建筑垃圾再生骨料膏體充填環(huán)管試驗

張保良 劉 音，2 張浩強 張新國，2

(1.山東科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，山東青島，266590; 2.礦山災(zāi)害預(yù)防控制教育部重點實驗室，山東青島，266590)

膏體充填開采技術(shù)是解決“三下一上”壓煤的主要方法之一［1-2］，而高濃度膏體充填料漿管道輸送性能和流變特性對安全高效充填起著關(guān)鍵作用。由于充填系統(tǒng)較為復(fù)雜，僅靠理論計算，無法保證充填料漿輸送參數(shù)的準(zhǔn)確性［3］。因此，通過室內(nèi)環(huán)管試驗?zāi)M系統(tǒng)對建筑垃圾－粉煤灰膏體充填料漿進行試驗，得到管道阻力損失，為現(xiàn)場充填系統(tǒng)設(shè)計提供依據(jù)，對城市建筑垃圾合理利用和礦山充填技術(shù)發(fā)展具有重要意義［4-5］。

1 室內(nèi)膏體充填模擬試驗系統(tǒng)介紹

膏體充填模擬系統(tǒng)主要組成部分包括自動稱重裝置、自動上料機、攪拌機、攪拌桶、空氣壓縮機、混凝土泵、充填管道、管道清洗機、采場模擬裝置和控制系統(tǒng)等，如圖1所示。

2 試驗設(shè)計

試驗以破碎、篩分后的建筑垃圾為骨料，粉煤灰為主要膠凝材料。為獲取不同濃度條件下，該種膏體充填料漿流動參數(shù)，輸送試驗過程采用自質(zhì)量濃度78%到質(zhì)量濃度74%的方案。環(huán)形管路設(shè)計路線如圖2所示，各組分的質(zhì)量如表1所示。

圖1 膏體充填模擬系統(tǒng)組成Fig.1 Constitution of paste filling system

圖2 環(huán)形管路設(shè)計路線Fig.2 Design line of annular pipe

表1 膏體充填料漿組方Table1 Prescription of paste filling slurry

2.1 試驗方法

試驗以1組配方料漿3個試驗單元，進行3次試驗。配料的多少根據(jù)輸送管路容量和試驗要求，設(shè)計每次配料總體積為2.06 m3，充填料漿的總質(zhì)量為3.5 t。

該組配方料漿需要進行3種濃度的測試，設(shè)計充填料漿濃度的變化方法是由濃到稀依次改變，即首先按照設(shè)計用料配合比配制最高濃度的料漿，該濃度條件下工況數(shù)讀取完成后，均勻地按設(shè)計計算用量向回流的料漿中加水，使充填料漿濃度降到下一級濃度，經(jīng)攪拌20 min后重復(fù)上一濃度的工作。

2.2 試驗步驟

2.2.1 試驗準(zhǔn)備

(1)對試驗系統(tǒng)的各個組成部分進行性能穩(wěn)定性測試，保證試驗系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)。檢查和清除攪拌機、管道、充填泵喂料斗等內(nèi)的雜物。具體做法是:打開攪拌機、充填泵等設(shè)備，向攪拌斗加水1.6 m3(保證滿管)，進行輸送管路清洗及設(shè)備檢測。在清洗過程中，特別注意壓差計、電磁流量計的數(shù)據(jù)讀取是否正確。

(2)管道潤滑。用0.5 t左右由骨料、細集料制備成濃度為75.5%的料漿泵入管道，該部分充填料漿不返回充填泵。

(3)人員分配。在進行試驗之前，要安排人員在各測點、拍攝點、控制點做好試驗準(zhǔn)備。

2.2.2 膏體充填材料制備

(1)分別稱取粉煤灰0.702 t、生石灰0.09 t、石膏0.072 t、早強劑0.036 t、建筑垃圾1.8 t，混合后加入料斗中。

(2)混合后的材料經(jīng)自動給料裝置送入攪拌機，攪拌機對干料進行5 min左右的攪拌。

(3)在攪拌機干料入口處，連續(xù)定量(按設(shè)計濃度)加水，與干料混合后，攪拌10 min。

(4)待制備的料漿攪拌均勻后，裝滿充填泵料斗0.8 m3后，即開泵輸送，并通過調(diào)節(jié)泵的流量改變充填料漿的流速。

(5)第一濃度的料漿充滿整個環(huán)管管道后，通過彎道返回到攪拌機料斗，再至充填泵料斗形成循環(huán)。

(6)充填料漿在環(huán)管泵送系統(tǒng)中連續(xù)運轉(zhuǎn)15～20 min，濃度達到穩(wěn)定后，可以開始這一濃度的各種數(shù)據(jù)采集工作。

(7)進行下一濃度梯度的轉(zhuǎn)變，按照表1所示的加水量，經(jīng)攪拌機攪拌均勻，重復(fù)上一濃度下的試驗工作。

(8)對3種濃度的膏體充填材料環(huán)管試驗，總需要時間控制在3～4 h。

(9)在每一次試驗前后，標(biāo)定充填泵活塞沖程周期，人工取樣測定膏體充填材料的塌落度、稠度、分層度、泌水率等，并澆筑試驗試塊，以備測定材料的力學(xué)性能參數(shù)。

(10)試驗結(jié)束后，將充填料漿排至沉淀池，并清洗試驗系統(tǒng)，重點是充填泵的活塞缸、喂料斗及管路彎道處。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 膏體基本性能變化規(guī)律

選取濃度為76%的充填料漿為例，每隔30 min測記膏體的塌落度隨泵送時間的變化規(guī)律如圖3所示，分層度隨泵送時間的變化規(guī)律如圖4所示。

圖3 塌落度隨泵送時間的變化規(guī)律Fig.3 Changing law of slum p w ith pumping time

圖4 分層度隨泵送時間的變化規(guī)律Fig.4 Changing law of layering degree w ith pumping time

由圖3、圖4可以分析出:膏體塌落度隨泵送時間的增長而逐漸降低，膏體的塌落度由最初的21.0 cm經(jīng)4 h管道輸送后變?yōu)?8.5 cm，并且表現(xiàn)出初期變化幅度小，后期變化幅度增大的趨勢。可以看出，雖然膏體的塌落度經(jīng)4 h的管道輸送有所降低，但仍能滿足膏體泵送的需求。膏體的分層度隨泵送時間的增長反而出現(xiàn)降低的趨勢，膏體泵送4 h其分層度值由最初的1.3 cm下降至0.9 cm。

3.2 管道沿程阻力損失分析

國內(nèi)外的學(xué)者普遍認為具有結(jié)構(gòu)流的膏體屬賓漢塑性體［6-9］，其流變方程為

式中，η為膏體材料的塑性黏度，Pa·s;υm為管道料漿平均流速，m/s;D為管道直徑，m。

式(1)表明:由于剪切力τ的作用，膏體克服極限剪切強度后開始流動，流動阻力大小與黏度和流速成正比。事實上，實驗室所能測到的是管流沿程阻力，而管流沿程阻力一般與管壁單位面積上的流體摩擦阻力聯(lián)系，根據(jù)靜力學(xué)平衡理論，水平直管內(nèi)的摩擦阻力(由作用力與反作用力關(guān)系，即可得到料漿的剪切應(yīng)力τ=τw)［10］可以表達為

式中，L為水平管路長度，m;Δρ為管道沿程阻力，Pa。

3.2.1 流速對管道阻力損失的影響

質(zhì)量濃度76%試驗充填膏體在管徑150 mm的試驗結(jié)果如表2所示。

表2 管道阻力損失與流速試驗數(shù)據(jù)Tab le 2 Testing data of pipe friction loss and flow speed

由表2中料漿平均流速和每米阻力損失的2組數(shù)據(jù)可獲得膏體的流變參數(shù)τ0=60.738 Pa，η=5.88 Pa·s，因而可確定該試驗膏體充填材料在管道中的流變方程為

膏體輸送的壓力損失隨著流速增大而呈直線增長，如圖5所示。

圖5 管道阻力損失與料漿流速的關(guān)系曲線Fig.5 Curve of pipe friction lossw ith flow speed

3.2.2 濃度對管道阻力損失的影響

濃度對管道阻力損失的影響十分明顯，在相同流速、管徑(150 mm)下，不同質(zhì)量濃度的試驗膏體每米管道阻力損失如表3所示。

在同一流速條件下，管道壓力損失隨著濃度的增大而增大，曲線呈凹型。當(dāng)膏體質(zhì)量濃度大于76%時，若濃度繼續(xù)增加，管道阻力損失增加速率增大，如圖6所示。

表3 不同流速下管道阻力損失與濃度試驗數(shù)據(jù)Table3 Testing data of pipe friction lossw ith concentration in different flow speed

圖6 管道阻力損失與質(zhì)量濃度的關(guān)系Fig.6 Relationship of pipe friction loss and concentration

3.2.3 管徑對管道阻力損失的影響

在相同流量即相同流速下，管道阻力損失隨著管徑增大而減小，反之亦然。表4表示在流速1.0 m/s條件下，質(zhì)量濃度為78%、76%、74%膏體分別在管徑150、100 mm時的管道阻力損失結(jié)果。

表4 管道阻力損失與管徑試驗數(shù)據(jù)Tab le 4 Testing data of pipe friction loss and pipe diam eter

當(dāng)相同質(zhì)量濃度充填膏體阻力損失相等時，輸送管道內(nèi)徑越小，單位當(dāng)量管長所需要的壓力值越大，而且隨著充填膏體阻力的增大，管徑越小，這種單位管長所需的壓力值急劇增加，如圖7所示。

圖7 不同管徑阻力損失與濃度關(guān)系Fig.7 Relationship of pipe friction loss and concentration in different pipe diameter

通過分析管道阻力損失與流速、充填膏體質(zhì)量濃度及管徑的關(guān)系，表明流速在0.8～1.1 m/s之間較為理想。因膏體質(zhì)量濃度直接聯(lián)系充填體的強度，故環(huán)管模擬試驗只需完成不同質(zhì)量濃度充填膏體的相關(guān)參數(shù)分析，不需要對其進行確定。

4 結(jié)論

(1)利用實驗室膏體充填模擬系統(tǒng)實現(xiàn)膏體充填材料的配比試驗、攪拌試驗和管道輸送試驗。

(2)建筑垃圾再生骨料膏體充填材料的塌落度和分層度隨泵送時間的增長而減小，質(zhì)量濃度則稍有增加。經(jīng)4 h管道輸送后，質(zhì)量濃度為76%的膏體充填材料塌落度達到18.5 cm和分層度達到0.9 cm，兩者均可滿足煤礦膏體泵送的要求。

(3)通過流變試驗，分析了膏體基本性能變化規(guī)律，并分析了管道阻力損失與流速、膏體質(zhì)量濃度、管徑之間的關(guān)系，表明流速在0.8～1.1 m/s之間較為理想。

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