D0I:10.13374/i.issnl00113.2009.11.02 第31卷第11期 北京科技大学学报 Vol.31 No.11 2009年11月 Journal of University of Science and Technology Beijing Now.2009 基于流体力学理论的全尾砂浆管道输送流变性能 邓代强)高永涛) 杨耀亮)吴顺川) 1)北京科技大学土木与环境工程学院，北京1000832)长沙矿山研究院，长沙410012 摘要为研究充填料浆流变性能，利用流体力学原理，通过L型管道自流输送实验对其在管道中流动的力学特性进行了分 析·结果表明：料浆浓度、流量和管径对料浆管输阻力和充填倍线大小的作用程度不同，其中料浆浓度影响尤为显著。在能够 实现自流输送的充填倍线合理条件下，采场充填时，当结合充填能力确定流量和管径后，可通过充填站调节制浆浓度以使充 填材料在管道输送、采场中沉降、抗离析、脱排水、固结硬化和力学性能等方面表现良好 关键词流变性能：管道输送：宾汉流体：剪切应力 分类号TD823.7:0373 Rheological properties of full tailings slurry in pipeline transportation based on the hydromechanics theory DENG Dai-qiang,GAO Yong-tao,YANG Yoo-liang,WU Shun-chuan) 1)Sehool of Civil and Environmental Engineering.University of Science and Technology Beijing Beijing 100083.China 2)Changsha Institute of Mining Research.Changsha 410012.China ABSTRACI To study the rheological properties of filling slurry.using the principle of hydrodynamics,a gravity flow test through a L-shaped pipe was carried out and the mechanical properties of slurry flow in the pipe was analyzed.The results indicated that the flow resistance and filling rate were depended on slurry concentration,flow rate and pipe diameter,among which slurry concentration was the predominant influencing factor.Under the condition of reasonable filling rates at which the gravity flow of slurry can be achieved,after determining the flow rate and pipe diameter based on filling ability.the slurry concentration can be adjusted in the fill- ing station to obtain excellent results in transportation,sedimentation.anti-eduction.dehydration and drainage,concretion and me- chanical properties. KEY WORDS rheological properties:pipeline transportation:Bingham fluids:shear stress 在矿业、化工、发电、石油和水利等诸多工业领 输送、供料调节、管网布设和自动控制等多因素制 域都涉及浆体的管道输送问题，对它的研究一直广 约，管输性能是衡量充填料浆的重要指标，当充填 受重视.对于牛顿流体，文献[上3]在理论分析和工 材料选定后，需对其输送性能进行研究，通过相关流 程应用方面做了许多有益工作；文献[46]对固液 变参数来掌握其阻力损失情况， 两相流的流变学应用做了详细研究，为解决实际问 高浓度全尾砂料浆的流变特性及其测量在充填 题进行了深入分析：对于固体物料的浆体输送，文 工艺中具有重要作用，是充填管网布设和生产必不 献[7-13]对非牛顿流体输送特性在各工业领域的 可少的检验手段，当固体粉料的浆体达到一定浓 应用做了大量研究与探讨，并且也有相关研究涉及 度，由于具有了相关流变力学性质，研究中通常可把 矿山充填.鉴于资源的高回收率、处理空区、控制地 其视为宾汉流体，以宾汉流体的流变特性及其检测 压、开采安全、经济及环境效益显著等优点2]，在 方法开展研究，应用相关数学表达式进行流动特性 国内外可矿山开采中充填法倍受青睐，充填法开采是 的定性和定量描述分析1]，矿山充填中，鉴于高 复杂的系统工程，通常受采充平衡、系统工况、料浆 浓度充填料浆的性质，可将其作为宾汉流体来研究， 收稿日期：2009-01-07 作者简介：邓代强(1974一)·男，博士研究生：高永涛(1962一)，男，教授，博士生导师，Ema1l:gaoyongt(@vip.sina~com
基于流体力学理论的全尾砂浆管道输送流变性能 邓代强1） 高永涛1） 杨耀亮2） 吴顺川1） 1） 北京科技大学土木与环境工程学院北京100083 2） 长沙矿山研究院长沙410012 摘 要 为研究充填料浆流变性能利用流体力学原理通过 L 型管道自流输送实验对其在管道中流动的力学特性进行了分 析．结果表明：料浆浓度、流量和管径对料浆管输阻力和充填倍线大小的作用程度不同其中料浆浓度影响尤为显著．在能够 实现自流输送的充填倍线合理条件下采场充填时当结合充填能力确定流量和管径后可通过充填站调节制浆浓度以使充 填材料在管道输送、采场中沉降、抗离析、脱排水、固结硬化和力学性能等方面表现良好． 关键词 流变性能；管道输送；宾汉流体；剪切应力 分类号 TD823∙7；O373 Rheological properties of full tailings slurry in pipeline transportation based on the hydromechanics theory DENG Da-i qiang 1）GA O Yong-tao 1）Y A NG Y ao-liang 2）W U Shun-chuan 1） 1） School of Civil and Environmental EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China 2） Changsha Institute of Mining ResearchChangsha410012China ABSTRACT To study the rheological properties of filling slurryusing the principle of hydrodynamicsa gravity flow test through a L-shaped pipe was carried out and the mechanical properties of slurry flow in the pipe was analyzed．T he results indicated that the flow resistance and filling rate were depended on slurry concentrationflow rate and pipe diameteramong which slurry concentration was the predominant influencing factor．Under the condition of reasonable filling rates at which the gravity flow of slurry can be achievedafter determining the flow rate and pipe diameter based on filling abilitythe slurry concentration can be adjusted in the filling station to obtain excellent results in transportationsedimentationant-i eductiondehydration and drainageconcretion and mechanical properties． KEY WORDS rheological properties；pipeline transportation；Bingham fluids；shear stress 收稿日期：2009－01－07 作者简介：邓代强（1974－）男博士研究生；高永涛（1962－）男教授博士生导师E-mail：gaoyongt＠vip．sina．com 在矿业、化工、发电、石油和水利等诸多工业领 域都涉及浆体的管道输送问题对它的研究一直广 受重视．对于牛顿流体文献［1－3］在理论分析和工 程应用方面做了许多有益工作；文献［4－6］对固液 两相流的流变学应用做了详细研究为解决实际问 题进行了深入分析；对于固体物料的浆体输送文 献［7－13］对非牛顿流体输送特性在各工业领域的 应用做了大量研究与探讨并且也有相关研究涉及 矿山充填．鉴于资源的高回收率、处理空区、控制地 压、开采安全、经济及环境效益显著等优点［12－15］在 国内外矿山开采中充填法倍受青睐．充填法开采是 复杂的系统工程通常受采充平衡、系统工况、料浆 输送、供料调节、管网布设和自动控制等多因素制 约．管输性能是衡量充填料浆的重要指标当充填 材料选定后需对其输送性能进行研究通过相关流 变参数来掌握其阻力损失情况． 高浓度全尾砂料浆的流变特性及其测量在充填 工艺中具有重要作用是充填管网布设和生产必不 可少的检验手段．当固体粉料的浆体达到一定浓 度由于具有了相关流变力学性质研究中通常可把 其视为宾汉流体以宾汉流体的流变特性及其检测 方法开展研究应用相关数学表达式进行流动特性 的定性和定量描述分析［7－13］．矿山充填中鉴于高 浓度充填料浆的性质可将其作为宾汉流体来研究 第31卷 第11期 2009年 11月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．31No．11 Nov．2009 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2009．11．042
第11期 邓代强等：基于流体力学理论的全尾砂浆管道输送流变性能 .1381 通过较系统的实验及理论分析，得出输送性能指标， 界值： 为充填站确定料浆制备参数及井下输浆管网布设提 r0=2t0 -1=2 (6) 供依据，流变特性及输送性能是充填理论流变学的 d 重要研究方向，对充填系统高浓度料浆管道输送至 式中，i为单位长度管压损失，即输送阻力， 关重要，其研究成果对于指导矿山生产实践具有重 Pa'm-1. 要现实意义 宾汉流体在整个管道中的流速分布与管径有 关：当R>r0时，只在管中心产生柱塞流；而当R≤ 1流变参数测定理论基础 ro时，则流速在整个管内均匀分布，形成满柱塞流， 高浓度充填料浆的流变性能不同于固液两相流 由于宾汉流体存在屈服剪切应力0，浆料中固粒难 和牛顿流体.。对于矿山及类似工程应用研究[一1]， 于沉降，不易离析，故柱塞流内质点不产生相对运动 通常用宾汉流体来描述高浓度充填料浆的流变特 和质点交换，从而可减少输送内摩擦损失，在接近 性，即流体具有一定初始抗剪切变形能力，沿管道流 管壁润滑层的作用下流体整体滑移，管输阻力显著 动时其产生的摩擦阻力可表示为 降低，料浆性态稳定，输送时管流通畅、不堵管 r=0十nd业 流动阻力计算中，由宾汉流体切应力与切变率 'dr (1) 关系可推导出白金汉方程： 式中，t为管壁剪切应力，Pa;o为初始剪切应力， Pa;n为黏性系数，Pas;du/dr为剪切速率，s-1. 8Y= D (7) 管道内近端和远端之间有压差条件下，宾汉流 通常o/τ的四次幂作为高阶小量舍去，从而 体沿管道流动的受力分析见图1. 得出近似管壁剪切应力： 7777774 =3+8北n 4 D (8) 式中，D为管道直径，m· 在研究充填料浆流变性能时，按下式计算料浆 屈服剪切应力和黏性系数： Y.hoD 图1宾汉流体管流受力分析 Fig.I Force analysis of Bingham fluids in a pipeline to4(ho+L) (9) =3r二4D 取压差为dp、长度为dl及半径为r的圆柱体 24V (10) 浆料微元，其受力方程为： 式中，y为浆密度，tm-3;V为料浆流速，ms-l;ho (p十dp)xr2=pπr2+t.2xrdl (2) 为静料柱高，m;L为水平段管长，m;o为剪切应 化简得： 力，Pa;7为黏性系数，Pas 计算出所需相关参数后，可由下式求出管道单 t=dp 2dl (3) 位长度流动阻力损失： 由方程(1)、(3)得： =160+32V =- i3D D2 (11) (4) 根据能量守恒定律，矿山实际充填自流输送管 对r定积分，边界条件为t=R,V=0,可求得流速 网垂高总和为H,水平段总长为L的管路，其受力 在管内的分布函数为： 平衡分析为： v=(产-)a(R-司 (5) (12) 式中，dp为流体两端压差，MPa;R为管道半径，m, 式中，势能YH与沿程摩阻损失i(H十L)、局部阻 V为料浆流速，ms1. 从上述式中可知管内流体剪切应力及剪切速率 力之[Yv2.(2g)1和出口损失Yv2. =1 随r变化：当r=0,即在管道中心，剪切速率最大， (2g)一之和保持动态平衡。为便于计算，工程中通 剪切应力最小；当r=R,即贴近管壁，剪切应力最 常将局部阻力与出口损失之和按管道沿程阻力的 大，剪切速率为零.令式(4)中du/r=0,可得r临 15%计，则：
通过较系统的实验及理论分析得出输送性能指标 为充填站确定料浆制备参数及井下输浆管网布设提 供依据．流变特性及输送性能是充填理论流变学的 重要研究方向对充填系统高浓度料浆管道输送至 关重要其研究成果对于指导矿山生产实践具有重 要现实意义． 1 流变参数测定理论基础 高浓度充填料浆的流变性能不同于固液两相流 和牛顿流体．对于矿山及类似工程应用研究［7－13］ 通常用宾汉流体来描述高浓度充填料浆的流变特 性即流体具有一定初始抗剪切变形能力沿管道流 动时其产生的摩擦阻力可表示为 τ＝τ0＋η d v d r （1） 式中τ为管壁剪切应力Pa；τ0 为初始剪切应力 Pa；η为黏性系数Pa·s；d v／d r 为剪切速率s －1． 管道内近端和远端之间有压差条件下宾汉流 体沿管道流动的受力分析见图1． 图1 宾汉流体管流受力分析 Fig．1 Force analysis of Bingham fluids in a pipeline 取压差为 d p、长度为 d l 及半径为 r 的圆柱体 浆料微元其受力方程为： （ p＋d p）πr 2＝ pπr 2＋τ·2πr·d l （2） 化简得： τ＝d p r 2d l （3） 由方程（1）、（3）得： d v d r ＝ 1 η d p·r 2d l －τ0 （4） 对 r 定积分边界条件为 r＝ RV ＝0可求得流速 在管内的分布函数为： V ＝ 1 η 1 4 d p d l （ R 2－ r 2）－τ0（ R－ r） （5） 式中d p 为流体两端压差MPa；R 为管道半径m V 为料浆流速m·s －1． 从上述式中可知管内流体剪切应力及剪切速率 随 r 变化：当 r＝0即在管道中心剪切速率最大 剪切应力最小；当 r＝ R即贴近管壁剪切应力最 大剪切速率为零．令式（4）中 d v／d r＝0可得 r 临 界值： r0＝2τ0 d p d l －1 ＝ 2τ0 i （6） 式中i 为 单 位 长 度 管 压 损 失即 输 送 阻 力 Pa·m －1． 宾汉流体在整个管道中的流速分布与管径有 关：当 R＞ r0 时只在管中心产生柱塞流；而当 R≤ r0 时则流速在整个管内均匀分布形成满柱塞流． 由于宾汉流体存在屈服剪切应力 τ0浆料中固粒难 于沉降不易离析故柱塞流内质点不产生相对运动 和质点交换从而可减少输送内摩擦损失．在接近 管壁润滑层的作用下流体整体滑移管输阻力显著 降低料浆性态稳定输送时管流通畅、不堵管． 流动阻力计算中由宾汉流体切应力与切变率 关系可推导出白金汉方程： 8V D ＝ τ η 1－ 4 3 τ0 τ ＋ 1 3 τ0 τ 4 （7） 通常 τ0／τ的四次幂作为高阶小量舍去从而 得出近似管壁剪切应力： τ＝ 4 3 τ0＋8 V D η （8） 式中D 为管道直径m． 在研究充填料浆流变性能时按下式计算料浆 屈服剪切应力和黏性系数： τ0＝ γ·h0D 4（ h0＋ L） （9） η＝ （3τ－4τ0）·D 24V （10） 式中γ为浆密度t·m －3 ；V 为料浆流速m·s －1 ；h0 为静料柱高m；L 为水平段管长m；τ0 为剪切应 力Pa；η为黏性系数Pa·s． 计算出所需相关参数后可由下式求出管道单 位长度流动阻力损失： i＝ 16τ0 3D ＋ 32ηV D 2 （11） 根据能量守恒定律矿山实际充填自流输送管 网垂高总和为 H水平段总长为 L 的管路其受力 平衡分析为： γH＝ i（ H＋ L）＋ ∑ n i＝1 ξi·γ V 2 2g ＋γ V 2 2g （12） 式中势能 γH 与沿程摩阻损失 i（ H＋ L ）、局部阻 力 ∑ n i＝1 ξi·［γ·V 2·（2g ） －1］ 和出口损失 γ·V 2· （2g） －1之和保持动态平衡．为便于计算工程中通 常将局部阻力与出口损失之和按管道沿程阻力的 15％计则： 第11期 邓代强等： 基于流体力学理论的全尾砂浆管道输送流变性能 ·1381·
.1382 北京科技大学学报 第31卷 YH=1.15i(H+L) (13) 管道对其进行流变参数测定及理论分析计算 形式变换为： 2.2流变参数测定 (14) 全尾砂料浆能否顺利实现管道自流输送与其粒 级分布、浓度、流量、流速、管径及材质、管网布置等 比值(H十L)/H为充填倍线，是用以衡量系统 多因素有关，为研究料浆输送性能，在实验室进行 充填能力和料浆输送综合阻力的重要指标，根据上 了全尾砂充填料浆自流输送实验，将实测参数代入 述公式可计算出不同料浆浓度、流量及管径时可实 相关公式，求得不同浓度料浆的流变参数见表1. 现自流输送的允许充填倍线， 由实测流变参数可计算出工业生产中不同料浆 2 充填料浆输送流变性能实验及分析 浓度、流量及输送管径时的输送阻力及允许充填倍 线.其中料浆流速V可按下式计算，几种管径及流 2.1实验设施与条件 量的流速对照数据见表2 充填材料的选别通常以其料浆输送性能实验为 v=0/ 3600X 4 D 基础，以确定其合理的流动参数，本实验材料为不 (15) 加水泥的全尾砂浆，根据能量守恒定律，采用L型 式中，Q为料浆流量，m3h-1 表1全尾砂浆流动性参数测定值 Table I Testing data of full tailings slurry's flowing properties 质量 坍落度/ 料浆密度， 静料柱高， 料浆流速， 剪切应力， 黏性系数， 分数/% mm Y/(tm) ho/m v/(ms to/Pa n/(Pa-s) 70 267 1.91 0.06 2.53 7.95 0.227 72 250 1.96 0.11 1.23 14.61 0.524 74 235 2.01 0.19 0.04 25.01 17.41 76 215 2.07 0.33 0.02 42.04 24.79 表2不同流量及管径时料浆流速 根据充填料浆输送阻力计算得到允许充填倍 Table 2 Flow velocity of slurry at different pipe diameters and fluxes 线.当充填倍线计算值不大于1时，此值就失去其 物理含义，故舍之，实验数据处理中发现：质量分数 料浆流量/ 管径/mm 76%的料浆在本研究所选定的流量和管径下无合理 (m3h-) 8090100110125 140150 的充填倍线；质量分数74%的料浆当流量为 40 2.2121.7471.4151.170.9060.7220.629 40m3h-1、管径为150mm时仅具有合理充填倍线 50 2.7652.1841.7691.4621.1320.9030.786 值1.04；当质量分数降低为72%和70%时，充填倍 60 3.3172.6212.1231.7551.3591.0830.944 线值均能够合理通过，其随流量和管径的变化见 70 3.873.0582.4772.0471.5851.2641.101 图3. 80 4.4233.4952.8312.3401.8121.4441.258 从图3可看出：对于相同流量的料浆，随管径增 90 4.9763.9323.1852.6742.0381.6251.415 100 5.5294.3693.5392.9712.2651.8051.573 大，各浓度全尾砂料浆充填倍线逐渐增大：对于相同 的管径，料浆流量越大，充填倍线越小.从各图综合 2.3实验结果分析 情况来看，料浆浓度增大，输送阻力的增大导致充填 由实验数据计算出全尾砂浆输送阻力及允许充 倍线减小，即充填料浆所能到达的范围减小了· 填倍线，分析后得到不同浓度料浆输送阻力及允许 进一步细化流变参数测定数据可看出：对于浓 充填倍线随流量和管径的变化规律，不同浓度料浆 度较高的料浆，其单位体积内尾砂颗粒多，总体比表 输送阻力随流量和管径的变化见图2. 面积大，表观流动性减弱，从而增大了浆体附着于管 从图2可看出：对于相同流量的料浆，随管径增 壁的黏着力，造成管输阻力增加：当浓度降低时表观 大，各浓度全尾砂料浆单位长度管输阻力损失逐渐 流动性改善，管输阻力随之减小.因此，图2和图3 减小；对于相同的管径，料浆流量越大，管输阻力越 所反映的内在物理实质是管壁阻力与比表面积之间 大，从各图综合情况来看，料浆浓度增大，输送阻力 关系的变化，即浓度高，浆体中固体颗粒比表面积 也随之大幅增加 大，管输阻力增加，浆体流动范围减小
γH＝1∙15i（ H＋ L） （13） 形式变换为： H＋ L H ＝ γ 1∙15i （14） 比值（ H＋ L）／H 为充填倍线是用以衡量系统 充填能力和料浆输送综合阻力的重要指标．根据上 述公式可计算出不同料浆浓度、流量及管径时可实 现自流输送的允许充填倍线． 2 充填料浆输送流变性能实验及分析 2∙1 实验设施与条件 充填材料的选别通常以其料浆输送性能实验为 基础以确定其合理的流动参数．本实验材料为不 加水泥的全尾砂浆根据能量守恒定律采用 L 型 管道对其进行流变参数测定及理论分析计算． 2∙2 流变参数测定 全尾砂料浆能否顺利实现管道自流输送与其粒 级分布、浓度、流量、流速、管径及材质、管网布置等 多因素有关．为研究料浆输送性能在实验室进行 了全尾砂充填料浆自流输送实验．将实测参数代入 相关公式求得不同浓度料浆的流变参数见表1． 由实测流变参数可计算出工业生产中不同料浆 浓度、流量及输送管径时的输送阻力及允许充填倍 线．其中料浆流速 V 可按下式计算几种管径及流 量的流速对照数据见表2． V ＝ Q／3600× π 4 D 2 （15） 式中Q 为料浆流量m 3·h －1． 表1 全尾砂浆流动性参数测定值 Table1 Testing data of full tailings slurry’s flowing properties 质量 分数／％ 坍落度／ mm 料浆密度 γ／（t·m －3） 静料柱高 h0／m 料浆流速 V／（m·s －1） 剪切应力 τ0／Pa 黏性系数 η／（Pa·s） 70 267 1∙91 0∙06 2∙53 7∙95 0∙227 72 250 1∙96 0∙11 1∙23 14∙61 0∙524 74 235 2∙01 0∙19 0∙04 25∙01 17∙41 76 215 2∙07 0∙33 0∙02 42∙04 24∙79 表2 不同流量及管径时料浆流速 Table2 Flow velocity of slurry at different pipe diameters and fluxes m·s －1 料浆流量／ （m 3·h －1） 管径／mm 80 90 100 110 125 140 150 40 2∙212 1∙747 1∙415 1∙17 0∙906 0∙722 0∙629 50 2∙765 2∙184 1∙769 1∙4621∙132 0∙903 0∙786 60 3∙317 2∙621 2∙123 1∙7551∙359 1∙083 0∙944 70 3∙87 3∙058 2∙477 2∙0471∙585 1∙264 1∙101 80 4∙423 3∙495 2∙831 2∙3401∙812 1∙444 1∙258 90 4∙976 3∙932 3∙185 2∙6742∙038 1∙625 1∙415 100 5∙529 4∙369 3∙539 2∙9712∙265 1∙805 1∙573 2∙3 实验结果分析 由实验数据计算出全尾砂浆输送阻力及允许充 填倍线分析后得到不同浓度料浆输送阻力及允许 充填倍线随流量和管径的变化规律．不同浓度料浆 输送阻力随流量和管径的变化见图2． 从图2可看出：对于相同流量的料浆随管径增 大各浓度全尾砂料浆单位长度管输阻力损失逐渐 减小；对于相同的管径料浆流量越大管输阻力越 大．从各图综合情况来看料浆浓度增大输送阻力 也随之大幅增加． 根据充填料浆输送阻力计算得到允许充填倍 线．当充填倍线计算值不大于1时此值就失去其 物理含义故舍之．实验数据处理中发现：质量分数 76％的料浆在本研究所选定的流量和管径下无合理 的充 填 倍 线；质 量 分 数 74％ 的 料 浆 当 流 量 为 40m 3·h －1、管径为150mm 时仅具有合理充填倍线 值1∙04；当质量分数降低为72％和70％时充填倍 线值均能够合理通过其随流量和管径的变化见 图3． 从图3可看出：对于相同流量的料浆随管径增 大各浓度全尾砂料浆充填倍线逐渐增大；对于相同 的管径料浆流量越大充填倍线越小．从各图综合 情况来看料浆浓度增大输送阻力的增大导致充填 倍线减小即充填料浆所能到达的范围减小了． 进一步细化流变参数测定数据可看出：对于浓 度较高的料浆其单位体积内尾砂颗粒多总体比表 面积大表观流动性减弱从而增大了浆体附着于管 壁的黏着力造成管输阻力增加；当浓度降低时表观 流动性改善管输阻力随之减小．因此图2和图3 所反映的内在物理实质是管壁阻力与比表面积之间 关系的变化即浓度高浆体中固体颗粒比表面积 大管输阻力增加浆体流动范围减小． ·1382· 北 京 科 技 大 学 学 报 第31卷
第11期 邓代强等：基于流体力学理论的全尾砂浆管道输送流变性能 1383 (a 180 o40m3.h3 40 m.h 5以 50 m.h 6 口50m3,h1 60 m.h a60m3.h' ×70m3.h+ ×70mh *80m3h 4 ◆80m2.h A口 +ONx0o o 90 m2.h o90 m.h +100m3.h +100m3.h 6 2 3 85 100 115130 145 160 % 85 100 115130 145160 管径，Dmm 管径，Dmm 600Td 40 m>.h- 00f(d 50 m'.h- 40 m.h 500 0 50 m2.h 400 0 a60m3.h1 600 x 70 m.h ed/ A60 m'.h 。80m3h ×70m3-h1 300 o 90 m'.h 400 *80m3h 口。 +100m3.h+ o90 m.h- 200 +100m3h 200 100 115130145 160 85 100 115130 145160 管径，Dmm 管径，Dmm 图2不同浓度料浆输送阻力随流量和管径变化· 质量分数：(a)70%;(b)72%;(c)74%;(d)76% Fig-2 Change of slurry's transportation resistance with pipeline diameter and flux.Its mass fraction is (a)0%.(b)72%.(c)74%,and (d) 76%,respectively 40r 20r (a) 40 m'.h (b) 40 m.h 32 口50m3.h+ 16 o50 m3.h 60 m.h 60 m2.h 24 ×70m3.h 12 x 70 m.h- x 80 m.h x80 m.h 4 X MO+ o90m3,h1 o 90 m.h 16 +100mh +100m3,h 8 70 100 115 130 145 160 100 115130 145160 管径，Dmm 管径，D/mm 图3料浆允许充填倍线随管径和流量变化.质量分数：(a)70%;(b)72% Fig-3 Change of slurry's flow rate with pipeline diameter and flux.Its mass fraction is (a)70%and (b)72%.respectively 3结语 关，料浆浓度越低其管输阻力越小，充填倍线越大， 可通过自流输送到达的区域范围增大， (1)料浆浓度、流量和管径对料浆管输阻力和 (3)输送阻力i取决于料浆流变参数0、7、流 充填倍线具有不同程度的影响，其中料浆浓度因素 速V及管径D,其最优组合可通过充填料选材和浓 尤为显著，在能够实现自流输送的充填倍线合理条 度调节控制，料浆须具备良好的和易性、黏聚性和保 件下，采场充填时，当结合充填能力确定流量和管径 水性才不致产生明显分层和泌水离析，从而确保获 后，可通过调节充填站制浆浓度的方法来使充填材 得良好的输送效果，本研究中充填料浆质量分数为 料在管道输送、采场中沉降、抗离析、脱排水、固结硬 70%~72%时流动性较好，未产生离析和堵管，最终 化和力学性能等方面表现良好 形成的充填体整体性良好，强度均匀稳定，这点已 (2)适量的微细颗粒有利于料浆保水，使之不 在实际生产中得到验证 易离析且可在管壁四周形成泥质圈层，从而起到润 滑管壁的作用，料浆浓度越高其屈服剪切应力0 参考文献 越大，黏塑性和抗离析能力越强.，黏性系数？与料 [1]Xiao S X,Gao Z M.Huang X B.Experimental study and numer 浆浓度、粒度分布、比表面积和颗粒形状等因素有 ical simulation of new a modified Ross static mixer.Chin I Pro-
图2 不同浓度料浆输送阻力随流量和管径变化．质量分数：（a）70％；（b）72％；（c）74％；（d）76％ Fig．2 Change of slurry’s transportation resistance with pipeline diameter and flux．Its mass fraction is （a）70％（b）72％（c）74％and （d） 76％respectively 图3 料浆允许充填倍线随管径和流量变化．质量分数：（a）70％；（b）72％ Fig．3 Change of slurry’s flow rate with pipeline diameter and flux．Its mass fraction is （a）70％ and （b）72％respectively 3 结语 （1） 料浆浓度、流量和管径对料浆管输阻力和 充填倍线具有不同程度的影响其中料浆浓度因素 尤为显著．在能够实现自流输送的充填倍线合理条 件下采场充填时当结合充填能力确定流量和管径 后可通过调节充填站制浆浓度的方法来使充填材 料在管道输送、采场中沉降、抗离析、脱排水、固结硬 化和力学性能等方面表现良好． （2） 适量的微细颗粒有利于料浆保水使之不 易离析且可在管壁四周形成泥质圈层从而起到润 滑管壁的作用．料浆浓度越高其屈服剪切应力 τ0 越大黏塑性和抗离析能力越强．黏性系数 η与料 浆浓度、粒度分布、比表面积和颗粒形状等因素有 关料浆浓度越低其管输阻力越小充填倍线越大 可通过自流输送到达的区域范围增大． （3） 输送阻力 i 取决于料浆流变参数τ0、η、流 速 V 及管径 D其最优组合可通过充填料选材和浓 度调节控制料浆须具备良好的和易性、黏聚性和保 水性才不致产生明显分层和泌水离析从而确保获 得良好的输送效果．本研究中充填料浆质量分数为 70％～72％时流动性较好未产生离析和堵管最终 形成的充填体整体性良好强度均匀稳定．这点已 在实际生产中得到验证． 参 考 文 献 ［1］ Xiao S XGao Z MHuang X B．Experimental study and numerical simulation of new a modified Ross static mixer．Chin J Pro- 第11期 邓代强等： 基于流体力学理论的全尾砂浆管道输送流变性能 ·1383·
.1384, 北京科技大学学报 第31卷 ce器Eng,2006.6(1).6 [8]Fei XJ.Transportation Hydraulics of Slurry and Grainy Mate- (肖世新，高正明，黄雄斌.改进型Rss静态混合器牛顿流体流 rial.Beijing:Tsinghua University Press.1994 动的实验与数值模拟，过程工程学报，2006,6(1).6) (费祥俊浆体与粒状物料输送水力学.北京：清华大学出版社， [2]Jiang S Q.The study of eccentric annular clearance Reynolds 1994) number and laminar flow area equation under Newtonian fluid [9]Boylu F.Dincer H,Atesok G.Effect of coal particle size distribu- condition.China Offshore Oil Gas,2007.19(6):398 tion,volume fraction and rank on the rheology of coal water slur- (蒋世全.牛顿流体条件下偏心环空间隙雷诺数及层流区域方 ries.Fuel Process Technol,2004.85:241 程研究.中国海上油气，2007,19(6)：398) [10]Marn J,Ternik P.Laminar flow of shear thickening fluid in a [3]He CC.Zhang C.Flow law on turbulent -power law laminar 90 pipe bend.Fluid Dyn Res.2006.38:295 stratified flow in rotund pipes.Nat Gas Oil,2008.26(5):17 [11]Yang X Z.Wang X H,Lei JS.Study on grouting diffusion ra- (贺成才，张聪·牛顿流体奈流一幂律流体层流的圆管分层流动 dius of Bingham fluids.J Hydraul Eng.2004(6):1 规律.天然气与石油，2008,26(5)：17) (杨秀竹，王星华，雷金山，宾汉体浆液扩散半径的研究及应 [4]Wang Z Y,Fu XZ.Wang Y,et al.Numerical simulation of sol- 用.水利学报，2004(6)：1) iliquid flow of Yangtze River water in a semi-annulus reentry [12]Xu Y H.Xu X Q.Rheologic behavior of high-density backfill tube.JChongqing Univ.2008.31(12):1410 and reasonable determination of the parameters for it's gravity- (王子云，付祥钊，王勇，等.半圆环折返管内长江水固液两相流 flow transport.Min Metall.2004(3):16 的数值模拟.重庆大学学报，2008,31(12)：1410) (许毓海，许新启，高浓度（膏体）充填流变特性及自流输送参 [5]Ren L Z,Shi J G.Zhang Q,et al.Research on applying solid- 数的合理确定.矿治，2004(3)：16) fluid double phase theory to water coal slurry nozzle.Coal Mine [13]Newman P D.Pine R J.Ross Kevin.The optimization of high Mach,2006,27(7):173 density backfill at the Stratoni Operations,Greece/Proceedings (任兰柱，师建国，张强，等.固液两相流理论在水煤浆喷嘴上的 of the 7th International Symposium on Mining with Backfill. 应用研究，煤矿机械，2006,27(7)：173) Washington:Seattle,2001:273 [6]Zhao Z N.Hao R.Wang L.Analyses of physical mechanism and [14]Cai M F,Li C L,Xie M W.et al.Subsidence prediction and numerical simulation for micro-convection enhancement the solid- surface deformation monitoring and analysis in Beiminghe Iron liquid two phase flow.JEng Thermophys.2005,26(4):656 Mine.China.J Univ Sci Technol Beijing.2008.30(2):109 (赵镇南，郝容，王利，固液两相流中微对流强化的机理分析与 (蔡美峰，李春雷，谢谟文，等，北名河铁矿开采沉陷预计及地 数值模拟.工程热物理学报，2005,26(4)：656) 表变形监测与分析.北京科技大学学报，2008,30(2)：109) [7]Cheng C J.Li B,Zhao H W.Application and development of [15]Yang CX.Luo Z Q.Hu G B.et al.Application of a microseis- rheology Contemp Chem Ind,2008.37(2):221 mic monitoring system in deep mining.JUniv Sci Technol Bei- (陈朝俊，李斌，赵宏伟·流变学的应用与发展-当代化工，2008， jing,2007,14(1):6 37(2):221)
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