基于傾斜管道實驗的礦山充填膏體流變特性研究

張 兵 劉曉輝 王貽明

(1.北京科技大學土木與環境工程學院，北京 100083；2.中色非洲礦業有限公司，贊比亞 基特韋)

基于傾斜管道實驗的礦山充填膏體流變特性研究

張 兵1,2劉曉輝1王貽明1

(1.北京科技大學土木與環境工程學院，北京 100083；2.中色非洲礦業有限公司，贊比亞 基特韋)

膏體充填技術越來越多地被用于地下礦山開采中，膏體的流變特性是保證膏體順利輸送及充填的基本特征參數。傳統膏體的流變特性分析主要以室內流變儀測試為主，測試結果與現場實際存在較大誤差。因此為了獲得膏體充填料漿輸送過程中真實的流變特性，本研究基于流體力學理論對膏體管道流動過程中的受力狀態進行了分析，設計了傾斜管道實驗裝置。借助均勻設計實驗方法，研究了膏體質量分數、灰砂比、細粒尾礦添加量、粗顆粒添加量4種因素對某礦膏體流變特性的影響，得到了各因素關于漿體屈服應力及塑性黏度的函數關系。結果表明：對于層流狀態下的賓漢流體，利用傾斜管道裝置，能夠簡單、快捷地測定其相關的流變參數；漿體質量分數對流變參數起決定性作用，而灰砂比的影響可忽略，當細粒尾砂摻量12%，碎石摻量4%時，膏體具有較低的屈服應力及塑性黏度，其流動性較好。

膏體充填 流變特性 傾斜管道 屈服應力 均勻設計

膏體充填技術由于其尾砂利用率大、充填強度高、接頂效果好等諸多優勢，近年來在國內外礦山得到了廣泛應用[1]。利用絮凝沉降、深錐濃密及活化攪拌等技術將選廠尾砂等廢棄物制備成含水率極低的膏狀物料，通過管道回填至地下采空區，一方面解決了礦山固廢的處置問題，減輕了開采導致的環境負效應；同時有效控制了地壓活動，避免了地表沉降及頂板垮塌等礦山災害[2]。

與傳統的低濃度兩相流充填料漿相比，膏體具有明顯的非牛頓流體特征，其流變性質的研究顯得尤為重要，對漿體制備及管道輸送等工藝具有十分重要的現實意義。膏體流變特性研究的關鍵在于其試驗測試工具及方法，目前主要分為直接法與間接法2種[3]。直接法是采用旋轉黏度計進行測量，如R/S+SST漿式旋轉流變儀、NXS-11A型旋轉黏度計等[4-5]。此方法快速簡單，但旋轉元件與試樣間會產生滑移效應，尤其對于添加粗骨料的漿體，其測量誤差往往較大[6]。間接法是先假定漿體的流變模型，再通過對環管實驗數據進行擬合得到其相應的流變參數。該方法所得結論與實際值較為接近，但存在實驗周期長，勞動強度大、費用高等缺點[7-8]。針對上述問題，研究基于流體力學理論，對膏體在管道流動中的受力狀態進行了分析，設計了傾斜管道實驗裝置，借助均勻設計實驗方法，對某礦山不同物料配比及濃度條件下膏體的流變性質進行了研究，確定了最佳配合比，為工程設計提供了理論依據。

1 試驗原理

研究表明膏體料漿在管道內的運動狀態像塑性體一樣是整體運動，膏體中的固體顆粒一般不發生沉降，膏體的層間也不出現交流，是一種柱塞狀的穩定結構流[9]。因此，可利用賓漢姆(Bingham)模型來描述其流變關系，即認為膏體在一定的外力作用下(克服初始切應力τ0)才開始流動，并且膏體開始流動后管壁切應力隨切變速率的增長而呈直線增長，管內漿體段受力分析如圖1所示。

圖1 管內漿體段受力分析Fig.1 Force analysis of paste slurry in pipe

(1)

式中，τ為剪切應力，Pa；τ0為屈服應力，Pa；μB為塑性黏度，Pa·s；γ為剪切速率，s-1。

根據白金漢(Buckingham)方程[10]，均質漿體在層流(流速v)條件下，其管壁處的切應力τw有：

(2)

當膏體在傾斜管道中流動時，沿橫斷面取一段漿體進行受力分析，如圖1所示，則在管的傾斜方向上有：

(3)

式中,L為料漿微元體長，m；τw為漿體管壁切應力，Pa；D為管道直徑，m；α為管道傾角，(°)；ΔP為漿體微元斷面壓力差，Pa;ρ為料漿密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2。

式(3)化簡后變換為

(4)

同時，根據伯努利方程，取管道內1-1及2-2兩通流斷面進行分析，有：

(5)

式中，h為管道內料漿高度，m，根據圖1中幾何關系，有h=Lsinα；v為料漿流速，m/s；hw為沿程阻力損失，m。

漿體在層流狀態下有：

(6)

式中，λ為沿程阻力系數，料漿處于層流狀態λ=64/Re，λ≈ 0.032。

通過對式(5)進行變換，得：

(7)

將式(2)和式(7)代入式(4)中，得：

(8)

對于確定的測試系統，D、L為固定值，對于某一配合比和一定濃度的料漿，其密度ρ可測定。調整管道傾斜角度α，并通過試驗方法測定其對應的流速v，根據式(6)計算其對應的hw。則在2個不同管道傾角α1，α2條件下，可得到以下方程組：

(9)

式中,ρ，L，D，α1及α2為已知；hw1，hw2可由式(6)求得。則通過試驗測得v1，v2后即可對方程組求解，求得相應的流變參數μB和τ0。

2 試驗裝置及方案

2.1 試驗材料

試驗材料為某鉛鋅礦的全尾膏體，由選廠全粒級尾砂、普通硅酸鹽水泥以及粒徑小于10 mm的碎石混合制備。同時，由于目前井下充填量較大，現選廠日常處理尾砂已不能滿足需求，因此，物料中還添加了一定量的庫存尾砂，為該礦原分級尾砂充填工藝中的細顆粒尾砂。通過各組分的物理性質測試，結果顯示：全尾砂密度為1.88 t/m3，比表面積約16 865 cm2/cm3，平均粒徑為75.59 μm，其中-20 μm的顆粒累計含量占37.20%。-10 mm碎石密度在2.6～2.7 t/m3之間，松散堆積密度為1.524 t/m3、密實堆積密度為1.863 t/m3。上述材料的粒級組成如圖2所示。

圖2 充填物料粒級組成Fig.2 Particle size compositions of backfill material

2.2 試驗裝置及數據處理

傾斜管道試驗裝置由受料漏斗、支架及盛料槽等組成，如圖3所示。采用2寸半膠皮管，管道直徑D為0.063 m，長度L為3 m，根據試驗要求，管道傾斜角度可分別調整至α1=17.5°，α2=26.74°。測試時，將制備好的高濃度料漿倒入受料漏斗，不斷添加使漏斗內的料漿面保持在同一高度。為獲取準確的流量，應將穩定速度狀態保持30 s以上時間。流速v可由以下方法測定：在傾斜角度為α的管道中加入膏體料漿，漿體在重力作用下開始流動。記錄時間t內流出的漿體重量G，計算漿體流速v。

圖3 試驗裝置Fig.3 Test devices

(10)

式中，G為時間t內流出的漿體重量，kg；t為漿體流動的時間，s。

2.3 試驗方案

本試驗目的主要是研究不同配比及濃度條件下膏體的流變特性。根據該膏體物料組成，其流變性質主要受料漿質量分數、灰砂比、細粒尾礦摻比以及碎石摻比4個因素影響。為了提高試驗效率，借助均勻設計試驗方法，進行了4因素6水平試驗，具體試驗方案設計見表1。

表1 試驗方案設計Table 1 Test Scheme

3 試驗結果分析

將配制好的料漿攪拌均勻，然后根據試驗操作要求及規定測得不同濃度、不同配比條件下料漿的性能參數，詳見表2。

表2 試驗結果記錄Table 2 Experimental results

3.1 流變參數回歸分析

根據4因素6水平均勻設計試驗結果，對屈服應力τ0及塑性黏度μB進行回歸分析，結果如下：

39.6x1+0.835x2-42.9e-x3-84.5e-x4,

(11)

0.036cosx2+0.053cosx3-1.67e-0.3x4,

(12)

式中，x1為料漿濃度，%；x2為料漿砂灰比；x3為庫存尾砂摻比，%；x4為廢石摻比，%。

方程回歸的復相關系數R2=0.999 5。同時，根據各方程項的標準回歸系數B(i)和偏回歸平方和P(i)分析了各因素對屈服應力值的重要性，B(i)的絕對值越大表示該方程項的重要性越大，P(i)值越大表示該方程項對回歸的貢獻越大，如表3所示。結果表明：4因素對屈服應力τ0及塑性黏度μB影響程度由大到小順序排列為：濃度>廢石摻比>細粒尾砂摻比>砂灰比。相比之下，濃度對τ0，μB的影響具有關鍵作用，而灰砂比的影響基本可忽略。

表3 標準回歸系數和偏回歸系數Table 3 Standard regression coefficient and partial regression coefficient

3.2 膏體物料配比優選

流變參數為膏體的固有屬性，對于賓漢塑性流體而言，在一定管徑D及流速v條件下，其沿程阻力可由白金漢姆公式計算得出：

(13)

式中，im為料漿沿程阻力，Pa/m。

由式(13)可知，對于某確定的管道輸送系統(即D，v為定值)，漿體沿程阻力im與屈服應力τ0及塑性黏度μB呈正比。因此，為了保證膏體輸送過程中較小的管道阻力，有必要對其物料配比進行優化，盡量降低τ0、μB值。前述研究表明：質量分數對膏體流變特性具有關鍵作用，且隨著質量分數的增加，其τ0及μB值急劇增大。圖4為漿體質量分數CW=78%時，細粒尾礦及碎石的摻量對τ0及μB的影響規律，由圖4可知，當細粒尾礦及碎石摻量均<4%時，τ0處于較低水平；碎石摻量越大，μB值越大，當碎石摻量<4%時，漿體的塑性黏度處于較低水平，而細粒尾礦對漿體μB的影響較輕微。基于上述分析，結合現場情況，設計膏體物料配比如下：灰砂比1∶8，細粒尾砂摻比12%，碎石摻比4%，漿體質量分數在77%～81%范圍內。

4 結 論

(1)對于層流狀態下的賓漢流體，利用傾斜管道裝置，能夠簡單、快捷地測定其相關的流變參數。

圖4 不同配比條件下流變參數的變化規律(CW=78%)Fig.4 The change law of rheological parameter in different proportion(CW=78%)

(2)通過對某鉛鋅尾礦膏體的均勻試驗，得到了4種影響因素關于屈服應力及塑性黏度的數學表達式，同時表明：質量分數對膏體流變特性具有決定性作用，灰砂比的影響可忽略。

(3)在相同濃度條件下，當細粒尾砂摻量12%，碎石摻量4%時，膏體具有較低的屈服應力及塑性黏度，是較為合理的充填配比。

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(責任編輯 石海林)

Study on Rheological Properties of the Paste Filling Slurry based on Inclined Pipeline Experiment

Zhang Bing1,2Liu Xiaohui1Wang Yiming1

(1.SchoolofCivilandEnvironmentalEngineering，UniversityofScienceandTechnologyofBeijing，Beijing100083，China;2.AfricaMiningPLCofChinaNonferrousMetalsCo.，Ltd．，Kitwe，Zambia)

Paste filling techniques are increasingly being used in underground mining，and rheological properties of the paste is the basic characteristic parameters to ensure its smooth delivery and filling.Analysis of the rheological properties of traditional paste mainly relies on indoor rheometer，and there will be sizeable deviations between the test results and the actual site.Therefore，in order to obtain real rheological properties of paste filling slurry in transportation process，this paper analyzed stress state during paste pipeline flow based on hydrodynamic theory，designed incline pipeline experimental device.Studied the paste mass fraction，gray sand ratio，the amount of fine tailings added，the amount of coarse particles added four kinds of factors affect on rheological properties of a mineral paste with the help of uniform design experimental methods.A function of various factors on the slurry yield stress and plastic viscosity was obtained.The results showed that:for Bingham fluid under laminar flow conditions，use incline plumbing device can be easily and quickly measure the relevant rheological parameters；slurry mass fraction play a decisive role on rheological parameters，and the impact of gray sand ratio can be ignored，when the fine tailings content 12%，gravel content 4%，the paste has a low yield stress and plastic viscosity，good fluidity.

Paste backfill，Rheological properties，Inclined pipeline，Yield stress，Uniform Design

2014-06-04

“十二五”國家科技支撐計劃項目(編號：2012BAB08B02)，國家自然科學基金重點項目(編號：50934002，51104011)。

張 兵 (1968—)，男，高級工程師。

TD 853.34

A

1001-1250(2014)-10-022-05