膏体流变行为及其管流阻力特性研究

发布时间：2019-09-06 20:03

【摘要】：近年来,膏体充填工艺在地压控制、运行成本以及环境保护等方面的优势逐渐凸显,成为矿山开采的首选方案。管道输送作为膏体充填的关键工艺之一,直接影响充填系统的运行状态及工作效率。阻力特性是管道输送技术研究的核心内容,为系统设计及工艺优化提供基本依据。与传统充填料浆相比,膏体的流动特性更为复杂,在管内呈结构状整体流动。对于结构流体流动特性的研究,传统的两相流理论表现出较差的适用性,相比之下,流变学是更为有效的研究手段,但由于发展时间较短,目前尚不完善,在实际应用中存在较多问题。综上所述,虽然膏体充填技术目前得到了一定程度的应用,但对其管内流动规律仍然缺乏系统、准确的认识,由此限制了技术的进一步发展。 本文以膏体内部结构为切入点,围绕物料性质、料浆结构、流变行为以及管流阻力四方面的相互关联作用展开了试验研究和理论分析,最终实现了膏体管内流动阻力的精确计算。主要研究内容如下： (1)发展了膏体料浆微观结构的量化表征方法,探明了物料性质及外部剪切对结构的影响作用。通过分析结构的物质组成,提出以Cv/Cvm值作为结构强弱的量化指标,在试验测试的基础上获得了Cvm的经验模型；综合利用ESEM电镜扫描、计算机图像处理以及分形理论等手段,构建了料浆微观结构形貌的定量表征方法,考察了结构剪切作用下的演化过程。 (2)构建了能够充分描述膏体粘弹性流动行为的流变模型,探明了物料性质对流变参数的影响机理。发现了膏体流动过程中的粘弹性行为,引入结构动力学模型,构建了能够全面描述膏体流动行为的触变-屈服流变模型；提出了基于“等结构”概念的流变参数测定方法,探明了浓度、物料级配、以及水泥掺量对流变参数的影响机理,获得了屈服应力及塑性粘度的预测模型。 (3)率先开展了膏体管壁滑移特性的试验研究,探明了局部滑移行为对管内流动的影响作用。推导了膏体管内滑移流动的基本方程,设计了研究膏体滑移特性的多管径试验平台；考察了膏体浓度、物料级配对滑移速度及滑移层厚度的影响规律,分析了不同工况条件下的滑移形成机理；提出采用滑移贡献率DR作为研究指标,探明了滑移现象对膏体管内流动的影响作用。 (4)开展管道输送模拟试验,构建了不同工况条件下膏体管流阻力的计算方法。基于半工业环管试验系统,开展了长距离输送、停泵重启等工况条件的模拟试验。考察了输送时间、流量对膏体管流阻力的影响作用,建立了管流阻力随时间变化的数学模型；考察了浓度、水泥掺量对管流阻力的影响规律,分析了流变性质及管壁滑移特性对膏体管流阻力的综合作用,构建了管流阻力计算公式；考察了膏体的重启性能以及重启过程中的阻力变化,推导了系统启动阻力的计算方法。 (5)形成了膏体充填管输系统设计的一般流程,提出基于级配优化的减阻构想。以具体膏体充填项目为背景,针对输送系统的工艺参数、管路布置以及设备选型等问题进行了分析设计,并在此基础上形成了适用于膏体充填管输系统设计的一般流程；针对全尾砂细颗粒膏体,提出了粗颗粒“混掺减阻”的基本构想,基于级配密实理论确定了合理的混掺配比,通过流变试验对减阻效果进行了验证。
【图文】：

当絮团个数达到一定数量之后，絮团与絮团之间开始连接，，最终形成一种松散的网状结构，即絮网结构，如图2-3所示。相关学者[147，148]通过高倍电子显微镜对细颗粒i}体进行了研究，证实了絮团及絮网结构的存在。-36-

称此时的体积浓度为极限体积分数CVm (Maximum packing fraction)。Cvn,的物理模型如图2-4所示，不同粒径的尾矿颗粒相互均匀填充达到紧密排列，颗粒表面有厚度为3的薄膜水，以及填充在结构孔隙之间的封闭水，假设其厚度为P，则极限体积分数Cvm即是指颗粒所占面积与周围颗粒圆心连线围成面积之比。图2-4极限体积分数CV?的物理模型若己知单位体积團体中物料颗粒的表面积为6EpiM，则此时有式（2-9)成立：C? +C^ -6^pJd-rS^C^ -6^Pjd^-P = 1 (2-9)式(2-9)左边的三项分别为i}体中尾砂颗粒、薄膜水以及封闭水的浓度，-37-
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD853.34

【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 焦华U

本文编号：2532810