含粗骨料尾砂膏體長(zhǎng)距離管輸流變特性及阻力預(yù)測(cè)

王小林, 嚴(yán)慶文, 王洪江, 尹升華, 茶強(qiáng)華, 熊有為

(1.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院, 北京 100083; 2.西安建筑科技大學(xué) 資源工程學(xué)院, 陜西 西安 710055; 3.云南馳宏鋅鍺股份有限公司會(huì)澤礦業(yè)分公司, 云南 曲靖 655000; 4.長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司, 湖南 長(zhǎng)沙 410000)

用全尾砂這種大宗固體廢棄物制成的膏體不分層、不離析、不泌水[1],具有優(yōu)異的力學(xué)性能,用于礦山充填不但能有效消除采空區(qū)災(zāi)害,還能減少尾礦庫(kù)災(zāi)害,起到“一廢治兩害”的效果[2]。為了提高充填體強(qiáng)度、提高膏體流動(dòng)性或彌補(bǔ)尾砂產(chǎn)率的不足,一些礦山還在全尾砂膏體中添加粗骨料。針對(duì)含粗骨料的尾砂膏體,眾多學(xué)者在抗離析能力[3-4]、級(jí)配優(yōu)化[5]、凝結(jié)性能[6]和充填體強(qiáng)度[7]等方面做了大量研究,一些學(xué)者還研究了粗骨料在尾砂膏體管道輸送過程中的運(yùn)移規(guī)律[8-9]。

膏體料漿主要通過管道輸送到井下采空區(qū),膏體的流變參數(shù)是管道阻力計(jì)算、管網(wǎng)布置和設(shè)備選型的根本依據(jù)[10]。目前針對(duì)全尾砂膏體的流變特性已做了大量研究[11-17],但對(duì)含粗骨料尾砂膏體的流變特性[18-19]研究相對(duì)較少。鄧代強(qiáng)[20]研究了廢石摻量對(duì)尾砂充填料漿流動(dòng)性、和易性和保水性的影響,陳寅[19]和張修香[21]研究了固定粗骨料摻量條件下尾砂充填料漿的流變參數(shù)與濃度和灰砂比的關(guān)系。隨著千米深井開采礦山的不斷增多[22],膏體輸送距離和輸送時(shí)間將不斷加長(zhǎng),但時(shí)間因素對(duì)膏體流變參數(shù)的影響還沒有得到足夠重視。實(shí)踐發(fā)現(xiàn),全尾砂膠結(jié)膏體的流變參數(shù)隨著輸送時(shí)間的增大而增大[23-24]。Jiang等[17,25-26]研究了水化時(shí)間對(duì)全尾砂膏體的流變參數(shù)的影響,含粗骨料尾砂膏體方面僅看到尹升華[18]研究了溫度、粗骨料含量和水化時(shí)間對(duì)固定濃度和灰砂比尾砂膏體流變特性的影響。因此,膏體濃度、灰砂比、粗骨料含量和水化時(shí)間耦合作用下膏體流變參數(shù)的演化規(guī)律還需要進(jìn)一步研究。

某鉛鋅礦采用含粗骨料的全尾砂膏體進(jìn)行進(jìn)路采空區(qū)充填,充填管道最長(zhǎng)超過10 km,膏體管道輸送時(shí)間超過2 h。本文以此為工程背景,開展流變測(cè)試,研究膏體質(zhì)量濃度、粗骨料含量、灰砂質(zhì)量比和水化時(shí)間等因素對(duì)膏體流變特性的影響,在此基礎(chǔ)上建立流變參數(shù)和管道輸送阻力預(yù)測(cè)模型,通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的管道阻力數(shù)據(jù)驗(yàn)證阻力預(yù)測(cè)模型的可靠性。

1 流變實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

制備流變實(shí)驗(yàn)所需膏體的材料為某鉛鋅礦充填所用的全尾砂、水淬渣(粗骨料)和PC32.5R水泥。由于礦山充填骨料不像混凝土行業(yè)中那樣標(biāo)準(zhǔn),論文將粒徑大于全尾砂的骨料定義為粗骨料。

全尾砂粒徑分布采用激光粒度儀進(jìn)行測(cè)定,水淬渣粒徑分布采用篩分法進(jìn)行測(cè)定,結(jié)果如圖1所示。全尾砂平均粒徑78.3 μm,-20 μm占37.4%。水淬渣中粒徑-5 mm占99.4%,-2.5 mm占95.7%,-1.25 mm占45%。全尾砂密度為2 780 kg/m3,水淬渣密度為3 050 kg/m3,水泥密度為3 080 kg/m3。

圖1 實(shí)驗(yàn)材料粒徑分布Fig.1 Particle size distribution of experimental materials

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及方法

流變實(shí)驗(yàn)考慮膏體質(zhì)量濃度、粗骨料含量(粗骨料占粗骨料、尾砂總質(zhì)量的比例)、灰砂比(水泥質(zhì)量與尾砂、粗骨料總質(zhì)量的比值)和水化時(shí)間4個(gè)因素,每個(gè)因素設(shè)置4個(gè)水平,如表1所示。為表述和計(jì)算方便,將灰砂比取倒數(shù)轉(zhuǎn)換為砂灰比。采用5因素4水平正交表,留一空列方便方差分析。

表1 正交實(shí)驗(yàn)因素及水平Table 1 Factors and levels of orthogonal experiment

為盡可能使膏體料漿在制備過程中所受剪切強(qiáng)度相同,使用同一攪拌機(jī)以相同的轉(zhuǎn)速攪拌3 min,然后蓋上保鮮膜放置相應(yīng)時(shí)間,流變實(shí)驗(yàn)前再用同一攪拌機(jī)以相同的轉(zhuǎn)速攪拌1 min。實(shí)驗(yàn)儀器及消除邊界效應(yīng)的方法見文獻(xiàn)[13]。為盡可能地模擬管道的恒定剪切作用,先采用流變儀轉(zhuǎn)子以恒定的剪切速率60 s-1(根據(jù)管徑0.15 m和膏體平均流速1.12 m/s進(jìn)行換算[27])對(duì)膏體料漿預(yù)剪切300 s,然后停止剪切10 s,最后將剪切速率在120 s內(nèi)由0 s-1上升至120 s-1。完成測(cè)試后以0～120 s-1的剪切應(yīng)力和剪切速率數(shù)據(jù)擬合得到膏體的流變參數(shù)。流變測(cè)試結(jié)束后,通過燒杯底部粗顆粒的堆積情況判斷膏體料漿的均質(zhì)性。

2 流變實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

所有配比的含粗骨料尾砂膏體在流變實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,燒杯底部沒有粗顆粒堆積,據(jù)此判斷膏體料漿沒有出現(xiàn)離析,可視為均質(zhì)流。含粗骨料尾砂膏體典型的剪切應(yīng)力與剪切速率關(guān)系曲線如圖2所示,實(shí)驗(yàn)編號(hào)對(duì)應(yīng)的膏體配比見表2。

表2 流變測(cè)試結(jié)果Table 2 Test results of rheological tests

圖2 含粗骨料尾砂膏體的典型流變曲線Fig.2 Typical rheological curves of tailings paste containing coarse aggregate

由圖2可見,剪切應(yīng)力和剪切速率符合線性關(guān)系,可采用賓漢流變模型進(jìn)行擬合:

(1)

將所有流變曲線進(jìn)行線性擬合,截距和斜率分別為膏體的屈服應(yīng)力和塑性粘度,如表2所示。

2.2 極差分析

質(zhì)量濃度、砂灰質(zhì)量比、粗骨料含量和水化時(shí)間對(duì)屈服應(yīng)力的極差分別為94.31、3.46、28.74和8.49,因此各因素對(duì)膏體屈服應(yīng)力的主次排序?yàn)?質(zhì)量濃度>粗骨料含量>水化時(shí)間>砂灰質(zhì)量比。質(zhì)量濃度、砂灰質(zhì)量比、粗骨料含量和水化時(shí)間對(duì)塑性粘度的極差分別為0.407 5、0.029 3、0.059 5和0.028 8,因此各因素對(duì)膏體塑性粘度的主次排序?yàn)?質(zhì)量濃度>粗骨料含量>砂灰質(zhì)量比>水化時(shí)間。

2.3 方差分析

極差分析只能判斷各因素對(duì)指標(biāo)影響的主次順序,不能判斷各因素對(duì)指標(biāo)的影響程度,方差分析可以有效克服上述缺點(diǎn)。

屈服應(yīng)力的方差分析結(jié)果如表3所示,其中F是組間均方和組內(nèi)均的比值,P為在相應(yīng)F值下的概率值。P<0.01時(shí)因素的影響高度顯著,0.01≤P<0.05時(shí)顯著,0.05≤P<0.1時(shí)有一定影響,P≥0.1時(shí)影響不顯著?？梢?質(zhì)量濃度對(duì)膏體屈服應(yīng)力的影響高度顯著,粗骨料含量的影響顯著,水化時(shí)間和砂灰質(zhì)量比的影響不顯著,排序結(jié)果與極差分析一致。文獻(xiàn)[21]中含粗骨料尾砂膏體的水泥添加量對(duì)屈服應(yīng)力的影響比濃度更顯著,與本文研究結(jié)果不一致,說明每個(gè)礦山的充填材料有其特異性,所得研究結(jié)果并不具有普適性。

表3 屈服應(yīng)力方差分析結(jié)果Table 3 Variance analysis results of yield stress

塑性粘度的方差分析結(jié)果如表4所示。

表4 塑性粘度方差分析結(jié)果Table 4 Variance analysis results of plastic viscosity

由表4可知,質(zhì)量濃度對(duì)膏體塑性粘度的影響高度顯著,粗骨料含量有一定影響,砂灰質(zhì)量比和水化時(shí)間的影響不顯著,排序結(jié)果與極差分析一致。

2.4 流變參數(shù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ图把莼?guī)律

采用二次多項(xiàng)式分別對(duì)粗骨料尾砂膏體的屈服應(yīng)力、塑性粘度與各影響因素的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行擬合,擬合優(yōu)度R2均為0.99:

(2)

0.000 51X2X3+0.000 027X2X4

(3)

式中:X1為膏體質(zhì)量濃度,%;X2為砂灰質(zhì)量比;X3為粗骨料含量,%;X4為水化時(shí)間,min。

采用式(2)和式(3)分別對(duì)膏體的屈服應(yīng)力、塑性粘度進(jìn)行預(yù)測(cè),預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果如圖3。

圖3 含粗骨料尾砂膏體流變參數(shù)預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)值對(duì)比Fig.3 Comparison of predicted and measured rheological parameters of tailings paste containing coarse aggregate

使用式(2)對(duì)膏體的屈服應(yīng)力進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí),樣本總數(shù)的68.8%預(yù)測(cè)誤差在10%以下,最大誤差為13.3%,平均誤差為6.5%。使用式(3)對(duì)膏體的塑性粘度進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí),樣本總數(shù)的87.5%預(yù)測(cè)誤差在5%以下,最大誤差為6.7%,平均誤差為2.1%?？梢?建立的含粗骨料尾砂膏體的流變參數(shù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ途哂休^高的可靠度。

因此,可利用式(2)和式(3)對(duì)含粗骨料尾砂膏體的流變參數(shù)的演化規(guī)律進(jìn)行分析,如圖4、5所示。

圖4 含粗骨料尾砂膏體屈服應(yīng)力的演化規(guī)律Fig.4 Evolution of yield stress of tailings paste containing coarse aggregate

由圖4可知,含粗骨料尾砂膏體的屈服應(yīng)力隨質(zhì)量濃度的增大呈指數(shù)增長(zhǎng),這與全尾砂膏體的相關(guān)研究結(jié)果一致[28]。膏體屈服應(yīng)力隨粗骨料含量的增加呈指數(shù)減小,與工程實(shí)踐相符,主要原因是粗骨料的比表面積和保水性都遠(yuǎn)小于尾砂,粗骨料含量增加后膏體自由水增多、流動(dòng)性顯著增加。粗骨料尾砂膏體的屈服應(yīng)力隨水化時(shí)間的增加呈線性增長(zhǎng),這與粗骨料尾砂膏體的相關(guān)研究結(jié)果一致[18],也與全尾砂膏體的相關(guān)研究結(jié)果一致[17,25],主要原因是隨水化時(shí)間的增加膏體中水化產(chǎn)物增多、自由水減少,導(dǎo)致膏體質(zhì)量濃度和粘性增加。Panchal[23]報(bào)導(dǎo)了含減水劑全尾砂膏體的屈服應(yīng)力隨水化時(shí)間的增加呈對(duì)數(shù)增長(zhǎng),是因?yàn)闇p水劑加快了水化反應(yīng)進(jìn)程。本文中粗骨料尾砂膏體的屈服應(yīng)力與砂灰質(zhì)量比基本無關(guān),但文獻(xiàn)[21]中含粗骨料尾砂膏體的水泥添加量對(duì)屈服應(yīng)力的影響顯著,這種差異可能與膠凝材料的礦物組成、級(jí)配和水化速度等有關(guān)。

由圖5可知,粗骨料尾砂膏體的塑性粘度隨質(zhì)量濃度的增大呈指數(shù)增長(zhǎng),隨粗骨料含量的增加呈線性減小,隨灰砂質(zhì)量比的增加呈線性增長(zhǎng)。粗骨料尾砂膏體的塑性粘度隨水化時(shí)間的增加呈線性增長(zhǎng),這與粗骨料尾砂膏體的相關(guān)研究結(jié)果一致[18],也與全尾砂膏體的相關(guān)研究結(jié)果一致[17,23]。可見,由于充填材料的差異,相關(guān)研究結(jié)果可能相同也可能完全相反。

圖5 含粗骨料尾砂膏體塑性粘度的演化規(guī)律Fig.5 Evolution of plastic viscosity of tailings paste containing coarse aggregate

3 管道阻力經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

3.1 模型建立

本文研究的含粗骨料尾砂膏體料漿屬于賓漢流體,在管道中穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)管壁剪切應(yīng)力和剪切速率關(guān)系可描述[29]為:

(4)

式中:τw為膏體料漿在管壁處所受的剪切應(yīng)力,Pa;D為管道內(nèi)徑,m;v為料漿平均流速,m/s;8v/D為料漿在管壁處所受的剪切速率,s-1。

在水平直管道中取一段勻速流動(dòng)的膏體料漿柱進(jìn)行受力分析,料漿流過單位長(zhǎng)度管道所受阻力等于料漿與單位面積管壁的摩擦力,因此管壁剪切應(yīng)力可表示為[30]:

(5)

式中:im為管道單位長(zhǎng)度的摩擦阻力,Pa/m。聯(lián)合式(4)、(5)可得膏體料漿在圓管中流動(dòng)時(shí)的阻力計(jì)算公式為:

(6)

將粗骨料膏體流變參數(shù)預(yù)測(cè)模型式(2)、(3)代入式(6),建立管道阻力經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑?

0.000 51X2X3+0.000 027X2X4)

(7)

3.2 模型可靠性驗(yàn)證

選擇井下平直充填管道進(jìn)行壓力監(jiān)測(cè),約定壓力表1(P1)、壓力表2(P2)分別位于膏體流動(dòng)方向的上游和下游。壓力表1與鉆孔頂部之間的管道長(zhǎng)度為8 759 m,壓力表1和壓力表2之間的管道長(zhǎng)度為438 m,壓力表2之后管道長(zhǎng)度1 500 m。采集到的管道壓力數(shù)據(jù)如圖6所示,采樣頻率為1 min。對(duì)應(yīng)的充填流量為80 m3/h,膏體質(zhì)量濃度為76.51%,砂灰質(zhì)量比為4.25,粗骨料含量為23.5%。管道內(nèi)徑為150 mm,膏體料漿從地表通過2塊壓力表位置的理論時(shí)間為121 min。根據(jù)本文建立的管道阻力經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪?7),理論計(jì)算的管道阻力為1 526 Pa/m。

圖6 管道壓力隨時(shí)間的變化Fig.6 Variation of pipeline pressure with time

由圖6可知,宏觀上管道壓力數(shù)據(jù)波動(dòng)劇烈,很難直接提取到有效數(shù)據(jù)。這主要是因?yàn)榈V山充填管道長(zhǎng),進(jìn)路空區(qū)體積和一次充填方量小,充填作業(yè)過程中大部分時(shí)間處于“膏體料漿推動(dòng)潤(rùn)管水”和“洗管水推動(dòng)膏體料漿”的不穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)。

因此,本文提出一種篩選有效管道壓力數(shù)據(jù)的方法:根據(jù)生產(chǎn)報(bào)表,潤(rùn)管結(jié)束于當(dāng)日23∶01,洗管開始于次日凌晨2∶53,有效壓力數(shù)據(jù)應(yīng)在此時(shí)間段內(nèi)。膏體料漿從地表到通過2塊壓力表所需時(shí)間為121 min,即次日凌晨1∶00,因此選擇此后24 min內(nèi)較為平穩(wěn)的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,如表5所示。

表5 膏體充填有效管道壓力數(shù)據(jù)Table 5 Effective pipe pressure data of paste filling MPa

由表5可知,該時(shí)間段內(nèi)的管道壓力數(shù)據(jù)波動(dòng)較小,壓力表1的平均讀數(shù)為1.037 MPa,壓力表2的平均讀數(shù)為0.443 MPa,因此實(shí)測(cè)的管道阻力為1 356 Pa/m。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算的管道阻力為1 526 Pa/m,比實(shí)測(cè)阻力偏大12.5%,表明建立的管道阻力經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ途哂休^高的可靠度,滿足工程應(yīng)用的精度要求。管壁實(shí)際剪切速率為67 s-1,比流變實(shí)驗(yàn)的平均剪切速率60 s-1大11.7%,料漿所受剪切作用更強(qiáng),這很可能是預(yù)測(cè)阻力比實(shí)測(cè)阻力偏大的原因。

4 結(jié)論

1)本文通過流變實(shí)驗(yàn)研究了含粗骨料尾砂膏體長(zhǎng)距離管道輸送的流變特性,建立了流變參數(shù)和管道阻力預(yù)測(cè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

2)含粗骨料尾砂膏體屬于賓漢流體。膏體屈服應(yīng)力影響因素主次排序?yàn)?質(zhì)量濃度>粗骨料含量>水化時(shí)間>灰砂比。膏體塑性粘度影響因素主次排序?yàn)?質(zhì)量濃度>粗骨料含量>灰砂比>水化時(shí)間。

3)質(zhì)量濃度對(duì)膏體屈服應(yīng)力和塑性黏度的影響高度顯著,粗骨料含量對(duì)屈服應(yīng)力的影響顯著、對(duì)塑性粘度有一定影響,水化時(shí)間和砂灰質(zhì)量比對(duì)屈服應(yīng)力和塑性粘度的影響不顯著。

4)屈服應(yīng)力隨質(zhì)量濃度的增大呈指數(shù)增長(zhǎng),隨粗骨料含量的增加呈指數(shù)減小,隨水化時(shí)間的增加呈線性增長(zhǎng),與灰砂比的關(guān)系不大。塑性粘度隨質(zhì)量濃度的增大呈指數(shù)增長(zhǎng),隨粗骨料含量的增加呈線性減小,隨灰砂比和水化時(shí)間的增加呈線性增長(zhǎng)。

5)本文建立的粗骨料尾砂膏體流變參數(shù)預(yù)測(cè)模型的誤差小于4.3%,管道阻力預(yù)測(cè)模型的誤差為12.5%,滿足工程應(yīng)用的精度要求。