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铀尾砂膏体充填材料的流动性能研究 ① 冯胜洋1，2， 崔 宇1， 许田贵1， 谭国炽1， 汪 弘1 （1.南华大学 环境与安全工程学院，湖南 衡阳 421001； 2.湖南省铀尾矿库退役治理工程技术研究中心，湖南 衡阳 421001） 摘 要 对不同灰砂比、膏体浓度、减水剂含量的铀尾砂膏体充填材料进行了坍落度试验和粘度试验，并结合 CFD 方法对铀尾砂膏 体充填材料流动性能进行了数值模拟研究。 试验结果表明，铀尾砂膏体充填材料满足管道输送的最优配比为质量浓度 75％、灰砂 配比 1∶5、减水剂含量 0.6％～4.4％；最优配比下屈服应力 53.96～131.38 Pa，塑性粘度 0.866～1.325 Pas。 数值模拟结果表明，铀尾 砂膏体充填材料的管道阻力损失随质量浓度增加呈非线性增大，随流速增加呈线性增大，随管径增加呈非线性减小，随管道弯曲半 径增加呈非线性减小。 关键词 铀； 铀尾砂； 膏体充填； 管道输送； 流动性； 坍落度； 粘度 中图分类号 TD327文献标识码 Adoi10.3969／ j.issn.0253－6099.2019.02.001 文章编号 0253－6099（2019）02－0001－05 Flow Properties of Uranium Tailings as Paste Backfill FENG Sheng-yang1，2， CUI Yu1， XU Tian-gui1， TAN Guo-chi1， WANG Hong1 （1.School of Environment and Safety Engineering， University of South China， Hengyang 421001， Hunan， China； 2.Engineering Research Center for Decommissioning of Uranium Tailings Reservoir of Hunan Province， Hengyang 421001， Hunan， China） Abstract Slump tests and viscosity tests were carried out for the uranium tailings paste backfill with different cement-sand ratio， mass concentration of paste and water reducer content， and the flow properties of uranium tailings as paste backfill were studied by using numerical simulation combined with CFD . The test results showed that the uranium tailings backfill could satisfy the requirement for pipeline transportation， when prepared with the optimal proportion， including mass concentration of 75％， cement-sand ratio of 1 ∶ 5， water reducer content of 0.6％ ～ 4.4％， resulting in the yield stress at 53.96～131.38 Pa， and the plastic viscosity at 0.866～1.325 Pas. The numerical simulation results showed that the pipeline resistance loss for uranium tailings paste backfill increased nonlinearly with the increasing of the mass concentration， linearly with the increase of the flow velocity， but decreased nonlinearly with an increase in the diameter and the bending radius of the pipe. Key words uranium； uranium tailings； paste backfill； pipeline transportation； flowability； slump； viscosity 铀在我国现代化建设和国防事业中占有举足轻重 的地位。 铀矿石经过提铀处理后产生大量的铀尾砂。 据国际原子能机构 2004 年估计，全球 4 000 余座铀矿 山共产生了约 20 亿吨铀尾砂［1］。 铀尾砂中虽然残留 的铀很少，只有原矿石中的百分之几，但是其它放射性 核素及有毒有害化学物质仍大量残留其中［2］。 自 20 世纪 80 年代起，铀矿冶领域开始探索铀尾砂充填矿井 采空区技术。 将全部铀尾砂回填井下，既可以缓解铀 尾砂对外部环境的污染，又能有效解决采空区围岩崩 落及地表沉陷问题，还能减少尾矿库建设和维护费用， 起到一举三得的作用。 膏体充填可利用全部尾砂，无 需脱泥，其固化不泌水，充填体强度高且胶凝剂消耗量 少，以其绿色环保、安全可靠、经济高效等优势而得到 迅猛发展［3－4］。 膏体充填技术代表着矿山充填技术的 发展方向，被誉为 21 世纪矿山绿色开采新技术［5］，在 铀矿冶领域有巨大的应用前景。 铀尾砂膏体充填技术 面临的主要瓶颈之一是其管道输送性能，因此开展铀 尾砂膏体充填材料的流动性能研究是实现铀矿全尾砂 ①收稿日期 2018－09－23 基金项目 国家自然科学基金（11705083）；中国博士后科学基金面上项目（2018M632976）；金属矿山安全与健康国家重点实验室开放课题 （2016－JSKSSYS－08） 作者简介 冯胜洋（1985－），男，湖北汉川人，博士，主要从事铀尾矿库退役治理方面的研究。 第 39 卷第 2 期 2019 年 04 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.39 №2 April 2019 万方数据 膏体充填的关键。 国内外学者对充填膏体流动性能进行了广泛的研 究和应用，并且取得了一定的研究成果［6－10］。 但目前 关于铀尾砂膏体充填材料流动性能方面的研究还未见 诸报道。 鉴于此，本文通过坍落度试验和粘度试验，开 展了铀尾砂膏体充填材料的流动性能试验研究，确定 铀尾砂膏体充填材料满足管道输送性能的最优配比， 并利用 CFD 数值模拟方法研究了不同质量浓度、流 速、管道直径及弯曲半径对铀尾砂膏体充填材料的管 道输送性能的影响。 1 试验材料 试验所用铀尾砂取自湖南省湘南地区某铀尾矿 库，其密度 1 790 kg／ m3，含水率 7.5％，粒径分布见表 1。 根据累计筛余百分率计算得到其细度模数 MX为 1.65，由此可知试验用铀尾砂为细砂。 试验用水泥为 复合硅酸盐水泥，主要成分为 CaO、SiO2、Al2O3和 Fe2O3，此外还有少量 MgO 及 SO3，密度 3 000 kg／ m3。 减水剂主要成分为 β-萘磺酸盐甲醛缩合物。 试验用 水为城市自来水。 表 1 铀尾砂粒径分布 粒径／ mm分布率／ ％ ＋1.25 1.99 －1.25＋0.63 8.96 －0.63＋0.315 56.90 －0.315＋0.160 16.50 －0.160＋0.080 11.18 －0.080 4.47 合计100.00 2 试验及结果 2.1 坍落度试验 采用上口直径 100 mm、下口直径 200 mm、高 300 mm 的坍落度桶进行坍落度试验。 铀尾砂膏体充填材 料坍落度试验步骤严格按照 NB／ T 51070－2017煤矿 膏体充填材料试验方法 ［11］进行。 在减水剂含量 1％时，研究了灰砂比和质量浓度 对铀尾砂膏体充填材料坍落度的影响，结果分别见 图 1 和图 2。 根据文献［12］，膏体充填材料的坍落度在 18～25 cm 之间时满足管道输送要求。 由图 1 可知，当灰砂比为 1∶5时，质量浓度在 74.8％ ～76.7％之间满足管道输送 要求；当灰砂比为 1∶6时，质量浓度在 74.5％～76.4％ D47,    28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 5,cm                      7374757677 1 5 1 6 1 7 1 8 图 1 坍落度随质量浓度变化趋势 /     28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 5, cm       73 74 75 76 77                1 51 61 71 8 图 2 坍落度随灰砂比变化趋势 之间满足管道输送要求；当灰砂比为 1 ∶7时，质量浓度 在 73.5％～76.2％之间满足管道输送要求；当灰砂比为 1∶ 8时，质量浓度在 73.1％～75％之间满足管道输送要 求。 综上所述，铀尾砂膏体充填材料的质量浓度选择 75％～76％为宜。 由图 2 可知，质量浓度低于 73％或高于 77％，灰 砂比 1∶5～1∶ 8完全不满足管道输送要求；质量浓度为 75％，灰砂比 1∶5～1∶8全部满足管道输送要求；质量浓 度为74％，灰砂比1∶6.5～1∶8满足管道输送要求；质量 浓度为 76％，灰砂比在 1 ∶ 5 ～ 1 ∶7.2 满足管道输送要 求。 当灰砂比为 1 ∶ 5时，坍落度值均较大，其流动性 强，故灰砂比 1∶5较为适合。 灰砂比 1∶6时，研究了减水剂含量对铀尾砂膏体 充填材料坍落度的影响，结果如图 3 所示。 0;0/4  28 26 24 22 20 18 16 0123456 5,cm                75 76 图 3 坍落度随减水剂含量变化趋势 2矿 冶 工 程第 39 卷 万方数据 由图 3 可知，质量浓度 75％时，减水剂含量 0.1％～ 4.4％时满足管道输送要求；质量浓度为 76％时，减水 剂含量在0.6％～5.9％时满足管道输送要求。 2.2 粘度试验 采用 MCR52 模块化多功能高级流变仪进行了铀 尾砂膏体充填材料粘度试验，结果分别见图 4 和图 5。 D47,    250 200 150 100 50 0 747576 9-A4kPa      1 5 1 6 图 4 屈服应力随质量浓度变化趋势 D47,    1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 747576 ;C,Pa s      1 5 1 6 图 5 塑性粘度随质量浓度变化趋势 由图 4 可知，质量浓度越大，铀尾砂膏体充填材料 屈服应力越大；灰砂比越小，其屈服应力越大。 铀尾砂 膏体充填材料是一种典型的塑性流体，屈服应力即是 铀尾砂膏体充填材料流速为 0 时的初始切应力，屈服 应力越大，表明初始阶段推动铀尾砂膏体充填材料流 动的压力越大。 由图 4 不难发现，质量浓度越大，初始 阶段推动铀尾砂膏体充填材料流动的压力越大，这是 因为质量浓度越大，铀尾砂膏体充填材料中固体颗粒 越多，起润滑作用的水越少，初始阶段膏体越不容易推 动；灰砂比越小，铀尾砂膏体充填材料中同样起润滑作 用的水泥含量越少，初始阶段膏体也更难推动。 由图 5 可知，质量浓度越大，铀尾砂膏体充填材料 塑性粘度越大；灰砂比越小，其塑性粘度越小。 对于塑 性流体，塑性粘度宏观上反映了流体能量损耗的大小， 塑性粘度越大，流体运动过程中能量损耗就越大。 由 图 5 不难发现，质量浓度越大，铀尾砂膏体充填材料流 动过程中的能量损耗越大，输送性能越差。 灰砂比越 小，铀尾砂膏体充填材料中的水泥越少，塑性粘度反而 越小，铀尾砂膏体充填材料流动过程中的能量损耗越 少，这点与常识正好相反。 这是由于铀尾砂膏体充填 材料流动性不仅受水泥含量的影响，而且还受水的影 响，如果水泥含量过多，水泥水化反应不充分，多余的 水泥反而对铀尾砂膏体充填材料的流动性起抑制 作用。 3 膏体料浆流动数值模拟研究 3.1 模型建立 利用 Gambit 建立 L 型三维管道模型。 该模型包 括 3 部分竖直管段 L1＝1 000 mm，管道弯曲半径 r，水 平直管段 L2＝ 2 000 mm。 采用 Hex 中的 Cooper 方法 对管道进行体网格划分，如图 6 所示。 图 6 管道模型网格划分图 （a） 俯视图； （b） 截面图 铀尾砂膏体主要由铀尾砂、水泥、减水剂和水混合 搅拌而成，模拟中将其视为均质固-液两相流。 FLUENT 中计算多相流的模型包括 VOF 模型、Mixture 模型和 Eulerian 模型。 结合铀尾砂膏体固体颗粒特点及 Eulerian 模型在此方面的广泛适用性，确定选择 Eulerian 模型 作为数值模拟的数学模型。 膏体的流变曲线符合宾汉 姆模型［13］ τ ＝ τ0 ＋ μ dv dy （1） 式中 τ 为流体的切应力；τ0为流体的屈服应力；μ 为流 体的 塑 性 粘 度； dv／ dy 为 流 体 的 速 度 梯 度。 由 于 FLUNET 中没有宾汉姆模型，本文基于式（1）采用 UDF 编写了该模型。 入口边界条件采用笛卡尔坐标系，将入口边界条 件设置为速度入口，速度方向为 Y 轴负方向。 设置出 口边界条件为压强出口，相对压强为 0.2 MPa，工作压 力为 1 个标准大气压。 壁面边界条件设置为 wall，选 择无滑移管壁。 设置数值监测的目的是观察数值的迭 代收敛情况，勾选 PLOT 选项，同时将残差设置为 110 －5 ，以提高计算精度和收敛性。 3第 2 期冯胜洋等 铀尾砂膏体充填材料的流动性能研究 万方数据 3.2 铀尾砂膏体数值模拟及结果分析 3.2.1 质量浓度对管道输送的影响 选取本文粘度试验中灰砂比 1 ∶5、减水剂含量 1％、质量浓度分别为 74％、75％和 76％的铀尾砂充填 膏体进行数值模拟，用以分析不同质量浓度情况下的 管道输送阻力。 图 7 为不同质量浓度情况下 L 型弯管 中铀尾砂充填膏体的速度分布云图。 由图 7 可知，随 着质量浓度增加，膏体最大流速逐渐增大，最大流速都 靠近弯管外壁处，此处的管道磨损最大，应对弯管外壁 进行加厚；膏体浓度由 74％增至 76％，最大流速由 1.66 m／ s 增至 1.73 m／ s。 靠近弯管内壁的膏体流速远 小于其它部位的流速，因此，弯管内壁易发生膏体淤 积，造成堵管、爆管等问题。 图 7 不同膏体质量浓度下弯管的速度分布云图 （a） 74％； （b） 75％； （c） 76％ 使用每延米 L 型管道进口与出口的压力差对铀 尾砂充填膏体管道阻力损失进行分析，不同质量浓度 情况下膏体的管道阻力损失如图 8 所示。 由图 8 可 知，随着质量浓度增加，膏体管道阻力损失呈非线性增 加，质量浓度 75％ ～76％的管道阻力增加幅度远大于 质量浓度 74％～75％的管道阻力，前者比后者大 93％。 由于在膏体充填材料制备过程中，为满足膏体矿井充 填的经济性和力学性能，膏体质量浓度应越高越好。 但由以上数值模拟分析结果可知，膏体管道输送性能 随质量浓度增加而大幅度下降，因此在满足膏体矿井 充填力学性能的前提下，膏体质量浓度不宜过分增加， 本文所研究的铀尾砂充填膏体质量浓度取 75％为宜。 D47,    8 7 6 5 4 3 747576 E4;kPa m-1 图 8 不同质量浓度情况下膏体的管道阻力损失 3.2.2 流速对管道输送的影响 膏体充填材料管道输送过程中流速是影响充填系 统的主要因素之一。 为研究流速对膏体管道输送性能 的影响，在质量浓度 75％、管径 150 mm、管道弯曲半径 300 mm 条件下，采用 CFD 数值模拟研究了不同流速 情况下膏体的管道阻力损失情况，结果如图 9 所示。 膏体流速 v 与流量 Q 关系为 v ＝ 4Q πD2 （2） 式中 D 为管道内直径，此处取 150 mm，通过流量转换 得到对应的流速分别为 0.94，1.26，1.57 和 1.89 m／ s。 4;m s-1     6 5 4 3 2 1.20.81.62.0 E4;kPa m-1 图 9 不同流速情况下膏体的管道阻力损失 由图 9 可知，随着流速增加，膏体的管道阻力损失 呈线性增加关系，增幅约为 2.67 kPa／ m。 因此在满足 充填要求的前提下，应尽可能减小膏体流动速度。 3.2.3 管径对管道输送的影响 为研究管径对膏体管道输送性能的影响，在质量 浓度 75％、入口流速 1.26 m／ s、管道弯曲半径 300 mm 条件下，采用 CFD 数值模拟研究了不同管径情况下膏 体的管道阻力损失，结果如图 10 所示。 由图 10 可知， 随着管径增加，膏体管道阻力损失呈非线性减小；管径 越大，膏体管道阻力损失越小，膏体管道输送性能越 好，但随着管径逐步增加，管道阻力损失减幅逐渐变小 并趋向于一个稳定值，图 10 中的管道阻力损失将收敛 4矿 冶 工 程第 39 卷 万方数据 于 1.56 kPa／ m，因此，在选择最优管径时，要从管道阻 力损失和经济性方面综合考虑，一味靠增大管径去优 化管道输送能力不可取。 .2mm     7 6 5 4 3 2 120140100160180200 E4;kPa m-1 y 1.563134.24780.98x 图 10 不同管径情况下膏体的管道阻力损失 3.2.4 管道弯曲半径对管道输送的影响 为研究管道弯曲半径对管道输送性能的影响，在 质量浓度 75％、入口充填膏体流速 1.26 m／ s、管径 150 mm 条件下，采用 CFD 数值模拟研究了不同管道弯曲 半径情况下膏体的管道阻力损失情况，结果如图 11 所 示。 由图 11 可知，随着管道弯曲半径增加，膏体管道 阻力损失呈非线性减小。 管道弯曲半径越大，膏体的 管道阻力损失越小，膏体管道输送性能越好，但随着管 道弯曲半径逐步增加，管道阻力损失减幅逐渐变小并 趋向于一个稳定值，图 11 中的管道阻力损失将收敛于 2.44 kPa／ m。 因此，在选择管道弯曲半径时，要从管道 阻力损失和经济性方面综合考虑，一味靠增大管道弯 曲半径去优化管道输送能力不可取。 92xD     3.5 3.0 2.5 231456 E4; kPa m-1 y 2.44122.71180.6040 x 图 11 不同管道弯曲半径情况下膏体的管道阻力损失 4 结 论 对铀尾砂膏体充填材料开展了坍落度试验、粘度 试验研究，结合 CFD 方法对铀尾砂膏体充填材料流动 性能开展了数值模拟研究，结论如下 1） 铀尾砂膏体充填材料满足流动性能要求的最 优配比为质量浓度 75％、灰砂配比 1 ∶ 5，减水剂含量 0.6％～4.4％。 2） 铀尾砂膏体充填材料的屈服应力和塑性粘度 都随质量浓度增加而增大；屈服应力随灰砂比减小而 增加，塑性粘度随灰砂比减小而减小；铀尾砂膏体充填 材料质量浓度 75％ ～ 76％、灰砂配比 1∶5～1∶6时，屈 服应力 53.96～131.38 Pa，塑性粘度 0.866～1.325 Pas。 3） 铀尾砂膏体充填材料管道阻力损失随质量浓度 增加呈非线性增大，随流速增加呈线性增大，随管径增 加呈非线性减小，随管道弯曲半径增加呈非线性减小。 参考文献 ［1］ IAEA. 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