云南会泽铅锌矿膏体充填料浆流变特性研究

云南会泽铅锌矿膏体充填料浆流变特性研究

20世纪80年代初，石膏泵填充技术首次在德国丘扎格隆德的螺旋铅锌矿中得到应用。膏体充填由于具有充填料浆不离析、不沉淀,且采场脱水量少、甚至不脱水,充填体强度增长迅速,充填质量好、效率高等优点,是近十几年充填研究的主要方向。在膏体充填浆体管道输送的设计和应用中,最重要的一个环节是合理确定整个输送系统的阻力损失,从而才能确定合适的井下充填环境(料浆浓度、倍线、充填量)的管道参数(管径、管壁厚度、管长等)。由于管道内浆体流动的复杂性,目前还不可能从理论上进行完全统一的分析,对系统的阻力损失,国内外大多采用半理论半经验公式进行数学计算。本研究分析了云南会泽铅锌矿全尾砂-水淬渣膏体充填料浆的流变特性,以及影响充填料浆流变参数的因素,并结合工业试验结果,通过回归分析建立了充填料浆浓度与流变参数间的数学关系模型,进而推导出云南会泽铅锌矿膏体充填管道输送阻力损失的经验公式,为会泽铅锌矿膏体充填系统设计提供了技术依据,同时也为同类型矿山的设计提供参考,并为膏体充填管道输送阻力损失的研究提供了一种新的思路和方法。1管道切应力随切变速率的变化规律充填工艺中的膏体充填,是指充填料浆浓度大于临界流态浓度而小于极限可输送浓度的充填。当料浆浓度达到临界流态浓度进行管道输送时,料浆便从一般两相流的非均质牛顿体转变为似均质流的非牛顿体,流态特性发生了根本性的变化。一般来讲,国内外文献均把细骨料的膏体充填料视为塑性结构流,并应用宾汉(Bingham)流变模型来研究,即认为膏体要在一定的外力作用下(克服初始切应力)才开始流动,并且膏体开始流动后管壁切应力随切变速率的增长而呈直线增长。其流变方程为τ=τ0+η×(dvdy).(1)τ=τ0+η×(dvdy).(1)式(1)表示:在外力作用下,具有塑性粘度系数η的膏体在克服初始切应力τ0后开始流动,并且流动后剪应力τ的大小与塑性粘度系数η和流速v的梯度dv/dy大小成正比。膏体充填料在输送管道中的运动状态像塑性体一样是整体运动,膏体中的固体颗粒不发生沉降,膏体层与层间也不出现交流,属于一种柱塞状的结构流。膏体柱塞流横断面上的速度变化为常数,只有在近管壁处的润滑层的速度有一定的变化。因此,在这种层流条件下,可由白金汉(Buckingham)方程求出膏体在管道中的平均流速:8vD=τWη[1−43(τ0τW)+13(τ0τW)4].(2)8vD=τWη[1-43(τ0τW)+13(τ0τW)4].(2)由式(2)可得v=τWD8η[1−43(τ0τW)+13(τ0τW)4].(3)v=τWD8η[1-43(τ0τW)+13(τ0τW)4].(3)对于膏体充填来说,(τ0/τW)的高次幂的数值很小,可忽略不计,因而式(3)可近似写为v=τWD8η[1−43(τ0τW)].(4)v=τWD8η[1-43(τ0τW)].(4)整理式(4)可得τW=43τ0+η×(8vD).(5)τW=43τ0+η×(8vD).(5)以上各式中,τW为管壁处切应力,Pa;D为管道内径,m。2基于jm的管道输送沿程阻力的理论分析在工业试验或工业应用中,一般采用压力传感器测量一定管长l两端的压差Δp,也就是管流沿程阻力Δp/l。如果将管流沿程阻力和管壁单位面积上的流体摩擦阻力联系起来,也就是与管壁切应力相联系考虑,可根据管流静力学平衡理论,得出如下公式:πD24×Δp=πD×τW×l.(6)πD24×Δp=πD×τW×l.(6)整理式(6)可得τW=D4×Δpl.(7)τW=D4×Δpl.(7)如果管流沿程阻力Δp/l用jm表示,则式(7)可写成jm=4D×τW.(8)jm=4D×τW.(8)联立式(5)和式(8),可得出jm=163D×τ0+η×32vD2.(9)jm=163D×τ0+η×32vD2.(9)经过上述理论推导,式(9)即为膏体充填时管道输送沿程阻力的理论计算模型。从式(9)中可以看出:管流沿程阻力jm与输送管道内径D成反比,与膏体在管道内的平均流速v成正比,并与膏体的流变参数τ0和η密切相关。如果能够准确地确定膏体的流变参数,就可进行管流沿程阻力的计算。3会泽经验公式的建立3.1充填料浆的制备工艺会泽铅锌矿膏体充填材料为全尾砂、炼铅水淬渣等生产废料,料浆浓度在78%~83%。前期试验研究表明:全尾砂、水淬渣可以作为胶结充填材料,但必须采用由水泥及石灰组成的复合胶结剂方可使试块正常凝结硬化,并且制备的充填料浆具有以下2个特性:(1)全尾砂和石灰的颗粒细,在高浓度下料浆稳定性好。(2)高浓度充填料浆在管道中呈“柱塞”流动,其流态属非牛顿流体,可用宾汉姆模型表征其流变性质,即τW=43τ0+η×(8vD).(10)τW=43τ0+η×(8vD).(10)3.2膏体环管试验确定膏体流变参数的方法有多种,主要是利用流体力学的原理进行流变参数的测量,一般地说,是在一定的条件下,通过对试样施加切应力(或变形),跟踪受力后的响应(或应力)与时间的函数关系而得到。测定的方法可以大体分为3种类型:①管流法;②锥扳枯度计法;③旋转圆筒枯度计法。本研究采用膏体环管试验,主要测量参数是测量段上的压力降ΔP和料浆的流量Q,通过数据计算确定各系列不同料浆浓度条件下的屈服应力τ0和塑粘度系数η。从式(10)可以看出,如果膏体的8倍流速同管径之比(8v/D)与管壁切应力τW成线性关系,则直线在纵坐标轴上截距的3/4倍就是屈服剪切应力τ0的数值,直线的斜率就是塑性粘度系数η的数值。因此,只要获得很多组8v/D对应的管壁切应力τW的数据,并将这些数据按上述坐标进行直线回归,就可获得τW与8v/D之间的直线关系函数式,从而获得这种膏体的屈服剪切应力τ0的数值和塑性粘度系数η的数值。对于8v/D的数据,可根据膏体环管试验中同一级配膏体的多次不同充填输送流速的试验数据计算获得。对于管壁切应力τW的数据,可根据公式(7)与输送流速对应的压差试验数据计算获得。表1为胶结充填系列3个组方不同浓度的流变参数数据。3.3流变参数结果分析一种膏体充填料对膏体流变参数影响最大的是料浆的浓度,特别是当选用的充填物料及级配确定后更是如此。如果能够通过相关的试验确定膏体流变参数与膏体料浆浓度之间的关系式,就可代入到式(9)中,解析出管流沿程阻力jm与膏体料浆浓度CW、输送管径D和膏体平均流速v3个变量的经验计算公式。在膏体物料性质及其粒级配比一定的条件下,膏体流变参数的两个数值都会随着料浆浓度的变化而变化。为了探求浓度与流变参数间的规律,作者通过配置不同浓度料浆,并测算出各浓度对应的流变参数,以料浆浓度为变量,利用计算机程序回归出浓度与流变参数间的函数关系,并进行相关性判断。最终确定其变化规律为:膏体初始屈服应力τ0和料浆浓度的变化服从指数曲线线型;膏体塑性粘度系数η服从正比例直线线型。图1为回归分析的计算程序框图。表2为各组分浓度与流变参数间的函数关系。3.4充填料浆流变参数的计算式膏体流变参数与料浆浓度之间的变化规律及相关的计算公式确定后,现在就可以利用阻力计算公式(9)来获得会泽经验公式的雏形。即将式(9)中的流变参数τ0和η用表2所示的含有料浆浓度CW的计算式代替,形成包含膏体充填3个基本变量的计算式。其通式为jm=(16/3D)×aeb⋅CW+(cCW+d)×32v/D2,(11)jm=(16/3D)×aeb⋅CW+(cCW+d)×32v/D2,(11)式中,a,b,c,d均为系数,其它符号同前。表3为各组分料浆管道输送沿程阻力损失计算方程。4mm水平管道阻力计算为了验证会泽经验公式的适用程度,采用上述经验公式对各组方D150mm水平管道阻力进行计算,并与试验数据进行对比。结果表明,其理论计算值和试验数据之间的相对误差不大,一般在20%以内。表4列出了各组方D150mm水平管道阻力的理论计算值和试验实际值及其误差数据。5基于流变参数的流变参数分析