楊柳華 王洪江 吳愛祥 潘貴豪 劉斯忠 李 紅

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2.新興鑄管集團(tuán)資源投資發(fā)展有限公司，北京 100070)

泵送劑對膏體料漿管道輸送的影響

楊柳華1王洪江1吳愛祥1潘貴豪2劉斯忠1李 紅1

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2.新興鑄管集團(tuán)資源投資發(fā)展有限公司，北京 100070)

膏體泵送系統(tǒng)沿程阻力大，常造成管路爆裂、接頭泄漏等事故，嚴(yán)重制約著膏體充填技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展。以流變性能極差的某銅礦膏體料漿為例，在滿足充填強(qiáng)度和泵送要求的前提下，通過添加泵送劑改善膏體的流變特性，與不添加泵送劑作對比實驗，分析了時間對添加泵送劑后料漿流變特性的影響。實驗表明，該銅礦全尾砂膏體符合賓漢體特征，添加泵送劑減小了濃度對流動性能的影響，在滿足輸送條件下，可使流變性能極差的膏體料漿濃度提高到78%。結(jié)合理論分析，探討了充填料漿在添加泵送劑條件下的減阻作用及長時間作用下膏體坍落度損失機(jī)理，認(rèn)為泵送劑可以有效應(yīng)用于膏體料漿管道輸送減阻、降低管道磨損，且負(fù)面影響很小。

膏體泵送 流變特性 減阻 泵送劑 坍落度損失

膏體充填可以使用全尾砂，具有料漿不脫水離析、充填體強(qiáng)度高、水泥耗量小等優(yōu)點，是充填技術(shù)的發(fā)展方向[1]。采用尾砂充填采礦留下的空區(qū)，既解決了用棒磨砂或河砂作為骨料帶來的充填材料成本過高的問題，又解決了尾砂地表排放對周圍環(huán)境污染的問題[2]。因此膏體在尾礦利用、節(jié)約成本、改善作業(yè)環(huán)境、環(huán)境保護(hù)等方面具有較為突出的優(yōu)點[3-4]。德國的Grund鉛鋅礦花了6 a的時間，于1980年首先試驗成功全尾砂膏體充填工藝并應(yīng)用于生產(chǎn)[5]。管道輸送技術(shù)是膏體充填工藝的核心技術(shù)之一，直接關(guān)系到充填工藝應(yīng)用的成敗。早在1992年，Spearing等人對膏體泵送技術(shù)能否廣泛地應(yīng)用進(jìn)行過探討，分歧主要集中于膏體輸送管道磨損和能耗較大等問題，因此他們認(rèn)為膏體在管道中不能順利地輸送，將來充填工藝的發(fā)展方向不是膏體而是漿體[6]。但是近些年，隨著膏體泵送技術(shù)的突破，膏體充填技術(shù)在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用，這主要得益于柱塞泵的出現(xiàn)，以及非牛頓體減阻機(jī)理的研究。

通過添加化學(xué)藥劑改善膏體料漿性能，可以減小料漿的屈服應(yīng)力[7]。因此，在相同平均速度下，需要更小的泵送壓力，隨之阻力系數(shù)減小，即發(fā)生減阻現(xiàn)象。近年來，泵送劑在膏體泵送中得到廣泛應(yīng)用，泵送劑有效改善了膏體的流變特性，最終起到減阻目的。以往的研究主要集中在泵送劑對改善流變特征的表象研究，很少深入研究泵送劑對膏體輸送減阻的機(jī)理，特別是對添加泵送劑對膏體輸送減阻的各種力學(xué)效應(yīng)探索研究方面，還少有涉足。本研究結(jié)合膏體充填添加泵送劑試驗，利用流變儀測定膏體流變參數(shù)，分析膏體的管道輸送沿程阻力損失以及添加泵送劑對長距離管道輸送影響的實驗分析，探討添加泵送劑對膏體料漿管道輸送性能的影響。

1 膏體管道輸送的特點

膏體在泵管內(nèi)呈柱塞狀向前流動，靠近管壁處有一層薄漿層，薄漿層的最外面是水膜層，里面是膏體拌和物芯柱。水膜層和薄漿層形成阻力很小的潤滑層，膏體拌和物芯柱懸浮在潤滑層內(nèi)向前運動[8]。所以，要使膏體能順利泵送，必須能形成潤滑層及泵送過程中膏體芯柱始終保持黏聚狀(即不離析)。膏體的可泵性可以用坍落度、保水性和黏聚性來表示。泵送劑提高了膏體的黏聚力和物料間潤滑作用，使膏體泵送時不離析、不泌水，因而可泵性更好。

針對某銅礦尾砂所配料漿流變參數(shù)大的現(xiàn)象，為改善其流變性能，選擇添加泵送劑。泵送劑的作用主要表現(xiàn)在2個方面，一是在充填體濃度不變的情況下，改善其流變性能，滿足輸送要求；二是改善流變性能后，提高輸送濃度，增加充填體強(qiáng)度。通過下面2個實驗，一方面驗證泵送劑的減阻作用，探索減阻機(jī)理；另一方面就時間對流變特性的影響進(jìn)行研究，為泵送劑對膏體管道輸送的影響機(jī)理分析提供依據(jù)。

2 實驗材料及裝置

2.1 實驗材料

實驗選用材料為某銅礦全尾砂、破碎廢石(粒徑10 mm)、水泥(32.5R硅酸鹽水泥)，按灰砂比1∶6、尾廢比5∶1制備成濃度78%的膏體。測定其全尾砂基本物理性質(zhì)，主要包括全尾砂力學(xué)性能參數(shù)測試和全尾砂粒級組成分析。測定結(jié)果見表1和2。

表1 全尾砂力學(xué)性能參數(shù)

表2 全尾砂粒級組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

注：d10、d30、d60分別是累計含量為10%、30%、60%顆粒能夠通過的篩孔直徑。

泵送劑是一種能改善拌合物泵送性能的外加劑。所謂泵送性能，就是拌合物具有能順利通過輸送管道、不阻塞、不離析、黏塑性良好的性能。泵送劑采用由減水劑、緩凝劑、引氣劑、減阻劑等復(fù)合而成。具有高流化、潤滑、緩凝的作用，適合于高濃度拌合物的輸送[9]。泵送劑分為液體泵送劑和固體泵送劑2種，本次實驗所用泵送劑為優(yōu)選的JK-5液體泵送劑，主要成分為萘磺酸鹽甲醛縮合物及增強(qiáng)劑、緩凝劑等組成，添加量為水泥添加量的2%。

2.2 實驗儀器

本次實驗采用的設(shè)備為R/S型四葉槳式旋轉(zhuǎn)流變儀，此設(shè)備的測試原理是和扭矩測量頭相連的四葉槳式轉(zhuǎn)子浸入所要測試的料漿中，以可變化的剪切速率旋轉(zhuǎn)，通過在附件RHEO3000軟件界面設(shè)置流變參數(shù)，對實驗過程進(jìn)行實時監(jiān)測，輸出剪切應(yīng)力-剪切速率曲線，并可做進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理。轉(zhuǎn)子直徑20 mm，轉(zhuǎn)子高度40 mm。

3 實驗過程及結(jié)果

3.1 泵送劑對膏體流變參數(shù)影響

用于漿體的動態(tài)流變模型有2參數(shù)的Bingham模型、Casson模型、Power Law模型和3參數(shù)的Herschel-Bulkley模型等。根據(jù)前期探索性試驗發(fā)現(xiàn)，該尾砂-廢石膏體近似于Bingham體，因此試驗過程中采用此模型對流變參數(shù)進(jìn)行擬合分析[10]。

Bingham模型公式：

τ=τ0+ηγ,

(1)

式中,τ為剪切應(yīng)力，Pa；τ0為動態(tài)屈服應(yīng)力，Pa；η為黏度系數(shù)，Pa·s；γ為剪切速率，s-1。

實驗測試了添加泵送劑和不添加泵送劑膏體料將的流變參數(shù)，作為對比實驗。按照實驗方案，依據(jù)物料配比制備2種實驗料漿，對比不同分組的料漿外觀如圖1所示。由圖1可知，在同等濃度和物料配比下，泵送劑對膏體流變特性有極大的影響。

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，求出各組數(shù)據(jù)屈服應(yīng)力和塑形黏度的平均值，實驗結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

圖1 添加泵送劑和不添加泵送劑的膏體料漿

分 組編號屈服應(yīng)力/Pa塑性黏度/(Pa.s)擬合精度平均屈服應(yīng)力/Pa平均塑性黏度/(Pa·s)不添加泵送劑添 加泵送劑1724.530.5520.9652715.000.3970.9423731.000.3360.9264718.000.3930.9531198.800.2990.9682187.300.4210.9733197.100.3570.9734193.200.2950.943720.1770.419194.1120.342

根據(jù)以往的經(jīng)驗，不同礦山尾砂制備的料漿具有不同的流變性能，且流變參數(shù)值差別巨大。該銅礦尾砂制備的膏體恰屬于典型的屈服應(yīng)力值大、輸送難的料漿，可能是由于其粒度細(xì)、黏度大所致。膏體料漿近似于賓漢塑性體，基于管道輸送理論，對于不同管徑、不同流速下的水平直管的沿程阻力計算公式為[11]

(2)

式中，im為摩阻損失，Pa/m；τ0為動態(tài)屈服應(yīng)力，Pa；D為管道內(nèi)徑，m；v為料漿流速，m/s；η為黏度系數(shù)，Pa·s。

從表3可見，添加泵送劑后，對應(yīng)屈服應(yīng)力值降低明顯，減小為原來的0.27，添加效果良好，添加泵送劑對改善該膏體流變性能是合理可行的。在顯微鏡下放大150倍觀察水泥漿添加泵送劑前后效果，如圖2所示，可以見圖2(a)中水泥顆粒凝聚，而在添加泵送劑后，如圖2(b)所示，出現(xiàn)分散。物料分散均勻的膏體，表現(xiàn)出更好的流動性，通過結(jié)合式(2)可知，泵送劑可以使膏體料漿輸送摩阻損失極大減小，實現(xiàn)了管道輸送減阻作用，有利于料漿輸送。這是因為當(dāng)黏性膏體料漿沿壁面流過時，由于在壁面上流速為零,壁面法向流速梯度很大,相應(yīng)的壁面剪切力做功消耗流體中部分能量，并最終以熱量形式向周圍膏體發(fā)散[12]。壁面的粗糙程度決定了微觀的分離和壁面上無數(shù)小旋渦幾何尺寸的差異,從而決定了膏體輸送能量耗散和阻力系數(shù)的差異[13]。膏體輸送減阻2種方式：減小輸送物料的屈服應(yīng)力，從而減小壁面的剪切力,這樣就可以減小直接發(fā)散的能量,實現(xiàn)減阻；增大層流附面層的厚度,即增大了層流附面層邊界面上的流速,實現(xiàn)減阻。

圖2 添加泵送劑后微觀變化

泵送劑具有分散、濕潤、潤滑作用，從而實現(xiàn)減阻。水泥在與水接觸后，漿體內(nèi)部的各種顆粒之間由于異性電荷相吸引、熱運動、相互碰撞吸附、范德華引力等原因引起的絮凝，形成連續(xù)的結(jié)構(gòu)，降低了漿體的流動性。泵送劑中表面活性劑分子具有定向吸附作用，使?jié){體中的各種顆粒質(zhì)點表面上帶有相同符號的電荷，于是在電性斥力的作用下，不但使體系處于相對穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)，并且使在加水初期所形成的懸凝狀結(jié)構(gòu)分散解體。絮凝結(jié)構(gòu)解體后，包裹水被釋放，漿體流動性得到改善。表面活性劑分子作用機(jī)理如圖3所示。

圖3 泵送劑的分散作用

同時，泵送劑可使水泥顆粒有效地分散，增加潤濕面積，從而使固體顆粒達(dá)到濕潤。此外，親水基團(tuán)吸附于水泥顆粒表面形成溶劑化水膜，起潤滑作用，也達(dá)到了增大流動和減水作用。泵送劑還能引入一定量的極性微氣泡，氣泡被分子膜所包圍，與水泥顆粒吸附膜的電性相同。在電性斥力的作用下，氣泡與氣泡、氣泡與水泥顆粒間的相互分散，增加了顆粒間的滑動能力。因此，膏體料漿中適量的添加能有效改善膏體的流變特性、降低泵的工作壓力，實現(xiàn)減阻作用。

通過以上實驗及其探討，充分說明了泵送劑對改善膏體輸送性能效果顯著，實現(xiàn)膏體管道輸送減阻。在微觀層面上的觀察，進(jìn)一步證明了泵送劑對料漿具有分散、濕潤作用，可以充分釋放自由水。在保證坍落度的前提下，能減少水的添加，提高充填濃度。同時泵送劑中的表面活性劑使料漿中固體顆粒充分懸浮，膏體不泌水、不離析。

3.2 時間對流變特性的影響

摻加泵送劑雖然可以提高料漿流動性和降低用水量，但是由于膏體初始水灰比低，而且水泥的分散度又比其他固體物料大得多，所以隨著水泥水化的進(jìn)行，結(jié)合水會增多，游離水會減少，漿體的流動性可能很快降低；同時由于水化產(chǎn)物的形成，并吸附在固體顆粒表面，導(dǎo)致顆粒間排斥作用的減弱，分散體系穩(wěn)定性變差；同時這些水化產(chǎn)物也吸附減水劑，使整個液相中減水劑的濃度顯著下降，顆粒之間很快出現(xiàn)凝聚現(xiàn)象，膏體黏度增大，減水劑的分散、濕潤、潤滑作用減弱。這些因素的綜合作用，使膏體坍落度損失、流動性變差。其作用機(jī)理如圖4所示。

圖4 膏體坍落度損失機(jī)理

為研究長時間管道輸送對添加泵送劑膏體流動性的負(fù)面影響，即長時間剪切作用下膏體坍落度的損失過程。為此，設(shè)計了1組長時間攪拌實驗，并每隔固定時間取樣進(jìn)行流變測試，測試時間為1 h。在第10 min取樣進(jìn)行流變實驗，控制剪切速率(CSR法)最大為150 s-1，將實驗數(shù)據(jù)用Origin軟件回歸分析，回歸結(jié)果如圖5所示。之后隔10 min重復(fù)1次實驗，得到6組實驗結(jié)果見表4。

圖5 剪切速率與剪切應(yīng)力關(guān)系曲線

編號取樣時間/min屈服應(yīng)力/Pa塑性黏度/(Pa·s)擬合精度110182.950.29950.993220179.140.28810.973330180.80.2780.978440185.30.3010.992550190.10.3570.975660196.20.3650.997

從表4可知，恒剪切速率情況下，剪切應(yīng)力隨時間呈先減小后增大的趨勢。前期的變化規(guī)律，可認(rèn)為是試驗前期剪切變稀作用大于水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生的料漿凝結(jié)作用。這是由于膏體料漿在流動時各液層間存在一定的速度梯度，而膏體物料形成蜂窩狀絮團(tuán)結(jié)構(gòu)，這種團(tuán)狀結(jié)構(gòu)的膏體物料就可能受到幾個流速不等液層的相互剪切作用，這種情況絮團(tuán)要么剪切破壞，要么回歸到同一個流速層。因此，在流動時，每個膏體絮團(tuán)結(jié)構(gòu)總是試圖使自己全部進(jìn)入同一流速的流層。不同流速液層的平行分布就導(dǎo)致絮團(tuán)在流動方向上的取向，就像在水流作用下細(xì)長的線，它們總是自然地順著水流方向縱向排列的。流動方向上的絮團(tuán)結(jié)構(gòu)間相對流動阻力減小，使體系宏觀黏度下降，出現(xiàn)“剪切變稀”的假塑性現(xiàn)象。

而后期則剛好相反，剪切變稀作用小于水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生的料漿凝結(jié)作用，膏體流變性能開始變差。結(jié)合該礦山最長輸送距離為2 300 m，按輸送速度1 m/s計算，得到料漿在管道中最長停留時間為2 300 s，從表4中看到料漿在攪拌2 300 s后處仍具有最初的流變性能，而在此點之前，由于剪切變稀的作用，料漿一直保持著良好的流變性能，這說明泵送劑對膏體的長距離輸送影響不大。同時，由于泵送劑中含有適量的緩凝劑，推遲水化反應(yīng)時間，減少輸送過程水化產(chǎn)物的生成，可以進(jìn)一步減緩料漿凝結(jié)作用。因此，添加泵送劑對現(xiàn)場管道輸送負(fù)面影響很小。

添加泵送劑的膏體料漿在長距離輸送下，由于減少了自由水量以及隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，時間對流變特性會有影響。但在長時間、恒剪切速率情況下，通過屈服應(yīng)力隨時間變化實驗說明了膏體的剪切變稀特性可以有效減緩時間影響趨勢，而且泵送劑中的緩凝劑可延緩膏體凝結(jié)，使膏體在較長時間里保持良好的流動性，滿足長距離輸送要求。

總而言之，適量添加泵送劑對膏體料漿輸送具有減阻作用，不僅可以提高泵送濃度，而且添加后對長距離管道輸送不會產(chǎn)生負(fù)面影響。對于一些膏體流動性差、充填倍線高的礦山，可以通過添加泵送劑改善膏體料漿輸送性能，擴(kuò)大膏體充填應(yīng)用范圍。

4 結(jié) 論

(1)針對某些輸送性能特差的膏體料漿，添加泵送劑能有效改善其流變性能。泵送劑中含有緩凝劑、引氣劑和保水劑等，可以使膏體管道輸送在高濃度、大坍落度情況下不泌水、不離析、不堵管。

(2)添加泵送劑可以改善膏體料漿的流變性能，減小料漿輸送過程的阻力，降低對管道的磨損。

(3)摻加泵送劑之后，較長時間的輸送會引起膏體坍落度的損失，輸送性能變差。但是通過時間對流變特性的影響實驗，膏體的剪切變稀特性和泵送劑中的緩凝劑可以使料漿在3 600 s里保持良好的流動性。說明添加泵送劑對膏體長距離輸送負(fù)面影響小，泵送劑可以有效應(yīng)用于膏體長距離輸送。

[1] 王洪江，吳愛祥，肖衛(wèi)國，等.粗粒級膏體充填的技術(shù)進(jìn)展及存在的問題[J].金屬礦山，2009(11)：1-5. Wang Hongjiang，Wu Aixiang，Xiao Weiguo，et al.The progresses of coarse paste fill technology and its existing problem[J].Metal Mine,2009(11):1-5.

[2] Boger D V.Rheology and the resource industries[J].Chemical Engineering Science，2009，64(22)：4525-4536.

[3] 劉同有.充填采礦技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2001. Liu Tongyou.Filling Mining Technology and Its Application[M].Beijing：Metallurgical Industry Press,2001.

[4] 趙才智，周華強(qiáng)，瞿群迪，等.膏體充填材料力學(xué)性能的初步實驗[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2004，33(2)：159-161. Zhao Caizhi，Zhou Huaqiang，Qu Qundi，et a1.Preliminary test on mechanical properties of paste filling material[J].Journal of China University of Mining & Technology,2004,33(2):159-161.

[5] 周華強(qiáng)，侯朝炯，孫?？?，等.固體廢物膏體充填不遷村采煤[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2004，33(2)：154-158. Zhou Huaqiang，Hou Chaojiong，Sun Xikui,et al.Solid waste paste filling for none-village-relocation coal mining[J].Journal of China University of Mining & Technology,2004,32(2):154-158.

[6] Spearing A J S，Steward N R.Slurry，not paste，will be the fill of the future[J].Canadian Mining Journal，1992,113(3):31-40.

[7] 朱蒙生.管流添加劑減阻的實驗與機(jī)理研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2009. Zhu Mengsheng.Experiment and Mechanism Study on Drag-reduction by Additives in Pipe Flow[D].Harbin:Harbin Institute of Technology,2009.

[8] 王新民，肖衛(wèi)國，張欽禮.深井礦山充填理論與技術(shù)[M].長沙：中南大學(xué)出版社，2005:233-269. Wang Xinmin，Xiao Weiguo，Zhang Qinli.Theory and technology of deep mine backfilling[M].Changsha：Central South University Press,2005:233-269.

[9] Uchikawa H，Sawaki D，Hanehara S.Influence of kind and added timing of organic admixture on the composition，structure and property of fresh cement paste[J].Cement and Concrete Research，1995,25(2):353-364.

[10] 翟永剛，吳愛祥，王洪江，等.全尾砂膏體料漿的流變特性研究[J].金屬礦山，2010(12)：30-57. Zhai Yonggang，Wu Aixiang，Wang Hongjiang，et al.Study on rheological properties of the unclassified-tailings paste[J].Metal Mine,2010(12)：30-57.

[11] 鄧代強(qiáng)，高永濤，楊耀亮，等.基于流體力學(xué)理論的全尾砂漿管道輸送流變性能[J].北京科技大學(xué)學(xué)報，2009，31(11)：1381-1382. Deng Daiqiang，Gao Yongtao，Yang Yaoliang，et al.Rheological properties of full tailings slurry in pipeline transportation based on the hydromechanics theory[J].Journal of University of Science and Technology Beijing,2009,31(11):1381-1382.

[12] 王新民.基于深井開采的充填材料與管輸系統(tǒng)的研究[D].長沙：中南大學(xué)，2005. Wang Xinmin.A Study of Filling Materials and Pipeline Transportation Systems in Deep Mines[D].Changsha:Central South University，2005.

[13] Miksis M J，Davis S H.Slip over rough and coated surfaces[J].Journal of Fluid Mechanics，1994,273:125-139.

(責(zé)任編輯 徐志宏)

The Effect of Pumping Aid on Paste Pipeline Transportation

Yang Liuhua1Wang Hongjiang1Wu Aixiang1Pan Guihao2Liu Sizhong1Li Hong1

(1.School of Civil and Environment Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China；2.Xinxing Cathay Resources Development Co.，Ltd，Beijing 100083，China)

The high on-way resistance along the pipeline system usually leads to some problems like pipeline explosions and leakage at joints etc.，which have posed a serious restriction on the development of paste backfill technology.Taking the paste slurry with the poor rheological properties from a copper mine as a case，some pumping aid was added to improve its rheological properties on the basis of achieving the required filling strength and pumping acquirements.Then，contrast was made with the paste without pumping aid，and the effect of time on rheological properties of the paste slurry with pumping aid added was analyzed.The testing results indicated that，the paste made from full tailings conformed to Bingham features.The addition of pumping aid lowered the effect of concentration on rheological properties，which made the concentration of the paste slurry increased to 78% under the condition of meeting the transporting requirements.Combining with the theoretical analysis，the effect of pumping aids on drag reduction and the mechanism of slump loss of paste slurry after a long time were discussed.It is considered that pumping aid has a dramatic effect on reducing on-way resistance along pipelines and decreasing the abrasion of pipeline with less negative effects.

Paste pumping，Rheological properties，Drag reduction，Pumping aid，Slump loss

2014-09-07

國家自然科學(xué)基金項目(編號：51374034)，“十二五”國家科技支撐計劃項目(編號： 2012BAB08B02)。

楊柳華(1987—)，男，碩士研究生。

TD853

A

1001-1250(2014)-11-022-05