高浓度全尾砂料浆流变特性参数试验及管道输送研究

罗涛， 张亮， 姜亮亮， 冯萧

（江西理工大学资源与环境工程学院，江西 赣州341000）

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.

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Tab le 1 Slurry ratio

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.

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

表2 试验及计算结果Tab le 2 Test and calculate resu lts

图3 黏度-剪切应变率流变曲线Fig.3 Flow curve of viscosity and shear rate

图4 屈服应力与浓度的关系曲线Fig.4 Curve of yield stress and concentration

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：

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，再根料浆流量100m3/h在管径D=150mm输送时的单位沿程阻力[14-18]，其结果见表2.

图5 黏度系数与浓度的关系曲线Fig.5 Curve of viscosity coefficient and concentration

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.

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.

图6 屈服应力与灰砂比的关系曲线Fig.6 Curve of yield stress and cem ent-sand ratio

图7 灰砂比与黏度系数之间的关系曲线Fig.7 Curve of viscosity coefficent and cem ent-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.

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.

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

图9 单位沿程阻力与灰砂比的关系曲线Fig.9 Curve of the unit firctional d rag and cement-sand ratio

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.

[1]胡华.似膏体粘弹塑性流变模型与流变方程研究[J].中国矿业大学报，2003，32（2）：119-122.

[2]胡华.含水率对软土流变参数的影响特性及机理分析[J].岩土工程技术，2009，19（3）：134-136.

[3]黄玉诚，孙恒虎.尾砂作骨料的似膏体料浆流变特性实验研究[J].金属矿山，2003（6）：8-10.

[4]郑伯坤．尾砂充填料流变特性和高浓度料浆输送性能研究[D].长沙：长沙矿山研究院，2011.

[5]翟永刚，吴爱祥，王洪江，等.全尾砂膏体料浆的流变特性研究[J].金属矿山，2010（12） ：30-32.

[6]任晓枫.流变仪测定浆体流变参数的计算方法[J].西北水资源与水工程，1994（3）：45-49.

[7]郑伯坤，李向东，盛佳.基于环管试验的高浓度料浆输送性研究[J].矿业研究与开发， 2012，32（6）：31-34.

[8]刘超．基于环管输送试验的全尾砂膏体充填料流变特性研究[D].衡阳：南华大学，2011.

[9]刘同有，周成浦，金铭良，等．充填采矿技术与应用[M]．北京：冶金工业出版社，2001．

[10]贺礼清．工程流体力学[M]．北京：石油工业出版社，1998：135-160．

[11]周爱民．矿山废料胶结充填[M]．北京：冶金工业出版社，2007：92-108．

[12]李元辉，孙豁然，孙凯年．新城金矿充填料流变特性研究[J]．黄金，2000（2）：20-24．

[13]杨焕文．水砂充填料浆流变参数的现场测定及应用[J]．黄金，1997（2）：21-26．

[14]许毓海，许新启．高浓度（膏体）充填流变特性及自流输送参数的合理确定[J].矿冶，2004（3）：16-19.

[15]吕宪俊，金子桥，胡术刚，等．细粒尾矿充填料浆的流变性及充填能力研究[J].金属矿山，2011（5）：32-35.

[16]Wasp E，Kenny J，Gandhi R．Solid-liquid flow slurry pipeline transportation[M]．Berlin：TransportTechnology Publications，1977：108-117.

[17]胡亚军，南世卿，姚振巩，等．全尾砂充填料浆管道输送试验研究[J].采矿技术，2011（6）：20-22.

[18]翟永刚，吴爱祥，王洪江，等．全尾砂膏体充填临界质量分数[J].北京科技大学学报，2011（7）：795-799.