张庄铁矿充填尾砂流变特性实验研究.pdf

张庄铁矿充填尾砂流变特性实验研究 ① 谢德瑜１， 张 华２， 胡 滨３， 孙贺然３， 韩文亮４ （１．中国矿业大学（北京），北京 １０００８３； ２．安徽马钢张庄矿业有限责任公司，安徽 六安 ２３７４７１； ３．中冶北方工程技术有限公司，辽宁 大连 １１６６００； ４．清华大学，北京 １０００８４） 摘 要 研究了不同浓度浆体的流变特性，总结了其变化规律，根据流变特性计算管道输送的水力坡度和充填倍线，为管道自流输 送充填奠定理论基础。 关键词 尾砂； 流变特性； 管道输送； 充填 中图分类号 ＴＤ５２２文献标识码 Ａｄｏｉ１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３－６０９９．２０１５．０５．００４ 文章编号 ０２５３－６０９９（２０１５）０５－００１４－０３ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｚｈａｎｇｚｈｕａｎｇ Ｉｒｏｎ Ｍｉｎｅ Ｔａｉｌｉｎｇｓ ＸＩＥ Ｄｅ⁃ｙｕ１， ＺＨＡＮＧ Ｈｕａ２， ＨＵ Ｂｉｎ３， ＳＵＮ Ｈｅ⁃ｒａｎ３， ＨＡＮ Ｗｅｎ⁃ｌｉａｎｇ４ （１．Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ ＆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｂｅｉｊｉｎｇ）， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８３， Ｃｈｉｎａ； ２．Ａｎｈｕｉ Ｍａｇａｎｇ Ｚｈａｎｇｚｈｕａｎｇ Ｍｉｎｉｎｇ Ｃｏ Ｌｔｄ， Ｌｉｕ′ａｎ ２３７４７１， Ａｎｈｕｉ， Ｃｈｉｎａ； ３．Ｎｏｒｔｈｅｒｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ＆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ， ＭＣＣ， Ｄａｌｉａｎ １１６６００， Ｌｉａｏｎｉｎｇ， Ｃｈｉｎａ； ４．Ｔｓｉｎｇｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８４， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｓｌｕｒｒｙ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ ｉｎ ｔｈｅ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ， ａｎｄ ｔｈｅ ｓｕｍｍａｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｇｅｎｅｒａｌ ｐａｔｔｅｒｎ ｏｆ ｉｔｓ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ． Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ， ｔｈｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｇｒａｄｉｅｎｔ ａｎｄ ｆｉｌｌｉｎｇ ｔｉｍｅｓ ｌｉｎｅ ｆｏｒ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ， ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｌａｙ ａ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ ｉｎ ｂａｃｋｆｉｌｌｉｎｇ ｂｙ ｇｒａｖｉｔｙ ｆｌｏｗ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｔａｉｌｉｎｇｓ； ｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ； ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ； ｂａｃｋｆｉｌｌｉｎｇ 铁矿开采过程中，由于矿石中金属品位低，选矿厂每 天都要排出大量尾砂，其粒度一般在 ２０ 目（０．８５０ ｍｍ） 以下。 为了保护环境、节约建库投资、少占耕地，目前 常用的方法是将全部尾砂回填进矿坑，做到闭路开采。 采矿工艺要求回填进矿坑的充填料必须有一定的强 度，而且浓度较高、流变性差，因此，研究尾砂浆体的流 变特性是设计管道输送技术的关键［１－３］，该研究对金 属矿山的尾砂充填技术有着十分重要的意义［１］。 １ 基本理论 １．１ 浆体在管道内流速分布形态 矿浆在管道中流动时，管内壁受剪切应力 τｗ作 用，取一段隔离体，如图 １ 所示。 取长度为 ｌ，半径为 ｒ 的一段圆柱体，其隔离体平衡方程为 τｗ２πＲｌ ＝ πＲ２ΔＰＫ 即τｗ＝ ＲΔＰ ２ｌ （１） R D r PPΔP l τ 图 １ 管道内浆体受力示意 对于牛顿流体τ＝μ ｄｕ ｄｙ，则流速分布为抛物线型。 对于宾汉流体τ＝τ０ ＋η ｄｕ ｄｙ，则流速分布为中部流 速相同的栓塞型。 其中 τ０为屈服应力。 流速为抛物 线，即ｕ＝ｆ（ｒ２）。 宾汉流体在整个管道中的流速分布还与管径有 关，当 Ｒ＞ｒ０时，只是在管道中心产生柱塞流或“结构 流”。 而当 Ｒ≤ｒ０时，则流速在整个管道内均匀分布， 即形成整管柱塞流或“结构流”，如图 ２ 所示。 ①收稿日期 ２０１５－０４－０５ 作者简介 谢德瑜（１９６５－），男，河北沧县人，教授级高级工程师，博士研究生，主要从事矿山开采与管理工作。 第 ３５ 卷第 ５ 期 ２０１５ 年 １０ 月 矿矿 冶冶 工工 程程 ＭＩＮＩＮＧ ＡＮＤ ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖｏｌ．３５ №５ Ｏｃｔｏｂｅｒ ２０１５ R V r0 图 ２ 宾汉体管内流速分布 １．２ 浆体在管道内流量分布形式 管道内流量分布如图 ３ 所示。 R r dr ur 图 ３ 圆管内流量分布示意 在圆形管道内，取微分单元 ｄｒ，距中心 ｒ 处的流速 设为 ｕ（ｒ），距圆中心 ｒ 处圆环上的流量为ｑ＝２πｒｕｄｒ。 管道内流量 Ｑ ＝ ∫ Ｒ ０ ２πｒｕｄｒ ＝∫ Ｒ ０ πｕｄｒ２ ＝ π ｕｒ２ Ｒ ０ －∫ Ｒ ０ ｒ２ｄｕ （２） 因为 Ｒ 处ｕ＝０，圆心处ｒ＝０，得 Ｑ ＝－∫ Ｒ ０ ｒ２ｄｕ ＝－ π∫ Ｒ ０ ｒ２ ｄｕ ｄｒｄｒ （３） 对于宾汉体模型 ｄｕ ｄｒ ＝ τｗ － τ ０ η （４） 把式（４）代入积分则得布金海姆方程［２］ Ｑ ＝ π Ｒ３ ητｗ３ １ ４ τｗ４－ １ ３ τ０τｗ３＋ １ １２τ０ ４ 即 Ｑ πＲ３ ＝ τｗ ４η １ － ４ ３ τ０ τｗ ＋ １ ３ τ０ τｗ ４ （５） 如果屈服应力 τ０相对于 τｗ较小时，即τ ０ τｗ ＜０．５，则 τ０ τｗ ４ ＜０．０６，在工程应用上一般忽略不计，则式（５）化 简为 ８Ｖ Ｄ ＝ τｗ η １ － ４ ３ τ０ τｗ 即τｗ＝ ４ ３ τ０ ＋ η ８Ｖ Ｄ （６） 其中 Ｖ 为管道内平均流速，ｍ／ ｓ；Ｄ 为管道直径，ｍ； τ０为屈服剪切应力，Ｐａ；η 为浆体的刚度系数，Ｐａｓ； ８Ｖ Ｄ 为虚剪切速率，ｓ －１ 。 式（６）说明８Ｖ Ｄ ～τｗ呈直线关系。 ２ 实验测试 ２．１ 测试装置 实验测试装置为采用毛细管原理设计的流变实验 仪，其结构如图 ４ 所示。 比压计 毛细管 搅拌器 加压 图 ４ 毛细管流变仪原理 将称量好的干料装入储浆罐中，并配以一定量的 水充分搅拌，制成理论上要求浓度的矿浆，通过空气压 力把储浆罐内矿浆从毛细管内压出来。 当压力大时， 毛细管内的浆体流速快，压力小则流得慢。 在毛细管 出口收集浆体，并采用量筒计量单位时间内流出浆体 的体积及质量，据此计算浆体在管道内的流动速度。 分析矿浆流动时的剪切变形，推导出剪切变形的受力， 得出矿浆流变特性。 ２．２ 测试分析 全尾砂充填料由于工艺要求，其特性是颗粒细、浓 度高、质量浓度达到 ７５％以上，体积浓度在 ４５％以上， 因而全尾砂充填料流变性能差，表 １ 列出了按宾汉模 型测定的张庄铁矿全尾砂充填料的流变参数，图 ５ 为 流变特性曲线。 表 １ 张庄铁矿全尾沙充填料流变参数 浓度／ ％刚度系数／ （Ｐａｓ）剪切应力／ Ｐａ ７３．６４０．２５４３３０．１３７ ７１．０１０．１０１９５．５６６２ ６９．３６０．０８６７４．７７６ ６６．１１０．０５８９２．５１ ５１第 ５ 期谢德瑜等 张庄铁矿充填尾砂流变特性实验研究 剪切应力／ Pa 回 回 回 回 回 回 回 回 ＠ ＠ ＠ ＠ ＠ ＠ ＠ ＠ A A A A A A A A k k k k k k k k 浓度73.64 浓度71.01 浓度69.36 浓度66.11 200 160 120 80 40 00 100 200 300 400 500 600 700800 900 y 0.2543x30.137 y 0.1019x5.5662 y 0.0775x9.5208 y 0.0589x2.51 8V s-1 D 图 ５ 全尾砂不同浓度流变特性曲线 从表 １ 可知，张庄铁矿充填料是一种初始剪切应 力较大且呈塑性特征的宾汉体，在自重作用下能保持 一定形状。 这种塑性体在管道输送中呈典型的栓塞 流，特别是高浓度的浆体在管道中流动时，栓塞沿管壁 滑动。 从流速分布规律知，在栓塞处充填料没有剪切 变形，即ｄｕ ｄｙ ＝０，因此也没有剪切变形的能耗。 在管壁 处剪切速率ｄｕ ｄｙ 很大。 因而管道的压能大都消耗在管 壁四周，以克服管壁边界层的粘性剪切力。 ３ 管道阻力损失分析 管道阻力损失分析是指导生产应用的重要依据， 包括了浆体浓度、粘度、管道直径、输送流量、输送速度 等重要参数的选取。 ３．１ 管内流速 管道内流速与输送流量、管径有关，其中料浆流速 Ｖ 表达式为 Ｖ ＝ Ｑ ３ ６００ π ４ Ｄ２ （７） 式中 Ｑ 为充填料浆流量，ｍ３／ ｈ。 根据不同管径、不同输送量要求，将管内流速列于 表 ２ 中。 表 ２ 不同流量及管径时浆体流速计算表 管道内径 ／ ｍｍ 不同料浆流量（ｍ３／ ｈ）下的流速／ （ｍｓ －１ ） ２０３０４０５０ ５０２．８２９４．２４４５．６５９７．０７４ ７５１．２５８１．８８６２．５１５３．１４４ ８０１．１０５１．６５８２．２１０２．７６３ １０００．７０７１．０６１１．４１５１．７６８ １２５０．４５３０．６７９０．９０５１．１３２ １５００．３１４０．４７２０．６２９０．７８６ ３．２ 管道层流阻力计算 管道阻力损失计算一般采用单位长度流动阻力 ｉ 表示（ｍＨ２Ｏ／ ｍ） ［１，４］ ｉ ＝ λ Ｖ２ ２ｇＤ γｍ γ０ （８） 式中 λ＝ ６４ Ｒｅ；Ｒｅ＝ ρｍＤＶ μｅ ； μｅ为有效粘度；Ｒｅ 为雷诺数。 对于宾汉体 μｅ＝ τｗ ８Ｖ Ｄ ＝ ４ ３ τ０ ＋ η ８Ｖ Ｄ ８Ｖ Ｄ ＝ η ＋ Ｄ ６Ｖ τ０ 化简得 ｉ ＝ ｋ １６τ０ ３Ｄ ＋ ３２ηＶ Ｄ２ γｍ γ０ （９） ３．３ 管道阻力计算结果 根据张庄铁矿流变参数测试结果，计算管道输送 阻力，如表 ３ 所示。 表 ３ 充填料浆流动阻力表 质量浓度 ／ ％ 管径 ／ ｍｍ 不同料浆流量（ｍ３／ ｈ）下的阻力／ （ｋＰａｍ －１ ） ２０３０４０５０ ５０１７．６７２４．００３０．３４３６．６８ ７５８０５．０５６．０２６．９９７．９６ １２５２．３２２．４８２．６５２．８１ ５０１０．４８１４．４２１８．３７２２．３２ ７３８０２．８２３．４２４．０２４．６３ １２５１．２３１．３４１．４４１．５４ ５０４．３０６．１５８．００９．８４ ７１８００．９４１．２３１．５１１．７９ １２５０．３４０．３９０．４３０．４８ ５０３．５３５．０５６．５８８．１０ ６９８００．７７１．００１．２４１．４７ １２５０．２７０．３１０．３５０．３９ ５０２．７７３．９８５．１９６．４１ ６７８００．５８０．７７０．９５１．１４ １２５０．２００．２３０．２６０．２９ ５０２．７７３．９８５．１２６．４１ ６５８００．５８０．７７０．９５１．１４ １２５０．２００．２３０．２６０．２９ 由表 ３ 可知，充填料浆沿管道的输送阻力 ｉ 与充填 料浆的流变参数 τ０、η、流速 Ｖ 及管径 Ｄ 有关，浓度越高 阻力越大；速度增加，阻力增大；管径增大，单位阻力损失 减少。 据此，可为充填料浆的工程应用提供理论指导。 ４ 结 语 开展金属矿山全尾砂流变特性实验对尾砂充填开 采技术研究具有非常重要的理论和现实意义。 通过对 张庄铁矿充填尾砂料浆流变特性测试并进行分析，得 到以下结论（下转第 ２１ 页） ６１矿 冶 工 程第 ３５ 卷 内圈位移／m 距内圈顶点O′距离／m 0.010 0.008 0.006 0.004 0.002 0.0000 3691215 回 回回回 回回 回 回回 回 回 回 回 回 回 回 回 回 回 回 回 回 ① ①① ①①①①① ① ① ① ① ① ① ①①①①① ①回①回①回①回①回①回①回①回①回①回①回①回①回①回①回①回①回①回①回①回①回① 载荷引起的溶洞内圈位移 溶洞作碎石处理后内圈位移 回 ① 图 １４ 碎石处理后溶洞拱圈变形情况 ４ 结 论 利用数值模拟方法分析了 ３ 种工况下岩溶区路基 下伏溶洞顶板中附加应力分布及变形规律。 结果表 明，公路一级车道荷载作用下，溶洞拱圈土层与石灰岩 岩层接触面处出现应力集中，溶洞顶面竖向位移达 １．１ ｃｍ；在地下水影响下，车道荷载引起的地表和溶洞 拱圈最大竖向位移分别减小了 ３９％和 ２８％；采用碎石 填充溶洞后，车道荷载引起的地表竖向位移减小了 ５７％，有效控制了下伏溶洞对路基稳定性影响。 参考文献 ［１］ 林智勇，戴自航． 椭球状溶洞上方路基稳定性数值分析［Ｊ］． 土工 基础，２０１３，２７（６）５１－５４． ［２］ 雷金山． 广州地铁隐伏型岩溶地基稳定性分析及充填处理技术研 究［Ｄ］． 长沙中南大学土木建筑学院，２０１４． ［３］ Ｈｓｉｅｈ Ｃ Ｗ， Ｗａｎｇ Ｍ Ｃ． Ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｓｔｒｉｐ ｓｕｒｆａｃｅ ｆｏｏｔｉｎｇｓ ｕｎｄｅｒｌａｉｎ ｂｙ ｖｏｉｄｓ［Ｊ］． Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｒｅｃｏｒｄ， １９９６，１３３６９０－９５． ［４］ Ｙｏｓｓｅｆ Ｈ Ｈａｔｚｏｒ， Ｉｌｉａ Ｗａｉｎｓｈｔｅｉｎ， Ｄａｇａｎ Ｂａｋｕｎ Ｍａｚｏｒ． Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｓｈａｌｌｏｗ ｋａｒｓｔｉｃ ｃａｖｅｒｎｓ ｉｎ ｂｌｏｃｋｙ ｒｏｃｋ ｍａｓｓｅｓ［Ｊ］． Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒ⁃ ｎａｌ ｏｆ Ｒｏｃｋ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｍｉｎｉｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， ２０１０，４７１２８９－１３０３． ［５］ 黄健民，邓雄文，胡让全． 广州金沙洲岩溶区地下水位变化与地面 塌陷及地面沉降关系探讨［Ｊ］． 中国地质，２０１５，４２（１）３０１－３０７． ［６］ 吴吉民． 关虎冲隧道监控量测与围岩稳定性分析［Ｊ］． 矿冶工程， ２０１４（５）２３－２５． ［７］ 何忠明，张 力，王 玲，等． 通平高速公路路堑高边坡稳定性综 合评价［Ｊ］． 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Ｉｔａｌｙ［Ｊ］． Ｇｅｏ⁃ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ， ２０１１，１３４（１－２）１３２－１４３． ［１９］ 王良川． 循环荷载作用下岩溶路基土的动力特性试验研究［Ｊ］． 矿冶工程，２０１４（３）１６－１８． ［２０］ Ｍａｒｋｏｗｓｋａ Ｍ， Ｂａｋｅｒ Ａ， Ｔｒｅｂｌｅ Ｐ Ｃ， ｅｔ ａｌ． Ｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄ ｚｏｎｅ ｈｙｄｒｏｌ⁃ ｏｇｙ ａｎｄ ｃａｖｅ ｄｒｉｐ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｗａｔｅｒ ｒｅｓｐｏｎｓｅ Ｉｍｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｓｐｅ⁃ ｌｅｏｔｈｅｍ ｐａｌｅｏｃｌｉｍａｔｅ ｒｅｃｏｒｄ ｖａｒｉａｂｉｌｉｔｙ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｙｄｒｏｌｏｇｙ， ２０１５，５２９（２）６６２－６７５． ［２１］ ＪＴＧＤ６０－２００４，公路桥涵设计通用规范［Ｓ］． ２００４． ［２２］ 工程地质手册编写委员会． 工程地质手册［Ｍ］． 北京中国建筑 工业出版社，２００７． �������������������������������������������������������������������������������������������������� （上接第 １６ 页） １） 测试了 ４ 种浓度的全尾砂流变特性，均为典型 的宾汉流体，由于高浓度的全尾砂浆体初始剪切应力 较大，在管道内的流态以“柱塞流”的形式运动。 ２） 根据流变参数计算了管道输送阻力。 浆体浓 度、输送速度与阻力成正比；管径与输送阻力成反比。 ３） 根据输送速度、输送阻力等参数可进一步确定 管道输送充填倍线。 参考文献 ［１］ 时 炜，周积果，韩文亮． 均质流和伪均质流管道输送阻力试验研 究［Ｊ］． 矿冶工程，２００７（６）１－３． ［２］ 曹华德，曹 斌，夏建新． 颗粒物料浆体流变特性变化及其机理分 析［Ｊ］． 矿冶工程，２０１４（２）１－３． ［３］ 吴度希． 固液两相管道瞬变流模拟研究［Ｊ］． 矿冶工程，２０１３（３） ２７－３０． ［４］ Ｗａｓｐ Ｅ Ｊ． Ｓｏｌｉｄ⁃ｌｉｑｕｉｄ Ｆｌｏｗ Ｓｌｕｒｒｙ Ｐｉｐｅｌｉｎｅ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ［Ｍ］． ＣｌａｕｓｔｈａｌＴｒａｎｓ Ｔｅｃｈ Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓ，１９７７． １２第 ５ 期王良川 岩溶区路基下伏溶洞顶板稳定性分析及加固处理