王志凱，呂文生，楊 鵬, 2，王志軍，諸利一

?

超聲波對(duì)充填料漿流變特性的影響及流變參數(shù)預(yù)測(cè)

王志凱1, 3，呂文生1，楊 鵬1, 2，王志軍1，諸利一1

(1. 北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083；2. 北京聯(lián)合大學(xué) 北京市信息服務(wù)工程重點(diǎn)試驗(yàn)室，北京 100101；3. 中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司 恩菲研究院，北京 100038)

為了改善高濃度充填料漿的流變特性，降低充填系統(tǒng)中堵管現(xiàn)象發(fā)生的概率，將超聲波非接觸性地作用于充填料漿。采用高精度Brookfield R/S-SST軟固體測(cè)試儀，通過(guò)試驗(yàn)檢測(cè)得到超聲波作用下不同濃度、不同灰砂比全尾砂充填料漿的流變參數(shù)。結(jié)果表明：超聲波可以顯著改善充填料漿的流變特性，降低充填料漿的塑性黏度和屈服應(yīng)力，超聲對(duì)料漿黏度值的降低效果可達(dá)4.32%~39.33%，對(duì)料漿屈服應(yīng)力的減小效果可達(dá)9.66%~34.27%。同時(shí)，借助支持向量機(jī)建立充填料漿流變參數(shù)預(yù)測(cè)模型。所得預(yù)測(cè)模型校驗(yàn)結(jié)果顯示，該模型精度較高，具有較強(qiáng)的泛化能力，實(shí)現(xiàn)了功率超聲條件下充填料漿流變參數(shù)的預(yù)測(cè)。

超聲波；充填料漿；流變參數(shù)；支持向量機(jī)

為了滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的需要，礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)規(guī)模越來(lái)越大。隨著淺地表資源的消耗殆盡以及社會(huì)發(fā)展對(duì)礦產(chǎn)資源需求的日益增長(zhǎng)，深井開(kāi)采將是未來(lái)礦業(yè)的發(fā)展方向[1?2]。由于深部開(kāi)采高應(yīng)力、高地壓、高地溫的特點(diǎn)，再加上建設(shè)綠色礦山和礦業(yè)可持續(xù)的發(fā)展趨勢(shì)，使充填采礦法成為深部開(kāi)采的首選方法。在充填采礦中，又以高濃度尾砂充填法應(yīng)用的最多[3]。改善料漿在充填管道輸送過(guò)程中的流動(dòng)性，是實(shí)現(xiàn)礦山高效充填，提高充填質(zhì)量的重要保證。充填料漿的流變特性是整個(gè)輸送環(huán)節(jié)的核心，直接關(guān)系到充填管路阻力的計(jì)算，影響管道參數(shù)的設(shè)計(jì)，同時(shí)料漿黏度及屈服應(yīng)力的減小將有助于降低管道堵管現(xiàn)象發(fā)生的概率[4]。目前，測(cè)量流變參數(shù)的方法有直接法和間接法兩種[5]。LIDDELL等[6]研究表明：同軸圓柱檢測(cè)法得到的屈服應(yīng)力明顯小于槳式轉(zhuǎn)子檢測(cè)法的結(jié)果；SAAK等[7]的研究表明，同一臺(tái)流變儀，不同的轉(zhuǎn)速下應(yīng)力結(jié)果也不同，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越快，檢測(cè)屈服應(yīng)力越大。SAAK等[8]在對(duì)新拌砂漿流變特性的測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，槳式流變儀能夠有效降低壁面滑移效應(yīng)的影響。吳愛(ài)祥等[9]分別利用塌落度法和槳式流變儀對(duì)膏體的屈服應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)試，塌落度法所得結(jié)果為膏體動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力，槳式流變儀的操作方法不同其屈服應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果相差較大，采用控制剪切應(yīng)力法所得為靜態(tài)屈服應(yīng)力，控制剪切速率法所得為動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力。劉同有[10]對(duì)比了幾種典型流變儀的測(cè)試效果，提出應(yīng)根據(jù)物料的性質(zhì)和粒度組成選擇流變特性的檢測(cè)方法，細(xì)物料可選用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，摻入粗骨料時(shí)可選用兩點(diǎn)儀，對(duì)于復(fù)雜物料應(yīng)通過(guò)環(huán)管輸送試驗(yàn)來(lái)測(cè)定。黃玉誠(chéng) 等[11?12]采用NXS?11A型旋轉(zhuǎn)式黏度計(jì)對(duì)尾砂作骨料的似膏體充填料漿進(jìn)行了系列試驗(yàn)，得到了相應(yīng)的流變關(guān)系曲線(xiàn)，充填料漿適用于賓漢塑性體進(jìn)行 回歸。

超聲技術(shù)是一門(mén)以物理、電子、機(jī)械以及材料為基礎(chǔ)的高新技術(shù)之一。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域相互滲透，超聲技術(shù)在工業(yè)、化工、醫(yī)學(xué)、石油化工等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用[13]。DU等[14]提出濃密機(jī)結(jié)合超聲波處理，通過(guò)冷凍制樣掃描電鏡(Cryo-SEM)，從微觀(guān)結(jié)構(gòu)上分析了超聲波處理砂漿，顆粒絮體結(jié)構(gòu)的改變。LI等[15]提出利用超聲波處理可以改變水煤漿的流變特性，降低水煤漿的表觀(guān)黏度值。GUO等[16]提出了不同超聲處理時(shí)間對(duì)水煤漿黏度的影響原因，CHU等[17]利用超聲波處理污泥，發(fā)現(xiàn)多孔絮凝物容易重組為更緊湊的結(jié)構(gòu)，王志凱等[18]研究發(fā)現(xiàn)超聲波能快速促進(jìn)尾砂漿濃密沉降，同時(shí)改善砂漿的流變特性，從而避免了添加絮凝劑致使砂倉(cāng)壁細(xì)砂板結(jié)和延長(zhǎng)濃密時(shí)間帶來(lái)的弊端。

充填料漿的流變特性涉及到眾多不確定性因素，各因素之間往往表現(xiàn)出非線(xiàn)性關(guān)系，傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型很難表達(dá)和揭示其內(nèi)在聯(lián)系。超聲波對(duì)漿體的作用機(jī)理尚停留在宏觀(guān)認(rèn)識(shí)，目前還沒(méi)有具體的數(shù)學(xué)公式和模型可以對(duì)此進(jìn)行計(jì)算。因此，有必要對(duì)超聲與充填料漿流變特性的響應(yīng)關(guān)系建立一個(gè)預(yù)測(cè)模型，來(lái)指導(dǎo)充填料漿的配比和制備，以滿(mǎn)足工程需要。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

充填材料來(lái)源于充填站現(xiàn)場(chǎng)采集的全尾砂和水泥。在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行表觀(guān)相對(duì)密度和容重試驗(yàn)可得水泥和尾砂的物理參數(shù)如表1和2所列。

表1 全尾砂物理參數(shù)

表2 水泥物理參數(shù)

對(duì)尾砂和水泥的粒級(jí)組成采用LMS?30激光粒度分布測(cè)定儀進(jìn)行檢測(cè)。尾砂和水泥的粒級(jí)分布情況如圖1和2所示。

全尾砂的不均勻系數(shù)C=3.149，尾砂中顆粒粒徑的分布較為分散，大顆粒與小顆粒之間的粒徑相差 較大。

1.2 試驗(yàn)裝置

超聲波發(fā)生器的頻率范圍為20~45 kHz，功率的變化范圍為0~900 W，可以通過(guò)安裝不同數(shù)目的換能器(振子)來(lái)實(shí)現(xiàn)最大功率的轉(zhuǎn)換。本次試驗(yàn)最終所選用的超聲波發(fā)生器如圖3(a)所示。超聲波換能器單個(gè)振子功率范圍為0~100 W，如圖3(b)所示。

本試驗(yàn)流變參數(shù)測(cè)量裝置采用美國(guó)Brookfield公司生產(chǎn)的R/S-SST軟固體測(cè)試儀，料漿測(cè)試容器使用防銹防磁的不銹鋼材料，容器的外形尺寸如圖4(a)所示，實(shí)物圖如4(b)所示。

圖1 尾砂粒級(jí)分布曲線(xiàn)圖

圖2 水泥粒級(jí)分布曲線(xiàn)圖

流變儀、測(cè)試容器、超聲波發(fā)生器，振子和電腦組成了整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)。超聲波發(fā)生器通過(guò)換能器作用于測(cè)量容器內(nèi)的充填料漿，流變儀將槳式轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)量的流變參數(shù)數(shù)據(jù)傳輸給Rheo2000軟件，Rheo2000軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析擬合并得出流變參數(shù)測(cè)量結(jié)果。

1.3 試驗(yàn)步驟

全尾砂充填料漿濃度配比分別為70%、72%、74%、76%和78%，灰砂比為1:6、1:8和1:10。為了降低試驗(yàn)誤差，每種組別的料漿進(jìn)行至少3次試驗(yàn)，然后剔除異常數(shù)據(jù)取平均值。超聲波的頻率為20 kHz和40 kHz兩種，功率分別為0(不施加超聲波)、25、50、75和100 W?？疾斐暡üβ蕝?shù)對(duì)充填料漿流變參數(shù)黏度值和屈服應(yīng)力0的影響，本次流變?cè)囼?yàn)的充填料漿采用Bingham模型。

圖3 超聲波發(fā)生器與超聲波振子

圖4 黏度與屈服應(yīng)力測(cè)試容器

首先將配好的全尾砂料漿手動(dòng)攪拌5 min。把鋼筒固定到合適的位置，料漿倒入到鋼筒中攪拌均勻后安裝V?3?60?30槳式轉(zhuǎn)子，操作Rheo2000軟件開(kāi)始進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)定不同濃度、不同配比的充填料漿在各個(gè)超聲頻率和功率、各剪切速率下的剪切應(yīng)力值。預(yù)先將Brookfield R/S-SST軟固體測(cè)試儀的Rheo2000軟件將剪切時(shí)間設(shè)置為120 s，剪切速率范圍0~120 s?1，測(cè)試起始溫度為室溫(28 ℃)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 超聲波對(duì)料漿黏度值的影響

2.1.1 20 kHz不同功率超聲波對(duì)料漿黏度的影響

在20 kHz超聲頻率下，不同超聲波功率對(duì)不同濃度、不同灰砂比的充填料漿黏度值的影響如下圖5 所示。

從圖5中可以看出，在20 kHz的超聲環(huán)境下，當(dāng)灰砂比為1:6時(shí)，隨著超聲功率的增加，料漿的黏度值總體上呈緩慢的下降趨勢(shì)。料漿的黏度值在50~75 W功率范圍內(nèi)下降趨勢(shì)相對(duì)較大，在0~25 W功率范圍內(nèi)下降趨勢(shì)不明顯，在75~100 W功率范圍內(nèi)下降趨勢(shì)微弱。當(dāng)充填料漿濃度為72%、74%和76%時(shí)，施加50 W功率的超聲波，充填料漿黏度值已經(jīng)表現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)。當(dāng)灰砂比為1:8時(shí)，隨著超聲功率的增加，料漿的黏度值呈線(xiàn)性下降趨勢(shì)，超聲波對(duì)灰砂比1:8的料漿降黏效果整體較好。當(dāng)料漿灰砂比為1:10時(shí)，25~75 W的功率對(duì)料漿黏度值降低最為有效，并且在此功率范圍內(nèi)，黏度值的降低最為明顯，功率大于75 W后，黏度值的下降趨勢(shì)變緩慢，但總體上隨著超聲波功率的增大，黏度值趨于下降。經(jīng)計(jì)算，20 kHz功率為25 W的超聲波使不同灰砂比、不同濃度的充填料漿的塑性黏度平均減小了0.022 Pa?s，降低了4.32%；超聲波功率為50 W時(shí)，塑性黏度平均減小0.062 Pa?s，降低12.01%；超聲波功率為75 W時(shí)，塑性黏度平均減小了0.122 Pa?s，降低23.98%；超聲波功率為100 W時(shí)，塑性黏度平均減小了0.138 Pa?s，降低25.26%，降黏效果最優(yōu)。

2.1.2 40 kHz不同功率超聲對(duì)料漿黏度的影響

在40 kHz超聲頻率下，不同功率超聲波對(duì)不同濃度、不同灰砂比的充填料漿黏度值的影響如下圖6 所示。

圖5 黏度隨功率(20 kHz)的變化曲線(xiàn)

由圖6可以看出，在40 kHz超聲波作用下下，灰砂比為1:6時(shí)，隨著超聲功率的增加，料漿的黏度值總體上呈緩慢的下降趨勢(shì)。超聲波對(duì)濃度為78%的充填料漿降黏效果超過(guò)了濃度為76%的充填料漿。超聲功率為0~25 W時(shí)，降黏程度最高。當(dāng)灰砂比為1:8時(shí)，超聲波對(duì)濃度分別為72%和74%的充填料漿降黏效果最優(yōu)。當(dāng)料漿灰砂比為1:10時(shí)，濃度為70%的充填料漿的降黏程度最小，超聲波對(duì)濃度為74%的充填料漿降黏效果最佳。其中，功率為100 W時(shí)，黏度平均減小了0.201 Pa?s，降低39.33%。充填料漿的黏度值隨著超聲功率的增加而減小，不同超聲功率的降黏效果也隨著料漿灰砂比和濃度的不同而變化。與頻率為20 kHz的超聲波作用相比較，40 kHz的超聲波降黏效果更優(yōu)。

圖6 黏度隨功率(40 kHz)的變化曲線(xiàn)

2.2 超聲波對(duì)料漿屈服應(yīng)力的影響

2.2.1 20 kHz不同功率超聲對(duì)料漿屈服應(yīng)力的影響

在20 kHz超聲頻率下，超聲功率因素對(duì)充填料漿屈服應(yīng)力的影響如下圖7所示。

圖7 屈服應(yīng)力隨功率(20 kHz)的變化曲線(xiàn)

從圖7中可以看出，充填料漿屈服應(yīng)力也是隨著超聲功率的增加而減小。超聲的作用效果隨著灰砂比和濃度的增加而增強(qiáng)，隨著其功率的增大而增強(qiáng)。其中超聲功率在100 W屈服應(yīng)力平均降低了30.77%。

2.2.2 40 kHz不同功率超聲對(duì)料漿屈服應(yīng)力的影響

在40 kHz超聲頻率下，超聲功率因素對(duì)充填料漿屈服應(yīng)力的影響如下圖8所示。

從圖8中可以看出，頻率為40 kHz功率超聲對(duì)料漿屈服應(yīng)力的減小作用呈緩慢下降趨勢(shì)，料漿屈服應(yīng)力隨著超聲功率的增加而減小。100 W時(shí)，屈服應(yīng)力平均減小了10.424 Pa，降低34.27%。與20 kHz超聲波作用相比較，40 kHz超聲波作用對(duì)高濃度充填料漿屈服應(yīng)力的減小更有效果。

圖8 屈服應(yīng)力隨功率(40 kHz)的變化曲線(xiàn)

2.3 超聲波作用對(duì)充填料漿降黏機(jī)理分析

超聲波作用于尾砂充填料漿時(shí)，在分子鏈之間薄弱處或充填料漿與容器壁面接觸處產(chǎn)生超聲空化效應(yīng)。超聲空化效應(yīng)可以形成了微泡，并且在尾砂顆粒表面上富集，伴隨著空化氣泡的崩潰帶來(lái)的熱點(diǎn)、射流、沖擊波等效應(yīng)會(huì)對(duì)充填料漿在宏觀(guān)和微觀(guān)上產(chǎn)生一定的影響，如圖9所示。

宏觀(guān)上，超聲波作用相當(dāng)于在穩(wěn)態(tài)剪切流動(dòng)的充填料漿上施加了一個(gè)脈沖推動(dòng)力，促使了充填料漿在整體沿流動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)。微觀(guān)上，超聲波在充填料漿中傳播時(shí)，由于耗散作用超聲波在較大的范圍內(nèi)作用于充填料漿，充填料漿吸收超聲波能量，加劇了分子在平衡位置的振動(dòng)，增加了分子鏈的能量，同時(shí)增強(qiáng)了分子鏈的活動(dòng)性，從而減弱了分子鏈之間相互作用，降低了對(duì)流動(dòng)產(chǎn)生的黏性阻力，單個(gè)分子鏈的運(yùn)動(dòng)自由度和運(yùn)動(dòng)能量增加，使超聲作用下充填料漿分子鏈的構(gòu)象發(fā)生了改變。同時(shí)，超聲波的空化作用引起的熱效應(yīng)會(huì)在瞬間產(chǎn)生高溫高壓，雖然作用范圍較小，但仍然對(duì)周?chē)肿渔湲a(chǎn)生了熱降解。微射流和沖擊波會(huì)剪斷部分分子鏈，使充填料漿的分子量降低，分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，表現(xiàn)為充填料漿黏度的降低。

3 基于SVM的料漿流變參數(shù)預(yù)測(cè)

3.1 模型的建立

基于支持向量機(jī)(SVM)方法建立功率超聲條件下漿體流變參數(shù)預(yù)測(cè)模型。按照獲取樣本、選擇條件屬性、數(shù)據(jù)歸一化處理、訓(xùn)練挖掘4個(gè)步驟建立模型。

3.1.1 模型影響因素的選擇

充填料漿流變特性的影響因素多而且影響特性復(fù)雜，各因素之間表現(xiàn)出非線(xiàn)性特征。影響充填料漿流變參數(shù)的自身因素主要有漿體濃度、灰砂比、尾砂物理化學(xué)性質(zhì)、粒級(jí)組成與級(jí)配、膠凝材料種類(lèi)、細(xì)顆粒含量、溫度等，超聲對(duì)漿體流變特性影響的因素主要為功率和頻率。在研究多因素影響規(guī)律時(shí)，選擇可主動(dòng)控制和調(diào)節(jié)的因素作為試驗(yàn)因素。因此，確定濃度、灰砂比、功率、頻率、屈服應(yīng)力、黏度值為試驗(yàn)因素。

在支持向量機(jī)回歸預(yù)測(cè)模型中，試驗(yàn)樣本中的試驗(yàn)因素分為條件屬性和決策屬性。最終，確定條件屬性為濃度、灰砂比、功率、頻率，決策屬性為屈服應(yīng)力、黏度值。

3.1.2 樣本數(shù)據(jù)預(yù)處理

選取訓(xùn)練樣本集是建立支持向量機(jī)回歸預(yù)測(cè)模型首要問(wèn)題[19]。通過(guò)充填料漿的流變?cè)囼?yàn)所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為預(yù)測(cè)模型的樣本數(shù)據(jù)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)篩選共得到120組，其中110組作為訓(xùn)練樣本用于模型的訓(xùn)練學(xué)習(xí)，如表3所列，10組作為校驗(yàn)樣本用來(lái)檢驗(yàn)訓(xùn)練好的預(yù)測(cè)模型，如表4所列。

為了消除條件屬性中不同量綱的數(shù)據(jù)對(duì)結(jié)果的影響，加快訓(xùn)練網(wǎng)格的收斂性，使數(shù)據(jù)具有可比性的特點(diǎn)以及統(tǒng)計(jì)意義，需要對(duì)原始輸入變量值進(jìn)行歸一化處理。

采用最大最小歸一化方法對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，如式1所示的。條件屬性和決策屬性的歸一化區(qū)間為[0，1]。

歸一化處理過(guò)后的樣本數(shù)據(jù)如表5所列。

3.1.3 模型及參數(shù)

在SVM中，映射函數(shù)、核函數(shù)、特征空間，三者一一對(duì)應(yīng)。因此，在構(gòu)造SVM模型時(shí)，必須合理選取核函數(shù)和懲罰參數(shù)。

選用徑向基核函數(shù)(RBF)作為回歸預(yù)測(cè)模型的核函數(shù)。最終支持向量機(jī)擬合函數(shù)的表達(dá)式可以寫(xiě)為

圖9 超聲波對(duì)尾砂漿顆粒的作用

表3 部分訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)

表4 校驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)

懲罰因子和核函數(shù)的參數(shù)是影響支持向量機(jī)性能的主要參數(shù)。在支持向量機(jī)優(yōu)化過(guò)程中，懲罰系數(shù)和核函數(shù)參數(shù)的選擇對(duì)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化、選取支持向量子集、建立決策函數(shù)至關(guān)重要，參數(shù)值的不同所構(gòu)造的決策函數(shù)也不同。

3.2 模型的實(shí)現(xiàn)與結(jié)果校驗(yàn)

得到模型粗略的選擇結(jié)果如圖10所示，精細(xì)的選擇結(jié)果如圖11所示。

經(jīng)過(guò)對(duì)模型參數(shù)的粗略選擇和精細(xì)選擇，最終確定參數(shù)=1，=0.7071。使用建立的模型對(duì)校驗(yàn)樣本進(jìn)行回歸預(yù)測(cè)，得到原始數(shù)據(jù)和回歸數(shù)據(jù)對(duì)比圖如圖12所示。對(duì)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得到SVM模型預(yù)測(cè)的平均誤差為7.26%，最大誤差為11.17%。對(duì)訓(xùn)練好的模型進(jìn)行校驗(yàn)，使用未參與預(yù)測(cè)模型訓(xùn)練的10個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果如圖13所示。該模型預(yù)測(cè)結(jié)果的相對(duì)誤差為7.89%，相對(duì)誤差較小，精度較高，模型具有較強(qiáng)的泛化能力。

表5 歸一化后的校驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)

圖10 粗略選擇的結(jié)果圖

圖11 精細(xì)選擇的結(jié)果圖

圖12 原始數(shù)據(jù)和回歸預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

圖13 模型預(yù)測(cè)驗(yàn)證結(jié)果圖

4 結(jié)論

1) 超聲波功率的變化對(duì)充填料漿的黏度值和屈服應(yīng)力產(chǎn)生了不同程度的影響。在超聲功率為0~100W范圍內(nèi)，超聲對(duì)料漿黏度值的降低效果達(dá)到了4.32%~39.33%，對(duì)料漿屈服應(yīng)力的減小效果達(dá)到了9.66%~34.27%，漿體的黏度值和屈服應(yīng)力隨著灰砂比和濃度的增大而增大，隨著超聲功率的增大而減小。

2) 超聲波的功率因素對(duì)漿體流變特性的影響最為顯著，并且存在超聲對(duì)料漿流變特性作用效果較佳的功率范圍，功率范圍因料漿灰砂比和濃度等因素的不同而變化。與20 kHz超聲波作用相比較，40 kHz超聲波作用對(duì)充填料漿黏度和屈服應(yīng)力的減小更有效果。

3) 基于SVM算法建立充填料漿流變參數(shù)預(yù)測(cè)模型。模型選用徑向基核函數(shù)，經(jīng)過(guò)網(wǎng)格搜索法確定模型參數(shù)選取懲罰參數(shù)=1，徑向基核函數(shù)參數(shù)=0.7071。所得預(yù)測(cè)模型校驗(yàn)結(jié)果的平均誤差為7.26%，最大誤差為11.17%。使用該模型進(jìn)行預(yù)測(cè)所得結(jié)果的相對(duì)誤差為7.89%，說(shuō)明該模型預(yù)測(cè)精度較高，具有較強(qiáng)的泛化能力。

[1] 柯愈賢, 王新民, 張欽禮. 全尾砂料漿磁化絮凝沉降特性[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào), 2017, 27(2): 392?398. KE Yu-xian, WANG Xin-min, ZHANG Qin-li. Flocculating sedimentation characteristic of pre-magnetized crude tailings slurry[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2017, 27(2): 392?398.

[2] 焦華喆, 王洪江, 吳愛(ài)祥, 吉學(xué)文, 嚴(yán)慶文, 李 祥. 全尾砂絮凝沉降規(guī)律及其機(jī)理[J]. 北京科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 32(6): 702?707. JIAO Hua-zhe, WANG Hong-jiang, WU Ai-xiang, JI Xue-wen, YAN Qing-wen, LI Xiang. Rule and mechanism of flocculation sedimentation of unclassified tailings[J]. Journalof University of Science & Technology Beijing, 2010, 32(6): 702?707.

[3] 張海波, 宋衛(wèi)東. 評(píng)述國(guó)內(nèi)外充填采礦技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 中國(guó)礦業(yè), 2009, 18(12): 59?62. ZHANG Hai-bo, SONG Wei-dong. Discussion on the current state of backfill mining from the domestic and foreign development[J]. China Mining Magazine, 2009, 18(12): 59?62.

[4] 李茂輝, 高 謙, 南世卿. 新型膠結(jié)材料全尾砂漿流變特性試驗(yàn)分析[J]. 礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā), 2013, 33(2): 15?17. LI Mao-hui, GAO Qian, NAN Shi-qing. Study on the rheological characteristics of total tailings slurry with new cementing material[J]. Mining Research & Development, 2013, 33(2): 15?17.

[5] 劉曉輝. 膏體流變行為及其管流阻力特性研究[D]. 北京: 北京科技大學(xué), 2015. LIU Xiao-hui. Study on rheological behavior and pipe flow resistance of paste backfill[D]. Beijing: University of Science and Technology Beijing, 2015.

[6] LIDDEL P V, BOGER D V. Yield stress measurements with the vane[J]. Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics, 1996, 63(2): 235?261.

[7] SAAK A W, JENNINGS H M, SHAH S P. The influence of wall slip on yield stress and viscoelastic measurements of cement paste[J]. Cement and Concrete Research, 2001, 31(2): 205?212.

[8] BAUER W, N?TZEL D, WENZEL V, NIRSCHL H. Influence of dry mixing and distribution of conductive additives in cathodes for lithium ion batteries[J].Journal of Power Sources, 2015, 288(3): 359?367.

[9] 吳愛(ài)祥, 焦華喆, 王洪江, 儀 輝, 李海豹, 劉曉輝, 劉斯忠. 膏體尾礦屈服應(yīng)力檢測(cè)及其優(yōu)化[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2013, 44(8): 3370?3376. WU Ai-xiang, JIAO Hua-zhe, WANG Hong-jiang, YI Hui, LI Hai-bao, LIU Xiao-hui, LIU Si-zhong. Yield stress measurements and optimization of Paste tailings[J]. Journal of Central South University of Technology (Science and Technology), 2013, 44(8): 3370?3376.

[10] 劉同有. 金川全尾砂膏體物料流變特性的研究[J]. 中國(guó)礦業(yè), 2001, 10(1): 17?21. LIU Tong-you. Rheologic characteristic of high density tailings slurry used for stowing in Jinchuan mine[J].China Mining Magazine, 2001, 10(1): 17?21.

[11] 黃玉誠(chéng), 李曉明, 耿向慧, 石吉升, 韓國(guó)偉. 似膏體充填料漿流型和流態(tài)的研究[J]. 中國(guó)礦業(yè), 2009, 18(4): 96?98. HUANG Yu-cheng, LI Xiao-ming, GENG Xiang-hui, SHI Ji-sheng, HAN Guo-wei. Study on the rheological model and flow state of paste-like fill slurry[J]. China Mining Magazine, 2009, 18(4): 96?98.

[12] 黃玉誠(chéng), 孫恒虎. 尾砂作骨料的似膏體料漿流變特性實(shí)驗(yàn)研究[J]. 金屬礦山, 2003, 324(6): 8?10. HUANG Yu-cheng, SUN Heng-hu. Experimental study on the rheological characteristic of paste-like slurry with tailings as aggregate[J]. Metal Mine, 2003, 324(6): 8?10.

[13] 席細(xì)平, 馬重芳, 王 偉. 超聲波技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀[J]. 山西化工, 2007, 27(1): 25?29. XI Xi-ping, MA Chong-fang, WANG Wei. Application situation of ultrasonic technology[J]. Shanxi Chemical Industry, 2007, 27(1): 25?29.

[14] DU J H, MCLOUGHLIN R, SMART R S C. Improving thickener bed density by ultrasonic treatment[J]. International Journal of Mineral Processing, 2014, 133: 91?96.

[15] LI Y X, LI B Q. Study on the ultrasonic irradiation of coal water slurry[J]. Fuel, 2000, 79(4): 235?241.

[16] GUO Z, FENG R, ZHENG Y, FU X. Improvement in properties of coal water slurry by combined use of new additive and ultrasonic irradiation[J]. Ultrasonics Sonochemistry, 2007, 14(5): 583?588.

[17] CHU C P, CHANG B, LIAO G S, JEAN D S, LEE D J. Observations on changes in ultrasonically treated waste-activated sludge[J]. Water Research, 2001, 35(4): 1038?1046.

[18] 王志凱, 楊 鵬, 呂文生, 湯寒松, 宋世文, 王志軍. 超聲波作用下尾砂漿濃密沉降及放砂[J]. 工程科學(xué)學(xué)報(bào), 2017, 39(9): 1313?1320. WANG Zhi-kai, YANG Peng, Lü Wen-sheng, TANG Han-song, SONG Shi-wen, WANG Zhi-jun. Thickening sedimentation and sand discharge of tailings slurry under ultrasonic[J]. Chinese Journal of Engineering, 2017, 39(9): 1313?1320.

[19] 王志軍, 呂文生, 楊 鵬, 王志凱, 王金海. 充填體強(qiáng)度的支持向量機(jī)設(shè)計(jì)匹配模型[J]. 金屬礦山, 2016, 485(11): 34?38. WANG Zhi-jun, Lü Weng-sheng, YANG Peng, WANG Zhi-kai, WANG Jin-hai. Matching model of backfill strength design on support vector machines[J]. Metal Mine, 2016, 485(11): 34?38.

Effect of ultrasonic waves on rheological properties of backfilling slurry and prediction of rheological parameters

WANG Zhi-kai1, 3, Lü Wen-sheng1, YANG Peng1, 2, WANG Zhi-jun1, ZHU Li-yi1

(1. School of Civil and Resource Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China; 2. Beijing Key Laboratory of Information Service Engineering, Beijing Union University, Beijing 100101, China; 3. China Enfi Engineering Crop., Enfi Research Institute, Beijing 100038, China)

In order to improve the rheological properties of the high-concentration backfill slurry and reduce the probability plugging phenomenon occurred of backfilling system, the innovative non-contact effect of ultrasound on the backfilling slurry was studied. Using high-precision brookfield R/S-SST soft solid tester, the rheological parameters with different concentrations and different lime-sand ratios were obtained under different ultrasonic powers of backfill slurry. The results show that ultrasonic waves can significantly improve the rheological properties and reduce the plastic viscosity and yield stress of the backfilling slurry. The viscosity of backfill slurry can be reduced by ultrasonic waves from 4.32% to 39.33%, and the yield stress can be reduced from9.66% to 34.27%. At the same time, the prediction model of rheological parameters of backfilling slurry was established by using support vector machine. The results of the prediction model show that the model has high precision and strong generalization ability. The prediction of rheological parameters of backfilling slurry under ultrasonic is realized.

ultrasonic wave; backfill slurry; rheological parameters; support vector machine

Project(51641401) supported by the National Natural Science Foundation of China

2017-06-05;

2018-02-26

Lü Wen-sheng; Tel: +86-10-62333864; E-mail: sunluw@sina.com

10.19476/j.ysxb.1004.0609.2018.07.18

1004-0609(2018)-07-1442-11

TD853

A

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51641401)

2017-06-05；

2018-02-26

呂文生，副教授，博士；電話(huà)：010-62333864；E-mail：sunluw@sina.com

(編輯 何學(xué)鋒)