王洪江等：全尾砂高浓度胶结充填的环管试验 217· 100 -Unclassified tailings 为34.7和12.4，曲率系数分别为0.75和1.2.颗粒 Cementing material 材料的不均匀系数大于5且曲率系数在1~3之间 80 时可认定为级配良好可见，该矿的全尾砂粒度 60 较粗，级配不良，而C料级配良好.但是全尾砂中 40 -40um的细颗粒占比达到48%，有利于保持充填 20 料浆的稳定性 2.2试验装置 在矿山搭建一套中试规模的环管试验系统 10 109 101 10 109 Particle size/μm (图2)，主要由1.5MPa单缸柱塞泵、0.5m3双轴卧 图1环管试验材料粒径分布 式搅拌机、流量计、浓度计、压力表、PLC系统、 Fig.I Particle size distribution of materials for the loop test 内径78mm的钢制管道组成，管道总长约60m. (a) (b) Mixer System control data collection Mixer ◆P1 ◆P2 Piston pump Piston pump Pressure gauge Flow direction Pressure gauge Flow meter Concentration meter 图2环管试验系统.(a)环管系统简图：(b)料浆制备及泵送设备 Fig.2 Loop test system:(a)schematic of the loop system;(b)mixing and pumping equipments 尾砂、胶凝材料和水首先通过搅拌机制成均 表距离得到)，在此基础上分析充填料浆的浓度、 质料浆，然后下放到柱塞泵受料斗，料浆借助柱塞 灰砂比和流速对管道阻力的影响 泵提供的压力在管道内循环.流量、浓度和管道 3.1浓度对管道阻力的影响 压力等数据通过PLC系统自动采集并储存.本次 所有试验结果表明，浓度对管道阻力的影响 试验采集水平直管段压力数据，压力表P1与 具有相同的规律，以流速2.3ms1为例，管道阻力 P2间距为7.90m 与料浆浓度的关系如图3所示 2.3试验设计 由图3可知，随料浆浓度增大，管道阻力呈二 根据矿山实际，环管试验设计充填料浆的灰 砂比（质量比）为1：4、1：10和1：15，质量分数 次函数增长.料浆流动必须克服其自身的屈服应 为70%~76%（梯度2%），具体浓度以实测为准.料 力，而级配相同时屈服应力主要受絮网结构支配 浆流速为1.4~2.3ms(梯度0.3ms1),具体根据 絮网结构的形成主要跟料浆中粒径小于40m细 流量和管径进行换算.每个流速的测试时间不少 颗粒的相互作用有关20浓度的增加一方面降低 于300s,确保采集到足够的压力数据 4.0 为与环管试验获得的料浆流变参数进行对 3.5 41:15 比，在环管试验时取样做流变测试.采用RS-SST -Fitting curve 3.0 桨式流变仪，剪切速率先由0s匀速增加到120s -00953r-15.371+470.014,-099 2.5 后再匀速降低至0s,分别持续120s.为避免应力 -0.0557x-7.776r+27270 2.0 过冲⑧的影响，采用下降段的流变测试曲线分析 料浆流变参数， 环管试验的同时还采用标准锥形塌落度筒进 0 00137-1.768r+57.732,R-0.952 行塌落度测试门，辅助判断充填料浆的流动性 0. 686970717273747576 Mass fraction of slurry/% 3管道阻力影响因素分析 图3料浆质量分数对管道阻力的影响 管道阻力由相邻压力表数据的差值除以压力 Fig.3 Influence of mass fraction of slurry on pipe resistance为 34.7 和 12.4，曲率系数分别为 0.75 和 1.2. 颗粒 材料的不均匀系数大于 5 且曲率系数在 1～3 之间 时可认定为级配良好[16] . 可见，该矿的全尾砂粒度 较粗，级配不良，而 C 料级配良好. 但是全尾砂中 –40 μm 的细颗粒占比达到 48%，有利于保持充填 料浆的稳定性. 2.2    试验装置 在矿山搭建一套中试规模的环管试验系统 （图 2），主要由 1.5 MPa 单缸柱塞泵、0.5 m3 双轴卧 式搅拌机、流量计、浓度计、压力表、PLC 系统、 内径 78 mm 的钢制管道组成，管道总长约 60 m. (b) Mixer Piston pump (a) Mixer System control & data collection P1 P2 Piston pump Pressure gauge Flow direction Flow meter Concentration meter Pressure gauge 图 2    环管试验系统. （a）环管系统简图；（b）料浆制备及泵送设备 Fig.2    Loop test system: (a) schematic of the loop system; (b) mixing and pumping equipments 尾砂、胶凝材料和水首先通过搅拌机制成均 质料浆，然后下放到柱塞泵受料斗，料浆借助柱塞 泵提供的压力在管道内循环. 流量、浓度和管道 压力等数据通过 PLC 系统自动采集并储存. 本次 试验采集水平直管段压力数据 ，压力 表 P1 与 P2 间距为 7.90 m. 2.3    试验设计 根据矿山实际，环管试验设计充填料浆的灰 砂比（质量比）为 1∶4、1∶10 和 1∶15，质量分数 为 70%～76%（梯度 2%），具体浓度以实测为准. 料 浆流速为 1.4～2.3 m·s–1（梯度 0.3 m·s–1），具体根据 流量和管径进行换算. 每个流速的测试时间不少 于 300 s，确保采集到足够的压力数据. 为与环管试验获得的料浆流变参数进行对 比，在环管试验时取样做流变测试. 采用 RS-SST 桨式流变仪，剪切速率先由 0 s–1 匀速增加到 120 s–1 后再匀速降低至 0 s–1，分别持续 120 s. 为避免应力 过冲[8] 的影响，采用下降段的流变测试曲线分析 料浆流变参数. 环管试验的同时还采用标准锥形塌落度筒进 行塌落度测试[17] ，辅助判断充填料浆的流动性. 3    管道阻力影响因素分析 管道阻力由相邻压力表数据的差值除以压力 表距离得到[18] ，在此基础上分析充填料浆的浓度、 灰砂比和流速对管道阻力的影响. 3.1    浓度对管道阻力的影响 所有试验结果表明，浓度对管道阻力的影响 具有相同的规律，以流速 2.3 m·s–1 为例，管道阻力 与料浆浓度的关系如图 3 所示. 由图 3 可知，随料浆浓度增大，管道阻力呈二 次函数增长. 料浆流动必须克服其自身的屈服应 力，而级配相同时屈服应力主要受絮网结构支配[19] . 絮网结构的形成主要跟料浆中粒径小于 40 μm 细 颗粒的相互作用有关[20] . 浓度的增加一方面降低 10−1 100 101 102 103 0 20 40 60 80 100 Unclassified tailings Cementing material Cumulative volume/ % Particle size/μm 图 1    环管试验材料粒径分布 Fig.1    Particle size distribution of materials for the loop test 68 69 70 71 72 73 74 75 76 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 y=0.0557x 2−7.776x+272.703, R 2=0.999 y=0.0953x 2−13.371x+470.014, R 2=0.999 1∶4 1∶10 1∶15 Fitting curve Pipe resistance/(kPa·m−1 ) Mass fraction of slurry/% y=0.0137x 2−1.768x+57.732, R 2=0.952 图 3    料浆质量分数对管道阻力的影响 Fig.3    Influence of mass fraction of slurry on pipe resistance 王洪江等： 全尾砂高浓度胶结充填的环管试验 · 217 ·