煤矸石高濃度充填料漿流變參數(shù)測試方法研究與應用

黃玉誠，林天埜，盧少奇，陳廣甫，張　震

(中國礦業(yè)大學(北京)，北京 100083)

煤矸石高濃度充填料漿流變參數(shù)測試方法研究與應用

黃玉誠，林天埜，盧少奇，陳廣甫，張震

(中國礦業(yè)大學(北京)，北京 100083)

摘要：近年來，采用煤矸石為骨料的似膏體或膏體充填采煤技術開采“三下”壓煤已成為煤礦綠色開采的一個重要方向。分析充填料漿流變參數(shù)是充填管輸系統(tǒng)設計的基礎工作。針對常規(guī)流變儀無法測試煤矸石高濃度充填料漿流變參數(shù)的實際問題，根據(jù)充填料漿粗骨料、粘度高的物料特征和流變參數(shù)測試原理，研制了煤矸石高濃度充填料漿流變參數(shù)測試儀和相應的測試方法。采用自制流變儀對公格營子礦似膏體充填料漿的流變參數(shù)進行了測試分析，確定了充填料漿管道輸送的摩阻系數(shù)，為該礦充填管道系統(tǒng)優(yōu)化設計提供了科學依據(jù)。

關鍵詞：煤矸石；高濃度充填料漿；流變參數(shù)；充填開采

以煤矸石為骨料的高濃度(似膏體或膏體)充填技術具有充填強度高、控制地表下沉效果好、成本適中等優(yōu)點，成為開采“三下”壓煤的有效方法[1-3]。實踐中，基于充填管路設計的需要，對煤矸石高濃度充填料漿流變參數(shù)的研究亟待推進。煤矸石高濃度充填料漿(如似膏體或膏體)的料漿濃度達到70%～80%，其中煤矸石在固料中的比例達40%～ 60%，最大粒徑可達到20mm[4-5]。目前，平行板式、同軸圓筒式和毛細管式等幾種粘度計都只適用于懸浮漿液或細粒級料漿(如水泥漿等)流變參數(shù)的測量，對于這樣的粗骨料漿體流變參數(shù)的測定尚無專門的測試儀器，而管道實驗測試方法工作量大、費用高，一般很少采用[6-7]，這給煤矸石高濃度充填料漿流變參數(shù)的測試帶來不便。為此，本文探索研制了煤矸石高濃度充填料漿流變儀及相應的流變參數(shù)測試方法。

1自制流變儀的結(jié)構組成

傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)粘度計攪拌能力低、容量小，如NXS-11A型旋轉(zhuǎn)粘度計，其最大攪拌功率20W，料漿測試體積60ml，只適用于細顆粒漿體的粘性參數(shù)測試。針對煤矸石高濃度充填料漿粗骨料、粘性高的物料特征而研制的流變儀，從工作原理和結(jié)構特征考慮要實現(xiàn)對固料最大粒徑達20mm的高濃度充填料漿流變參數(shù)的測試，采用高功率動力系統(tǒng)和大容量攪拌系統(tǒng)，其基本結(jié)構示意見圖1，其主要包括以下六個子系統(tǒng)。

1)動力系統(tǒng)：直流調(diào)速電機，額定功率185W，額定轉(zhuǎn)速1000r/min。

2)傳感系統(tǒng)：扭矩傳感器，可同時測量攪拌軸扭矩和轉(zhuǎn)速，扭矩量程0.2N·m，轉(zhuǎn)速量程2000r/min。

4)控制系統(tǒng)：無極調(diào)速器。

5)數(shù)字顯示單元：數(shù)顯儀表一臺，具有扭矩、轉(zhuǎn)速實時顯示功能。在需要的情況下，可將數(shù)顯儀表連接到電腦，實現(xiàn)測試數(shù)據(jù)的自動采集和分析。

6)輔助單元：彈性聯(lián)軸器、底座、支架和光電信號隔離器。

圖1　自制流變儀結(jié)構組成

2自制流變儀的工作原理

大量的試驗研究表明高濃度充填料漿的流變特性可用賓漢體模型來描述，其流變特性可用屈服應力τ0和塑性粘度η兩個參數(shù)來表述，其流變方程表達式為式(1)[7-8]。

(1)

自制流變儀分析測試流變參數(shù)的基本原理：測試時，將高濃度料漿裝入盛料筒中，攪拌轉(zhuǎn)子在筒中攪動，物料與圓筒壁作相對運動，測定不同攪拌轉(zhuǎn)速時的攪拌扭矩，進而分析得到料漿的流變參數(shù)τ0、η，見圖2。

葡萄糖被己糖激酶催化生成葡萄糖-6-磷酸，然后在轉(zhuǎn)酮酶的催化下轉(zhuǎn)化為4-磷酸赤蘚糖，進一步在4-磷酸赤蘚糖激酶的去磷酸化作用下生成赤蘚糖醇，最后在赤蘚糖還原酶催化加氫作用下生成赤蘚糖醇[25]。

圖2　流變參數(shù)測試原理

對于賓漢體塑性流體，攪拌轉(zhuǎn)子角速度Ω、攪拌扭矩M和流變參數(shù)τ0、η之間存在如式(2)所示關系式[9]。

(2)

式中：R1為攪拌轉(zhuǎn)子半徑，m；R2為盛料筒半徑，m；Ω為攪拌轉(zhuǎn)子角速度，rad/s；h為攪拌轉(zhuǎn)子高度，m；M為攪拌扭矩，N·m。

對固定的儀器來說，攪拌轉(zhuǎn)子半徑R1、盛料筒半徑R2、攪拌轉(zhuǎn)子高度h為已知，則有式(3)。

(3)

由式(3)可知，k1、k2是與儀器系統(tǒng)相關的常量參數(shù)。因此，式(2)可簡化為式(4)。

(4)

對于待測定的料漿，其流變參數(shù)η、τ0是確定量，因此，測試料漿過程中的攪拌轉(zhuǎn)子角速度和攪拌扭矩的相互關系可表達為式(5)。

(5)

由式(4)和式(5)，則有式(6)。

(6)

根據(jù)以上分析，就可以通過以下的測試流程得到煤矸石高濃度充填料漿的流變參數(shù)。①首先，通過自制流變儀測定充填料漿在不同攪拌轉(zhuǎn)速Ω下的攪拌扭矩M，得到料漿的M—Ω曲線；②由M—Ω曲線得到a、b值；③由式(6)計算得到料漿的η、τ0。

3似膏體充填料漿流變參數(shù)測試

為了安全開采水體壓煤，同時又提高資源回收率，公格營子煤礦采用似膏體充填技術對水體下壓煤進行開采。該礦似膏體充填材料采用普通水泥為膠凝材料，以破碎煤矸石(粒度≤20mm)和電廠粉煤灰為骨料。從充填強度和泌水率的指標要求，充填料漿濃度初選為78%和79%，其中水泥、煤矸石和粉煤灰的含量分別為4%、52%、22%～23%。

充填料漿的流變參數(shù)是充填管道輸送參數(shù)選擇和管路設計的基本依據(jù)。為了進行充填管輸參數(shù)的分析和管路設計，采用自制流變儀對濃度78%和79%的充填料漿流變參數(shù)進行了測試分析，得到的扭矩與轉(zhuǎn)速關系曲線如圖3所示。

由圖2中的扭矩與角速度關系M-Ω曲線擬合得到：①濃度78%，M=4.84×10-4Ω+1.32×10-2，其中a=4.84×10-4，b=1.32×10-2；②濃度79%，M=6.22×10-4Ω+1.76×10-2，其中a=6.22×10-4，b=1.76×10-2。

由自制流變形儀結(jié)構可知，R1=0.02m，R2=0.05m，h=0.03m。因此通過式(6)和式(3)計算得到濃度78%和79%的似膏體料漿的流變參數(shù)，見表1。

圖3　測試料漿的M-Ω曲線

表1　似膏體料漿的流變參數(shù)值

4充填管輸參數(shù)的分析

4.1料漿濃度和管道內(nèi)徑的確定

充填管路管徑的大小，除了影響充填能力，還關系到充填系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和安全性。管徑太小，不僅管輸阻力大，管路磨損嚴重，而且充填能力受限，不能滿足礦山生產(chǎn)的實際要求；管徑太大，不僅浪費管道資源，而且料漿流速太小容易出現(xiàn)固料沉降而堵管，也會導致不滿管流現(xiàn)象，使管路中產(chǎn)生射流沖擊、汽蝕等破壞作用，減少管道的使用壽命。似膏體的流型接近于賓漢塑性體，在管內(nèi)的合理流速為1.0～2.0 m/s。在管道輸送中，賓漢流體的摩擦阻力系數(shù)可由式(7)計算[7]。

(7)

式中：f為摩擦阻力系數(shù)，Pa/m；D為管道內(nèi)徑，m；u為漿體在管道內(nèi)平均流速，m/s。

公格營子礦設計充填能力為Q=90 m3/h。根據(jù)前文測試分析得到的充填料漿流變參數(shù)τ0、η值及充填能力，由式(7)計算得到不同管徑條件下的摩擦阻力系數(shù)如表2所示。

表2　不同管徑條件下的摩擦阻力系數(shù)

從表2可以看出，濃度79%的摩擦阻力系數(shù)是濃度78%的1.3～1.4倍，阻力系數(shù)增加顯著。綜合考慮管道流速和阻力，確定采用濃度為78%充填料漿，管道內(nèi)徑D=0.15m，其管輸阻力系數(shù)f=8.29×103Pa/m。

4.2充填泵最大工作壓力

公格營子礦充填管路總長度1069m，垂直高度118m。考慮Q=90m3/h運行條件下，充填泵最大工作壓力見式(7)。

=1.1×1069×8.29×103-118×1950×9.8

(7)

式中：L為管路總長，L= 1069m；f為管道的摩阻系數(shù)，f= 8.29kPa/m；k為局部阻力系數(shù)，取10%；ΔH為管路的垂直高度，ΔH= 118m；為料漿密度，ρ= 1950kg/m3。

因此，在充填流量Q=90m3/h條件下，充填泵的最大工作壓力為7.49MPa。根據(jù)以上分析，結(jié)合充填泵的標準配置，實際選擇了流量Q=90m3/h、額定泵壓P=10MPa的充填泵。

5結(jié)論

1)根據(jù)煤矸石高濃度充填料漿粗骨料、粘性高的物料特征以及流變參數(shù)測試原理，研制了煤矸石高濃度充填料漿流變儀及相應的流變參數(shù)測試方法。

2)將新研制的流變儀應用于實踐，測試分析了公格營子礦的似膏體充填料漿濃度78%和79%的流變參數(shù)。

3)結(jié)合實際工作條件進行了充填管路阻力系數(shù)計算和合理管徑的分析，選定濃度為78%充填料漿，管道內(nèi)徑D=0.15m，為充填泵的選型提供了科學依據(jù)。

參考文獻

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[9]費祥俊．漿體與粒狀物料輸送水力學[M]．北京：清華大學出版社，1994.

Research and application of the test method on high density gangue backfill slurry’s rheological parameters

HUANG Yu-cheng，LIN Tian-ye，LU Shao-qi，CHEN Guang-fu，ZHANG Zhen

(China University of Mining and Technology(Beijing)，Beijing 100083，China)

Abstract:In recent years，it has been an important direction on green mining that gangue based paste-like or paste backfill technology is used for mining coal under village，railway line and under water.The analysis of slurry’s rheological parameters is a basic work for the design of backfill pipeline system.For the practical problem that the general rheometer couldn’t test the rheological characteristic of high density gangue based backfill slurry，the rheometer on high density gangue backfill slurry’s rheological parameters and the corresponding test method are developed，according to the coarse aggregate，high viscosity material characteristics of the backfill slurry and the test theory of rheological parameters.By the test and analysis of the paste-like fill slurry’s rheological parameters of Gonggeyingzi mine with the new rheometer，the friction coefficient of the backfill pipeline transportation is determined.The research provides a scientific basis for the optimization design of the mine backfill pipeline system.

Key words：gangue；high density backfill slurry；rheological parameter；backfill mining

收稿日期：2015-07-20

作者簡介：黃玉誠(1966-)，男，博士，教授、博士生導師。從事充填采礦和充填防滅火等的教學與科研工作。E-mail：hyc@cumtb.edu.cn。

中圖分類號：

文獻標識碼：A

文章編號：1004-4051(2016)02-0102-03