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作者：張毅

   實(shí)踐中，基于充填管路設(shè)計(jì)的需要，對(duì)煤矸石高濃度充填料漿流變參數(shù)的研究亟待推進(jìn)。煤矸石高濃度充填料漿（如似膏體或膏體）的料漿濃度達(dá)到70%～80%，其中煤矸石在固料中的比例達(dá)40%～60%，最大粒徑可達(dá)到20mm。目前，平行板式、同軸圓筒式和毛細(xì)管式等幾種粘度計(jì)都只適用于懸浮漿液或細(xì)粒級(jí)料漿（如水泥漿等）流變參數(shù)的測(cè)量，對(duì)于這樣的粗骨料漿體流變參數(shù)的測(cè)定尚無(wú)專(zhuān)門(mén)的測(cè)試儀器，而管道實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法工作量大、費(fèi)用高，一般很少采用，這給煤矸石高濃度充填料漿流變參數(shù)的測(cè)試帶來(lái)不便。為此，本文探索研制了煤矸石高濃度充填料漿流變儀及相應(yīng)的流變參數(shù)測(cè)試方法。

1  自制流變儀的結(jié)構(gòu)組成

  傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)攪拌能力低、容量小，如NXS-11A型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)，其最大攪拌功率20W，料漿測(cè)試體積60ml，只適用于細(xì)顆粒漿體的粘性參數(shù)測(cè)試。針對(duì)煤矸石高濃度充填料漿粗骨料、粘性高的物料特征而研制的流變儀，從工作原理和結(jié)構(gòu)特征考慮要實(shí)現(xiàn)對(duì)固料最大粒徑達(dá)20mm的高濃度充填料漿流變參數(shù)的測(cè)試，采用高功率動(dòng)力系統(tǒng)和大容量攪拌系統(tǒng)，其基本結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖1，其主要包括以下六個(gè)子系統(tǒng)。

  1)動(dòng)力系統(tǒng)：直流調(diào)速電機(jī)，額定功率18 5W，額定轉(zhuǎn)速lOOOr/min。

  2)傳感系統(tǒng)：扭矩傳感器，可同時(shí)測(cè)量攪拌軸扭矩和轉(zhuǎn)速，扭矩量程0.2N·m，轉(zhuǎn)速量程2000r/min。

  3)攪拌系統(tǒng)：①槳式攪拌轉(zhuǎn)子，直徑4cm，高3cm;②盛料圓筒，內(nèi)徑lOcm，高12cm，測(cè)試盛料體積650ml。

  4)控制系統(tǒng)：無(wú)極調(diào)速器。

  5)數(shù)字顯示單元：數(shù)顯儀表一臺(tái)，具有扭矩、轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)顯示功能。在需要的情況下，可將數(shù)顯儀表連接到電腦，實(shí)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和分析。

  6)輔助單元：彈性聯(lián)軸器、底座、支架和光電信號(hào)隔離器。

2  自制流變儀的工作原理

  大量的試驗(yàn)研究表明高濃度充填料漿的流變特性可用賓漢體模型來(lái)描述，其流變特性可用屈服應(yīng)力r。和塑性粘度77兩個(gè)參數(shù)來(lái)表述，其流變方程表達(dá)式為式(1)。

式中：T為切應(yīng)力，Pa；To為屈服應(yīng)力，Pa;n為塑性粘度，Pa.s；y為切變率，S-1。

  自制流變儀分析測(cè)試流變參數(shù)的基本原理：測(cè)試時(shí)，將高濃度料漿裝入盛料筒中，攪拌轉(zhuǎn)子在筒中攪動(dòng)，物料與圓筒壁作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，測(cè)定不同攪拌轉(zhuǎn)速時(shí)的攪拌扭矩，進(jìn)而分析得到料漿的流變參數(shù)To、n，見(jiàn)圖2。

  對(duì)于賓漢體塑性流體，攪拌轉(zhuǎn)子角速度Q、攪拌扭矩M和流變參數(shù)To、n之間存在如式(2)所示關(guān)系式。

式中：R1為攪拌轉(zhuǎn)子半徑，m；R2為盛料筒半徑，m；Ω為攪拌轉(zhuǎn)子角速度，rad/s；h為攪拌轉(zhuǎn)子高度，m;M為攪拌扭矩，N·m。

  對(duì)固定的儀器來(lái)說(shuō)，攪拌轉(zhuǎn)子半徑Ri、盛料筒半徑R2、攪拌轉(zhuǎn)子高度h為已知，則有式(3)。

  由式(3)可知，k1、k2是與儀器系統(tǒng)相關(guān)的常量參數(shù)。因此，式(2)可簡(jiǎn)化為式(4)。

  對(duì)于待測(cè)定的料漿，其流變參數(shù)n、To是確定量，因此，測(cè)試料漿過(guò)程中的攪拌轉(zhuǎn)子角速度和攪拌扭矩的相互關(guān)系可表達(dá)為式(5)。

由式(4)和式(5)，則有式(6)。

  根據(jù)以上分析，就可以通過(guò)以下的測(cè)試流程得到煤矸石高濃度充填料漿的流變參數(shù)。①首先，通過(guò)自制流變儀測(cè)定充填料漿在不同攪拌轉(zhuǎn)速Ω下的攪拌扭矩M，得到料漿的M—Ω曲線；②由M-Q曲線得到a、b值；③由式(6)計(jì)算得到料漿的n、To。

3似膏體充填料漿流變參數(shù)測(cè)試

  為了安全開(kāi)采水體壓煤，同時(shí)又提高資源回收率，公格營(yíng)子煤礦采用似膏體充填技術(shù)對(duì)水體下壓煤進(jìn)行開(kāi)采。該礦似膏體充填材料采用普通水泥為膠凝材料，以破碎煤矸石(粒度≤20mm)和電廠粉煤灰為骨料。從充填強(qiáng)度和泌水率的指標(biāo)要求，充填料漿濃度初選為78%和79%，其中水泥、煤矸石和粉煤灰的含量分別為4%、52%、22%～23%。

  充填料漿的流變參數(shù)是充填管道輸送參數(shù)選擇和管路設(shè)計(jì)的基本依據(jù)。為了進(jìn)行充填管輸參數(shù)的分析和管路設(shè)計(jì)，采用自制流變儀對(duì)濃度78%和79%的充填料漿流變參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試分析，得到的扭矩與轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線如圖3所示。

  由圖2中的扭矩與角速度關(guān)系M-Ω曲線擬合得到：①濃度78%，M=4.84×10-4 Ω+1.32×10 -2，其中a=4. 84×10-4，6=1.32×10-2；②濃度79%，M=6.22×10-4 Ω+1.  76×10-2，其中a=6. 22×10-4 ,b=1, 76×10-2。

  由自制流變形儀結(jié)構(gòu)可知，R1=0.02m，R2=0. 05m，h=0.03m。因此通過(guò)式(6)和式(3)計(jì)算得到濃度78%和79%的似膏體料漿的流變參數(shù)，見(jiàn)表1。

4充填管輸參數(shù)的分析

4.1  料漿濃度和管道內(nèi)徑的確定

  充填管路管徑的大小，除了影響充填能力，還關(guān)系到充填系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和安全性。管徑太小，不僅管輸阻力大，管路磨損嚴(yán)重，而且充填能力受限，不能滿(mǎn)足礦山生產(chǎn)的實(shí)際要求；管徑太大，不僅浪費(fèi)管道資源，而且料漿流速太小容易出現(xiàn)固料沉降而堵管，也會(huì)導(dǎo)致不滿(mǎn)管流現(xiàn)象，使管路中產(chǎn)生射流沖擊、汽蝕等破壞作用，減少管道的使用壽命。似膏體的流型接近于賓漢塑性體，在管內(nèi)的合理流速為1.0～2.0 m／s。在管道輸送中，賓漢流體的摩擦阻力系數(shù)可由式(7)計(jì)算。

式中：廠為摩擦阻力系數(shù)，Pa／m；D為管道內(nèi)徑．m；“為漿體在管道內(nèi)平均流速，m/s。

  公格營(yíng)子礦設(shè)計(jì)充填能力為Q=90 m3／h。根據(jù)前文測(cè)試分析得到的充填料漿流變參數(shù)ro、n值及充填能力，由式(7)計(jì)算得到不同管徑條件下的摩擦阻力系數(shù)如表2所示。

  從表2可以看出，濃度79%的摩擦阻力系數(shù)是濃度78%的1.3～1.4倍，阻力系數(shù)增加顯著。綜合考慮管道流速和阻力，確定采用濃度為78%充填料漿，管道內(nèi)徑D-0.15m，其管輸阻力系數(shù)f=8. 29×l03 Pa／m。

4.2充填泵最大工作壓力

  公格營(yíng)子礦充填管路總長(zhǎng)度1069m，垂直高度118m。考慮Ω=90m3/h運(yùn)行條件下，充填泵最大工作壓力見(jiàn)式(7)。

式中：L為管路總長(zhǎng)，1= 1069m;f為管道的摩阻系數(shù)，f=8. 29kPa/m;k為局部阻力系數(shù)，取10%;AH為管路的垂直高度，ΔH= 118m;為料漿密度，p=l950kg/m3。

  因此，在充填流量Q=90m3／h條件下，充填泵的最大工作壓力為7. 49MPa。根據(jù)以上分析，結(jié)合充填泵的標(biāo)準(zhǔn)配置，實(shí)際選擇了流量Q一90n13／h、額定泵壓P=lOMPa的充填泵。

5結(jié)  論

  1)根據(jù)煤矸石高濃度充填料漿粗骨料、粘性高的物料特征以及流變參數(shù)測(cè)試原理，研制了煤矸石高濃度充填料漿流變儀及相應(yīng)的流變參數(shù)測(cè)試方法。

  2)將新研制的流變儀應(yīng)用于實(shí)踐，測(cè)試分析了公格營(yíng)子礦的似膏體充填料漿濃度78%和79%的流變參數(shù)。

3)結(jié)合實(shí)際工作條件進(jìn)行了充填管路阻力系數(shù)計(jì)算和合理管徑的分析，選定濃度為78%充填料漿，管道內(nèi)徑D=0.15m，為充填泵的選型提供了科學(xué)依據(jù)。

、6摘要：近年來(lái)，采用煤矸石為骨料的似膏體或膏體充填采煤技術(shù)開(kāi)采“三下”壓煤已成為煤礦綠色開(kāi)采的一個(gè)重要方向。分析充填料漿流變參數(shù)是充填管輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)工作。針對(duì)常規(guī)流變儀無(wú)法測(cè)試煤矸石高濃度充填料漿流變參數(shù)的實(shí)際問(wèn)題，根據(jù)充填料漿粗骨料、粘度高的物料特征和流變參數(shù)測(cè)試原理，研制了煤矸石高濃度充填料漿流變參數(shù)測(cè)試儀和相應(yīng)的測(cè)試方法。采用自制流變儀對(duì)公格營(yíng)子礦似膏體充填料漿的流變參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試分析，確定了充填料漿管道輸送的摩阻系數(shù)，為該礦充填管道系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)。