張保良 劉 音，2 張浩強(qiáng) 張新國(guó)，2

(1.山東科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，山東青島，266590; 2.礦山災(zāi)害預(yù)防控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島，266590)

膏體充填開采技術(shù)是解決“三下一上”壓煤的主要方法之一［1-2］，而高濃度膏體充填料漿管道輸送性能和流變特性對(duì)安全高效充填起著關(guān)鍵作用。由于充填系統(tǒng)較為復(fù)雜，僅靠理論計(jì)算，無法保證充填料漿輸送參數(shù)的準(zhǔn)確性［3］。因此，通過室內(nèi)環(huán)管試驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)對(duì)建筑垃圾－粉煤灰膏體充填料漿進(jìn)行試驗(yàn)，得到管道阻力損失，為現(xiàn)場(chǎng)充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，對(duì)城市建筑垃圾合理利用和礦山充填技術(shù)發(fā)展具有重要意義［4-5］。

1 室內(nèi)膏體充填模擬試驗(yàn)系統(tǒng)介紹

膏體充填模擬系統(tǒng)主要組成部分包括自動(dòng)稱重裝置、自動(dòng)上料機(jī)、攪拌機(jī)、攪拌桶、空氣壓縮機(jī)、混凝土泵、充填管道、管道清洗機(jī)、采場(chǎng)模擬裝置和控制系統(tǒng)等，如圖1所示。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)以破碎、篩分后的建筑垃圾為骨料，粉煤灰為主要膠凝材料。為獲取不同濃度條件下，該種膏體充填料漿流動(dòng)參數(shù)，輸送試驗(yàn)過程采用自質(zhì)量濃度78%到質(zhì)量濃度74%的方案。環(huán)形管路設(shè)計(jì)路線如圖2所示，各組分的質(zhì)量如表1所示。

圖1 膏體充填模擬系統(tǒng)組成Fig.1 Constitution of paste filling system

圖2 環(huán)形管路設(shè)計(jì)路線Fig.2 Design line of annular pipe

表1 膏體充填料漿組方Table1 Prescription of paste filling slurry

2.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)以1組配方料漿3個(gè)試驗(yàn)單元，進(jìn)行3次試驗(yàn)。配料的多少根據(jù)輸送管路容量和試驗(yàn)要求，設(shè)計(jì)每次配料總體積為2.06 m3，充填料漿的總質(zhì)量為3.5 t。

該組配方料漿需要進(jìn)行3種濃度的測(cè)試，設(shè)計(jì)充填料漿濃度的變化方法是由濃到稀依次改變，即首先按照設(shè)計(jì)用料配合比配制最高濃度的料漿，該濃度條件下工況數(shù)讀取完成后，均勻地按設(shè)計(jì)計(jì)算用量向回流的料漿中加水，使充填料漿濃度降到下一級(jí)濃度，經(jīng)攪拌20 min后重復(fù)上一濃度的工作。

2.2 試驗(yàn)步驟

2.2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

(1)對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)的各個(gè)組成部分進(jìn)行性能穩(wěn)定性測(cè)試，保證試驗(yàn)系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。檢查和清除攪拌機(jī)、管道、充填泵喂料斗等內(nèi)的雜物。具體做法是:打開攪拌機(jī)、充填泵等設(shè)備，向攪拌斗加水1.6 m3(保證滿管)，進(jìn)行輸送管路清洗及設(shè)備檢測(cè)。在清洗過程中，特別注意壓差計(jì)、電磁流量計(jì)的數(shù)據(jù)讀取是否正確。

(2)管道潤(rùn)滑。用0.5 t左右由骨料、細(xì)集料制備成濃度為75.5%的料漿泵入管道，該部分充填料漿不返回充填泵。

(3)人員分配。在進(jìn)行試驗(yàn)之前，要安排人員在各測(cè)點(diǎn)、拍攝點(diǎn)、控制點(diǎn)做好試驗(yàn)準(zhǔn)備。

2.2.2 膏體充填材料制備

(1)分別稱取粉煤灰0.702 t、生石灰0.09 t、石膏0.072 t、早強(qiáng)劑0.036 t、建筑垃圾1.8 t，混合后加入料斗中。

(2)混合后的材料經(jīng)自動(dòng)給料裝置送入攪拌機(jī)，攪拌機(jī)對(duì)干料進(jìn)行5 min左右的攪拌。

(3)在攪拌機(jī)干料入口處，連續(xù)定量(按設(shè)計(jì)濃度)加水，與干料混合后，攪拌10 min。

(4)待制備的料漿攪拌均勻后，裝滿充填泵料斗0.8 m3后，即開泵輸送，并通過調(diào)節(jié)泵的流量改變充填料漿的流速。

(5)第一濃度的料漿充滿整個(gè)環(huán)管管道后，通過彎道返回到攪拌機(jī)料斗，再至充填泵料斗形成循環(huán)。

(6)充填料漿在環(huán)管泵送系統(tǒng)中連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)15～20 min，濃度達(dá)到穩(wěn)定后，可以開始這一濃度的各種數(shù)據(jù)采集工作。

(7)進(jìn)行下一濃度梯度的轉(zhuǎn)變，按照表1所示的加水量，經(jīng)攪拌機(jī)攪拌均勻，重復(fù)上一濃度下的試驗(yàn)工作。

(8)對(duì)3種濃度的膏體充填材料環(huán)管試驗(yàn)，總需要時(shí)間控制在3～4 h。

(9)在每一次試驗(yàn)前后，標(biāo)定充填泵活塞沖程周期，人工取樣測(cè)定膏體充填材料的塌落度、稠度、分層度、泌水率等，并澆筑試驗(yàn)試塊，以備測(cè)定材料的力學(xué)性能參數(shù)。

(10)試驗(yàn)結(jié)束后，將充填料漿排至沉淀池，并清洗試驗(yàn)系統(tǒng)，重點(diǎn)是充填泵的活塞缸、喂料斗及管路彎道處。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 膏體基本性能變化規(guī)律

選取濃度為76%的充填料漿為例，每隔30 min測(cè)記膏體的塌落度隨泵送時(shí)間的變化規(guī)律如圖3所示，分層度隨泵送時(shí)間的變化規(guī)律如圖4所示。

圖3 塌落度隨泵送時(shí)間的變化規(guī)律Fig.3 Changing law of slum p w ith pumping time

圖4 分層度隨泵送時(shí)間的變化規(guī)律Fig.4 Changing law of layering degree w ith pumping time

由圖3、圖4可以分析出:膏體塌落度隨泵送時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸降低，膏體的塌落度由最初的21.0 cm經(jīng)4 h管道輸送后變?yōu)?8.5 cm，并且表現(xiàn)出初期變化幅度小，后期變化幅度增大的趨勢(shì)?？梢钥闯?，雖然膏體的塌落度經(jīng)4 h的管道輸送有所降低，但仍能滿足膏體泵送的需求。膏體的分層度隨泵送時(shí)間的增長(zhǎng)反而出現(xiàn)降低的趨勢(shì)，膏體泵送4 h其分層度值由最初的1.3 cm下降至0.9 cm。

3.2 管道沿程阻力損失分析

國(guó)內(nèi)外的學(xué)者普遍認(rèn)為具有結(jié)構(gòu)流的膏體屬賓漢塑性體［6-9］，其流變方程為

式中，η為膏體材料的塑性黏度，Pa·s;υm為管道料漿平均流速，m/s;D為管道直徑，m。

式(1)表明:由于剪切力τ的作用，膏體克服極限剪切強(qiáng)度后開始流動(dòng)，流動(dòng)阻力大小與黏度和流速成正比。事實(shí)上，實(shí)驗(yàn)室所能測(cè)到的是管流沿程阻力，而管流沿程阻力一般與管壁單位面積上的流體摩擦阻力聯(lián)系，根據(jù)靜力學(xué)平衡理論，水平直管內(nèi)的摩擦阻力(由作用力與反作用力關(guān)系，即可得到料漿的剪切應(yīng)力τ=τw)［10］可以表達(dá)為

式中，L為水平管路長(zhǎng)度，m;Δρ為管道沿程阻力，Pa。

3.2.1 流速對(duì)管道阻力損失的影響

質(zhì)量濃度76%試驗(yàn)充填膏體在管徑150 mm的試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 管道阻力損失與流速試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab le 2 Testing data of pipe friction loss and flow speed

由表2中料漿平均流速和每米阻力損失的2組數(shù)據(jù)可獲得膏體的流變參數(shù)τ0=60.738 Pa，η=5.88 Pa·s，因而可確定該試驗(yàn)膏體充填材料在管道中的流變方程為

膏體輸送的壓力損失隨著流速增大而呈直線增長(zhǎng)，如圖5所示。

圖5 管道阻力損失與料漿流速的關(guān)系曲線Fig.5 Curve of pipe friction lossw ith flow speed

3.2.2 濃度對(duì)管道阻力損失的影響

濃度對(duì)管道阻力損失的影響十分明顯，在相同流速、管徑(150 mm)下，不同質(zhì)量濃度的試驗(yàn)膏體每米管道阻力損失如表3所示。

在同一流速條件下，管道壓力損失隨著濃度的增大而增大，曲線呈凹型。當(dāng)膏體質(zhì)量濃度大于76%時(shí)，若濃度繼續(xù)增加，管道阻力損失增加速率增大，如圖6所示。

表3 不同流速下管道阻力損失與濃度試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table3 Testing data of pipe friction lossw ith concentration in different flow speed

圖6 管道阻力損失與質(zhì)量濃度的關(guān)系Fig.6 Relationship of pipe friction loss and concentration

3.2.3 管徑對(duì)管道阻力損失的影響

在相同流量即相同流速下，管道阻力損失隨著管徑增大而減小，反之亦然。表4表示在流速1.0 m/s條件下，質(zhì)量濃度為78%、76%、74%膏體分別在管徑150、100 mm時(shí)的管道阻力損失結(jié)果。

表4 管道阻力損失與管徑試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab le 4 Testing data of pipe friction loss and pipe diam eter

當(dāng)相同質(zhì)量濃度充填膏體阻力損失相等時(shí)，輸送管道內(nèi)徑越小，單位當(dāng)量管長(zhǎng)所需要的壓力值越大，而且隨著充填膏體阻力的增大，管徑越小，這種單位管長(zhǎng)所需的壓力值急劇增加，如圖7所示。

圖7 不同管徑阻力損失與濃度關(guān)系Fig.7 Relationship of pipe friction loss and concentration in different pipe diameter

通過分析管道阻力損失與流速、充填膏體質(zhì)量濃度及管徑的關(guān)系，表明流速在0.8～1.1 m/s之間較為理想。因膏體質(zhì)量濃度直接聯(lián)系充填體的強(qiáng)度，故環(huán)管模擬試驗(yàn)只需完成不同質(zhì)量濃度充填膏體的相關(guān)參數(shù)分析，不需要對(duì)其進(jìn)行確定。

4 結(jié)論

(1)利用實(shí)驗(yàn)室膏體充填模擬系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)膏體充填材料的配比試驗(yàn)、攪拌試驗(yàn)和管道輸送試驗(yàn)。

(2)建筑垃圾再生骨料膏體充填材料的塌落度和分層度隨泵送時(shí)間的增長(zhǎng)而減小，質(zhì)量濃度則稍有增加。經(jīng)4 h管道輸送后，質(zhì)量濃度為76%的膏體充填材料塌落度達(dá)到18.5 cm和分層度達(dá)到0.9 cm，兩者均可滿足煤礦膏體泵送的要求。

(3)通過流變?cè)囼?yàn)，分析了膏體基本性能變化規(guī)律，并分析了管道阻力損失與流速、膏體質(zhì)量濃度、管徑之間的關(guān)系，表明流速在0.8～1.1 m/s之間較為理想。

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