萬樹興，李 琳

(承德石油高等?？茖W(xué)校，河北 承德 067000)

基于管壁切應(yīng)力的全尾膏體配比確定

萬樹興，李 琳

(承德石油高等?？茖W(xué)校，河北 承德 067000)

管壁切應(yīng)力的大小反映了管道磨損率的大小，是評價管道輸送的重要指標(biāo)。以料漿濃度、灰砂比、全尾/廢石及全尾/庫存尾砂為4個影響因素，建立四因素六水平均勻設(shè)計試驗方案。利用漿式流變儀測定不同配比的膏體流變學(xué)參數(shù)，并對各水平下的管壁切應(yīng)力進(jìn)行回歸分析，探討各因素對管壁切應(yīng)力的影響及貢獻(xiàn)。結(jié)果表明：料漿質(zhì)量濃度對管壁切應(yīng)力貢獻(xiàn)大，敏感性高；廢石次之；庫存尾砂第三；砂灰比影響最小。最終推薦以下2種充填配合比：濃度80%，砂灰比10，庫存尾砂比2%，尾廢比4%和濃度79.5%，砂灰比12，庫存尾砂比14%，尾廢比10%。

漿式流變儀；流變參數(shù)；管壁切應(yīng)力；充填配比

隨著國家宏觀政策的改變及礦山深部開采的增加，充填采礦技術(shù)越來越受到重視，并逐漸大規(guī)模應(yīng)用到礦山開采中，成為一種集經(jīng)濟(jì)、安全、環(huán)保于一體的采礦方法[1]。近20年來，膏體充填技術(shù)因其不脫水、不沉淀、不離析等諸多優(yōu)點[2-3]，不僅在國外如加拿大等礦業(yè)發(fā)達(dá)國家得到廣泛應(yīng)用，在我國如會澤鉛鋅礦、伽師銅礦、金川鎳礦等礦山也得到大力推廣。同時，膏體充填料漿因其濃度高，流動性差，給礦山管道輸送帶來了如堵管、爆管等諸多問題。為研究管道輸送技術(shù)，保證膏體充填系統(tǒng)正常運(yùn)行，國內(nèi)外學(xué)者對膏體充填料漿的流變特性進(jìn)行了廣泛而深入的研究[4-6]。全尾砂膏體料漿是一種典型的非牛頓體，一般為屈服偽塑性體，具有屈服應(yīng)力和塑性粘度。為測得膏體料漿的流變參數(shù)，槳式流變儀、同軸圓柱型、錐板型、平板型、毛細(xì)管粘度儀等多種流變儀應(yīng)運(yùn)而生[7]，為最大限度的降低壁面滑移效應(yīng)的影響，漿式流變儀得到了廣泛應(yīng)用[8]。

用于漿體的動態(tài)流變模型有多種，如Bingham模型、Casson模型、Power Law模型和Herschel-Bulkley模型等。根據(jù)相關(guān)學(xué)者研究，膏體宜視為塑性結(jié)構(gòu)流，并采用賓漢姆(Bingham)模型對其進(jìn)行描述[9-10]，其流變方程見式(1)。

(1)

式(1)表示：在外力作用下，具有塑性粘度系數(shù)η的剪切應(yīng)力和流速v的梯度dv/dy大小成正比。本文就是采用賓漢姆(Bingham)模型進(jìn)行分析預(yù)測不同充填配比之間的流變參數(shù)。

本文以云南某礦山膏體充填系統(tǒng)為背景，礦山為減少尾砂排放量，增加尾礦庫服務(wù)年限，減少井下環(huán)境污染，有效控制地壓，將庫存尾砂與水泥、廢石、全尾砂一并充入井下采空區(qū)?；跐{體流變學(xué)理論，從管道輸送角度出發(fā)，以管壁切應(yīng)力為考察指標(biāo)，確定適用于該礦的最佳充填配比，為礦山實際生產(chǎn)提供指導(dǎo)性理論。

1 試 驗

1.1 試驗儀器與物料

試驗采用的設(shè)備為R/S型四葉槳式旋轉(zhuǎn)流變儀。該設(shè)備的測試原理是將扭矩測量頭相連的四葉槳式轉(zhuǎn)子浸入所要測試的料漿中，以恒定的加速剪切速率旋轉(zhuǎn)，通過在附件RHEO3000軟件界面設(shè)置流變參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測，輸出剪切應(yīng)力—剪切速率曲線，并可對數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理。充填物料由全尾砂、水泥、廢石及庫存尾砂組成，全尾砂及廢石粒級組成采用激光粒度儀和人工篩分獲得，如圖1及圖2所示。庫存尾砂級配組成與全尾砂相同，水泥采用32.5R普通硅酸鹽水泥。

圖1 全尾砂粒級組成曲線

1.2 試驗方案

方案設(shè)計時遵循3個原則：盡可能提高濃度，盡可能減少水泥用量，盡可能提高廢石的利用率。因此濃度范圍選擇為79%～81.5%，砂灰比選擇為6～11，庫存尾砂和廢石含量均選擇為1%～16%。其中砂灰比是指(全尾砂+廢石+庫存尾砂)/水泥質(zhì)量；庫存尾砂含量是指除去水泥庫存尾砂所占干料的比例，廢石含量同理。為全面分析影響因素，減少試驗工作量，采用均勻設(shè)計法設(shè)計試驗方案，根據(jù)試驗考查因素，選擇4因素6水平均勻設(shè)計表，見表1。

圖2 廢石粒級組成曲線

表1 均勻設(shè)計表U6(64)

水平1234A11236A22465A33624A44153A55312A66541

注：表中1,2,3,4分別代表濃度(%)，砂灰比，庫存尾砂比(%)，尾廢比(%)。

根據(jù)膏體特性，為了更為準(zhǔn)確的測得料漿流變參數(shù)，試驗屈服應(yīng)力和塑性粘度等流變參數(shù)測量采用直接法。根據(jù)相關(guān)學(xué)者研究，在流變儀實時控制軟件RHEO300中選擇控制剪切應(yīng)力的CSS模式較為準(zhǔn)確[11-12]，即保證相同的加速度調(diào)整槳葉剪切應(yīng)力，當(dāng)槳葉處于靜止?fàn)顟B(tài)時，說明槳葉剪切應(yīng)力還未達(dá)到屈服應(yīng)力，此時膏體料漿不產(chǎn)生應(yīng)變；隨著槳葉剪切應(yīng)力的增加，接近屈服應(yīng)力時，槳葉開始慢慢轉(zhuǎn)動，隨之膏體料漿產(chǎn)生應(yīng)變；繼續(xù)以相同的加速度調(diào)整剪切應(yīng)力，當(dāng)其值高于屈服應(yīng)力時，漿體的應(yīng)變慢慢擴(kuò)大，此時就可以檢測出應(yīng)變與應(yīng)力的函數(shù)，得到膏體料漿的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，將曲線中的直線部分進(jìn)行回歸分析即得到屈服應(yīng)力稱為賓漢屈服應(yīng)力(B點)，線性回歸的斜率稱為塑性粘度系數(shù)，應(yīng)力-剪切速率曲線如圖3所示。

2 試驗結(jié)果

根據(jù)試驗方案測定屈服應(yīng)力及塑性粘度值，試驗結(jié)果見表2，其復(fù)相關(guān)系數(shù)R2均大于0.95，因此屈服應(yīng)力及塑性粘度測得結(jié)果較為準(zhǔn)確。

圖3 應(yīng)力-剪切速率曲線圖

表2 不同水平流變值

水平1234屈服應(yīng)力/Pa塑性粘度/Pa．s復(fù)相關(guān)系數(shù)R2A1797716137．7490．0980．971A279．591613127．2650．0030．962A38011410240．1780．0570．994A480．56137300．4430．0020．979A581814321．0060．1840．977A681．510101485．9020．0040．957

3 管壁切應(yīng)力分析

管壁切應(yīng)力的大小反映了管道磨損率的大小。漿體在管道輸送過程中的流動形式可分為層流和紊流。低流速的膏體充填料漿處于層流區(qū)，近似視為賓漢塑性體，管壁處切應(yīng)力和切變率8v/D之間的關(guān)系可以用伯金漢(buckingham)方程(式(2))表示[13]。

(2)

式(2)中，τ0為膏體料漿屈服應(yīng)力,Pa；μB為膏體料漿塑性粘度，Pa?s；v為料漿流速，m/s；在結(jié)構(gòu)流區(qū)域內(nèi)，壁面剪切應(yīng)力τw與切變率8v/D在切變率高值范圍內(nèi)呈直線關(guān)系，簡化4次方項，式(2)變?yōu)槭?3)。

(3)

式(3)中：τw為管壁處切應(yīng)力，Pa；τ0為漿體屈服應(yīng)力，Pa；μB為漿體塑性粘度，Pa.s；υ為漿體的平均流速，m/s；D為管道直徑，m。

目前該礦山實際充填流量45m3/h～60m3/h，管徑為150mm，充填料漿流速為0.8～1.2m/s，因流速對于管壁切應(yīng)力影響較小，因此將該流速范圍速按照屈服應(yīng)力大小不同進(jìn)行分配。將試驗參數(shù)以及現(xiàn)場參數(shù)代入式(3)，可得試驗管壁切應(yīng)力，計算結(jié)果見表3。

表3 管壁切應(yīng)力計算

用均勻設(shè)計軟件對充填料漿管壁切應(yīng)力進(jìn)行回歸分析，方程見式(4)。

50.667lnx3+4.133×10-3×(-2)x4+843.667

(4)

式(4)中：y為屈服應(yīng)力，Pa；x1為料漿質(zhì)量濃度，%；x2為砂灰比，%；x3為庫存尾砂含量，%；x4為廢石含量，%。方程顯著性檢驗見表4。

表4 回歸方程顯著性檢驗

由表4知，F(xiàn)檢驗值Ft=2.973e+4，臨界值F(0.05,4,1)=224.6，F(xiàn)t>F(0.05,4,1)，回歸方程顯著。各方程項對回歸的貢獻(xiàn)排列如下(按偏回歸平方和降序排列):U(1)= 7.22e+4，U(1)/U=81.1%，U(4)=1.48e+4，U(4)/U=16.6%，U(3)=5.84e+3，U(3)/U=6.56%，U(2)=3.18e+3，U(2)/U=3.57%。

從式(4)可以看出，在試驗因素水平內(nèi)，剪切應(yīng)力與質(zhì)量濃度、砂灰比含量正相關(guān)，與廢石含量和庫存尾砂負(fù)相關(guān)，對照試驗結(jié)果顯示，庫存尾砂、廢石添加量與屈服應(yīng)力也是負(fù)相關(guān)，結(jié)果相一致。在試驗因素水平內(nèi)，料漿質(zhì)量濃度對管壁切應(yīng)力貢獻(xiàn)大，敏感性高；廢石其次；庫存尾砂、砂灰比影響最小。可見，濃度和廢石對管壁切應(yīng)力影響最大，并且添加量與管壁切應(yīng)力變化規(guī)律也與實際物理意義相符，而砂灰比、庫存尾砂對于管壁切應(yīng)力影響相對較小。實際生產(chǎn)中應(yīng)增加廢石及庫存尾砂比重，既可以降低管壁切應(yīng)力，減少管道摩擦，同時降低充填成本。

4 配合比確定

根據(jù)國內(nèi)外研究資料，膏體屈服應(yīng)力范圍為(200±25)Pa[14-15]。因此，管徑為150mm，流速為1m/s的膏體料漿，管壁切應(yīng)力應(yīng)為(233～300)Pa。試驗范圍內(nèi)管壁切應(yīng)力范圍為169.71～648.05 Pa。取其平均值，料漿濃度為80.25%，砂灰比為8.5，庫存尾砂含量與廢石含量各為8%，流速為1m/s，管壁切應(yīng)力為408.88 Pa。試驗范圍內(nèi)各配比無法滿足輸送要求。結(jié)合式(3)及實際生產(chǎn)情況，初步推薦三種配合比，并通過漿式流變儀進(jìn)行流變試驗驗證。理論推導(dǎo)值及實測值，見表5。

表5 管壁切應(yīng)力誤差表

由表5知，三種充填配比的誤差范圍均在5%以內(nèi)，理論推導(dǎo)結(jié)果較為準(zhǔn)確，同時第三種充填配比因管壁切應(yīng)力實測值為>300Pa，固舍棄。因此推薦B1和B2作為礦山充填配比。

5 結(jié) 論

1)均勻設(shè)計法可以全面分析影響因素，同時最大限度的減少試驗工作量，通過均勻設(shè)計軟件得到管壁切應(yīng)力與各影響因素之間的非線性回歸方程，為礦山調(diào)整充填配比提供了指導(dǎo)意義。

2)由非線性回歸方程得出，在管徑及流速一定的條件下，管壁切應(yīng)力與質(zhì)量濃度、砂灰比含量正相關(guān)，與廢石含量和庫存尾砂負(fù)相關(guān)。料漿質(zhì)量濃度對管壁切應(yīng)力貢獻(xiàn)大，敏感性高；廢石其次；庫存尾砂、砂灰比影響最小。

3)經(jīng)過非線性回歸模型的預(yù)測，得到3種膏體充填配比符號要求。并通過流變試驗驗證，誤差均在5%以內(nèi)，同時考慮到管壁切應(yīng)力需<300Pa，最終推薦兩種充填配比：濃度80%，砂灰比10，庫存尾砂比2%，尾廢比4%和濃度79.5%，砂灰比12，庫存尾砂比14，尾廢比10。

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Determination of filling ratio of unclassified tailings paste based on wall shear stress

WAN Shu-xing，LI Lin

(Chengde Petroleum College，Chengde 067000，China)

The size of the wall shear stress reflect the size of the pipe wear rate，wall shear stress is the important index to evaluatepipeline transportation.Slurry concentration，sand-cement ratio，unclassified tailings-inventory tailings and unclassified tailings-waste rock ratio as the influencing factor，the four factors six level of uniform design experiment scheme was established.Determining rheological parameters of different paste cement-tailing ratios by using plasma type rheometer，the regression analysis of the wall shear stress was done in different level， discussing the influence and contributionbetween the influencing factors and wall shear stress.The results show that slurry concentration has the most important impact on wall shear stress，waste rock takes second place，inventory tailings is the third，sand-cement ratio is last.The two filling ratios that concentration is 80%，sand-cement ratio is 10，unclassified tailings- inventory tailings is 2%，unclassified tailings-waste rock ratio is 4% and concentrationis79.5%，sand-cement ratiois 12，unclassified tailings- inventory tailingsis14%，unclassified tailings-waste rock ratiois10% were determined finally.

plasma type rheometer；rheological parameters；wall shear stress；filling ratios

2015-01-10

萬樹興(1970-)，男，講師，主要從事漿體管道輸送方面的教學(xué)與研究工作。E-mail:wanshuxing1970@126.com。

TD851；TD982

A

1004-4051(2015)07-0137-04