儀測(cè)試了不同濃度、灰砂比條件下的粗骨料膏體料漿剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化關(guān)系，并擬合流變曲線，最終根據(jù)流變曲線判定其流態(tài)，并進(jìn)行流變參數(shù)計(jì)算[9]。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)充填料漿質(zhì)量濃度為78%、80%、82%，灰砂比為1∶4、1∶6、1∶8、1∶10。圖3和圖4為試驗(yàn)擬合的流變曲線，根據(jù)流變曲線計(jì)算的流變參數(shù)見表5。

圖3 質(zhì)量濃度80%、灰砂比1∶4料漿流變曲線

圖4 質(zhì)量濃度80%、灰砂比1∶6料漿流變曲線

試驗(yàn)結(jié)果表明：①相同的灰砂比條件下，隨著料漿濃度增大，屈服應(yīng)力τ0增大，濃度從78%升至82%時(shí)，屈服應(yīng)力成倍增長。屈服應(yīng)力τ0是由漿體內(nèi)各顆粒之間的附著力和摩擦力產(chǎn)生，是阻止?jié){體塑性變形的最大應(yīng)力。由此說明，料漿濃度越大，流動(dòng)性越差，輸送阻力越大。②相同濃度條件下，不同灰砂比的料漿屈服應(yīng)力變化不大，說明濃度是影響料漿流動(dòng)性及輸送阻力的主要因素。③料漿濃度低于78%時(shí)，容易出現(xiàn)分層離析現(xiàn)象，料漿濃度為82%時(shí)，屈服應(yīng)力成倍增加，綜合考慮料漿流動(dòng)性及輸送阻力，建議輸送濃度為80%。

5 管道輸送阻力計(jì)算

礦山充填能力為100 m3/h，按照推導(dǎo)的管道輸送阻力計(jì)算數(shù)學(xué)模型，結(jié)合流變?cè)囼?yàn)測(cè)試的流變參數(shù)，計(jì)算不同管徑、不同流速下的管輸沿程阻力損失。計(jì)算結(jié)果見表6。

表5 不同濃度、不同灰砂比充填料漿流變參數(shù)

表6 不同條件下膏體料漿管道輸送阻力計(jì)算

當(dāng)膏體充填料漿流速過高時(shí)，其輸送阻力及管道磨損較為嚴(yán)重，當(dāng)流速過低時(shí)，易出現(xiàn)堵管事故。根據(jù)輸送阻力計(jì)算結(jié)果及礦山充填能力，結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)推薦輸送管道內(nèi)徑為0.14～0.15 m，輸送流速1.6～1.8 m/s。

6 結(jié) 論

1) 本文建立了基于流變參數(shù)計(jì)算粗骨料膏體料漿管道輸送阻力的數(shù)學(xué)模型，并針對(duì)尾礦漿體開展流變特性試驗(yàn)，測(cè)試了粗骨料膏體充填料漿流變參數(shù)，計(jì)算了膏體充填料漿管道輸送阻力。

2) 根據(jù)粗骨料膏體充填料漿流動(dòng)性及泌水率試驗(yàn)結(jié)果，綜合分析推薦充填參數(shù)為：充填質(zhì)量濃度80%、灰砂比1∶4～1∶10、充填流量100 m3/h。

3) 通過流變?cè)囼?yàn)及膏體充填料漿管道輸送阻力計(jì)算，結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)推薦輸送管道內(nèi)徑為0.14～0.15 m、輸送流速1.6～1.8 m/s，對(duì)應(yīng)管道輸送最大輸送阻力為3.06 kPa/m。