【摘要】：近年來(lái),膏體充填工藝在地壓控制、運(yùn)行成本以及環(huán)境保護(hù)等方面的優(yōu)勢(shì)逐漸凸顯,成為礦山開(kāi)采的首選方案。管道輸送作為膏體充填的關(guān)鍵工藝之一,直接影響充填系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)及工作效率。阻力特性是管道輸送技術(shù)研究的核心內(nèi)容,為系統(tǒng)設(shè)計(jì)及工藝優(yōu)化提供基本依據(jù)。與傳統(tǒng)充填料漿相比,膏體的流動(dòng)特性更為復(fù)雜,在管內(nèi)呈結(jié)構(gòu)狀整體流動(dòng)。對(duì)于結(jié)構(gòu)流體流動(dòng)特性的研究,傳統(tǒng)的兩相流理論表現(xiàn)出較差的適用性,相比之下,流變學(xué)是更為有效的研究手段,但由于發(fā)展時(shí)間較短,目前尚不完善,在實(shí)際應(yīng)用中存在較多問(wèn)題。綜上所述,雖然膏體充填技術(shù)目前得到了一定程度的應(yīng)用,但對(duì)其管內(nèi)流動(dòng)規(guī)律仍然缺乏系統(tǒng)、準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí),由此限制了技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。 本文以膏體內(nèi)部結(jié)構(gòu)為切入點(diǎn),圍繞物料性質(zhì)、料漿結(jié)構(gòu)、流變行為以及管流阻力四方面的相互關(guān)聯(lián)作用展開(kāi)了試驗(yàn)研究和理論分析,最終實(shí)現(xiàn)了膏體管內(nèi)流動(dòng)阻力的精確計(jì)算。主要研究?jī)?nèi)容如下： (1)發(fā)展了膏體料漿微觀結(jié)構(gòu)的量化表征方法,探明了物料性質(zhì)及外部剪切對(duì)結(jié)構(gòu)的影響作用。通過(guò)分析結(jié)構(gòu)的物質(zhì)組成,提出以Cv/Cvm值作為結(jié)構(gòu)強(qiáng)弱的量化指標(biāo),在試驗(yàn)測(cè)試的基礎(chǔ)上獲得了Cvm的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ�；綜合利用ESEM電鏡掃描、計(jì)算機(jī)圖像處理以及分形理論等手段,構(gòu)建了料漿微觀結(jié)構(gòu)形貌的定量表征方法,考察了結(jié)構(gòu)剪切作用下的演化過(guò)程。 (2)構(gòu)建了能夠充分描述膏體粘彈性流動(dòng)行為的流變模型,探明了物料性質(zhì)對(duì)流變參數(shù)的影響機(jī)理。發(fā)現(xiàn)了膏體流動(dòng)過(guò)程中的粘彈性行為,引入結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型,構(gòu)建了能夠全面描述膏體流動(dòng)行為的觸變-屈服流變模型；提出了基于“等結(jié)構(gòu)”概念的流變參數(shù)測(cè)定方法,探明了濃度、物料級(jí)配、以及水泥摻量對(duì)流變參數(shù)的影響機(jī)理,獲得了屈服應(yīng)力及塑性粘度的預(yù)測(cè)模型。 (3)率先開(kāi)展了膏體管壁滑移特性的試驗(yàn)研究,探明了局部滑移行為對(duì)管內(nèi)流動(dòng)的影響作用。推導(dǎo)了膏體管內(nèi)滑移流動(dòng)的基本方程,設(shè)計(jì)了研究膏體滑移特性的多管徑試驗(yàn)平臺(tái)；考察了膏體濃度、物料級(jí)配對(duì)滑移速度及滑移層厚度的影響規(guī)律,分析了不同工況條件下的滑移形成機(jī)理；提出采用滑移貢獻(xiàn)率DR作為研究指標(biāo),探明了滑移現(xiàn)象對(duì)膏體管內(nèi)流動(dòng)的影響作用。 (4)開(kāi)展管道輸送模擬試驗(yàn),構(gòu)建了不同工況條件下膏體管流阻力的計(jì)算方法�；诎牍I(yè)環(huán)管試驗(yàn)系統(tǒng),開(kāi)展了長(zhǎng)距離輸送、停泵重啟等工況條件的模擬試驗(yàn)。考察了輸送時(shí)間、流量對(duì)膏體管流阻力的影響作用,建立了管流阻力隨時(shí)間變化的數(shù)學(xué)模型；考察了濃度、水泥摻量對(duì)管流阻力的影響規(guī)律,分析了流變性質(zhì)及管壁滑移特性對(duì)膏體管流阻力的綜合作用,構(gòu)建了管流阻力計(jì)算公式；考察了膏體的重啟性能以及重啟過(guò)程中的阻力變化,推導(dǎo)了系統(tǒng)啟動(dòng)阻力的計(jì)算方法。 (5)形成了膏體充填管輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般流程,提出基于級(jí)配優(yōu)化的減阻構(gòu)想。以具體膏體充填項(xiàng)目為背景,針對(duì)輸送系統(tǒng)的工藝參數(shù)、管路布置以及設(shè)備選型等問(wèn)題進(jìn)行了分析設(shè)計(jì),并在此基礎(chǔ)上形成了適用于膏體充填管輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般流程；針對(duì)全尾砂細(xì)顆粒膏體,提出了粗顆�！盎鞊綔p阻”的基本構(gòu)想,基于級(jí)配密實(shí)理論確定了合理的混摻配比,通過(guò)流變?cè)囼?yàn)對(duì)減阻效果進(jìn)行了驗(yàn)證。
【圖文】：

當(dāng)絮團(tuán)個(gè)數(shù)達(dá)到一定數(shù)量之后，絮團(tuán)與絮團(tuán)之間開(kāi)始連接，，最終形成一種松散的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，即絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)，如圖2-3所示。相關(guān)學(xué)者[147，148]通過(guò)高倍電子顯微鏡對(duì)細(xì)顆粒i}體進(jìn)行了研究，證實(shí)了絮團(tuán)及絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)的存在。-36-

稱此時(shí)的體積濃度為極限體積分?jǐn)?shù)CVm (Maximum packing fraction)。Cvn,的物理模型如圖2-4所示，不同粒徑的尾礦顆粒相互均勻填充達(dá)到緊密排列，顆粒表面有厚度為3的薄膜水，以及填充在結(jié)構(gòu)孔隙之間的封閉水，假設(shè)其厚度為P，則極限體積分?jǐn)?shù)Cvm即是指顆粒所占面積與周圍顆粒圓心連線圍成面積之比。圖2-4極限體積分?jǐn)?shù)CV?的物理模型若己知單位體積團(tuán)體中物料顆粒的表面積為6EpiM，則此時(shí)有式（2-9)成立：C? +C^ -6^pJd-rS^C^ -6^Pjd^-P = 1 (2-9)式(2-9)左邊的三項(xiàng)分別為i}體中尾砂顆粒、薄膜水以及封閉水的濃度，-37-
【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TD853.34

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2532810