空区膏体充填泵送特性及减阻试验研究.pdf

第 1 9卷第 1期 2 0 0 4年3月 湘潭 矿业学 院学报 J ． XI ANGTAN MI N． I NST Vo 1 ．1 9 No ．1 M a r ． 2 0 04 文章编号 1 0 0 0 9 9 3 0 2 0 0 4 0 1 - 0 0 3 1 - 0 4 空区膏体 充填泵送特性及减 阻试验研究 李宏泉 ， 方理 刚 中南大学 土建学 院 ， 湖南 长 沙 4 1 0 0 7 5 摘要 基 于管流流动基 本理论 ， 对 空区充填 用膏体 的水平环形试 验 管路流 动 阻力进行 了理论 分析． 为 了检验 理 论分析 结果 的正确性和外加 剂对减 少 膏体 泵送阻力 的作 用 ， 在现 场 9 0 m 的水平环形 管路 中进行 了由混凝土泵驱动 的充填 膏体 输送 阻力试 验． 结果表 明 ， 该 充填 膏体 可以划 归为宾汉姆流 变体 ， 基 于宾汉 姆流 变体理 论取得 的公 式 能够预计 膏体 输送 过程 中的泵压损失 ， 提 供 试验 的泵迭外加 剂能够显著地 降低 膏体的泵送 阻力． 图 4 。 表 1 ， 参 1 6 ． 关键词 膏体 ； 泵送 ； 减 阻； 外加 剂； 宾 汉姆 流 变体 中图分 类号 TB 3 3 0 ． 1 文 献标识码 A 全 尾砂 膏体 充 填 泵送 工 艺 是 国际 上 近期 发展 起 来 的一项矿山充填新技 术【 1 ] ． 膏体用 于充填空 区技 术在 国外得到了较快的发展 ] ． C o o k e于 1 9 9 1 年完成 了高 浓度分级尾砂膏体输送 试验 的博 士学位论文【 3 ] ， 但 是 由于该试验输送的材料仅 仅包含分级尾砂一种成 分， 作 者提 出的输 送 阻 力 公 式 很 难 普 遍 应 用 ． 但 作 者 为 进 行这方面的试验提供 了借 鉴 ， 1 9 9 2年 C a n a d i a n Mi n i n g J o u r n a l 对膏体泵送技术能否广泛地应用于空区充 填阐述了不同的观点 ， 分歧 主要集 中于膏体 在管道中 能 否顺 利地 输送 、 膏 体 在 泵 送 过 程 中 的能 量 消 耗 及 管 道的摩损等流变学方面 的问题． 对膏体充填持 不同意 见的人提出将来充填工艺 的发展方 向不是膏体而是浆 体【 4 ] ． 一系列浆体充填胶 凝材料 和输送方 法 申请 了专 利[ 5 - 8 3 ． 关 于浆体输送 的理 论与试 验研究 也较膏体 充 分【 9 。 ． 尽管如此 ， 膏体充填技术在欧美许多 国家得到 了广泛 的应 用 ， 主要 是 由 于 该 技 术 可 以利 用 尾 砂 充 填 采 矿 留下 的空 区 ， 既解 决 了 由于 采 用 棒 磨 砂 或作 为 骨 料带来的充填材料成本过 高的问题 ， 又解决 了尾砂地 表 排放 对周 围环 境 污 染 的 问题 ． 因此 ， 该技 术 在 道路 下 的空区进行应用将会具有 广泛的景． 空 区充 填要求膏 体具有 良好的流动性与 触变性． 作者结合膏 体充填外 加剂试验研究， 对膏体泵送 管流 流动阻力 这一影响泵 送膏体充填工艺成败的关键问题进行 了理论和试验研 究 ， 此外 ， 为了防止泵送过程 中泵压过高 ， 寻求降低膏 体充 填过 程 中的能 量 损 耗 的 方 法 ， 对 泵送 减 阻 剂 在 减 少膏 体泵 送 阻 力方 面 的作 用进 行 了试 验 ． 1 膏体 流 变学特 征 ] 实验证实 ， 采用的膏体是 由尾砂、 砂 、 粉煤灰、 水泥 和水组成 的高浓度混合体 ， 具有宾汉姆 B i n g h a m 体 的特 征【 8 ] ， 即服 从 以下 流动 方程 r一 一 ， 7象 ． 1 式中， r为剪切 力， k P a ； r 。为极 限剪切强度 ， k P a ； 刁为 结构 粘结 度 ； 为膏 体流 速 ， m／ s ； t 为膏 体流 动 时间 ， S ． 式 1 表 示 ， 在剪 切力 r 作用 下 ， 结 构粘 度 为 刁 的膏 体克服极 限剪切强度 开始流动后 ， 流动阻力大小与 粘度 和流速 的梯度成正 比． 事实上 ， 工业试验所能 测 到的是 管 流沿 程 阻 力 ， 而管 流 沿 程 阻力 一 般 可 以与 管壁 单位 面 积上 的流 体 摩 擦 阻 力 联 系 ． 根 据 静 力 学 平 衡理论， 水平直管内的摩擦阻力可以表达为 一旦 f 9 、 2 L。 ⋯ 式中， R为管道内半径 ， mm； L为水平管路长度 ， ram； r 为膏体与管壁之间的摩擦力 ， k P a ； △ P为管道沿程 阻力损失 ， k P a ． 经过一系列的运算后得到 与膏体流 变参数之 间的关 系【 1 ． r ． 3 收稿 日期 2 0 0 3 - 1 0 - 0 9 作者简介 李宏泉 1 9 7 5 - ， 男 ． 河南漯河人 ， 硕 士 ， 主要从事岩土 与地下工程方面 的研究 维普资讯 湘潭 矿业学院学报 2 0 0 4年 3 月 苎 ， l为 妻 兰 中 的 平 均 流 速 当 r o 时 ， 可 2 ． 2充 填 料 的 制 备 忽 略 式 中 的 高 阶 项 ，有 。 ⋯ ⋯⋯一 r ／ T o ． 4 一 。 4 事实上 ， 测量 r o和 17 是 比较 困难的． 为了方便起见 ， 广 泛采 用 与 r 之 间 的经验 表 达式 r 一 k 1 k 2 5 式中， k 为粘着 函数 ， 即启动 时管壁 初始剪 切应力 ， k P a； k 。 为速度系数 ， k P a ／ m S _ 。 ． k 。 V相 当于随速度 增加而增大的管壁切应力．k 和k 均与膏体的坍落度 有关． 在管路半径一定 的条件下 ， 式 4 与式 5 代表 的意 义完 全 一致 ， 只是 式 5 将 k 和 k 与 容易 测 得 的 膏体坍落度联系起来． 式 5 代人式 2 得到长度为 L， 半 径 为 R 的管道 的沿 程泵 压 损失 表 达 式 为 A P一 等 五 1 k 2 ． 6 根据 、 R和 L， 可计算水平直管泵压损失 △ P ． 试验中弯管 的泵压损失同样可以通过平衡方程来定． 在弯管轴线与水 平面平行的条件下， 膏体流过弯管时的泵压损失 △ 为[ 。 ] AP R 五 k z ． 7 式中， a为弯管转角 ， 若 a一 9 0 。 、 弯管数 目为 ， 则 AP 一 五 1 k z ． 8 最后 ， 膏体在水平环形试验管道内总泵压损失为 A pa △P △P 一 五 五 2 4 R 五 五 2 一 告 2 L4 n R 五 1 k 2 V ． 9 式中， R为弯管转弯半径 ， mm． 泵 压损失与管道 的半径 R成反 比， 还与管道的长度 L、 弯管数量 N 、 弯管曲率 半径 R 、 膏体管流平均流速 和膏体 的坍落度 S有关． 2 现场试 验 为了提供可靠 的膏体管流流 动阻力试验数据、 提 供泵送剂在降低膏体泵送阻力方 面的作用 ， 在地表进 行了 9 0 m长距离环管闭路试验 ， 该试验跨越 2 a ， 实际 耗 时 7 个 月 ． 2 ． 1 试 验 采用 的 材料 膏体泵送 试验 主要材料是尾砂 、 砂 、 粉煤灰 、 水 和 泵送 减 阻剂 ． 主 要 材料 的粒 级 组 成 见 图 1 ． 泵送 减 阻 剂 是由木质素磺酸盐 、 萘磺酸盐 甲醛缩合物及其它有效 成分 组成 的 复合 剂． 充填料 的制备完全 实现全 自动控制． 砂 仓内的砂 由出口的轮盘给料机计量 给料 ， 经过皮 带直接进入 卧 式搅 拌槽 ， 尾砂 由带 式过 滤机过 滤至浓 度 8 O 以上 后 ， 再经另一条皮带也进入卧式搅拌槽 ， 尾砂是由设置 于皮 带上 方 的 核子 秤 计 量 的． 粉 煤 灰 则 由 冲板 流量 计 计量后 ， 经过螺旋给料机进入搅拌槽 内． 计量后 的干料 与水混合搅拌制成膏体 ， 各种材料配 比由控制室进行 全 自动控 制 与调 节 后 进人 混 凝 土泵 进 料 口． 。 一一 ， l | } { 。 { 乜 口 一扮煤灰0 一 尾砂◇一 棒磨砂 图1 膏体主要材料粒级组成 F i g． 1 S i z e c ompos i t i ons o f p a s t e ma t e ria ls 2 ． 3 试验 管 路 系统 参数 及 试 验过 程 试验管路为水平环 形闭路布置 ， 即泵送膏体经过 环行管路后 ， 回到搅拌槽 内重复利用． 环形管路系统几 何 参数 如表 1所示 ． 表 1 试验 管路 系统 几何 尺寸参数 Ta b ．1 Sy s t e m s i z e pa r ame t e r s of t e s t l oop pi p e 系统参数 数值 管路内径 R／ m 直线段长 L ／ m 弯管总数 n 弯管转弯半径 R ／ m 0 ．1 5 8 3 ．5 0 8 ． 0 0 1 ．5 0 输 送 泵 为 德 国 S c h wi n g公 司 生 产 的 KS P 一 1 4 0型 混凝 土泵 ， 最 大输 送 能 力 1 2 0 m。 ／ h ， 最 大 泵 压 1 2 MP a ． 泵压 测量 采 用 S c h wi n g公 司生 产 的 DMU一 9 1型 压力表， 最大量程为 2 0 MP a ． 膏体管道输送 由双缸 注塞混凝土泵驱动 ， 当混凝 土泵其 中一个混凝 土缸 完成向前的行程后 ， 膏体流动 即停顿， 缸 的分配 阀换 向， 使缸与泵的料斗接通， 吸人 混凝 土 ． 同时 ， 摆 管与 另 一 混凝 土缸 接 通 ， 随 后缸 的 活 塞向前 ， 推动缸 内的膏体前进 ， 并通过与之接通的摆管 维普资讯 第 1 9卷第 1期 李 宏泉等 空 区膏体 充填泵送特性及减 阻试 验研究 流 向钢 管 ． 在进行 膏体管流泵压损失计算 中， 需 要知道膏体 流动时 的平均 流速 ， 而现场 实测 膏体 流速 比较 困 难． 一般采用的方法是实测缸的往复频率 F， 通过实验 标定往复频率 F与输送能力 Q之 间的关系， 计算 F与 平均流速 之间存在着对应关系． 往复频率 F与平均 流 速 之 间 的关 系 如 图 2 所 示 ． 图2 混凝土 缸往复频 率 与平均 流速之 间的 关 系 Fi g． 2 Re l at i o n t o a n d p r o f r e qu en c y F of c on c r e t e c yl i nd e r a n d a v e r a g e v e l o c i t y o f fl o w 由于膏体在泵送过程中阻力并不为常值 ， 而与时 间有关． 因此试验过程 中， 分别记 录最 高泵压值 ， 最低 泵压值和平均泵压值． 造成泵送 过程 中堵泵 的原 因是 由于最高泵压超过混凝 土泵 的设计 泵压 ， 本试验取最 高泵压值． 2 ． 4试 验 结 果及 其分 析 6次地表膏体环管 泵送阻力试验结 果表 明 各次 试验 的最高泵送阻力 泵压损失 与平均泵送速度之间 的关系均可以用直线表达 ， 符合式 9 描述 的规律 ， 说 明膏体在泵送过程 中遵循宾汉姆方程 1 ， 即泵压正 比 于膏体的泵送速度． 泵送速度越大 ， 泵压越高 ， 反之 ， 泵 压越小． 同时 ， 泵压与膏体的坍落度有关． 坍落度越大 ， 泵压越小 ， 相反， 泵压越大． 在没有添加泵送减阻剂的 情况下 ， 试验结果与理论预计 的结果基本 一致 图 3 ， 可以采用 作者 的公式 设计计算 膏体泵送过 程泵压 损 失 ， 参数 k l 0 ． 3 0 ． 0 1 k P a ， k 20 ． 4 0 ． 0 1 k P a／ ms - 1 ． 当掺加泵送减阻剂 0 ． 5 C 1 k g ／ m 和 1 ． 0 C 2 k g ／ m C为膏 体 中的水 泥含量 时 ， 能 够将基准膏体 的坍 落度从 1 8 c m， 分别提高 到 2 1 c m 和 2 5 c m， 即提高坍落度 1 6 和 3 9 ； 而泵压平均降 幅超过理论预计的结果 ， 尤其 当管流速度较 大时 ， 作用 更 为 明显 图 4 ． 、 Q - ，／ m／ s ￡ 一坍落度 s 2 5 c m ◇ 一坍 落度 s 2 1 c m 0一坍落度 1 8 c m 图 3 膏体坍 落和泵送速度 对泵压的 影响 Fi g ． 3 Ef f e c t o f p a s t e s l u mp S a n d a v e r a g e v e l o c i t y on pu mpi ng p r es s u r e O 8 O 7 O 6 O 5 。 O _ 3 O 2 O ． 1 口一泵送剂掺 量 l k r4 m 坍搭度 s 2 5 c m ， 一 ◇ 一泵送剂掺 垃 2 k g ／ m 坍落度 s 2 1 t m， 一 0一基准坍落度 l 8 c m ／ ／ 0． ／ l 8 c m ， ， ‘ ＼ ， ， 一 o 0 0 ． 2 0．4 0． 6 0 ． 8 1 ． 0 1 ． 2 1 ．4 1 ． 6 1 ．8 2 ． 0 v／ m／ s 图 4 泵送 减阻剂对 降低 膏体 泵压的作 用 Fi g． 4 Ef f e c t of pu mpi ng a g en t on pump i n g pr e s s ur e 3 结论 由尾砂、 砂 、 水泥 、 粉煤灰组成的膏体流变特征可 以用宾汉姆方程来描述． 根 据该方程得到的计算式可 以较准确地确定膏体输送过程 中泵 压沿程损失 ， 其 中 初始剪切力和速度系数分别为 0 ． 3 ～0 ． 0 1 k P a和 0 ． 4 n 0 ． 0 1 k P a ／ m s - 1 ； 在泵送减阻剂试验 中， 当膏体 基准坍落度为 1 8 c m， 泵送减 阻剂掺 量 0 ． 5 1 k g ／ r l l 和 1 2 k g ／ m。 时， 分别 能够将膏 体坍落度提 高 到 2 1 c m和 2 5 c m， 提高 1 6 和 3 9 ． 泵压最大降幅 超过理论计算值 ， 说 明泵送 剂在 降低 膏体泵送 阻力方 面的作用 十分明显 ， 可以在膏体浓度较大 ， 输送 困难时 使用． 高坍落度的膏体或浆体可 以广泛 的应用于各种 空 区充填 ． 维普资讯 3 4 湘潭 矿业 学院学报 2 0 0 4年 3月 参 考 文献 [ 1 ]AN DER S ON S 。 L ANDR I AUL T D。 L I P P OL D。 e t a 1 ． A p a s t e f i l 】 p r i me r [ J ] ． C a n a d i a n Mi n i n g J o u r n a l 。 1 9 9 5。 2 1 9 2 1 ． [ 2 ] B RUMME R R， MOS S A． T h e f i l l o f t h e f u t u r e [ J ] ． C a n a d i a n Mi n - i ng J o u r n a l 1 9 9 1 ， 1 1 ． 1 2 3 1 3 5． [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] COOKE R．The De n s e Ph a s e Hy dr a u l i c Tr a n s po r t o f Hi gh Co n c e n t r a t i o n C y c l o n Cl a s s i f i e d Ta i l i n g i n P i p e l i n e s [ D] ． C a p e T o wn Un i v e r s i t y o f Ca p e To wn， S o ut h Af r i c a。 1 9 9 1 ． S PEARI NG A J S。 S TEW ARD N R． Sl u r r y， n o t p a s t e 。 wi l I b e t h e f I l 】 o f t h e f u t u r e [ J ] ． C a n a d i a n Mi n i n g J o u r n a l ， 1 9 9 2 。 6 3 1 ． 4 O ． KELLET W H． M e t h o d s o f S t o wi n g Ca v i t i e s wi t h H o wa b l e M a t e r i 。 a l s [ P _ ． US 4 3 5 7 1 6 7 ， 1 9 8 2 ． S MART R M． F o a ma b l e C o mp o s i t i o n [ P ] ． US 4 9 7 9 9 9 0 。 1 9 9 0 ． GI LLBERT G M ． M CCONNACH I E T M ．KI S I RS TEN P S． Gr o u t i n g C o mp o s i t i o n [ P ] ． US 5 4 5 4 8 6 6 ， 1 9 8 3 ． B RACHE B US C H F W． B a s ic s o f p a s t e b a c k f i l l s y s t e m[J] ． Mi n - i ng En g i n e e r i n g， 1 9 9 4， 1 0 1 1 7 5 1 1 7 8 ． [ 9 ]费祥 俊． 浆 体与 粒状 物料 输 送水 力 学 [ M] ． 北 京 清华 大 学 出版 社 ， 1 9 94 ． [ 1 O ] 徐振 良． 沉 降性浆体 在水平 管道 内输 送时 的水 力坡 度 [ J ] ． 中国 有色金 属学报 ， 1 9 9 9 ， 9 2 ； 4 4 1 4 4 7 ． [ 1 1 ] 赵志缙 ． 泵 送混凝土[ M] ． 北京 中国建筑 出版社 ， 1 9 8 5 ． [ 1 2 ] 梁定伟． 水 力学基 础[ M] ． 北京 中国建筑 出版社 ， 1 9 8 8 ． [ 1 3 ] 牟宏远 ， 戴 永潮． 商品混凝土 生产与泵 送混凝 土施 工[ M] ． 北京 ； 中国铁道 出版 社 ， 1 9 8 7 ． [ 1 4 ] 邵启军． 高 掺量粉煤灰 大体 积泵送 混凝 土 的试 验与应 用 [ J ] ． 建 筑技术 。 1 9 9 6 。 2 3 1 ； 3 1 ． 3 5 ． [ 1 5 ] 董伟 ． C 6 0级 高强 泵送 混凝 土 的研 制 和 应用 [ J ] ． 建 筑技 术 。 1 9 9 7， 2 8 1 34 - 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