張 亮，羅 濤，朱志成，劉 浩，許楊東，陳忠熙

（1.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州341000；2.江西理工大學(xué)江西省礦業(yè)工程重點實驗室，江西 贛州341000）

在礦山開采中，隨著淺部資源的逐漸減少以及深部開采強(qiáng)度逐漸加大，充填采礦法的應(yīng)用日益廣泛，充填采礦法能夠利用所形成的充填體，進(jìn)行地壓管理，以控制圍巖冒落和地表下沉，因此，充填采礦法已成為礦山開采的主要采礦方法［1－3］。

高濃度充填料漿流變特性參數(shù)包括屈服應(yīng)力和黏度系數(shù)，其中屈服應(yīng)力是由于漿體中的細(xì)顆粒產(chǎn)生的，由于細(xì)顆粒在漿體中與周圍物料進(jìn)行物化作用形成絮團(tuán)，絮團(tuán)間相互搭接形成絮網(wǎng)，這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)具有一定的抗剪能力，即具有一定的屈服應(yīng)力，只有施加不小于屈服應(yīng)力的外力作用，漿體才會流動［4］。黏度系數(shù)反映了漿體在攪動的情況下，漿體網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的破壞與恢復(fù)處于動平衡時，懸浮的固相顆粒之間、固相顆粒與液相之間以及連續(xù)液相內(nèi)部的內(nèi)摩擦作用的強(qiáng)弱。塑性粘度越大，漿體間摩擦力越大，導(dǎo)致漿體流動越困難［5］。

近年來，對于高濃度全尾砂充填料漿的相關(guān)特性的研究已取得諸多寶貴成果，劉超等［6］通過環(huán)管試驗采集得到足夠多組壓力數(shù)據(jù)并經(jīng)過線性回歸，得到高濃度充填料漿的流變參數(shù)η和τ0，再運用層流狀態(tài)下的管道沿程阻力損失計算公式計算料漿沿程阻力，但環(huán)管試驗的缺點是試驗消耗人力、物力過大，試驗時間太長，因此在某些礦山難以開展；胡亞軍、南世卿等［7］采用L型管道試驗，并通過相關(guān)公式的計算推導(dǎo)出高濃度全尾砂充填料漿的流變參數(shù)η和τ0，進(jìn)而計算出料漿沿程阻力，屬于較傳統(tǒng)且計算精度不高的一種方法；翟永剛等［8］利用四葉槳式旋轉(zhuǎn)式流變儀測定了高濃度全尾砂充填料漿的流變特征及其參數(shù)，且得到了該充填料漿的臨界質(zhì)量分?jǐn)?shù)，但并未提及充填料漿的管道輸送阻力損失特性；目前針對采用國際最先進(jìn)的高精度BROOKFIELD R/S＋SST軟固體測試儀測試得到料漿的流變參數(shù)η和τ0，并運用管道沿程阻力損失公式計算得到料漿沿程阻力，同時分析并揭示流變參數(shù)η和τ0與料漿的濃度配比、灰砂比的變化關(guān)系的研究未見報道。

本文采用國際最先進(jìn)的高精度BROOKFIELD R/S＋SST軟固體測試儀，通過試驗測試得到不同組別高濃度全尾砂充填料漿的流變參數(shù)η和τ0，并分析和揭示了流變參數(shù)η和τ0與料漿濃度配比、灰砂比的變化關(guān)系，同時根據(jù)充填料漿的流變特征和礦山充填試驗要求，運用管道沿程阻力損失計算公式計算得到不同組別料漿沿程阻力，比較阻力值的大小以選擇最佳的管道輸送參數(shù)，為礦山充填系統(tǒng)的設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。

1 流變參數(shù)η和τ0測試試驗

1.1 試驗儀器

本試驗所用流變測試設(shè)備為高精度BROOKFIELD R/S＋SST軟固體測試儀（圖1）。

圖1 R/S＋SST軟固體測試儀

R/S Plus系列流變儀是具有控制剪切應(yīng)力（Shear stress）和剪切速率（Shear rate）雙重測量模式的流變儀。與同類級別的流變儀相比，Brookfield R/S Plus系列流變儀具有更多的選擇性和靈活性。R/S Plus系列流變儀尤其適合于測量非牛頓流體在穩(wěn)態(tài)流動下的粘度、流變曲線等物質(zhì)特性，同時，Brookfield R/S Plus系列流變儀可以確?？蒲泄ぷ髡咴谫|(zhì)量控制和研發(fā)領(lǐng)域均可進(jìn)行完美的流變分析。

1.2 試驗方法

試驗所用充填料漿濃度配比為：70%、71%、72%、73%、；灰砂比為：1∶4、1∶6、1∶8，為了降低實驗誤差，每種組別料漿進(jìn)行多組試驗取平均值，將剪切時間設(shè)置為120s，剪切速率范圍0～120s－1。每次試驗當(dāng)燒杯中的料漿被攪拌均勻后，將燒杯快速放至流變儀底座合適位置，并操作軟件開始進(jìn)行試驗，剪切時間120s過后，四葉槳立即停止轉(zhuǎn)動，一次試驗結(jié)束。

1.3 實驗結(jié)果與分析

1.3.1 流變參數(shù)測試試驗結(jié)果

采用R/S＋SST軟固體測試儀進(jìn)行試驗可得到不同料漿組別的剪切應(yīng)力和剪切應(yīng)變率流變曲線。由于到一定的剪切時間，四葉槳轉(zhuǎn)動會帶動周圍料漿整體轉(zhuǎn)動，之后料漿的運動處于穩(wěn)定狀態(tài)，采集此時的數(shù)據(jù)對試驗無意義，甚至?xí)绊懺囼灲Y(jié)果，因此，不考慮整體料漿轉(zhuǎn)動后的剪切時間，只取每次試驗前面比較穩(wěn)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。為節(jié)省篇幅，此處僅給出灰砂比1∶4對應(yīng)濃度配比的剪切應(yīng)力－剪切應(yīng)變率流變曲線和粘度系數(shù)－剪切應(yīng)變率曲線，見圖2、圖3。

圖2 灰砂比1∶4對應(yīng)濃度配比流變曲線

根據(jù)現(xiàn)有研究，全尾砂高濃度充填料漿表現(xiàn)出明顯的賓漢體流變特征，因此其流變特性可用賓漢流體模式描述，即其剪切應(yīng)變率和剪切應(yīng)力表現(xiàn)出線性關(guān)系［9－13］。對所有組別料漿的剪切應(yīng)力－剪切應(yīng)變率流變曲線進(jìn)行線性擬合，可得到不同組別高濃度全尾砂料漿的相應(yīng)的粘度系數(shù)η和動態(tài)屈服應(yīng)力τ0，見表1。

圖3 粘度系數(shù)－剪切應(yīng)變率曲線

表1 全尾砂高濃度充填料漿流變參數(shù)結(jié)果

1.3.2 實驗結(jié)果分析

1）料漿濃度對料漿屈服應(yīng)力的影響比較顯著，料漿屈服應(yīng)力隨著料漿濃度的增加而增大。不同灰砂比條件下全尾砂料漿屈服應(yīng)力與料漿濃度之間的關(guān)系見圖4。

2）料漿屈服應(yīng)力與灰砂比相關(guān)，屈服應(yīng)力總體上是隨著灰砂比的增大而減少。不同灰砂比條件下全尾砂料漿屈服應(yīng)力的變化曲線見圖5。

3）灰砂比對料漿粘度有一定的影響，料漿粘度與灰砂比成反比關(guān)系，即灰砂比越大，料漿粘度越小。不同灰砂比條件下全尾砂料漿粘度系數(shù)的變化曲線見圖6。

2 管流輸送沿程阻力的計算與分析

圖4 不同灰砂比條件下全尾砂料漿屈服應(yīng)力與料漿濃度之間的關(guān)系

圖5 不同灰砂比條件下全尾砂料漿屈服應(yīng)力的變化曲線

圖6 不同灰砂比條件下全尾砂料漿粘度系數(shù)的變化曲線

全尾砂高濃度充填料漿在管道輸送過程中處于層流狀態(tài)，且料漿呈“栓塞流”［14－16］，則聯(lián)立哈根－巴塞爾公式［17］和布金海姆方程［17］得到漿體沿程摩阻損失計算公式［18］。

式中：Jm為單位長度沿程阻力，Pa/m；D為直管內(nèi)徑，m；v為平均流速，m/s；其中，Q為料漿流量，m3/s。

礦山充填試驗要求計算推導(dǎo)出全尾砂高濃度充填料漿以90m3/h、100m3/h、120m3/h在管徑120mm、150mm、180mm輸送時的沿程阻力損失數(shù)據(jù)，從而選擇合理的物料配比參數(shù)、管道輸送參數(shù)等，以指導(dǎo)礦山充填系統(tǒng)的設(shè)計。限于篇幅原因，僅列出全尾砂高濃度充填料漿以90m3/h在管徑120mm輸送時的沿程阻力計算結(jié)果，如表2所示。

表2 料漿以90m3/h在管徑120mm輸送時的沿程阻力值

比較所有單位沿程阻力值可得到，礦山全尾砂高濃度充填料漿在管道輸送過程中，灰砂比1∶4、濃度70%的 料 漿 以 流 量90m3/h在 管 徑D3＝180mm輸送時的單位沿程阻力值最小，其值為471.968Pa/m。

3 結(jié)論

1）由流變參數(shù)測試試驗可得，料漿的屈服應(yīng)力與料漿濃度成正比關(guān)系，即濃度越大，料漿屈服應(yīng)力就越大；灰砂比對料漿屈服應(yīng)力有一定的影響，料漿屈服應(yīng)力總體上是隨著灰砂比的減少而增大。

2）料漿濃度對粘度的影響無明顯規(guī)律，但料漿粘度與灰砂比成反比關(guān)系，即灰砂比越小，料漿粘度越大。

3）灰砂比1∶4、濃度70%的料漿以流量90m3/h在管徑D3＝180mm輸送時的單位沿程阻力值最小，其值為471.968Pa/m，僅從輸送阻力與能量損失的角度考慮，礦山宜選擇此種物料配比、管道輸送參數(shù)進(jìn)行充填系統(tǒng)的設(shè)計。

4）相比于傳統(tǒng)試驗方法操作繁難，試驗時間太長且準(zhǔn)確率低等問題，采用國際最先進(jìn)的高精度BROOKFIELD R/S＋SST軟固體測試儀可簡便快速且準(zhǔn)確地測定不同組別高濃度全尾砂料漿的粘度系數(shù)η和動態(tài)屈服應(yīng)力τ0，同時，運用漿體沿程阻力損失計算公式分別計算出了不同流量料漿在不同的管徑輸送時的沿程阻力損失，以確定合理的物料配比、管道輸送參數(shù)。此方法科學(xué)合理，簡單易行，能為其他礦山充填料漿沿程阻力損失的計算，充填系統(tǒng)的設(shè)計提供借鑒。

［1］ 何發(fā)龍.膏體充填采礦關(guān)鍵安全問題研究［D］.長沙：中南大學(xué)，2013.

［2］ 何洪濤，周磊，王湖鑫.上向水平進(jìn)路充填采礦法在和睦山鐵礦的應(yīng)用研究［J］.有色金屬：礦山部分，2012（1）：13－16.

［3］ 周華林.空場嗣后充填采礦法充填體合理強(qiáng)度分布規(guī)律研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2012.

［4］ 鄭伯坤.尾砂充填料流變特性和高濃度料漿輸送性能研究［D］.長沙：長沙礦山研究院，2011.

［5］ 董慧珍.采空區(qū)充填料漿及其管道輸送特性試驗研究［D］.太原：太原理工大學(xué)，2013.

［6］ 劉超.基于環(huán)管輸送試驗的全尾砂膏體充填料流變特性研究［D］.衡陽：南華大學(xué)，2011.

［7］ 胡亞軍，南世卿，姚振鞏，等.全尾砂充填料漿管道輸送試驗研究［J］.采礦技術(shù)，2011（6）：20－22.

［8］ 翟永剛，吳愛祥，王洪江，等.全尾砂膏體充填臨界質(zhì)量分?jǐn)?shù)［J］.北京科技大學(xué)學(xué)報，2011（7）：795－799.

［9］ 劉同有，周成浦，金銘良，等.充填采礦技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2001：75－76，147－149.

［10］ 賀禮清.工程流體力學(xué)［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1998：135－160.

［11］ 周愛民.礦山廢料膠結(jié)充填［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2007：92－108.

［12］ 李元輝，孫豁然，孫凱年.新城金礦充填料流變特性研究［J］.黃金，2000（2）：20－24.

［13］ 楊煥文.水砂充填料漿流變參數(shù)的現(xiàn)場測定及應(yīng)用［J］.黃金，1997（2）：21－26.

［14］ 孫恒虎，黃玉誠，楊寶貴，等.當(dāng)代膠結(jié)充填技術(shù)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2002：78－80.

［15］ 許毓海，許新啟.高濃度（膏體）充填流變特性及自流輸送參數(shù)的合理確定［J］.礦冶，2004（3）：16－19.

［16］ 呂憲俊，金子橋，胡術(shù)剛，等.細(xì)粒尾礦充填料漿的流變性及充填能力研究［J］.金屬礦山，2011（5）：32－35.

［17］ Wasp E，Kenny J，Gandhi R.Solid－liquid flow slurry pipeline transportation［M］.Berlin：Trans.Tech.Publications，1977：108－109.

［18］ 金子橋，呂憲俊，胡術(shù)剛，等.膏體充填料漿水力坡度研究進(jìn)展［J］.金屬礦山，2009（11）：35－36.