尾砂膠結充填料漿流變參數測試與計算

蘇相立

(廣西工業設計研究院有限公司， 廣西 南寧 530022)

0 引言

隨著礦山企業對環境問題及生產安全問題的日益重視，充填采礦法作為高效安全的采礦方法越來越廣地被礦山采用。充填采礦法中的尾砂膠結充填將尾礦庫中尾砂作為充填材料，可有效地減少地表尾礦庫庫容壓力，延長其服務周期，并能有效控制地壓，保障礦山開采安全。

良好的流變性是保障整個充填系統正常運行的基礎，充填料漿的流變參數相關試驗研究對整個充填系統具有重要意義。為此，本次研究以某礦山尾砂膠結充填料進行流變測試試驗，并計算其流變參數，保障后期礦山充填系統運營正常。

1 原料測試與分析

1.1 基本物理特性

試驗測試材料來源為所選礦山尾礦庫尾砂，對所選材料進行基本的物理試驗測試及其粒度分 析。基本物理參數測定顯示，所選尾砂松散容重為1.161 t/m3，比重為2.981，孔隙率為46.22%。所選尾砂的顆粒組成成分實測分析結果見表1。

從表1可知，尾砂中顆粒小于10 μm的占比為24.5%，小于100 μm的顆粒總體占比達到84.74%，顯示尾砂顆粒整體的粒徑處于較低水平，滿足結構流充填的基本要求。

表1 尾砂顆粒組分測試結果

1.2 主要化學成分

對所選尾砂中的化學組分進行測試分析，根據測試結果顯示，尾砂中的主要構成為SiO2及CaO，二者整體占比約60%，主要成分構成見表2。

表2 尾砂化學成分測試

2 尾砂充填料漿流試驗

2.1 測試方法

試驗測試方法采用經典的L管測試法，即將配置好的濃度均勻的料漿從L型管道上部倒入管道，流體在重力的作用下在管道中運動，并從管道L的水平下口流出。試驗測試分別記錄每次所用料漿的質量、容重、流速及靜止料柱高度等主要基礎參數。

2.2 不同濃度尾砂充填料流變測試

試驗分別對濃度為66%～78%的多組尾砂充填 料進行試驗測試，并記錄其相應的測試結果參數，試驗記錄各濃度條件下的各指標數值（見表3）。

表3 尾砂充填料流動性試驗結果

2.3 測試結果分析

根據表3中試驗結果分別繪制料漿濃度和流速，料漿濃度和靜料柱高的關系曲線，如圖1、圖2所示。從圖1可以看出，該流變試驗中流速隨料漿濃度的整體變化趨勢為：流速隨著濃度的增大而變小，在料漿濃度達到76%之后流速變化趨勢變緩，即料漿濃度達到76%之后，料漿基本呈現難以流動的狀態。

圖1 料漿濃度與流速關系曲線

從圖2可以看出，料漿濃度與靜料高度的變化關系與料漿濃度與流速關系相吻合，料漿濃度越高，靜料高度越高，即濃度越高的條件下充填料漿越難以流動。

圖2 料漿濃度與靜料高度關系曲線

3 流變參數計算

3.1 計算方法

圖3為本次流變試驗測試L管自流輸送試驗裝置結構圖。根據圖3及流變試驗測試中L管的受力狀態繪制L管內流體受力狀態分析示意圖，如圖4所示。

圖3 流變測試自流輸送試驗裝置結構

圖4中，P0為進口壓力，Pg為料漿自重壓力，Pl為沿程阻力損失，P′為出口壓力損失。由能量守恒定律可知：

圖4 試驗流體受力示意圖

式中，γ為料漿比重，N/m3；V為料漿流速，m/s；g為重力加速度，取9.8 m/s2；iξ為局部阻力損失系數；D為管道直徑，m。

實際計算中局部阻力影響因素較多，一般取 沿程阻力的10%～20%，此次計算中按10%選取。將式（2）至式（5）代入式（1），并做相應的化簡后得出：

試驗過程中，隨著料漿料面的不斷下降，流速逐漸放緩，最后靜止狀態時，L形豎管內料柱高度為h0，此時的料漿自重壓力與L型管道靜摩擦阻力呈現出相互平衡的狀態，根據力的平衡條件可計算料漿的屈服剪切應力：

在試驗過程中，分別配制不同濃度的全尾砂充填料漿，測定其坍落度與料漿容重，同時測定計算充填料漿在管道中的流速V，則根據式（6）、式（7）即可分別計算相應的τ0、τ。

同時，考慮管道全斷面具有流速V，據賓漢流變方程及伯努利方程可得到：

式（8）中τ0/τ高次冪很小可忽略不計，則管壁剪切應力為：

同時根據式（9）可計算得到試驗料漿的黏性系數η，即為：

在本次試驗測試中，L形試驗裝置各參數見 表4。

表4 試驗裝置各參數值

根據表4各參數值及式（7）、式（9）、式（10）可得此次試驗測試各濃度條件下的尾砂料漿濃度參數，具體計算結果見表5。

表5 試驗不同濃度尾砂料漿的流變參數計算值

4 結論

（1）尾砂膠結充填采礦作為一種安全、環保的開采方式，可用于礦山生產實際中。

（2）該尾砂料漿流變試驗中流速隨料漿濃度的整體變化趨勢為：流速隨著濃度的增大而變小，在料漿濃度達到76%之后流速變化趨勢變緩，即 料漿濃度達到76%之后，料漿基本呈現難以流動的狀態。

（3）根據尾砂料漿流變試驗得到各項基本參數，可根據各流體力學基本方程推導并計算出不同濃度尾砂料漿的流變參數計算值。

（4）此時試驗測試及計算不同濃度全尾砂充填料漿流變參數，可用于計算工業生產時不同充填料漿濃度、流量及輸送管道內徑時的輸送阻力及可實現順利輸送的充填倍線，為礦山充填系統建設提供基礎數據支撐。