黃玉誠(chéng)，林天埜，盧少奇，陳廣甫，張　震

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京 100083)

煤矸石高濃度充填料漿流變參數(shù)測(cè)試方法研究與應(yīng)用

黃玉誠(chéng)，林天埜，盧少奇，陳廣甫，張震

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京 100083)

摘要：近年來(lái)，采用煤矸石為骨料的似膏體或膏體充填采煤技術(shù)開(kāi)采“三下”壓煤已成為煤礦綠色開(kāi)采的一個(gè)重要方向。分析充填料漿流變參數(shù)是充填管輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)工作。針對(duì)常規(guī)流變儀無(wú)法測(cè)試煤矸石高濃度充填料漿流變參數(shù)的實(shí)際問(wèn)題，根據(jù)充填料漿粗骨料、粘度高的物料特征和流變參數(shù)測(cè)試原理，研制了煤矸石高濃度充填料漿流變參數(shù)測(cè)試儀和相應(yīng)的測(cè)試方法。采用自制流變儀對(duì)公格營(yíng)子礦似膏體充填料漿的流變參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試分析，確定了充填料漿管道輸送的摩阻系數(shù)，為該礦充填管道系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：煤矸石；高濃度充填料漿；流變參數(shù)；充填開(kāi)采

以煤矸石為骨料的高濃度(似膏體或膏體)充填技術(shù)具有充填強(qiáng)度高、控制地表下沉效果好、成本適中等優(yōu)點(diǎn)，成為開(kāi)采“三下”壓煤的有效方法[1-3]。實(shí)踐中，基于充填管路設(shè)計(jì)的需要，對(duì)煤矸石高濃度充填料漿流變參數(shù)的研究亟待推進(jìn)。煤矸石高濃度充填料漿(如似膏體或膏體)的料漿濃度達(dá)到70%～80%，其中煤矸石在固料中的比例達(dá)40%～ 60%，最大粒徑可達(dá)到20mm[4-5]。目前，平行板式、同軸圓筒式和毛細(xì)管式等幾種粘度計(jì)都只適用于懸浮漿液或細(xì)粒級(jí)料漿(如水泥漿等)流變參數(shù)的測(cè)量，對(duì)于這樣的粗骨料漿體流變參數(shù)的測(cè)定尚無(wú)專(zhuān)門(mén)的測(cè)試儀器，而管道實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法工作量大、費(fèi)用高，一般很少采用[6-7]，這給煤矸石高濃度充填料漿流變參數(shù)的測(cè)試帶來(lái)不便。為此，本文探索研制了煤矸石高濃度充填料漿流變儀及相應(yīng)的流變參數(shù)測(cè)試方法。

1自制流變儀的結(jié)構(gòu)組成

傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)攪拌能力低、容量小，如NXS-11A型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)，其最大攪拌功率20W，料漿測(cè)試體積60ml，只適用于細(xì)顆粒漿體的粘性參數(shù)測(cè)試。針對(duì)煤矸石高濃度充填料漿粗骨料、粘性高的物料特征而研制的流變儀，從工作原理和結(jié)構(gòu)特征考慮要實(shí)現(xiàn)對(duì)固料最大粒徑達(dá)20mm的高濃度充填料漿流變參數(shù)的測(cè)試，采用高功率動(dòng)力系統(tǒng)和大容量攪拌系統(tǒng)，其基本結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖1，其主要包括以下六個(gè)子系統(tǒng)。

1)動(dòng)力系統(tǒng)：直流調(diào)速電機(jī)，額定功率185W，額定轉(zhuǎn)速1000r/min。

2)傳感系統(tǒng)：扭矩傳感器，可同時(shí)測(cè)量攪拌軸扭矩和轉(zhuǎn)速，扭矩量程0.2N·m，轉(zhuǎn)速量程2000r/min。

4)控制系統(tǒng)：無(wú)極調(diào)速器。

5)數(shù)字顯示單元：數(shù)顯儀表一臺(tái)，具有扭矩、轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)顯示功能。在需要的情況下，可將數(shù)顯儀表連接到電腦，實(shí)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和分析。

6)輔助單元：彈性聯(lián)軸器、底座、支架和光電信號(hào)隔離器。

圖1　自制流變儀結(jié)構(gòu)組成

2自制流變儀的工作原理

大量的試驗(yàn)研究表明高濃度充填料漿的流變特性可用賓漢體模型來(lái)描述，其流變特性可用屈服應(yīng)力τ0和塑性粘度η兩個(gè)參數(shù)來(lái)表述，其流變方程表達(dá)式為式(1)[7-8]。

(1)

自制流變儀分析測(cè)試流變參數(shù)的基本原理：測(cè)試時(shí)，將高濃度料漿裝入盛料筒中，攪拌轉(zhuǎn)子在筒中攪動(dòng)，物料與圓筒壁作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，測(cè)定不同攪拌轉(zhuǎn)速時(shí)的攪拌扭矩，進(jìn)而分析得到料漿的流變參數(shù)τ0、η，見(jiàn)圖2。

葡萄糖被己糖激酶催化生成葡萄糖-6-磷酸，然后在轉(zhuǎn)酮酶的催化下轉(zhuǎn)化為4-磷酸赤蘚糖，進(jìn)一步在4-磷酸赤蘚糖激酶的去磷酸化作用下生成赤蘚糖醇，最后在赤蘚糖還原酶催化加氫作用下生成赤蘚糖醇[25]。

圖2　流變參數(shù)測(cè)試原理

對(duì)于賓漢體塑性流體，攪拌轉(zhuǎn)子角速度Ω、攪拌扭矩M和流變參數(shù)τ0、η之間存在如式(2)所示關(guān)系式[9]。

(2)

式中：R1為攪拌轉(zhuǎn)子半徑，m；R2為盛料筒半徑，m；Ω為攪拌轉(zhuǎn)子角速度，rad/s；h為攪拌轉(zhuǎn)子高度，m；M為攪拌扭矩，N·m。

對(duì)固定的儀器來(lái)說(shuō)，攪拌轉(zhuǎn)子半徑R1、盛料筒半徑R2、攪拌轉(zhuǎn)子高度h為已知，則有式(3)。

(3)

由式(3)可知，k1、k2是與儀器系統(tǒng)相關(guān)的常量參數(shù)。因此，式(2)可簡(jiǎn)化為式(4)。

(4)

對(duì)于待測(cè)定的料漿，其流變參數(shù)η、τ0是確定量，因此，測(cè)試料漿過(guò)程中的攪拌轉(zhuǎn)子角速度和攪拌扭矩的相互關(guān)系可表達(dá)為式(5)。

(5)

由式(4)和式(5)，則有式(6)。

(6)

根據(jù)以上分析，就可以通過(guò)以下的測(cè)試流程得到煤矸石高濃度充填料漿的流變參數(shù)。①首先，通過(guò)自制流變儀測(cè)定充填料漿在不同攪拌轉(zhuǎn)速Ω下的攪拌扭矩M，得到料漿的M—Ω曲線；②由M—Ω曲線得到a、b值；③由式(6)計(jì)算得到料漿的η、τ0。

3似膏體充填料漿流變參數(shù)測(cè)試

為了安全開(kāi)采水體壓煤，同時(shí)又提高資源回收率，公格營(yíng)子煤礦采用似膏體充填技術(shù)對(duì)水體下壓煤進(jìn)行開(kāi)采。該礦似膏體充填材料采用普通水泥為膠凝材料，以破碎煤矸石(粒度≤20mm)和電廠粉煤灰為骨料。從充填強(qiáng)度和泌水率的指標(biāo)要求，充填料漿濃度初選為78%和79%，其中水泥、煤矸石和粉煤灰的含量分別為4%、52%、22%～23%。

充填料漿的流變參數(shù)是充填管道輸送參數(shù)選擇和管路設(shè)計(jì)的基本依據(jù)。為了進(jìn)行充填管輸參數(shù)的分析和管路設(shè)計(jì)，采用自制流變儀對(duì)濃度78%和79%的充填料漿流變參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試分析，得到的扭矩與轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線如圖3所示。

由圖2中的扭矩與角速度關(guān)系M-Ω曲線擬合得到：①濃度78%，M=4.84×10-4Ω+1.32×10-2，其中a=4.84×10-4，b=1.32×10-2；②濃度79%，M=6.22×10-4Ω+1.76×10-2，其中a=6.22×10-4，b=1.76×10-2。

由自制流變形儀結(jié)構(gòu)可知，R1=0.02m，R2=0.05m，h=0.03m。因此通過(guò)式(6)和式(3)計(jì)算得到濃度78%和79%的似膏體料漿的流變參數(shù)，見(jiàn)表1。

圖3　測(cè)試料漿的M-Ω曲線

表1　似膏體料漿的流變參數(shù)值

4充填管輸參數(shù)的分析

4.1料漿濃度和管道內(nèi)徑的確定

充填管路管徑的大小，除了影響充填能力，還關(guān)系到充填系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和安全性。管徑太小，不僅管輸阻力大，管路磨損嚴(yán)重，而且充填能力受限，不能滿足礦山生產(chǎn)的實(shí)際要求；管徑太大，不僅浪費(fèi)管道資源，而且料漿流速太小容易出現(xiàn)固料沉降而堵管，也會(huì)導(dǎo)致不滿管流現(xiàn)象，使管路中產(chǎn)生射流沖擊、汽蝕等破壞作用，減少管道的使用壽命。似膏體的流型接近于賓漢塑性體，在管內(nèi)的合理流速為1.0～2.0 m/s。在管道輸送中，賓漢流體的摩擦阻力系數(shù)可由式(7)計(jì)算[7]。

(7)

式中：f為摩擦阻力系數(shù)，Pa/m；D為管道內(nèi)徑，m；u為漿體在管道內(nèi)平均流速，m/s。

公格營(yíng)子礦設(shè)計(jì)充填能力為Q=90 m3/h。根據(jù)前文測(cè)試分析得到的充填料漿流變參數(shù)τ0、η值及充填能力，由式(7)計(jì)算得到不同管徑條件下的摩擦阻力系數(shù)如表2所示。

表2　不同管徑條件下的摩擦阻力系數(shù)

從表2可以看出，濃度79%的摩擦阻力系數(shù)是濃度78%的1.3～1.4倍，阻力系數(shù)增加顯著。綜合考慮管道流速和阻力，確定采用濃度為78%充填料漿，管道內(nèi)徑D=0.15m，其管輸阻力系數(shù)f=8.29×103Pa/m。

4.2充填泵最大工作壓力

公格營(yíng)子礦充填管路總長(zhǎng)度1069m，垂直高度118m。考慮Q=90m3/h運(yùn)行條件下，充填泵最大工作壓力見(jiàn)式(7)。

=1.1×1069×8.29×103-118×1950×9.8

(7)

式中：L為管路總長(zhǎng)，L= 1069m；f為管道的摩阻系數(shù)，f= 8.29kPa/m；k為局部阻力系數(shù)，取10%；ΔH為管路的垂直高度，ΔH= 118m；為料漿密度，ρ= 1950kg/m3。

因此，在充填流量Q=90m3/h條件下，充填泵的最大工作壓力為7.49MPa。根據(jù)以上分析，結(jié)合充填泵的標(biāo)準(zhǔn)配置，實(shí)際選擇了流量Q=90m3/h、額定泵壓P=10MPa的充填泵。

5結(jié)論

1)根據(jù)煤矸石高濃度充填料漿粗骨料、粘性高的物料特征以及流變參數(shù)測(cè)試原理，研制了煤矸石高濃度充填料漿流變儀及相應(yīng)的流變參數(shù)測(cè)試方法。

2)將新研制的流變儀應(yīng)用于實(shí)踐，測(cè)試分析了公格營(yíng)子礦的似膏體充填料漿濃度78%和79%的流變參數(shù)。

3)結(jié)合實(shí)際工作條件進(jìn)行了充填管路阻力系數(shù)計(jì)算和合理管徑的分析，選定濃度為78%充填料漿，管道內(nèi)徑D=0.15m，為充填泵的選型提供了科學(xué)依據(jù)。

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Research and application of the test method on high density gangue backfill slurry’s rheological parameters

HUANG Yu-cheng，LIN Tian-ye，LU Shao-qi，CHEN Guang-fu，ZHANG Zhen

(China University of Mining and Technology(Beijing)，Beijing 100083，China)

Abstract:In recent years，it has been an important direction on green mining that gangue based paste-like or paste backfill technology is used for mining coal under village，railway line and under water.The analysis of slurry’s rheological parameters is a basic work for the design of backfill pipeline system.For the practical problem that the general rheometer couldn’t test the rheological characteristic of high density gangue based backfill slurry，the rheometer on high density gangue backfill slurry’s rheological parameters and the corresponding test method are developed，according to the coarse aggregate，high viscosity material characteristics of the backfill slurry and the test theory of rheological parameters.By the test and analysis of the paste-like fill slurry’s rheological parameters of Gonggeyingzi mine with the new rheometer，the friction coefficient of the backfill pipeline transportation is determined.The research provides a scientific basis for the optimization design of the mine backfill pipeline system.

Key words：gangue；high density backfill slurry；rheological parameter；backfill mining

收稿日期：2015-07-20

作者簡(jiǎn)介：黃玉誠(chéng)(1966-)，男，博士，教授、博士生導(dǎo)師。從事充填采礦和充填防滅火等的教學(xué)與科研工作。E-mail：hyc@cumtb.edu.cn。

中圖分類(lèi)號(hào)：

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-4051(2016)02-0102-03