似膏体管流水力坡度的l管试验研究

似膏体管流水力坡度的l管试验研究

随着环境保护法律法规的严格规定和人们环保意识的不断增强，“绿色能源”已成为当前矿业的主题。充分利用采矿法将地表垃圾填塞至采矿空间，不仅可以减少地表固体残留物的排放，还可以有效控制地表沉降，实现资源和环境的可持续发展，逐渐成为山地采矿的首选方法。在充填技术发展之初,管道输送阻力特性的研究主要借鉴于传统的固-液两相流理论,并总结了大量的经验公式由于尾砂中含有大量粒径小于20μm的细颗粒,这些颗粒具有较强的表面物理化学作用,牛顿流体理论等无法说明充填料浆的复杂性,流变学理论被引入到充填料浆管道输送阻力特性的研究中影响似膏体管道输送阻力的因素有很多,主要包括料浆质量分数、砂灰质量比、流速、颗粒级配等.文献似膏体充填法为20世纪末提出的一种集水力胶结充填和膏体胶结充填特点于一体的充填新模式1试验原理1.1剪切应力大量试验数据表明,似膏体料浆在稳态流动过程中表现出塑性结构流体的特性式中:τ为剪切应力,Pa;τ基于上述流变模型,结合非牛顿流体力学理论,得到似膏体管道输送水力坡度的理论计算公式式中:i由式(2)可以看出,对于特定的充填系统,其管道直径D和输送速度v为定值,水力坡度取决于似膏体充填料浆的流变参数(τ1.2管道断面断面的确定L管试验装置是由一段垂直管道、一段水平管道和盛料漏斗组成,其装置如图1所示.取漏斗内料浆液面和管道出口处两通流断面进行分析,根据伯努利方程式中:H为L管中液面高度,m;h由式(2)~(4),可得L管试验中似膏体充填料浆流速的计算公式为式中:G为时间t内流出的料浆质量,kg;ρ对于确定的L管试验装置,其管道直径D、管道长度L为已知值;对于某一配比的充填料浆,其密度ρ2影响似膏体流变参数的因素似膏体充填料浆的流变特性受全尾砂的化学成分及物理特性等多方面因素的影响,通过L管试验主要分析料浆质量分数、砂灰质量比、粉煤灰质量分数3个因素对似膏体流变参数的影响规律.2.1试验材料试验选用湖南某矿山选厂全尾砂,其密度为2.83g/cm2.2试验2:料浆液面高度试验时,关闭闸阀,将制备的似膏体充填料浆倒入盛料漏斗内,记录此时的料浆液面高度,打开闸阀,似膏体充填料浆在重力作用下开始流动,记录一定流动时间内流出的充填料浆的质量,计算流速.改变料浆液面高度,进行重复试验.为验证试验结果的准确性,利用哈克VT550型旋转流变仪进行对比分析.2.3影响参数的正交试验设计考虑矿山实际情况,试验主要分析料浆质量分数、砂灰质量比、粉煤灰质量分数对似膏体流变参数的影响规律.为了全面反映各因素的影响,减少重复性试验,采用3因素3水平正交设计进行试验,具体试验方案设计如表2所示.3流变参数分析将所得试验数据代入式(5)中,可以求得似膏体充填料浆流变参数,见表3;用哈克VT550型旋转流变仪测得的流变参数如表3所示.由试验数据可知,由VT550型旋转流变仪测定的流变参数均比L管试验计算的流变参数稍大,屈服应力的最大误差为4.86%,塑性黏度系数的最大误差为4.99%,故L管试验计算的流变参数可信度较高.3.1屈服应力影响因素的回归分析根据表3试验结果,对不同因素下的屈服应力进行回归分析,回归方程为式中:x由式(7)可以看出,似膏体充填料浆的屈服应力与料浆质量分数呈正相关,与砂灰质量比、粉煤灰质量分数呈负相关.根据各项的标准回归系数和偏回归平方和,可以发现各因素对屈服应力影响从大到小依次为:料浆质量分数、砂灰质量比、粉煤灰质量分数.3.2塑性黏度系数根据表3试验结果对不同因素下的塑性黏度系数进行回归分析,回归方程为方程的相关系数R=0.9975,故回归方程的可靠性较高.由式(8)可以看出,似膏体充填料浆的塑性黏度系数与料浆质量分数呈正相关,与砂灰质量比、粉煤灰质量分数呈负相关.根据各项的标准回归系数和偏回归平方和,可以发现各因素对塑性黏度系数影响从大到小依次为:料浆质量分数、砂灰质量比、粉煤灰质量分数.3.3全尾砂似膏体充填水化反应需要控制1)公式将式(7)和式(8)代入式(2),可以得到该矿全尾矿似膏体水力坡度与管径、流速、料浆质量分数、砂灰质量比和粉煤灰质量分数的关系式,即该矿全尾砂似膏体水力坡度计算公式为由式(9)可以看出,随着全尾砂似膏体料浆质量分数的增大,其屈服应力和塑性黏度系数相应增大,从而导致全尾砂似膏体在输送过程中阻力损失增加;随着砂灰质量比的减小,即水泥用量逐渐增大,水泥水化反应需要的自由水变多,导致全尾砂似膏体稠度增加,管道沿程阻力也随之上升;随着粉煤灰质量分数的增加,全尾砂似膏体的屈服应力和塑性黏度系数相应减小,可以对料浆起到润滑作用,从而减小了全尾砂似膏体在输送过程中的阻力损失.2)计算模型适应性分析为了对式(9)的适应性进行验证分析,选取金川公式、鞍山公式进行理论计算,并将推导公式计算结果与环管试验结果进行对比分析.考虑环管试验的实际操作,选用料浆质量分数为70%、砂灰质量比为5∶1、粉煤灰质量分数为12%的全尾砂似膏体,改变料浆的流速进行分析.环管试验系统如图2所示,管道内径为150mm,管道总长为250m.图3和表4为水力坡度计算结果.分析图3和表4可以发现,由于不同公式的适用性存在较大差别,故水力坡度计算结果存在较大差距:鞍山公式基于高浓度高黏度输送料浆试验得到,水力坡度与料浆黏度呈反比例关系,该矿全尾砂似膏体流动性能良好,料浆黏度低,结果必然偏大;金川公式是基于棒磨砂膏体充填料浆试验推导而来,对于该矿细粒级似膏体适用性较低;基于流变力学的计算模型在计算过程中考虑了似膏体的流变特性,故其推导公式计算结果与环管试验的实测数据较为接近,平均误差为3.30%,基本可以满足工业设计的要求.4尾砂似膏体充填料浆流变参数1)根据全尾砂似膏体充填料浆的特性,结合Bingham流变模型和非牛顿流体力学理论,进行理论计算分析,发现对于特定的充填系统,其管道直径和输送速度为定值,水力坡度取决于全尾砂似膏体充填料浆的流变参数.2)通过L管试验分析知,似膏体充填料浆的屈服应力与料浆质量分数呈正相关,与砂灰质量比、粉煤灰质量分数呈负相关;塑性黏度系数与料浆质量分数呈正相关,与砂灰质量比、粉煤灰质量分数呈负相关.哈克VT550型旋转流变仪验证了试验结果的