煤矸石高浓度充填料浆流变参数测试方法研究与应用

黄玉诚，林天埜，卢少奇，陈广甫，张　震

(中国矿业大学(北京)，北京 100083)

煤矸石高浓度充填料浆流变参数测试方法研究与应用

黄玉诚，林天埜，卢少奇，陈广甫，张震

(中国矿业大学(北京)，北京 100083)

摘要：近年来，采用煤矸石为骨料的似膏体或膏体充填采煤技术开采“三下”压煤已成为煤矿绿色开采的一个重要方向。分析充填料浆流变参数是充填管输系统设计的基础工作。针对常规流变仪无法测试煤矸石高浓度充填料浆流变参数的实际问题，根据充填料浆粗骨料、粘度高的物料特征和流变参数测试原理，研制了煤矸石高浓度充填料浆流变参数测试仪和相应的测试方法。采用自制流变仪对公格营子矿似膏体充填料浆的流变参数进行了测试分析，确定了充填料浆管道输送的摩阻系数，为该矿充填管道系统优化设计提供了科学依据。

关键词：煤矸石；高浓度充填料浆；流变参数；充填开采

以煤矸石为骨料的高浓度(似膏体或膏体)充填技术具有充填强度高、控制地表下沉效果好、成本适中等优点，成为开采“三下”压煤的有效方法[1-3]。实践中，基于充填管路设计的需要，对煤矸石高浓度充填料浆流变参数的研究亟待推进。煤矸石高浓度充填料浆(如似膏体或膏体)的料浆浓度达到70%～80%，其中煤矸石在固料中的比例达40%～ 60%，最大粒径可达到20mm[4-5]。目前，平行板式、同轴圆筒式和毛细管式等几种粘度计都只适用于悬浮浆液或细粒级料浆(如水泥浆等)流变参数的测量，对于这样的粗骨料浆体流变参数的测定尚无专门的测试仪器，而管道实验测试方法工作量大、费用高，一般很少采用[6-7]，这给煤矸石高浓度充填料浆流变参数的测试带来不便。为此，本文探索研制了煤矸石高浓度充填料浆流变仪及相应的流变参数测试方法。

1自制流变仪的结构组成

传统的旋转粘度计搅拌能力低、容量小，如NXS-11A型旋转粘度计，其最大搅拌功率20W，料浆测试体积60ml，只适用于细颗粒浆体的粘性参数测试。针对煤矸石高浓度充填料浆粗骨料、粘性高的物料特征而研制的流变仪，从工作原理和结构特征考虑要实现对固料最大粒径达20mm的高浓度充填料浆流变参数的测试，采用高功率动力系统和大容量搅拌系统，其基本结构示意见图1，其主要包括以下六个子系统。

1)动力系统：直流调速电机，额定功率185W，额定转速1000r/min。

2)传感系统：扭矩传感器，可同时测量搅拌轴扭矩和转速，扭矩量程0.2N·m，转速量程2000r/min。

4)控制系统：无极调速器。

5)数字显示单元：数显仪表一台，具有扭矩、转速实时显示功能。在需要的情况下，可将数显仪表连接到电脑，实现测试数据的自动采集和分析。

6)辅助单元：弹性联轴器、底座、支架和光电信号隔离器。

图1　自制流变仪结构组成

2自制流变仪的工作原理

大量的试验研究表明高浓度充填料浆的流变特性可用宾汉体模型来描述，其流变特性可用屈服应力τ0和塑性粘度η两个参数来表述，其流变方程表达式为式(1)[7-8]。

(1)

自制流变仪分析测试流变参数的基本原理：测试时，将高浓度料浆装入盛料筒中，搅拌转子在筒中搅动，物料与圆筒壁作相对运动，测定不同搅拌转速时的搅拌扭矩，进而分析得到料浆的流变参数τ0、η，见图2。

葡萄糖被己糖激酶催化生成葡萄糖-6-磷酸，然后在转酮酶的催化下转化为4-磷酸赤藓糖，进一步在4-磷酸赤藓糖激酶的去磷酸化作用下生成赤藓糖醇，最后在赤藓糖还原酶催化加氢作用下生成赤藓糖醇[25]。

图2　流变参数测试原理

对于宾汉体塑性流体，搅拌转子角速度Ω、搅拌扭矩M和流变参数τ0、η之间存在如式(2)所示关系式[9]。

(2)

式中：R1为搅拌转子半径，m；R2为盛料筒半径，m；Ω为搅拌转子角速度，rad/s；h为搅拌转子高度，m；M为搅拌扭矩，N·m。

对固定的仪器来说，搅拌转子半径R1、盛料筒半径R2、搅拌转子高度h为已知，则有式(3)。

(3)

由式(3)可知，k1、k2是与仪器系统相关的常量参数。因此，式(2)可简化为式(4)。

(4)

对于待测定的料浆，其流变参数η、τ0是确定量，因此，测试料浆过程中的搅拌转子角速度和搅拌扭矩的相互关系可表达为式(5)。

(5)

由式(4)和式(5)，则有式(6)。

(6)

根据以上分析，就可以通过以下的测试流程得到煤矸石高浓度充填料浆的流变参数。①首先，通过自制流变仪测定充填料浆在不同搅拌转速Ω下的搅拌扭矩M，得到料浆的M—Ω曲线；②由M—Ω曲线得到a、b值；③由式(6)计算得到料浆的η、τ0。

3似膏体充填料浆流变参数测试

为了安全开采水体压煤，同时又提高资源回收率，公格营子煤矿采用似膏体充填技术对水体下压煤进行开采。该矿似膏体充填材料采用普通水泥为胶凝材料，以破碎煤矸石(粒度≤20mm)和电厂粉煤灰为骨料。从充填强度和泌水率的指标要求，充填料浆浓度初选为78%和79%，其中水泥、煤矸石和粉煤灰的含量分别为4%、52%、22%～23%。

充填料浆的流变参数是充填管道输送参数选择和管路设计的基本依据。为了进行充填管输参数的分析和管路设计，采用自制流变仪对浓度78%和79%的充填料浆流变参数进行了测试分析，得到的扭矩与转速关系曲线如图3所示。

由图2中的扭矩与角速度关系M-Ω曲线拟合得到：①浓度78%，M=4.84×10-4Ω+1.32×10-2，其中a=4.84×10-4，b=1.32×10-2；②浓度79%，M=6.22×10-4Ω+1.76×10-2，其中a=6.22×10-4，b=1.76×10-2。

由自制流变形仪结构可知，R1=0.02m，R2=0.05m，h=0.03m。因此通过式(6)和式(3)计算得到浓度78%和79%的似膏体料浆的流变参数，见表1。

图3　测试料浆的M-Ω曲线

表1　似膏体料浆的流变参数值

4充填管输参数的分析

4.1料浆浓度和管道内径的确定

充填管路管径的大小，除了影响充填能力，还关系到充填系统工作的稳定性和安全性。管径太小，不仅管输阻力大，管路磨损严重，而且充填能力受限，不能满足矿山生产的实际要求；管径太大，不仅浪费管道资源，而且料浆流速太小容易出现固料沉降而堵管，也会导致不满管流现象，使管路中产生射流冲击、汽蚀等破坏作用，减少管道的使用寿命。似膏体的流型接近于宾汉塑性体，在管内的合理流速为1.0～2.0 m/s。在管道输送中，宾汉流体的摩擦阻力系数可由式(7)计算[7]。

(7)

式中：f为摩擦阻力系数，Pa/m；D为管道内径，m；u为浆体在管道内平均流速，m/s。

公格营子矿设计充填能力为Q=90 m3/h。根据前文测试分析得到的充填料浆流变参数τ0、η值及充填能力，由式(7)计算得到不同管径条件下的摩擦阻力系数如表2所示。

表2　不同管径条件下的摩擦阻力系数

从表2可以看出，浓度79%的摩擦阻力系数是浓度78%的1.3～1.4倍，阻力系数增加显著。综合考虑管道流速和阻力，确定采用浓度为78%充填料浆，管道内径D=0.15m，其管输阻力系数f=8.29×103Pa/m。

4.2充填泵最大工作压力

公格营子矿充填管路总长度1069m，垂直高度118m。考虑Q=90m3/h运行条件下，充填泵最大工作压力见式(7)。

=1.1×1069×8.29×103-118×1950×9.8

(7)

式中：L为管路总长，L= 1069m；f为管道的摩阻系数，f= 8.29kPa/m；k为局部阻力系数，取10%；ΔH为管路的垂直高度，ΔH= 118m；为料浆密度，ρ= 1950kg/m3。

因此，在充填流量Q=90m3/h条件下，充填泵的最大工作压力为7.49MPa。根据以上分析，结合充填泵的标准配置，实际选择了流量Q=90m3/h、额定泵压P=10MPa的充填泵。

5结论

1)根据煤矸石高浓度充填料浆粗骨料、粘性高的物料特征以及流变参数测试原理，研制了煤矸石高浓度充填料浆流变仪及相应的流变参数测试方法。

2)将新研制的流变仪应用于实践，测试分析了公格营子矿的似膏体充填料浆浓度78%和79%的流变参数。

3)结合实际工作条件进行了充填管路阻力系数计算和合理管径的分析，选定浓度为78%充填料浆，管道内径D=0.15m，为充填泵的选型提供了科学依据。

参考文献

[1]刘志钧．煤矸石似膏体充填开采技术研究[J]．煤炭工程，2010(3)：29-31.

[2]黄玉诚，武洋，常军．似膏体巷式充填采煤技术及应用[J]．煤炭科学技术，2014，42(1)：37-39.

[3]张新国，江兴元，江宁，等．岱庄煤矿矸石膏体充填模式研究与应用[J]．中国矿业，2012，21(4)：82-85.

[4]黄玉诚．矿山充填理论与技术[M].北京：冶金工业出版社，2014.

[5]陈亚杰，赵兵文．综合机械化膏体充填采煤技术[M]．北京：煤炭工业出版社，2012.

[6]张彦奇，刘超，吕言新．超细水泥浆液流变性能试验研究[J]．中国矿山工程，2012，41(2)：56-58.

[7]刘同友，等．充填采矿技术与应用[M]．北京：冶金工业出版社，2001.

[8]邹正勤，高谦，南世卿．充填采矿用全尾砂胶结材料流变特性研究[J]．金属矿山，2012(12)：132-135.

[9]费祥俊．浆体与粒状物料输送水力学[M]．北京：清华大学出版社，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

作者简介：黄玉诚(1966-)，男，博士，教授、博士生导师。从事充填采矿和充填防灭火等的教学与科研工作。E-mail：hyc@cumtb.edu.cn。

中图分类号：

文献标识码：A

文章编号：1004-4051(2016)02-0102-03