2015, Vol. 6引用本文 |
| 高浓度全尾砂料浆流变特性参数试验及管道输送研究 |  [PDF全文] |
随着矿山的快速发展和对环境保护的严格控制，充填采矿法逐渐成为矿山地下开采的一种必然趋势.我国作为一个矿业大国，全尾砂堆积过多，为充分利用资源，全尾砂充填在大部分矿山都广泛地应用，在矿山地下开采发挥着重要的作用.高浓度全尾砂充填料浆在地下开采中使用非常广泛，其料浆的输送性能直接影响充填效果.然而其流变参数是判断充填输送效果的重要指标，由屈服应力（初始剪切应力）和黏度系数描述[1-2].
屈服应力是由于浆体中的细颗粒间相互作用产生的，由于细颗粒在浆体中与周围物料进行物化作用形成絮团，絮团间相互搭接形成絮网，这种网状结构具有一定的抗剪能力，即具有一定的屈服应力，只有施加不小于屈服应力的外力作用，浆体才会流动.全尾砂料浆在其他条件一定的情况下，颗粒间靠得更近，接触也就更紧密，相互作用的机会就更多，并形成絮网结构，屈服应力变大.黏度系数是流体的一种特性，流体相对运动时，必然在内部产生剪力以抵抗料浆的相对运动，即黏度系数值越大，表明流体抵抗剪切变形的能力就越大[3-5].因此，进行高浓度全尾砂料浆流变特性参数测试试验研究，分析料浆流变参数与浓度、灰砂比的关系，并分析管道输送时的沿程损失，为全尾砂充填输送性能研究提供理论基础.
针对某矿山全尾砂胶结充填料浆管道输送技术的实际问题，为实现高浓度全尾砂充填料浆的自流稳定输送，进行流变特性参数测试试验，测试得出剪切力-剪切应变率流变曲线，利用拟合得出相应料浆的屈服应力和黏度系数流动特性参数[6]，结合流变参数测试结果和单位沿程阻力，对高浓度全尾砂料浆流变特性测试试验进行研究[7-8].
1 流变参数测试试验 1.1 试验设备以某矿山高浓度全尾砂充填料浆为例，在保证料浆配比准确、搅拌均匀和无外界因素的干扰情况下，应用国际最先进的高精度R/S+SST软固体测试仪（图 1）进行该料浆的流变参数测试试验.
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| 图 1 R/S+SST软固体测试仪 Fig. 1 R/S+SST soft solids tester |
R/S系列流变仪是具有控制剪切应力（Shear stress）和剪切应变率（Shear rate）双重测量模式的流变仪，具有更多的选择性和灵活性，尤其适合于测量非牛顿流体在稳态流动下的黏度、流变曲线等物质特性，同时，可确保科研工作者在质量控制和研发领域均可进行完美的流变分析.
1.2 试验方案本试验应用人工制备不同配比的料浆试样测试，来分析浓度对流变参数的影响规律.此次试验为了研究结果具有区域一般性和代表性，设定全尾砂料浆的灰砂比为1:4、1:6和1:8，浓度设定为68 %、70 %、72 %和74 %，其料浆的配比见表 1.应用高精度R/S+SST软固体测试仪进行流变参数测试试验，得出剪切应力τ-剪切应变率γ流变特性曲线图.
| 表1 料浆配比 Table 1 Slurry ratio |
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为了降低试验结果误差，每组料浆进行多组试验取平均值.每次试验当烧杯中的料浆确保搅拌均匀后，快速将烧杯放至流变仪底座指定位置，之后快速将十字叶桨下沉到指定位置，并操作配有的Rheo3000软件开始进行试验，其中设置剪切应变率范围0~120 s-1，当剪切应变率达到120 s-1，十字立即停止转动，一次试验完成.
1.3 试验数据一次实验完成后，Reho3000软件自动保存数据，操作该软件即可自动生成流变曲线，又能形成相应的线性拟合曲线.但由于料浆转动到一定的剪切时间，十字叶桨会带动周围料浆形成整体转动，之后料浆的运动处于稳定状态，采集此后的数据对试验无意义，甚至会影响试验结果.因此，不考虑整体料浆转动后的剪切时间，只取每次试验前面比较稳定的数据形成的剪切力-剪切应变率流变特性曲线进行分析.为节约篇幅，只列出灰砂比1:8料浆的剪切应力-剪切应变率流变曲线以及黏度-剪切应变率的曲线，见图 2和图 3.
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| 图 2 剪切应力-剪切应变率流变曲线 Fig. 2 Flow curve of shear stress and shear rate |
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| 图 3 黏度-剪切应变率流变曲线 Fig. 3 Flow curve of viscosity and shear rate |
由图 3可知，全尾料浆黏度在剪切过程中随剪切应变率的增加而减小，下降到一定程度时趋于水平稳定，具有“剪切稀化”特征.根据现有研究和试验所得到的黏度-剪切应变率流变曲线可知，高浓度全尾砂充填料浆表现出明显的宾汉体流变特征，因此其流变特性可用宾汉流体模式描述，即其剪切应力τ与剪切应变率γ表现出线性关系[9-13]，即：
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(1) |
式（1）中：τ0为料浆的初始剪切应力（屈服应力），Pa；η为料浆的黏度系数，Pa·s；
1.4 试验测试结果全尾砂料浆流变参数测试数据通过式（1）线性拟合，得到的料浆流变参数屈服应力和黏度系数，再根据单位长度沿程阻力公式：
| 表2 试验及计算结果 Table 2 Test and calculate results |
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2 试验结果与分析 2.1 料浆流变参数与浓度的关系
由表 2可得到不同灰砂比条件下全尾砂料浆的流变参数（屈服应力和黏度系数）与料浆浓度的关系曲线见图 4、图 5.
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| 图 4 屈服应力与浓度的关系曲线 Fig. 4 Curve of yield stress and concentration |
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| 图 5 黏度系数与浓度的关系曲线 Fig. 5 Curve of viscosity coefficient and concentration |
由图 4可知：在一定的灰砂比下，料浆屈服应力与料浆浓度成正比关系，即浓度越大，料浆屈服应力就越大；料浆屈服应力与料浆浓度的递增速度与灰砂比成反比，即灰砂比越小，其递增速度越快.
由图 5可知，料浆黏度系数与浓度的关系无明显规律；灰砂比1:4的料浆黏度系数随着浓度的增大而增大；灰砂比1:6的料浆在浓度68 %~70 %之间黏度系数随着浓度的增大而增大，在浓度70 %~72 %之间黏度系数随着浓度的增大而减小；在浓度72 %~74 %之间黏度系数随浓度的增大而增大；灰砂比1:8的料浆黏度系数随着浓度的增大而减小.
2.2 料浆流变参数与灰砂比的关系由表 2可得到不同灰砂比条件下全尾砂料浆流变参数（屈服应力和黏度系数）与灰砂比的关系曲线见图 6、图 7.
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| 图 6 屈服应力与灰砂比的关系曲线 Fig. 6 Curve of yield stress and cement-sand ratio |
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| 图 7 灰砂比与黏度系数之间的关系曲线 Fig. 7 Curve of viscosity coefficent and cement-sand ratio |
由图 6可知，料浆浓度在68 %~70 %之间的屈服应力随着灰砂比的增大而增大；料浆浓度在72 %~74 %之间的屈服应力随着灰砂比的增大而减小.由图 7可知，料浆黏度与灰砂比的关系无明显规律；料浆浓度在68 %~72 %之间的屈服应力随着灰砂比的增大而减小；料浆浓度74 %时的屈服应力随着灰砂比的增大而增大.
2.3 料浆单位沿程阻力与浓度、灰砂比的关系由表 2可得到不同灰砂比条件下全尾砂料浆单位沿程阻力与浓度、灰砂比之间的关系见图 8、图 9.
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| 图 8 单位沿程阻力与浓度的关系曲线 Fig. 8 Curve of the unit frictional drag and concentration |
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| 图 9 单位沿程阻力与灰砂比的关系曲线 Fig. 9 Curve of the unit firctional drag and cement-sand ratio |
由图 8、图 9可知：在一定的灰砂比下，料浆单位沿程阻力随浓度的的增大而增大；在一定的浓度下，料浆单位沿程阻力随灰砂比的增大而减小.
3 结论应用国际最先进的高精度R/S+SST软固体测试仪进行全尾砂充填料浆的流变特性测试，得到流变参数测试结果，并计算料浆流量100 m3/h在管径D=150 mm输送时的单位沿程阻力，对高浓度全尾砂料浆流变特性测试试验进行研究，主要的结论如下：
1）在一定的灰砂比下，料浆屈服应力与浓度成正比关系，即浓度越大，料浆屈服应力就越大，其递增速度与灰砂比成反比，即灰砂比越小，其递增速度越快.
2）料浆黏度系数与浓度的关系无明显规律：灰砂比1:4的料浆黏度系数随着浓度的增大而增大；灰砂比1:6的料浆在浓度68 %~70 %之间黏度系数随着浓度的增大而增大，在浓度70 %~72 %之间黏度系数随着浓度的增大而减小；在浓度72 %~74 %之间黏度系数随浓度的增大而增大；灰砂比1:8的料浆黏度系数随着浓度的增大而减小.
3）料浆浓度在68 %~70 %之间的屈服应力随着灰砂比的增大而增大；料浆浓度在72 %~74 %之间的屈服应力随着灰砂比的增大而减小.料浆黏度与灰砂比的关系无明显规律；料浆浓度在68 %~72 %之间的屈服应力随着灰砂比的增大而减小；料浆浓度74 %时的屈服应力随着灰砂比的增大而增大.
4）结合料浆流变参数结果和单位沿程阻力公式：
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