徐文彬，楊寶貴，楊勝利，黨鵬

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京） 資源與安全工程學(xué)院，北京，100083）

矸石充填料漿流變特性與顆粒級(jí)配相關(guān)性試驗(yàn)研究

徐文彬，楊寶貴，楊勝利，黨鵬

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京） 資源與安全工程學(xué)院，北京，100083）

為了明確矸石充填料漿流變參數(shù)與顆粒級(jí)配指標(biāo)的相關(guān)性，通過(guò)開(kāi)展不同級(jí)配骨料、靜置時(shí)間條件下的充填料漿流態(tài)變化規(guī)律試驗(yàn)，研究靜置時(shí)間、顆粒級(jí)配對(duì)料漿流態(tài)變化的影響。以山西省孝義市新陽(yáng)某礦矸石膠結(jié)充填采煤為工程背景，基于料漿流變特性，分析管道堵塞、磨損機(jī)理，得到最優(yōu)的骨料顆粒級(jí)配（2號(hào)料漿骨料級(jí)配）；建立料漿不沉顆粒臨界粒徑公式，明確2號(hào)料漿中不沉臨界粒徑為14 mm。試驗(yàn)結(jié)果表明：料漿的初始剪切力和表觀黏度均隨著靜置時(shí)間的延長(zhǎng)而增加；料漿的流變特性是個(gè)多種模型復(fù)合特性的綜合體現(xiàn)，隨著剪切速率的增加，料漿流變曲線呈上凸?fàn)?；粒徑d10（即粒徑累積分布中累積粒徑含量達(dá)到10%時(shí)對(duì)應(yīng)的粒徑）、d30（即粒徑累積分布中累積粒徑含量達(dá)到 30%時(shí)對(duì)應(yīng)的粒徑）與料漿的表觀黏度和初始剪切力相關(guān)性最強(qiáng)，表明 0～30 μm粒徑顆粒對(duì)料漿的流變性能影響最大；料漿靜置時(shí)間越長(zhǎng)，表觀黏度與粒徑d10，d30的相關(guān)性強(qiáng)度逐漸降低，而初始剪切力與之相關(guān)性則增強(qiáng)。

矸石充填料漿；流變特性；顆粒級(jí)配；相關(guān)性

采用矸石充填采煤時(shí)，由矸石、粉煤灰、膠凝材料和水按一定配比制成的充填料漿，通常采用管道加壓泵送的方式輸送至采場(chǎng)。在正常泵送過(guò)程中，充填料漿在管道中形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)流呈現(xiàn)整體勻速流動(dòng)，但當(dāng)物料級(jí)配不均、料漿不穩(wěn)定、部分大顆粒矸石在輸送中運(yùn)動(dòng)受阻時(shí)，會(huì)導(dǎo)致大顆粒矸石在管道內(nèi)集結(jié)，在泵壓的作用下粉煤灰和水泥等細(xì)集料被擠出，破壞潤(rùn)滑層的形成，管道阻力損失加大，造成料漿進(jìn)一步固結(jié)，最終導(dǎo)致堵管。因此，充填料漿的流變特性一直是礦山充填輸送的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，特別是對(duì)于一些長(zhǎng)距離管道輸送充填礦山，料漿在管道中歷時(shí)長(zhǎng)，其流態(tài)穩(wěn)定性直接決定其在管道中是否會(huì)發(fā)生泌水、沉降甚至堵管、破管等風(fēng)險(xiǎn)。料漿流變性能與質(zhì)量分?jǐn)?shù)、顆粒級(jí)配密切相關(guān)。金川試驗(yàn)證明，隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，其流變特性逐漸發(fā)生變化，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)“臨界流態(tài)質(zhì)量分?jǐn)?shù)”時(shí)，料漿性質(zhì)發(fā)生質(zhì)的變化，從非均質(zhì)的固、液兩相流轉(zhuǎn)變成似均質(zhì)的結(jié)構(gòu)流［1］。翟永剛等［2］的研究表明，不同高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的料漿，流變模型不同，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為69%～81%的料漿流變模型為屈服偽塑性體，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為81%的料漿為賓漢姆體。黃玉誠(chéng)等［3］以山東省焦家金礦尾砂作骨料，研究了似膏體充填料漿的流變模型及其流態(tài)，得到了適合該礦的料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為74%～75%。陳廣文等［4］根據(jù)料漿中細(xì)顆粒含量的變化得到了低質(zhì)量分?jǐn)?shù)和高質(zhì)量分?jǐn)?shù)漿體的判定依據(jù)。張欽禮等［5］的研究表明，在充填料漿中添加適量的有效細(xì)粒群不僅可以提高料漿的流動(dòng)性，增加漿體的穩(wěn)性，而且可以減少充填料漿在采場(chǎng)的脫水量。趙才智等［6］從流變特性角度分析了料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)、粉煤灰用量對(duì)料漿流變參數(shù)的影響規(guī)律，確定了合適的料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)和粉煤灰用量配比。對(duì)于采用矸石料漿管道輸送充填的礦山，管道輸送能否取得成功，關(guān)鍵在于充填料漿的流變特性，歸根結(jié)底受顆粒級(jí)配決定［7-8］。選擇合理的物料級(jí)配要確保級(jí)配均勻、避免矸石顆粒過(guò)大而自重下沉、堵塞，以確保料漿在一段時(shí)間內(nèi)泌水量少、具備良好流動(dòng)性和穩(wěn)定性。為了研究不同粒徑級(jí)配參數(shù)、時(shí)間對(duì)充填料漿的流變特性指標(biāo)的影響，確定料漿流變特性指標(biāo)與顆粒級(jí)配關(guān)系以及料漿最大臨界顆粒粒度。本文作者通過(guò)流變?cè)囼?yàn)闡述充填料漿流變指標(biāo)與顆粒級(jí)配參數(shù)間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，以便為指骨料粒徑的選擇、破碎及篩分以及長(zhǎng)距離泵壓輸送技術(shù)研究提供參考。

表1　煤矸石和粉煤灰的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical component of coal gangue and fly ash %

1　試驗(yàn)材料、設(shè)備及過(guò)程

本實(shí)驗(yàn)以試驗(yàn)新陽(yáng)某礦矸石充填采煤為背景，實(shí)驗(yàn)按照礦山采用的工業(yè)配比，即水泥、粉煤灰、矸石的質(zhì)量比為1：3：5，配制的料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%［9］。原材料主要為煤矸石、粉煤灰，其化學(xué)成分如表1所示。從表1可以看出：煤矸石和粉煤灰對(duì)應(yīng)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 45.18%和 50.22%，其主要化學(xué)成分為 SiO2，Al2O3，CaO和MgO。按照表示礦物化學(xué)成分指標(biāo)計(jì)算公式，對(duì)表1中化學(xué)成分進(jìn)行分析，可以得出煤矸石的堿度系數(shù)為1.0，屬中性材料，活性系數(shù)為6.7，按材料劃分品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，其屬于1類(lèi)；粉煤灰的堿度系數(shù)為0.1，屬酸性材料，活性系數(shù)為0.3。采用激光粒度分析儀測(cè)得各混合料的粒級(jí)組成，不同混合程度下充填骨料的級(jí)配特征指標(biāo)如表2所示。

實(shí)驗(yàn)儀器為R/S型四葉槳式旋轉(zhuǎn)流變儀，采用控制剪切速率的方式進(jìn)行剪切測(cè)試。將轉(zhuǎn)子置于500 mL的燒杯中進(jìn)行流變測(cè)試，以可變化的剪切速率旋轉(zhuǎn)，多次配漿多次測(cè)量取均值以消除誤差，實(shí)時(shí)記錄相應(yīng)的剪切應(yīng)力和表觀黏度，剪切速率范圍為0～120 s-1，時(shí)間為120 s。為了研究料漿靜置的時(shí)間對(duì)料漿流變參數(shù)的影響，每隔20 min對(duì)相應(yīng)配比的料漿進(jìn)行測(cè)試并記錄其對(duì)應(yīng)的流變參數(shù)，即靜置 0，20，40，60 min后的流變參數(shù)。

表2　充填材料的粒徑級(jí)配特征指標(biāo)Table 2 Characteristic indexes of size grading of filling material

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1流變參數(shù)分析

2.1.1流變特征指標(biāo)

屈服應(yīng)力與黏度是表征料漿流變的 2個(gè)基本參數(shù)。其中屈服應(yīng)力可分為動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力與靜態(tài)屈服應(yīng)力。產(chǎn)生屈服應(yīng)力的料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)與細(xì)顆粒的粒徑和含量有關(guān)，顆粒粒度越小或含量越高，出現(xiàn)屈服應(yīng)力的料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)也越低。黏度反映了料漿流動(dòng)時(shí)本身內(nèi)摩擦角的大小，是流體分子微觀作用的宏觀表現(xiàn)，漿體黏度與固體顆粒的粒度、分布、質(zhì)量分?jǐn)?shù)、固體顆粒與液體分子間的動(dòng)量交換等因素影響等有關(guān)［10］。

2.1.2流變模型

物料在管道中不同位置的流動(dòng)狀態(tài)，依流速可大致分為“結(jié)構(gòu)流”、“層流”和“紊流”，輸送特性不同于兩相流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。當(dāng)料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到一定程度時(shí)，料漿變得很黏，沿管道輸送特性發(fā)生很大的變化，料漿的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)呈“柱塞”整體移動(dòng)。國(guó)內(nèi)外研究證實(shí)，管道輸送高質(zhì)量分?jǐn)?shù)（膏體）料漿時(shí)的雷諾數(shù)遠(yuǎn)低于從層流過(guò)渡到紊流的雷諾數(shù)，高質(zhì)量分?jǐn)?shù)料漿流變模型宜采用 Hershel-Bulkley 模型，簡(jiǎn)稱(chēng) H-B模型［11］，其流變特征曲線如圖1所示，方程通式為

式中：τ為剪切應(yīng)力，Pa；γ為剪切速率，s-1；μ為表觀黏度，Pa·s；τ0為初始屈服應(yīng)力，Pa；n為流態(tài)性指數(shù)。當(dāng)n=1，τ0=0時(shí)，為牛頓體；當(dāng)n=1，τ0＞0時(shí)，為賓漢姆體；當(dāng)n＞1時(shí)，為膨脹體；當(dāng)n＜1時(shí)，為偽塑性體。

2.1.3流變參數(shù)擬合與分析

根據(jù)式（1）對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到不同條件下的料漿流變特性指標(biāo)，如表3所示。從表3可以得出：隨著料漿靜置的時(shí)間延長(zhǎng)，體現(xiàn)料漿流變特性的參數(shù)值（初始剪切力和表觀黏度）相應(yīng)地增加；在靜置相同的時(shí)間內(nèi)，不同物料組成的料漿流變特性也不同，2號(hào)和3號(hào)料漿產(chǎn)初始剪切力和表觀黏度皆大于其他3組料漿，如圖2所示，這主要由于2號(hào)和3號(hào)料漿顆粒級(jí)配相似，細(xì)顆粒含量較多，隨著時(shí)間的變化，料漿內(nèi)部的水化反應(yīng)在進(jìn)行，生成具有抵抗機(jī)械破壞力的絮網(wǎng)狀膠凝產(chǎn)物數(shù)量越來(lái)越多，強(qiáng)度越來(lái)越大，從而料漿的流變模型也在發(fā)生變化。對(duì)比表3中表征料漿流態(tài)指標(biāo)可以得出：1號(hào)，4號(hào)和5號(hào)料漿流態(tài)指標(biāo)變化規(guī)律基本相同，流變指標(biāo)均小于 1，屬于偽塑性體；2號(hào)和3號(hào)料漿在0～40 min內(nèi)，其流態(tài)指標(biāo)為1，表明此階段內(nèi)料漿流態(tài)較穩(wěn)定，屬于賓漢姆體，當(dāng)靜置60 min后，表征流態(tài)性的指標(biāo)n小于1，其流態(tài)已發(fā)生變化，此時(shí)料漿屬于偽塑性體。

圖1　漿體剪切力與切應(yīng)變率關(guān)系示意圖Fig. 1　Sketch of relationship between rheological parameters and shear rate

2.2流變特性分析

圖3所示為不同級(jí)配條件下料漿靜置60min后的流變特性曲線圖。從圖3可以看出：不同級(jí)配料漿在不同的剪切速率下，剪切力與剪切速率關(guān)系不同，2號(hào)和3號(hào)料漿流變特性曲線趨勢(shì)基本相同，而1號(hào)則與4號(hào)和5號(hào)料漿流變曲線規(guī)律類(lèi)似；同一級(jí)配的料漿在不同的剪切速率下，料漿的流變模型通常是變化的，料漿流變特性基本可以分為3個(gè)階段：1） 剪切速率處于0～10 s-1范圍，即AB段。隨著剪切速度的逐漸增加，表觀黏度處于不穩(wěn)定性階段，其值迅速減小，料漿表現(xiàn)出明顯的偽逆性，屬于偽塑性體。2） 剪切速率處于10～65 s-1范圍，即BC段。料漿流變性能基本穩(wěn)定，剪切應(yīng)力與剪切速度關(guān)系曲線呈近似線性規(guī)律，表觀黏度也線性減少，料漿流變屬性呈賓漢姆特性，屬于賓漢姆模型。3） 剪切速率處于65～120 s-1范圍，即CD段。在此階段內(nèi)，表觀黏度基本保持定值，料漿流態(tài)穩(wěn)定，剪切應(yīng)力與剪切速度關(guān)系曲線呈上凸?fàn)睿憩F(xiàn)出具有初始屈服應(yīng)力的偽塑性體的特征。與1號(hào)、4號(hào)和5號(hào)料漿相比，2號(hào)和3號(hào)料漿流變特性主要表現(xiàn)2種模型，即偽塑性體和賓漢姆體。

表3　不同條件下的充填料漿流變參數(shù)Table 3 Rheological parameters of slurry in different conditions

圖2　料漿流變參數(shù)變化圖（靜置時(shí)間60 min）Fig. 2　Rheological parameters variation diagram of slurry （static time t=60 min）

圖4所示為不同級(jí)配條件下料漿靜置40 min后的流變特性曲線規(guī)律。對(duì)比圖3和圖4可知：靜置40 min的料漿流變特征規(guī)律與靜置 60 min的料漿流變特征規(guī)律基本相同，靜置40 min料漿的剪切應(yīng)力和表觀黏度的凈增值要小于靜置 60 min料漿的剪切應(yīng)力和表觀黏度的凈增值，這主要因?yàn)槭请S著水化作用時(shí)間的延長(zhǎng)，靜置40 min的料漿生成的絮網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)物量少且強(qiáng)度相對(duì)較弱；隨著剪切速率的變化，2號(hào)和3號(hào)料漿流變模型較穩(wěn)定；對(duì)比表2中各物料間的粒徑級(jí)配特征參數(shù)，說(shuō)明2號(hào)和3號(hào)料漿級(jí)配等級(jí)要優(yōu)于1號(hào)，4號(hào)和5號(hào)料漿顆粒組成。

圖3　料漿流變特性曲線圖（靜置時(shí)間t=60 min）Fig. 3　Diagram of rheological characteristic curves of slurry after 60 minutes

圖4　料漿流變特性曲線圖（靜置時(shí)間t=40 min）Fig. 4　Diagram of rheological characteristic curves of slurry after 40 minutes

從圖3和圖4可知：隨著剪切速率和時(shí)間增加，同一級(jí)配料漿的表觀黏度先逐漸減小，后穩(wěn)定，即料漿流變特性具有“剪切稀化”特征；料漿的流變特性過(guò)程是多種模型復(fù)合特性的綜合體現(xiàn)，隨著剪切速率的增加，模型通常表現(xiàn)出偽塑性體—賓漢姆體—偽塑性體；物料級(jí)配在一定程度上影響了料漿流變特性穩(wěn)定性。為了進(jìn)一步了解顆粒粒徑對(duì)料漿流變參數(shù)的影響，有必要對(duì)料漿的流變參數(shù)與級(jí)配指相關(guān)性進(jìn)行研究。

2.3流變參數(shù)與級(jí)配相關(guān)性

假如不同料漿的流變特征參數(shù)x1和顆粒級(jí)配參數(shù)x2存在一定的相關(guān)，則用如下相關(guān)性公式表示：

由最小二乘法原理，可得出參數(shù)x1與x2之間的相關(guān)系數(shù)r和剩余標(biāo)準(zhǔn)差s。一般地講，當(dāng)|r|＜0.4時(shí)，變量間不存在或弱相關(guān)性；當(dāng)0.4＜|r|＜0.6時(shí)，中等程度相關(guān)；當(dāng)0.6＜|r|＜0.6時(shí)，強(qiáng)相關(guān)性（顯著相關(guān)）；當(dāng)0.8＜|r|＜1.0時(shí)，相關(guān)性極強(qiáng)［12］。

按照相關(guān)性方程，將表2和表3參數(shù)進(jìn)行最小二乘計(jì)算，得到了不同參數(shù)間的線性回歸結(jié)果。表 4～7所示分別為料漿靜置0，20，40和60 min后表觀黏度、初始屈服剪切力與顆粒級(jí)配參數(shù)間相關(guān)性。從表4可以得出：表觀黏度與d10和d30粒徑（30 μm）相關(guān)系數(shù)達(dá)0.8以上，表明二者相關(guān)性極強(qiáng)。但隨著顆粒增粗，二者間相關(guān)性降低。而在此階段，初始屈服剪切力與d10和d30粒徑的相關(guān)系數(shù)基本在0.6左右，屬于中等程度相關(guān)。結(jié)果表明：在初始階段，直徑為0～30 μm的顆粒對(duì)料漿靜觀黏度的影響比對(duì)初始屈服剪切力的影響作用大。從表5可知：當(dāng)料漿靜置的時(shí)間延長(zhǎng)到20 min時(shí)，表觀黏度與d10和d30粒徑相關(guān)性仍極強(qiáng)，粒徑級(jí)配參數(shù)的相關(guān)性系數(shù)增大，表明隨著時(shí)間的推移，料漿表觀黏度受顆粒級(jí)配的影響越來(lái)越明顯，初始屈服剪切力與顆粒級(jí)配的相關(guān)性程度也逐漸增強(qiáng)。

從表6可見(jiàn)：初始屈服剪切力與顆粒粒徑級(jí)配相關(guān)系數(shù)基本在0.8左右，表現(xiàn)極強(qiáng)相關(guān)性，而表觀黏度和顆粒粒徑級(jí)配相關(guān)系數(shù)基于在0.7以下，呈現(xiàn)強(qiáng)相關(guān)性。這說(shuō)明到此階段顆粒級(jí)配與初始屈服剪切力的相關(guān)度更高于表觀黏度與級(jí)配的相關(guān)度，顆粒級(jí)配對(duì)料漿初始剪切力的影響程度更大。

從表7可見(jiàn)：料漿靜置60 min后，初始剪切力與顆粒級(jí)配參數(shù)的相關(guān)系數(shù)在0.6左右，兩者表現(xiàn)中等程度相關(guān)，表觀黏度與顆粒級(jí)配參數(shù)的相關(guān)系數(shù)則皆0.7左右，屬于顯著相關(guān)。與表6相比，料漿的初始剪切力和表觀黏度與顆粒級(jí)配參數(shù)的相關(guān)性仍減小，仍然表明顆粒級(jí)配對(duì)料漿初始剪切力的影響程度大。

從表4～7可以得出：隨著料漿靜置時(shí)間的延長(zhǎng)，表觀黏度與顆粒級(jí)配參數(shù)基本遵循相關(guān)性極強(qiáng)（0 min 和20 min）—強(qiáng)相關(guān)性（40 min）—中等相關(guān)性（60 min）的規(guī)律；相反，料漿初始剪切力隨著時(shí)間的增加，其對(duì)顆粒的相關(guān)性逐漸加大，基本遵循：中等相關(guān)性（0 min和 20 min）—強(qiáng)相關(guān)性（40 min）—相關(guān)性極強(qiáng)（60 min）的規(guī)律。在相同條件下，粒徑d10和d30與料漿的表觀黏度和初始剪切力相關(guān)性最強(qiáng)，說(shuō)明小于 d30粒徑的顆粒對(duì)料漿的流變性影響最大。隨著靜置時(shí)間的推移，粒徑d10和d30與表觀黏度的相關(guān)性強(qiáng)度逐漸降低，說(shuō)明隨著時(shí)間的增加，細(xì)粒徑顆粒對(duì)料漿的表觀黏度影響作用逐漸減少。這主要是由于膠結(jié)材料與矸石等發(fā)生了水化反應(yīng)，產(chǎn)生大量的絮凝網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，起初在小顆粒的表面進(jìn)行，并在顆粒外圍表面形成一層凝膠膜，顆粒粒徑越小，其更易于被水化產(chǎn)物包裹而失去流動(dòng)性，致使顆粒級(jí)配對(duì)料漿的表觀黏度不敏感，對(duì)初始屈服剪切力敏感，二者關(guān)系如圖5所示。

表4　未靜置的料漿流變參數(shù)與粒徑級(jí)配相關(guān)性Table 4 Correlation between rheological parameters and size grading of slurry

表5　靜置20 min后料漿流變參數(shù)與粒徑級(jí)配相關(guān)性Table 5 Correlativity between rheological parameters and size grading of slurry after 20 minutes

表6　靜置40 min后料漿流變參數(shù)與粒徑級(jí)配相關(guān)性Table 6 Correlativity between rheological parameters and size grading of slurry after 40 minutes

表7　靜置60 min后料漿流變參數(shù)與粒徑級(jí)配相關(guān)性Table 7 Correlativity between rheological parameters and size grading of slurry after 60 minutes

圖5　流變參數(shù)與級(jí)配相關(guān)性示意圖Fig. 5　Correlativity diagram between rheological parameter and size grading

3　料漿堵管機(jī)理分析及其臨界粒徑確定

山西孝義新陽(yáng)某礦采用矸石充填法采煤，充填材料為煤矸石、粉煤灰、膠結(jié)材料和水，其中煤矸石采用該礦的原料煤矸石，膠結(jié)材料為普通325號(hào)硅酸鹽水泥。充填工藝為先將煤矸石破碎加工，然后將煤矸石、粉煤灰、水泥和水按一定比例混合、攪勻，最終用充填泵輸送到井下充填采空區(qū)。在正式充填前，先泵送由粉煤灰和膠結(jié)料制成粉煤灰充填料漿，把管路內(nèi)的清水排出，此過(guò)程充填管路前段為清水，后段為粉煤灰充填料漿，即為灰漿推水階段。充填完畢后，需及時(shí)清洗管道，避免堵管，一旦堵管，堵管處理費(fèi)用高，處理時(shí)間久，不僅耽誤生產(chǎn)，而且造成了巨大的人力、物力資源浪費(fèi)。

3.1管道堵管和磨損機(jī)理

充填料漿長(zhǎng)期穩(wěn)定性一直是礦山充填輸送的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，特別是對(duì)于一些長(zhǎng)距離管道輸送充填礦山，料漿在管道內(nèi)的運(yùn)移時(shí)間長(zhǎng)，因而料漿的長(zhǎng)期穩(wěn)定性直接決定其在管道中是否會(huì)發(fā)生泌水、沉降甚至堵管等風(fēng)險(xiǎn)［13-14］。根據(jù)該礦的充填管道布置路線，工業(yè)試驗(yàn)的工作面充填管路總長(zhǎng)2.7 km；最遠(yuǎn)距離充填管路總長(zhǎng)達(dá)3.5 km，屬于長(zhǎng)距離管道輸送，料漿在管道中的流動(dòng)極具復(fù)雜性［15］。若按照料漿流動(dòng)速度為 1.5 m/s計(jì)算。則將地面制造好的料漿要輸送到達(dá)充填工作面至少需要40 min。從料漿表觀黏度、初始屈服剪切力與顆粒級(jí)配的關(guān)系擬合結(jié)果可知：顆粒級(jí)配和時(shí)間是影響料漿穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。充填料漿的流變特性與流態(tài)隨著時(shí)間的變化而存在差異；料漿時(shí)間越長(zhǎng)，其黏度系數(shù)和初始屈服剪切力越大，因而管道輸送阻力也越來(lái)越大，一旦泵送壓力不夠，料漿則極易發(fā)生堵管；同時(shí)，由于顆粒級(jí)配不均勻，料漿在管道中發(fā)生泌水，造成大顆粒沉降，料漿產(chǎn)生分層，以致大顆粒積聚越多，最終產(chǎn)生堵管。管道磨損實(shí)質(zhì)上是管道與固體顆粒碰撞產(chǎn)生沖擊力和摩擦阻力共同作用的結(jié)果。在泵送過(guò)程中，充填料漿中的粗骨料矸石以一定的角度和速度撞向管壁，一方面對(duì)管壁產(chǎn)生沖擊，沖擊力導(dǎo)致局部壁面材料發(fā)生變形、破碎和剝落；另一方面，矸石會(huì)與管道壁產(chǎn)生摩擦，引起表面刮痕沖刷。

3.2料漿臨界粒徑確定

假設(shè)單個(gè)固體顆粒在料漿內(nèi)未受到任何外力影響且不參與水化反應(yīng)，在垂直方向上，為了保顆粒始終處于懸浮狀態(tài)，固粒在漿液中的有效重力必須小于或等于漿體對(duì)顆粒的阻力，此時(shí)，破壞漿體中絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)所需的剪切力占優(yōu)勢(shì)，摩擦力較小。圖6所示為漿體中顆粒受力模型。因此，可以建立顆粒在漿體不沉力學(xué)模型，如下式所示。

式中：G0為固粒在漿液中的有效重力，N；F為顆?？朔蠞{下沉?xí)r阻力，MPa；dk為顆粒直徑，mm；ρk和ρ0分別為顆粒、料漿密度，kN/m3。

聯(lián)立式（3）～（5），可得到漿體中不沉顆粒臨界粒徑公式為

由式（5）可以得知：漿體中不沉顆粒臨界粒徑與料漿自身的流變特性相關(guān)，與顆粒級(jí)配相關(guān)聯(lián)。

通過(guò)上述研究可知：由2號(hào)和3號(hào)矸石骨料配制的料漿流態(tài)穩(wěn)定性較好，說(shuō)明其級(jí)配良好，將表3中2號(hào)料漿未靜置時(shí)的流變參數(shù)代入式（6）中，可以得到2號(hào)料漿中不沉顆粒臨界粒徑為14 mm。

圖6　漿體中顆粒受力模型Fig. 6　Mechanical model of particle in slurry

4　結(jié)論

1） 1號(hào)、4號(hào)和5號(hào)料漿流態(tài)指標(biāo)變化規(guī)律基本相同，表征流態(tài)性的指標(biāo)n均小于1，屬于偽塑性體；2號(hào)和3號(hào)料漿在0～40 min內(nèi)流態(tài)指標(biāo)為1，屬于賓漢姆體。當(dāng)靜置60 min后料漿流型發(fā)生變化，屬于偽塑性體。

2） 隨著剪切速率和時(shí)間增加，表觀黏度先逐漸減小，后穩(wěn)定，即料漿流變特性具有“剪切稀化”特征；料漿的流變特性過(guò)程是多種模型復(fù)合特性的綜合體現(xiàn)，隨著剪切速率的增加，料漿流變曲線呈上凸?fàn)?，表現(xiàn)出偽塑性體—賓漢姆體—偽塑性體。

3） 粒徑 d10和 d30與料漿的表觀黏度和初始剪切力相關(guān)性最強(qiáng)，表明0～30 μm粒徑顆粒對(duì)料漿的流變性能影響最大；隨著時(shí)間的推移，表觀黏度與粒徑d10和d30的相關(guān)性強(qiáng)度逐漸降低，而初始剪切力與d10和d30相關(guān)性強(qiáng)度增強(qiáng)。

4） 經(jīng)計(jì)算得到所選2號(hào)料漿骨料級(jí)配的不沉臨界粒徑值為 14 mm，可用于確定礦山破碎系統(tǒng)矸石骨料破碎段數(shù)。

5） 2號(hào)和3號(hào)混合料的料漿穩(wěn)定性較強(qiáng)，表明2號(hào)和3號(hào)材料級(jí)配等級(jí)要優(yōu)于1號(hào)、4號(hào)和5號(hào)料漿的級(jí)配等級(jí)，應(yīng)當(dāng)在工業(yè)生產(chǎn)中按2號(hào)和3號(hào)混合料級(jí)配配制矸石、粉煤灰矸石充填料漿，以確保長(zhǎng)距離管道輸送過(guò)程中料漿流態(tài)穩(wěn)定性，保證管道輸送順暢。

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（編輯 羅金花）

Experimental study on correlativity between rheological parameters and grain grading of coal gauge backfill slurry

XU Wenbin， YANG Baogui， YANG Shenli， DANG Peng

（China University of Mining &Technology， Beijing， College of Resources & Safety Engineering， Beijing 100083， China）

In order to investigate the correlation between grain grading and rheological parameters of high density concentration slurry， tests were conducted to study the effects of grain grading and static minutes on the rheological tendency variation law of backfill slurry at different grain grading and static minutes. Based on the engineering of Xinyang coal mine in Xiaoyi city Shanxi province with cemented backfill mining method， the mechanism of pipeline plugging and abrasion was analyzed on the basis of slurry rheological characteristic. And the optimal aggregate particle size grading of a coal mine in Xinyang City was gained. The formula for defining the critical diameter of non-subsidence aggregate in slurry was established， and the critical particle size in No.2 slurry was 14 mm. The results show that both the initial shear strength and apparent viscosity increase with the extension of time. The rheological curve of slurry is like a convex varying with shear rate， showing that the rheological model is pseudo plastic-Bingham-plastic. The apparent viscosity and initial shear are significantly relative to the grain diameter of d10and d30is strongest in all， indicating that the grain size of 0-30 μm proposes greatest influence on the rheological feature of slurry. The correlation level between apparent viscosity and grain diameter of d10gradually reduces as time goes on， but oppositely the initial shear increases.

coal gauge backfill slurry； rheological property； grain grading； correlation

TD853.34

A

1672-7207（2016）04-1282-08

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.04.026

2015-04-17；

2015-06-12

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51504256）；國(guó)家“十一五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2009BAB48B02）（Project （51504256） supported by the National Natural Science Foundation of China； Project （2009BAB48B02） supported by the National Science and Technology Pillar Program During the Eleventh Five-year Plan Period）

徐文彬，博士，講師，從事充填工藝與理論以及新型膠結(jié)充填材料研究；E-mail：xuwb08@163.com