考虑管壁滑移效应膏体管道的输送阻力特性-中国有色金属学报.PDF

第 26 卷第 1 期 中国有色金属学报 2016 年 1 月 Volume 26 Number 1 The Chinese Journal of Nonferrous Metals January 2016 文章编号：1004-0609(2016)-01-0180-08 考虑管壁滑移效应膏体管道的输送阻力特性 吴爱祥，程海勇，王贻明，王洪江，刘晓辉，李公成 (北京科技大学 土木与环境工程学院 金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083) 摘 要：为研究膏体管道输送阻力特性，针对膏体管道输送的结构流特点，将管道内膏体流区划分为柱塞流动区、 剪切流动区和滑移流动区。根据流体力学理论建立考虑管壁滑移效应的膏体管道输送阻力模型，推导基于倾斜管 试验的膏体流变参数计算方式，通过测定倾斜管不同倾斜角度 α下的管道流速 v 计算管道屈服应力 τ0 和塑性粘度 η，并在此基础上自制试验装置。针对谦比希铜矿充填物料基本特性，通过正交试验研究浓度、灰砂比和尾废比 对管道摩擦阻力的影响，并根据响应面分析多因素之间的交互作用，得到各因素对管道摩擦阻力的影响顺序由大 到小依次为灰砂比、尾废比、浓度。研究结果是膏体管道输送阻力特性理论与实践研究的有力补充。 关键词：膏体充填；阻力特性；管壁滑移；倾斜管；响应面 中图分类号：X753 文献标志码：A 充填采矿法能够有效改善采场应力分布情况，抑 较差。在工业上为得到准确的流变参数，往往通过环 制地表沉降，为采矿作业提供技术保障，是实现矿山 管试验测量管输阻力，再根据 Kriege-Maron 公式计算 绿色开采的支撑技术[1] 。膏体充填能够有效利用全尾 流变参数[13] 。但环管试验工作量大，试验装置的购置、 砂等矿山废料，减小了地表堆存和渗流等原因造成的 调试复杂，室内试验中可操作性较差。目前，管道阻 污染。同时膏体充填料浆浓度高，脱水量少[2] ，对采 力计算模型主要基于扩散理论、重力理论和能量理论。 场的服务质量高，是近年来充填技术的研究热点[3] 。 丁宏达等[14]对 Wasp 模型进行修正，并将其应用于矿 膏体在输送过程中以结构流的运动形式存在[4] ，有别 浆长距离管道输送设计中。但根据传统管输理论发展 于传统的固液两相流[5] ，因而不能直接采用两相流理 起来的管阻计算公式没有考虑壁面滑移造成的减阻效 论进行膏体管道输送阻力的计算。针对结构流的管道 应，在实际应用中往往造成计算值大于实际测定值。 阻力特性研究是国内外研究的热点。 KALYON[15]借助扫描电镜和荧光分析法获得的微观 目前膏体料浆流变参数测定较为普遍的方法是采 图像证明了静态壁面损耗效应的存在，在其作用下产 用流变仪测定[6] 。通过控制剪切速率法(CSR)或控制剪 生了厚度为 2~30 μm 的滑移层。结果表明，壁面滑移 切应力法(CSS)进行模式选择，根据与料浆特性相匹配 效应是否显著，取决于壁面粗糙度和滑移层厚度的相 的流变模型回归出剪切应力和黏度参数[7−8] 。但物料性 对大小，当滑移层不能完全覆盖粗糙表面时，壁面滑 质和试验方法对试验结果影响较大，尤其在加入废石 移就无法形成。赵国彦等[16]利用响应面法建立了多 [9] 等粗骨料时，试验结果往往表现出较大的离散性 。 因素料浆满意度模型，为多因素分析提供了新的 SAAK 等[10]通过实验发现，即使是同一台流变仪，不 思路。 同的转速下检测出来的应力结果也不同，转子转速越 本文作者拟通过水力学推导对膏体流态进行分 快，检测屈服应力越大。CLAYTON 等[