基于L管实验的全尾砂膏体流变特性研究

杜加法 刘晓光 王京生 侯 晨 朱兆文

（1.东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819；2.山东黄金集团充填工程实验室，山东 烟台 261438；3.山东黄金矿业股份有限公司新城金矿，山东 烟台 261438）

新城金矿主矿区已经进入深部开采阶段，采深增加引起的地压显现严重威胁地下采场安全，为了更安全高效地回采，迫切需要强度更高质量更稳定的充填体。另外深部采场排水困难，若沿袭以往矿山采用的分级尾砂充填方式，必然导致巷道积水严重，增加矿山生产成本。基于此，由于膏体充填具有不离析、不沉淀、不泌水和力学性能好等优势［1-2］，已经成为新城金矿深部采场的必然选择。管道输送是应用膏体充填的关键环节，由于膏体料浆成分复杂，影响因素众多，对其管内的流动规律认识不足一直是膏体充填技术应用的难点［3］。针对膏体的流变特性，众多学者将膏体视为“结构流”膏体，利用Bingham或H-B流变模型对其流动形态进行了分析［4-5］，其主要参数包括膏体的屈服应力与塑性黏度。目前主要采用的测试方法为流变仪法和环管实验法，但目前应用的流变仪种类众多，试验操作也缺乏统一规范的测试标准，导致测试结果与实际应用产生了较大的差异［6-7］。而环管法基于料浆在管道内的压力与流速实测数据，通过换算获得相应料浆流变参数，由于接近实际，所得流变数据对于工业应用也更具有代表性。因此，本研究基于室内L管实验系统，测试全尾砂膏体的流变参数，研究质量分数、灰砂比等因素对于屈服应力、塑性粘度等膏体流变参数以及管道输送阻力、充填倍线等工业生产参数的影响，并推荐最佳的膏体配合比，以满足工业生产强度和流动性要求。

1 实验原理

相关研究表明膏体料浆在管内以整体呈柱塞状结构运动，颗粒之间不发生相对位移，因此可被视为宾汉姆体［8-9］。当流体沿管道流动时，其产生的剪切应力为

式中，τ为管壁剪切应力，Pa；τ0为初始剪切应力（或屈服剪切应力），Pa；η为黏性系数，Pa·s；du/dy为剪切速率，s-1。

根据流变方程式（1），并考虑管道全断面具有流速V，根据伯努利方程可得：

式中，D为管道直径，m；V为料浆流速，m/s。

一般认为τ0/τ高次幂很小，可以忽略，故可得出近似的管壁剪切应力：

当采用L管进行膏体流动实验时，管内膏体受力分析图1所示。

根据能量守恒定律，可得出：

式中，P0为进口处压力；Pg为料浆自重压力；P1为沿程阻力损失；P'为出口压力损失。

式中，γ为料浆比重，N/m3；g为自重加速度，9.8 m/s2；ξi为局部阻力损失系数；h'为料斗中料浆高度，m；h为竖直管高度，m；L为水平管长度，m。

沿程局部损失项P局包括弯管损失、接头损失等等，计算较为繁杂，为了简化起见，一般取其为直管损失的10%～20%，在数据分析计算时，取15%。则式（5）～式（8）代入式（4），化简后可得：

根据式（9）可以计算充填料浆的管壁剪切应力，随着试验过程的进行，料斗内料浆料面下降，流速逐渐降低，最终停止流动时，竖管内料柱高度为h0，料浆自重压力与管道静摩擦阻力相平衡，这时即可计算料浆的屈服剪切应力：

此时，根据式（3）可计算出料浆的黏性系数：

同时，可得到管道单位长度流动阻力i以及充填倍线λ：

2 实验

2.1 实验材料

充填料浆所用尾砂取自新城金矿的浮选尾砂，其粒径组成由水筛筛分法分析，试验结果如表1所示。由表1可以看出，全尾砂粒级组成呈中间少两边多趋势，但-625目（-20 μm）以下占比25.32%，总体上较细，符合膏体料浆制备条件［10］。尾砂的物理力学特性见表2。

新城金矿采用的胶凝材料为山东黄金集团自行研制的新型胶结材料，该材料通过选用70%矿渣（水淬炉渣）火山灰等材料和30%添加剂经过不同配比，相关技术参数如表3所示。其中胶凝材料+80 μm含量通过细度筛析仪测定，初凝时间和终凝时间通过维卡仪测定，比表面积通过比表面积测定仪测定。

2.2 实验装置及步骤

本次试验中，试验装置如图2所示，由受料漏斗、支架、盛料槽以及L管主体结构组成，其中竖直管高度h＝1.05 m，水平管长度L＝2 m，管道内径D＝0.1 m。测试时，首先用胶塞堵住L管漏斗底口，之后将配置好的料浆倒入漏斗中，测量此时漏斗中的料浆高度h'；然后提出胶塞，使料浆在自重条件下在L管内流动，同时使用秒表计时，计算浆体流速V；实验过程中为获取准确的流量，应将稳定速度状态保持20 s以上时间；最后待料浆流动停止之后，测量静止料柱高度h0。根据所测得实验数据，可分别按照式（9）～式（13）计算相关流体参数。

2.3 实验方案

根据采矿方法对充填工艺的需求，采场经常被分为两步骤进行充填。一步骤采场充填体需要强度高、固结快，水泥添加量往往较高；二步骤采场往往能够达到固结要求即可，因此水泥添加量较小。根据新城金矿充填时间，一步骤采场膏体的灰砂比一般在1∶4～1∶8，浓度要求一般在74%以上，而二步骤采场膏体灰砂比一般在1∶10～1∶20，浓度要求一般为72%，基于上述分析，本实验中膏体灰砂比选择为1∶4，1∶6，1∶8，1∶10，1∶15，1∶20，浓度选择为 72%，74%，76%。

3 实验结果与分析

3.1 料浆浓度影响

图3是膏体料浆在不同浓度条件下的流动参数变化规律。由图3可见，随着料浆浓度的升高，管壁剪切应力，屈服剪切应力以及流动阻力都大大增加，而充填倍线则明显降低。这主要是因为膏体中浓度上升时，固体颗粒的增加导致他们之间的摩擦力增加，颗粒之间相互移动所受到的阻力增大，从而使得浆体的剪切应力以及流动阻力增加，充填倍线降低。另外需要指出的是，膏体浓度从74%上升为76%时，相比浓度从72%上升到74%，相关参数上升或下降的幅度都更加明显。这说明存在一个“拐点”浓度，超过此浓度，颗粒之间相互接触摩擦的几率会大大增加，絮凝作用导致的网状结构越发育，相应流变参数变化也会越大。

3.2 灰砂比影响

图4展示了膏体料浆在不同灰砂比条件下的流动参数变化情况。如图4所示，管壁剪切应力、屈服剪切应力以及流动阻力随着灰砂比的增加（也就是水泥掺量的增加）都呈现上升的趋势，因此充填倍线也都相应降低，说明胶凝材料比例的增加导致料浆的流动性降低。这主要是由于采用的胶凝材料颗粒较细，颗粒在+80 μm以上含量仅占5.82%以上，细颗粒的增加会导致浆体内部絮凝作用增强，絮网结构的加强导致自由水含量的降低，变相增加了浆体的固体浓度，使得剪切应力增加。另外，胶凝材料灰砂比的增多使水化反应增强，水化反应是一个消耗水的过程，这也是导致高灰砂比条件下浆体流动性变差的因素之一。

3.3 极差分析

为分析膏体灰砂比A和浓度B对膏体屈服剪切应力、流动阻力和充填倍线影响的主次顺序，对上述实验结果进行极差分析，实验结果见表4

在极差分析中，极差值越大表明该因素对相关参数影响越大。从表4可以看出，膏体浓度对于料浆的屈服剪切应力、流动阻力以及充填倍线的影响程度远远大于灰砂比的影响，说明了膏体的流动特性受到膏体浓度的控制，而在膏体强度方面，灰砂比的影响高于膏体浓度的影响，但是可以看出两者影响差距并不像上述对于膏体流动参数影响差异那么巨大，说明设计膏体强度时，尽管灰砂比影响占据主导地位，但是膏体浓度的影响不能忽视。

3.4 最佳充填配比确定

由于矿体上部有村庄，高速公路分布，地表不允许产生较大变形，矿山主要采矿方法是盘区式以及进路式上向水平分层充填采矿法。根据相关安全要求及膏体输送需求，膏体的屈服应力最大应不超过200 Pa，充填体一步骤28 d强度应不低于1.5 MPa，二步骤采场内膏体强度应不低于0.7 MPa。按照上述矿山要求，考虑室内膏体流变特性和强度性能测试结果，并综合考虑矿山生产成本，推荐的最佳膏体配比见表5。

4 结论

（1）膏体料浆浓度的上升，会导致管道内剪切应力、流动阻力的增加，充填倍线降低。充填倍线的降低，存在一拐点浓度（本项目中为74%），超过此浓度，膏体的流动能力会产生明显的降低。膏体浓度对充填体流动特性的影响远远大于灰砂比的影响，而灰砂比是影响膏体强度的最关键因素，但料浆浓度的影响也不能忽视。

（2）根据一二步骤采场的输送和强度需要，一步骤采场推荐膏体浓度为74%，灰砂比为1∶6，而二步骤采场推荐膏体浓度为74%，灰砂比为1∶8。