矿山废石—尾砂高浓度充填料浆的流变特性及多因素影响规律研究

发布时间：2017-07-27 12:24

  本文关键词：矿山废石—尾砂高浓度充填料浆的流变特性及多因素影响规律研究

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【摘要】：随着国家优先推行充填采矿法导向政策和绿色矿山建设的深入贯彻落实,充填采矿法的应用越来越广泛。“发展绿色开采技术,实现矿区生态环境无损或受损最小；发展无废或少废的工艺技术,最大限度地减少废弃物的产生”已成为矿山的创新主方向。废石与尾砂是矿山的大宗固体废料且产量稳定,矿山固废充填采矿是解决废尾排放的最有效途径,是绿色采矿的主体支撑技术。实现废石-尾砂高浓度充填料浆管道自流输送,是深部矿产资源实现安全高效绿色开采的关键技术。废石-尾砂高浓度料浆相比于尾砂膏体／高浓度料浆其性质更加复杂,影响因素更多且不易控制,因此对废石-尾砂高浓度料浆的流变特性及其影响因素进行深入研究是十分必要的。论文依托“国家自然科学基金”、“甘肃省重大科技专项”,通过对目前充填现状的分析以及存在问题的讨论,以金川矿区以及大红山铜矿的充填料浆为研究对象,开展了高浓度、流态、流变实验,深入研究了矿山固体废料高浓度充填料浆的流变特性及多因素影响规律,提出了废石-尾砂(戈壁砂-棒磨砂)高浓度充填料浆粘度与屈服应力的计算模型,进行了高浓度充填料浆管道输送实验,最终将理论成果运用于矿山生产充填。主要内容包括以下几点：(1)结合高浓度充填在地下矿山的设计、应用现状,以及目前对于高浓度定义的不一致性,论述了料浆的高浓度高流态特性,进行了充填料浆坍落度、倒坍落度测定,分析并确定了自流输送条件下的浆体高浓度范围,提出了浆体高浓度范围的判定式。通过金川、大红山矿区的实验,确定了废石-尾砂(戈壁砂-棒磨砂)相应的自流高浓度范围。(2)应用RheoCAD500流变仪完成了流变实验340余组,得到废石-分级尾砂、戈壁砂-棒磨砂、废石-尾砂的流变曲线,从料浆的剪切机理出发,对粘度-剪切率曲线和剪切应力-剪切率曲线进行了统一分析,指出在粘度发生变化的拐点处对应剪切应力的本质变化,并确定了料浆的流变参数,为流变特性的分析奠定了基础。(3)采用响应曲面法分析颗粒粒径、骨料成分、骨料配比、细粒级含量对粘度的影响,结果表明大红山废石-分级尾砂粘度的主要影响因素排序为质量浓度水泥量配比,其中水泥量与质量浓度的交互作用也会产生显著影响。针对不同矿山不同材料的影响因素(质量浓度,水泥量,配比,以及骨料中细粒级含量)分析显示,质量浓度与细粒级含量对粘度的影响最大,水泥量次之,而水泥量与质量浓度的交互项,以及水泥量与细粒级含量的交互项对粘度也有显著影响。对于不同粒径的戈壁砂分析显示,质量浓度与水泥量对粘度的影响较大,其次是粒度的变化。应用灰色关联理论分别对废石-分级尾砂、废石-尾砂、-12mm～-20mm戈壁砂的屈服应力影响因素进行分析,结果表明水泥添加量和质量浓度是屈服应力的决定因素,废石-尾砂的配比对屈服应力的影响较小。通过对戈壁砂屈服应力的分析表明,颗粒的变化对屈服应力的影响较大,其次为质量浓度,次之为水泥添加量。(4)通过对粘度主要影响因素的整体分析表明,料浆的粘度受细粒级含量(包括水泥添加量),料浆浓度的影响较大。粘度与料浆中的细粒级含量以及骨料的体积存在一定的定量关系,同时提出了两个与水泥添加体积相关的关键参数k1、k2,建立了高浓度料浆粘度计算模型。通过误差分析和大红山铜矿／金川矿区的废石-(分级)尾砂分别对其进行验证,结果表明本文提出的粘度计算模型适应性良好,参数简单易测,误差较小,满足工业应用要求。(5)通过对屈服应力主要影响因素的整体分析显示,料浆的浓度以及骨料的变化对于屈服应力的影响较大。骨料体积浓度与屈服应力之间存在指数关系,水灰比与屈服应力呈负幂指数关系。结合其它影响因素,建立了屈服应力预测模型,为管道输送阻力计算提供了依据。(6)根据金川矿区／大红山铜矿的实际充填管路利用Gambit建立三维管道模型,依据料浆自身的特点以及结构流理论,应用Fluent(3D)进行了数值模拟,分析了废石-尾砂高浓度料浆的自流管输阻力。结合矿山实际阻力监测、坍落度等测定结果,表明数值模拟的结果是准确的,也说明了本文获取流变参数的正确性。研究结果为矿山应用废石-尾砂高浓度充填技术提供了理论支持,对大范围推广应用该技术有重要意义。
【关键词】：废石-尾砂 高浓度 流变特性 粘度 屈服应力 管道输送
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD853.34
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第一章 绪论13-31
• 1.1 课题的提出及研究意义13-15
• 1.2 国内外的研究现状与发展趋势15-27
• 1.2.1 胶结充填法15-18
• 1.2.2 料浆流态及高浓度的发展18-19
• 1.2.3 料浆的流变特性19-23
• 1.2.4 流变模型及其测量方法23-25
• 1.2.5 管道输送及管道模拟的发展25-27
• 1.3 本文研究内容及技术路线27-31
• 1.3.1 研究内容27-29
• 1.3.2 技术路线29-31
• 第二章 高浓度高流态特性及其判据31-59
• 2.1 充填料浆的高流态31-32
• 2.1.1 坍落度与扩展度32
• 2.1.2 倒坍落度32
• 2.2 实验32-41
• 2.2.1 实验材料32-37
• 2.2.2 级配实验37-41
• 2.2.3 实验方案41
• 2.3 充填料浆的流态实验结果41-43
• 2.4 充填料浆的高浓度判定43-56
• 2.4.1 高浓度特性43-47
• 2.4.2 高浓度判定条件47
• 2.4.3 实验及结果47-48
• 2.4.4 确定判定式值48-56
• 2.5 本章小节56-59
• 第三章 流变实验及料浆流变模型分析59-91
• 3.1 流变性能的实验测定59-61
• 3.1.1 流变基本概念59-60
• 3.1.2 实验仪器及方法60-61
• 3.2 流变结果61-72
• 3.3 流变曲线及变化机理的分析72-77
• 3.4 流变模型77-88
• 3.5 本章小结88-91
• 第四章 料浆的流变特性及影响因素分析91-117
• 4.1 各影响因素的理论分析91-92
• 4.2 各影响因素对粘度的影响分析92-106
• 4.2.1 骨料配比的变化对粘度的影响92-98
• 4.2.2 骨料的变化对粘度的影响分析98-101
• 4.2.3 粒度的变化对粘度的影响101-106
• 4.3 屈服应力及其影响因素分析106-114
• 4.3.1 废石-分级尾砂的屈服应力影响分析106-110
• 4.3.2 戈壁砂的屈服应力影响分析110-113
• 4.3.3 废石-尾砂的屈服应力影响分析113-114
• 4.4 本章小结114-117
• 第五章 粘度/屈服应力的预测模型及与高浓度的关系117-147
• 5.1 粘度的计算模型117-128
• 5.1.1 粘度计算模型的建立117-122
• 5.1.2 粘度计算公式的验证及误差分析122-128
• 5.2 屈服应力预测模型的提出128-135
• 5.3 不同材料的屈服应力预测模型135-142
• 5.3.1 废石-分级尾砂的屈服应力预测模型135-139
• 5.3.2 戈壁砂的屈服应力预测模型139-141
• 5.3.3 废石-尾砂屈服应力预测模型141-142
• 5.4 高浓度与屈服应力区间的关系142-144
• 5.5 本章小结144-147
• 第六章 充填料浆管道输送模拟及实验验证147-179
• 6.1 充填系统147-148
• 6.1.1 金川龙首矿东部充填系统147-148
• 6.1.2 大红山充填系统148
• 6.2 几何模型的建立148-150
• 6.2.1 金川管道模型148
• 6.2.2 大红山管道模型148-150
• 6.3 模拟方案及料浆参数150-152
• 6.3.1 金川矿区150
• 6.3.2 大红山铜矿150-152
• 6.4 模型152-153
• 6.4.1 模型的选择152
• 6.4.2 控制方程152-153
• 6.4.3 边界条件153
• 6.5 金川数值模拟结果分析153-156
• 6.6 大红山数值模拟结果分析156-173
• 6.6.1 速度对阻力的影响156-164
• 6.6.2 浓度对阻力的影响164-166
• 6.6.3 弯管处阻力分析166-173
• 6.7 模拟结果的验证173-177
• 6.7.1 金川实验验证173-175
• 6.7.2 大红山实验验证175-177
• 6.8 本章小结177-179
• 第七章 结论与展望179-183
• 7.1 研究成果与结论179-181
• 7.2 本文的创新点181-182
• 7.3 存在的问题与展望182-183
• 致谢183-185
• 参考文献185-195
• 攻读学位期间主要研究成果195-197
• 附表A197-214
• 附表B214-224
• 附表C224-228

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本文编号：581421