基于RSM和CFD的废石-...充填料浆流变及输送特性研究_张修香.pdf

第 卷 第 期 年 月东 华 理 工 大 学 学 报（自 然 科 学 版）（）.收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）作者简介：张修香（），女，博士，讲师，主要从事固体废料的综合利用及充填理论及工艺研究。：基于 和 的废石 尾砂充填料浆流变及输送特性研究张修香，乔登攀，李广涛，霍 亮（东华理工大学 地球科学学院，江西 南昌；昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明）摘 要：为了解决矿山固废大量排放造成的环境问题，采用大红山铜矿的废石与尾砂作为充填材料，采用响应曲面法（）与计算流体动力学（）方法分析质量分数、水灰比对料浆流变特性及输送特性的影响规律。结果表明，废石 尾砂充填料浆符合 模型，屈服应力受料浆质量分数变化的影响显著，黏度随着料浆质量分数的增大而增大，但随着水灰比的增大呈递减趋势。料浆的阻力损失、流速和质量分数均呈指数增长关系，料浆的最佳输送质量分数为。研究结果可为废石 尾砂充填料浆的实际应用提供理论指导。关键词：充填料浆；废石 尾砂；流变特性；响应曲面法；管道输送中图分类号：文献标志码：文章编号：（）张修香，乔登攀，李广涛，等，基于 和 的废石 尾砂充填料浆流变及输送特性研究 东华理工大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：由于矿山开采从浅部转向深部，矿山岩爆、片帮和冒顶等采空区失稳现象大量增加，矿产资源开发利用过程中产生的废石、尾砂和冶炼渣已成为排放量最大的工业废弃物（约占），这些固体废料若不被处理，将造成环境污染，导致自然生态环境恶化（李国书等，；卢宏建等，；刘玉林等，；赵元元等，；李晓东等，；高玉倩等，）。废石 尾砂胶结充填工艺是解决矿山废尾排放的有效途径，既可以控制地压、预防岩爆，减少对环境和地表的破坏，又可以降低废物的排放率，提高资源回收率，同时还可以降低矿山的成本（，；，；，）。充填料浆的流动性与流变特性直接影响料浆管道输送的效果（，；，），因此，对废石 尾砂充填料浆的流变性能进行研究十分必要（，；，）。目前，国内外学者针对料浆的流变特性进行了一系列研究，杨志强等（）开展了废石 尾砂混合充填料浆的研究，认为料浆的坍落度大于 满足矿山充填料浆泵送的要求，料浆质量分数为以上属于高流态料浆。陈寅等（）以戈壁集料制备膏体充填料浆，测试膏体流动性及泌水率，确定了管道输送的质量分数为、灰砂比为 。梁新民等（）研究了高质量分数全尾砂料浆的流变性能及其影响规律，并建立相应的管路输送数值仿真模型，得出料浆的动态屈服应力随着质量分数和灰砂比的增加而增大。张鲸波等（）针对全尾砂膏体进行了流变特性的测定，并分析了质量分数，砂灰比以及时间对流变参数变化的影响，发现当质量分数为 时，砂灰比和水化时间对流变参数的影响较大。陈维新等（）利用 软件模拟料浆在直径为 管道输送过程中的全程管压、管路直角弯处浆料流速等情况。等（）应用 软件进行模拟研究全尾砂膏体充填料浆的管道流动特性，在最大质量分数为 时自然流动速度可以达到 ，因其大于临界速度故能达到采矿生产需求。上述研究在矿山充填方面取得了一定成效，但多数针对全尾砂或尾砂材料，或者只考虑了流变特性，忽略了流变特性与输送特性的结合。笔者通过对废石 尾砂骨料的物理特性分析，确定两种骨料混合的最优配比，进而确定流变实验方案。采用流变仪和坍落度分别进行流变实验以及流动性试验，分析在不同质量分数与水灰比条件下，料浆屈服应力与黏度的变化规律。在此基础之上，建立实际充填管路的计算流体动力学（）模型，分析在不同质量分数和流速条件下，料浆的流动性能，采用模拟的方法研究流变参数的变化规律。最后结合坍落度实验结果，确定料浆最优输送参数，为废石 尾砂充填料浆在矿山的应用提供理论依据。图 废石粒度特性曲线与 曲线比较 废石粒径（）；最大筛孔粒径（）。材料 废石实验中所使用的废石及尾砂均来自大红山铜矿，测定废石密度为 ，堆集密实度为。用震动筛分仪测量粒径分布曲线（雷练武等，），如图 所示。与基于 标准筛的富勒理想级配（级配）相比较，粗粒级含量明显偏大。颗粒大小主要为 （为 ），表明废石集料中细粒料严重不足，不利于管道输送（管输中大颗粒易发生沉积），应配以细料来改善级配，增大填隙效应和堆集密实度。尾砂尾砂的密度为 ，堆集密实度为，用激光粒度扫描仪测量粒径分布曲线（张焱等，），如图 所示。图 尾砂级配曲线 图 堆积密实度实验及计算结果 水泥和水采用 级增强复合水泥作为胶结材料，其真密度为 ，堆积密度为 ，细度（用比表面积表示）为 ，初凝时间大于，终凝时间小于 。试验采用的水为自来水。废石 尾砂最优配比采用废石 尾砂堆集密实度的实验及计算方法得到不同配比下堆积密实度，见图。堆积密实度越大表明骨料处于越紧密联锁状态，保证了混合集料的最佳强化效果。根据实验及计算得到废石 尾第 期张修香等：基于 和 的废石 尾砂充填料浆流变及输送特性研究砂混合料的最优配比为废石 尾砂 ，所以本次选择废尾比为 进行实验。实验方法 流变及坍落度实验根据前期室内试验对料浆流动性的测试分析可知，料浆的质量分数低于时，出现离析现象，质量分数高于 时，料浆流动性差，不适合进行管道输送。因此，本次试验方案设定为：料浆质量分数分别为、，废尾比为，水泥添加量分别为 、（水泥添加量根据矿山实际应用范围确定），共计 组。将废石尾砂按规定的配比（）均匀混合，加入设定的水泥量与水，测试前将整个废石 尾砂料浆混合均匀。用法国生产的 型流变仪，配备规格 的双螺旋转子进行流变实验，如图，并进行坍落度实验，如图。图 流变仪 数值模拟应用 对料浆在管道中的输送情况进行模拟，使用前处理软件 建立物理模型，并进行网格的划分，然后导入 进行计算，最后输出计算结果。管道的几何模型与实际尺寸及布置方式保持一致，如图。充填管道的内直径为，充填倍线为 。结果与讨论 流变测试结果在不同水泥添加量的情况下，各质量分数下的废石 尾砂充填料浆的流动曲线如图。随着剪切速率的增加，剪切应力逐渐增加。在相同剪切速率下，质量分数越大，剪切应力越大，且曲线呈非线性，符合（）模型，模型可以表示为：()（）式中，为剪切应力（），为屈服应力（），为黏度（），为剪切速率（），为流动指数。采用 模型拟合曲线，得到平均相关性系数为 ，说明 模型适合描述废石 尾砂高质量分数充填料浆的流变曲线。响应曲面法分析流变结果为了分析废石 尾砂的配比、水泥量和质量分数等对黏度的影响，采用 软件中的响应曲面法进行分析，影响因素输入：质量分数（）；水灰比（）。从表 中可知：屈服应力二次方程的相关度系数（为 ）最大；黏度系统自动识别出最优方程为立方曲线模型，为 ，表明屈服应力与黏度值的 以上变化都是由影响因素的变化引起的。分析得到方程以及各影响因素的情况见表。从表 可知，屈服应力模型的 值为 ，说明该模型具有显著性，值说明了只有 的比例是由模型的失拟项 值的夸大而产生的误差。质量误差与水灰比对于流变参数都有一定的影响，但质量分数对屈服应力的影响最显著，黏度受水灰比的影响最显著。流变特性分析依据响应曲面法的结果对流变特性进行详细分析，将质量分数、水灰比与屈服应力的影响关系绘制在图 和图 中，与黏度的影响关系绘制于图 和图 中。东 华 理 工 大 学 学 报（自 然 科 学 版）年图 坍落度实验 表 各模型方差分析结果 类别来源 值判定系数结果屈服应力线性 因素交互关系模型 二次方程 建议立方曲线模型 失真黏度线性 因素交互关系模型 二次方程 立方曲线模型 建议表 二阶多项式方差分析 类别来源平方和自由度均方差 值 值屈服应力模型 黏度模型 第 期张修香等：基于 和 的废石 尾砂充填料浆流变及输送特性研究图 矿山充填管道的路线 管道直径；管道弯曲弧度的半径。图 显示在相同水泥添加量下，随着质量分数的增加，屈服应力整体呈上升趋势。质量分数越大，骨料的含量越多，颗粒间相互碰撞、啮合的机会变大，产生的骨架结构变多，浆体阻力变大，屈服应力随之变大。当质量分数大于，屈服应力增长较快，质量分数增加使得料浆中的骨料增多，骨料形成骨架结构，随着骨架结构的不断增加，阻碍料浆运动的阻力变大，屈服应力快速增加，这也说明了质量分数对屈服应力的影响较显著。图 显示质量分数相同时，水灰比越大，屈服应力越大；说明水灰比大会影响初始水化动力学的屈服应力。相同质量分数下，水灰比变大，意味着粗粒料的增多，颗粒间的接触点增多，形成骨架结构的机会变多，浆体的阻力变大，结构单元的分散程度减少，阻力迅速增加，屈服应力随之增加，但增长幅度不大。黏度是浆体内部结构阻碍流动的一种性能，反映了浆体体系的变形速率。图 显示随着水泥量的增加（即水灰比越小），黏度越大。原因是水灰比减少，意味着水泥量增多，使细颗粒比重越来越大，导致物料不能达到有效填充；同时大量的细颗粒导致浆体内的絮凝作用增强，网状结构发育，颗粒表面薄膜水及封闭水量增多，这两种水不具有自由流动的性质，相当于增加了浆体的固体质量分数。另外，水泥颗粒将产生水化反应，会消耗一部分水，导致流动性变差，从而导致黏度增加。在质量分数为条件下，水灰比小于 时，以及质量分数为，水灰比小于 时，黏度急剧增加，这时对应的水泥量为 ，即当质量分数不变时，水泥量大于 时，黏度会急剧增加。这是由于当水泥含量较低时，水泥是一种润滑材料，起到减少阻力的作用；当水泥含量较高时，水泥是一种黏稠材料，起增大阻力的作用。水泥量增加，细粒料增多且水灰比变小，料浆变稠，使得料浆的摩擦力变大，黏度上升。所以在满足强度等要求的前提下，选取水泥量时应尽量小于 。图 显示随着质量分数的增加，黏度逐渐增大，存在一个所谓的“拐点”质量分数，即一旦超过该质量分数，黏度增长变快。固体质量分数的增大，意味着颗粒数目的增多，料浆中的自由水减少，料浆中形成的絮凝结构增多，浆体内部的摩擦力增大，因而阻力增大，黏度也随之增大。质量分数为 时，黏度值增长平缓，质量分数大于后，黏度值增加幅度变大，此时料浆中的自由水不足，颗粒之间相互碰撞的几率进一步变大，摩擦力急剧增加，黏度也随之增加。因此，选取质量分数小于 的料浆更有利于管道输送。坍落度测试结果分析坍落度试验结果如图，坍落度和质量分数呈负相关。当质量分数从 增加到 时，坍落度从 下降到 。随着水灰比的增加，坍落度逐渐增加，质量分数越大时水灰比的影响越显著，意味着水泥量越小，流动性越好，这与黏度的分析结果是一致的。研究表明，标准坍落度为 ，或者当屈服应力小于 时，适合管道运输。从图 可知，当料浆质量分数为 时，坍落度达到，料浆的流动性差，不适宜进行自流输送，而料浆质量分数为 时满足自流输送的要求。数值模拟结果分析料浆在管道中的流动由其流变特性决定，料浆流变特性的研究是为料浆进行管道输送做铺垫。东 华 理 工 大 学 学 报（自 然 科 学 版）年图 流变曲线 水泥添加量 ；水泥添加量 ；水泥添加量 ；水泥添加量 ；水泥添加量 。为了解和掌握充填料浆管道输送时料浆质量分数、输送速度与管输沿程阻力的关系，验证管道输送的工艺参数以及获取的流变参数是否正确，因而进行管道输送模拟。废石 尾砂料浆管道输送的情况更加复杂，通过坍落度及半工业试验的结果对其进行验证。不同质量分数下料浆阻力损失的变化料浆质量分数对管输沿程阻力损失的影响非常敏感，质量分数与沿程阻力的关系如图。相同流速条件下，料浆质量分数相差 ，单位长度水平管道的阻力损失可能会相差 。料浆的阻力损失随料浆质量分数的增大而增大，呈指数增长关系。当料浆质量分数为 时，阻力损失缓慢增长，而质量分数超出 第 期张修香等：基于 和 的废石 尾砂充填料浆流变及输送特性研究图 质量分数与屈服应力的关系 图 水灰比与屈服应力的关系 图 不同水灰比随黏度的变化 图 不同质量分数对黏度的影响 图 坍落度实验结果 图 质量分数对阻力损失的影响 东 华 理 工 大 学 学 报（自 然 科 学 版）年后，阻力损失迅速增长，其与流变特性中流变参数的变化规律一致。图 监测面上的压力变化 第一、二弯管处；第三弯管处 第四弯管处；第五弯管处；第六弯管处；第七弯管处。阻力分析在对充填系统进行设计时，除了充填体强度要达到标准外