在稳定流状态下似膏体料浆流变特性研究.pdf

2 0 0 3年 1 2月 第 3 2 卷第 6 期 有色矿山 Non f e r r o u s M i n e s De c ． ， 2 0 0 3 Vo 1 ． 3 2 No． 6 在稳定流状态下似膏体料浆流变特性研究 王天刚， 黄玉诚， 李飞跃 中国矿业大学 ， 北京 1 0 0 0 8 7 [ 关键词】似膏体；流变特性；稳定流 [ 摘要】“ 似膏体充填” 是一种新型的充填采矿模式。在实验基础上研究了似膏体的流型以及在稳定流状态 下似膏体的流态。结果表明， 似膏体料浆在较高浓度近似呈宾汉塑性体， 在管道中的流态属于层流。对似膏体料 浆的触变性研究发现， 在一定条件下似膏体料浆具有触变性。 [ 中圈分类号】 TD 8 5 3 ． 3 4 [ 文献标识码】 A [ 文章编号】1 0 0 2 8 9 5 1 2 0 0 3 0 6 0 0 0 8 0 3 S t u dy o n t he r he o l o g i c a l c ha r a c t e r i s t i c o f pa s t e - l i ke s l u r r y un d e r t he c o nd i t i o n o f s t e a d y f l o w W ANG Ti a n - g a n g， HUANG Yu c h e n g ， LI F e i y u e C h i n a U n i v e r s i t y o fMi n i n g a n d T e c h n o l o g y ，B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 Ke y wo r d s p a s t e - l i k e ；r h e o l o g i e a l c h a r a c t e r i s t i c ；s t e a d y f l 0 w Ab s t r a c t “ P ast e - l i k e b a c k f i l l ”i s a n e w mo d e o f b a c k f i l l mi n i n g．B a s e d o n t h e e x p e r i me n t ，t h e r h e o l o g i c a l mo d e l a n d t h e f l o w s t a t e o f p a s t e - l i k e s l u r r y u n d e r t h e c o n d i t i o n o f s t e a d y f l o w we r e s t u d i e d ．Th e r e s u l t s h o ws t h a t t h e r h e o l o g i e a l mo d e l o f p ast e - l i k e s l u r r y i s s i mi l ar t o t h a t o f Bi n h a n a n d i t s f l o w s t a t e i n p i p e l i n e t r a n s p o r t a t i o n i s o f l a mi n a r fl o w t y p e ． Ac c o r d i n g t o t he s t u d y o n t h e t h i x o t r o p y o f p a s t e - l i k e s l u r r y ，a con c l u s i o n c a n b e d e c i d e d t h a t i t i s o f t h i x o t r op y u nd e r s o me c e r t a i n c o nd i t o ns ． 到 目前为止， 世界上采用和研 究的胶 结充填技 术主要有两类 膏体充填和水砂充填。二者具 有鲜 明优点， 但仍存在着很多未解决的问题 如前者料浆 制备复杂， 输送难度大 、 设备投资大 ； 而后 者井下需 脱水且污染环境、 充填体强度低等。对此 ， 为寻找一 种兼有水力充填和胶结充填技术优点的新的充填方 法， 国内外专家学者和工程技术人员 曾经进行过 不 懈 的努力， 做过深入广泛 的研 究。“ 似膏体充填” 新 模式的提出为找到这样的途径奠定了基础。其实 质 是以全砂土材料作胶凝剂， 矿山尾砂或河砂等作骨 料 ， 并配 以一定量的细粒级砂 一3 7 m ， 制成质量 浓度为 7 2 ％～7 8 ％， 外 观近似膏 体样的浆体 ， 称 之 为“ 似膏体” 。全砂土材料选用工业废渣并加入适量 的天然矿物及化学激 发剂 ， 经 磨细、 均化等工艺， 制 [ 收稿日期】2 0 0 3 ． 0 9 1 5 [ 作者简介】王天刚 1 9 7 0一 ， 男， 宁夏石咀山人， 工程 师， 曾多年从事矿山工程工作， 现在中国矿业大学 北京校 区 攻读 硕士学位 。 成的一种粉状物料， 成本较低 ； 由于该材料具有对含 粘土量高的砂土及工业垃圾 如矿山尾砂等 有很强 的固结能 力， 充填 体早期 体强度 高， 流动性 好等 特 点，“ 似膏体充填” 将为矿 山充填带来巨大的变革。 “ 似膏体充填” 三大关键技术 胶凝材料 的研制 与开发、 料浆的配备和制备、 浆体 的管道 输送， 而浆 体的管道输送是关键， 本文将在实验基础上对似 膏 体料浆的流型、 流态及触变性在理论上作深入探讨 和研究， 为进一步研 究似膏体浆体 的优化配 比、 充填 料浆的制备工艺 、 浆体的管道输送阻力 以及整个 矿 山充填奠定理论基础。 1 似膏体流变实验 本实验研究使用全砂土 固结材料为胶凝剂， 以 山东焦家金矿分级 尾砂 为粗 骨料， 以溢 流尾砂 为细 粒级 。其粒级分布 曲线如图 1 所示。实验所用仪器 为成都仪器 厂生产的 NXSl l A型旋转粘度计， 其 结构如图 2所示 。 维普资讯 第 6 期 王天刚等在稳定流状态下似膏体料浆流变特性研究 9 、 9 1 2 0 8 0 如 - h - 加 略． 0 r⋯⋯一P 一 ．一 ． ‘ F ‘’、． ■ - ，‘ 1 ． ■■ ’．_L一一 ． ． 粒径 ／ p m 一 分级尾砂粒级含量一溢流尾砂累计含量 一 分级尾砂累计含量一溢流尾砂粒级含量 图 1 焦家金矿分级尾矿、 溢流尾砂粒级组成 图 2 N X SUA型旋转粘度计结构原理图 跚 加 原理 当电机带动 内筒旋转时， 内筒表面受到被 测物料的作用， 转子也受到了用样的力矩 ； 此力矩传 到可动框架并使其旋转， 当偏转到某一角度使测量 弹簧的力矩和这力矩相等时达到平衡， 此时的偏角 由刻度盘读出。 刻度盘 的指示与粘度 成正 比。各 常 数的计算公式如下 t { D s r M／ 2 n R2 h ． 2R 21 n j R2- R2 ∞ 式中 粘滞系数， P a s ； r剪切应力，P a ； D。 剪切速率， S ． 1 ； M力矩 ， N m； R1 一外筒半径 ， m； R2 内筒半径， m； 内筒工作高度， m。 通过对七个不同浓度似膏体流变实验 注 各样 本料浆配 比 全砂土材料含 量 4 ％， 溢 流尾砂 全尾 砂 1 4 得出如下流变特性测试结果， 见表 1 ， 流变 曲线见图 3 。 实验结果表 明， 似膏体流型与料浆浓度有 很大 关系。在本实验范围内， 在全砂土材 料含量 为 4 ％， 细粒级添加量 2 0 , 6 且当似膏体料浆浓度介于 6 8 , 6 表 1 似膏体流变特性测试结果 矗 h R 密 8吁l 2 ． 5l 0吁l 1 ． 91 6 l 可 0 2 3 5 5q8 ． 4 9 3 6 or ／ 8 ． 01 86 剪切速率 d o ／ d r ／ s - ‘ 图 3 似膏体流变曲线 1 一 浓度 7 8 6； 2 一浓度 7 7 ％； 3 一浓度 7 6 6； 4 一浓度 7 4 ； 5 _ ． 浓度 7 2 ％； 6 一浓度 7 0 ％； 7 一浓度 6 8％ ～ 7 2 ％时， 似膏体流型表现出伪塑性体特征； 当浓度 达到 7 2 ％或 者以上时剪切应力与 剪切速率 的关 系 近似呈直线， 表现出良好 的宾汉体流型。在工业上， 为了提高 充填体 强度 ， 似 膏体 浓度 一般 在 7 2 ％以 上， 因此完全可以将似膏体作为宾汉塑性体来研究。 适当添加细粒级可 以改变似膏体的流型。在一 定浓度下， 细粒级 溢流尾砂 添加到一定量时浆体 就表 现 出 良好 的宾 汉体 流 型。研 究发 现， 浓度 为 7 2 ％的料浆在 溢流尾砂含量大 于 2 0 ％肘 表现 出 良 好的宾汉体特征。而在 7 6 ％浓度时溢 流尾砂 含量 仅在 5 ％就 呈现 出很好 的 宾汉体 特性【 。 由此 可 见， 细粒级对浆体 的流型影响很大。 2 似膏体在稳定流状态下的流态研究 因为似膏 体一般是 由矿 山磨 细的尾矿颗 粒组 成， 颗粒粒度比较细， 在一定浓度下细颗粒均匀分散 在流体中， 具有均匀的浓度分布。似膏体浓度 比较 高， 浆体呈现明显的宾汉体流型， 通常把似膏体看作 似均质复合流。由于颗粒较细， 浆体粘性高， 比较容 易形成层流流态。一般认为高浓度均质浆体在层流 流态时会出现流核， 但 用流核来判断是否进入层流 维普资讯 1 0 有色矿 山 2 0 0 3年 第 3 2卷 流态 自然很不方便， 且对 于非宾汉型流体本来就 不 存在流核。为了比较准确的判断浆体的流型， 在实 用上通常以反映惯性力和粘性力的雷诺数来判断似 膏体的流态 。 基于浆体刚度系数计算的临界雷诺数为[ 2 ] U D p ／ 7I 2 1 0 0 ／ 1 一 4 口 1 口 4 1 由于上式含有流速 U， 所以计算起 来很不方 便， 等 号两边乘以 r o D 71U 8 a c ／ 1 一 4 口 1 口 4 2 消去流速 U， 得 H e 1 6 8 0 0 a c／ 1 一 4 口 1 口 4 j 3 由式 2 和 3 联立解方程组得临界雷诺数 2 1 0 0 ／ 1 6 ．2 4 式中 u 浆体平均流速， m ／ s ； D 管道直径， m； P 浆体 密度， k g ／ r n ； Z “ 0 初始切应力 ， P a ； 刁 浆体粘质系数， N s ； 口 流核 比； 胁 赫 氏数， 可 由公 式 H er o D p ／ 呀 求 得。 这样对于给定的一定浓度的似膏体由流变方程 可以得 出初始切应力 r o 和粘质系数 ， 将 r 0 、 和 lD 代入 H e r o D ID ／ 求得 H e ， 由方程 3 求得 口 ， 再 由式 4 可以求 出浆体临界雷诺数 L o 、 为了更方便的判断浆体的流型， 引入过渡流速 这个概念， 即 由层流 向紊流过渡的流速 。将式 4 经 过换算得过渡流速 ud 1 6 ． 2 t o ／ p a 。 似膏体过渡流速 与料浆浓度关系见图 4所示， 图中列 出各管径下曲线的回归方程及相关系数 。由 图 4可见， 似膏体料浆过渡 流速 与质量浓度之间具 有强相关性， 二者成二次 曲线关 系， 浓度较低时 低 于 7 4 ％ 过 渡 流 速 随 浓度 变 化 不大， 当浓 度 大 于 7 4 ％时过渡流速 随浓度的变化较大， 而且管径 越小 变化 幅 度亦 大 。一般 矿 山 充填 管 道 直 径 不 超 过 2 0 0 mm， 在浓度为 7 2 ％， 管道直径为 2 0 0 mm时计算 最小过渡流速为 3 ． 0 3 m／ s 。而矿 山充填似膏体管道 输送时的平均流速一般不超过 2 ． 5 m／ s ， 因此计算结 果表明似膏体料浆在稳定流状态下在管道中的流动 属于层流流动。 斌 料浆质量浓度c - ／ ％ 图 4 似膏体料浆质量浓度与过渡漉遗关系曲线图 1 一管道 直径 7 5 mm； 2 一 管道 直径 l O O mm； 3 一管道 直径 1 5 0 ram 3 似膏体料浆触变性实验 触变性是凝胶的一种性质， 即搅拌时液化 ， 放置 后又重新凝 固。通过对细粒级含量分别 为 2 0 ％， 质 量浓度分 别为 7 2 ％、 7 7 ％、 7 8 ％三 个试样 的似 膏体 料浆进行触变性 实验， 测试结果 见图 5 、 图 6和 图 7 所示。 i 3 O 2 O 4 0} 卜 严 蠢 竺三 董 加3030 _ 蠢 ．一 三 蒜 1 0 [ 二二二二 二二二二二 O l O 2 O 3 O 4 o 剪切速率 d v ／ d r ／ s - t 图 7 细粒级 含量为 2 o ％． 浆体 浓度 为 7 8 ％时似膏体料浆的触变环 实验结果表明， 似膏体料浆在一定条件下具有 一 定的触变性， 触变环 的明显程 度随浆体浓度的不 同而有所差异。在较低浓度下，似膏体几乎不存在 下转 第 2 1页 维普资讯 第 6期 ‘ 丁立丰新城金矿套芯法地应力测量研究 2 1 82． 5 。 [ 8l 。 由此可见， 本 区构造应力场最大主应力方 向为 1 2 0 。 左右， 这与地应力测量得到 1 方向近 S E --N W 也是较为 吻合的。 4 结 论 通过对 新城金矿套芯法地应力测量结果、 巷道 节理裂隙调查和地质构造反映的构造应力场的分析 研究， 对新城金矿的地应力状态得 出几点结论 。 1 各测点三维应力 1 和 3倾角多接近于水 平方 向， 2接 近于 垂直 方 向。最 大主 应力 方位 为 S E ～NW 向， 说 明新城金矿地应力场是以水平构造 应力为主导的， 且均为压应力。 2 各主应力数值 随深度增加而增大， 最大主应 力约为 自重应力的 1 ． 9 5 ～2 ． 8 5倍， 属于 中等偏上水 平， 与整个华北地区的构造应力场 比较， 数值比较接 近， 垂直应力值基本上等于或略大 于上覆岩层的重 量。 ． 3 随着深度的增加， 垂直主应力逐渐大于最小 主应力。最 大主应力 与最 小主应力 之差值 浅部 在 7 ． 3 MP a左右。 深部 在 1 4 ． 7 MP a左右 ， 不一 样的原 因可能与深部更接近大断裂面有关。 4 由节理裂隙优势走向分析与测量得到的最 大主应力方 向一致 ， 既显示节理走 向与地应力之 间 有密切关 系， 也表 明地应力测量结果与实际地质现 象相吻合。 5 通过构造应力场分析， 揭示了新城金矿的地 应力场 的力学成 因和变化趋势， 而地应力测量结果 再次从实践 上反映 了新 华夏系 断裂构造 的作用 机 理， 两者之间有较好的一致性 。 [ 参考文献 ] [ 1 ] 山东省地质局第六地质队． 新城矿区详细勘探地质报 告[ R] ．1 9 7 9 ， 1 0 ． [ 2 ] 吕古贤， 孔庆存．胶东玲珑一焦家式金矿地质[ M] ． 北 京 科学 出版社 ， 1 9 9 3 ． [ 3 ] 蔡美峰． 地应力测量中温度补偿方法的研究[ J ] ．岩石 力学与 工程学报 ， 1 9 9 1 ， 1 0 3 ． [ 4 ] 乔兰． 新城金矿地应力测量及构造应力场分析[ D] ． 北京科技大学硕士学位论文。 1 9 9 3 ． [ 5 ] 丁立丰．新城金矿地应力场及工程岩体稳定性分析 [ D ] ．北京科技大学硕士学位论文。 1 9 9 9 ． [ 6 ] 蔡美峰， 乔兰 等 ． 地应力测量原理和技术 [ M] ．北 京 科学出版社 ， 1 9 9 5 ． [ 7 ] 侯治华， 王宝杰．辽东地区构造节理水系格局与构造 应力场的关系[ C ] ．第三届全 国地应力会议专辑．地 震 出版社 ． 1 9 9 4 ． [ 8 ] 蔡美峰．地应力测量原理和技术 修订版 [ M] ．北京 科学出版社。 2 0 0 0 ． 上接第 1 O页 触变性， 但在较高浓度下、 高 剪切速 率、 短 时间条件 下似膏体存在触变性， 但不明显。 产生触变性的主要原因是 由于料浆中细粒级 的存在， 虽然外加剪切力破坏其颗粒 间由于表面 电 场作用形成的絮团状 或网状结构 ， 但还是没有 内聚 力作用明显【 4 J 。 4 结语 1 在本实验 范围 内， 似膏体在 细粒级 溢 流尾 砂 添加量为 2 0 ％， 低浓 度 7 2 ％ 条件 下属于 伪 塑性体， 在浓度为 7 2 ％或者 以上时近似呈宾汉塑性 体， 且细粒级含量对似膏体流型有很大影响。 2 似膏体料浆过渡流速与质量浓度之 间具 有 强相关 性， 二 者成 二次 曲线关 系。 当管 径 为 7 5～ 2 0 0 mm， 似膏体料浆在稳定流状态 下在管道中的流 动属于层流流动。 3 经过似膏体触变性实验 ， 研究结果表 明 在 较低浓度下， 似膏体几乎不存在触变性 ， 但在较高浓 度 、 高剪切速率 、 短 时间条件下似膏体存在触变性， 但不明显。 [ 参考文献] [ 1 ] 孙恒虎， 黄玉诚， 杨宝贵．当代胶结充填技术[ M] ．北 京 冶金工业 出版社 ， 2 o 0 2 ． [ 2 ] 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， 1 9 9 4 ． [ 3 ] 段鸿杰．胶结充填料浆及管输特性研究[ D] ．中国矿 业大学 北京 博士论文， 2 0 0 1 ． [ 4 ] 刘同有．充填采矿技术与应用[ M] ． 北京 冶金工业出 版社 ． 2 0 0 1 ． [ 5 ] 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 ， 2 0 0 3 ， 6 81 0 ． 维普资讯