本文關(guān)鍵詞：礦山廢石—尾砂高濃度充填料漿的流變特性及多因素影響規(guī)律研究

  更多相關(guān)文章： 廢石-尾砂 高濃度 流變特性 粘度 屈服應(yīng)力 管道輸送

【摘要】：隨著國家優(yōu)先推行充填采礦法導(dǎo)向政策和綠色礦山建設(shè)的深入貫徹落實,充填采礦法的應(yīng)用越來越廣泛�！鞍l(fā)展綠色開采技術(shù),實現(xiàn)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境無損或受損最小；發(fā)展無廢或少廢的工藝技術(shù),最大限度地減少廢棄物的產(chǎn)生”已成為礦山的創(chuàng)新主方向。廢石與尾砂是礦山的大宗固體廢料且產(chǎn)量穩(wěn)定,礦山固廢充填采礦是解決廢尾排放的最有效途徑,是綠色采礦的主體支撐技術(shù)。實現(xiàn)廢石-尾砂高濃度充填料漿管道自流輸送,是深部礦產(chǎn)資源實現(xiàn)安全高效綠色開采的關(guān)鍵技術(shù)。廢石-尾砂高濃度料漿相比于尾砂膏體／高濃度料漿其性質(zhì)更加復(fù)雜,影響因素更多且不易控制,因此對廢石-尾砂高濃度料漿的流變特性及其影響因素進(jìn)行深入研究是十分必要的。論文依托“國家自然科學(xué)基金”、“甘肅省重大科技專項”,通過對目前充填現(xiàn)狀的分析以及存在問題的討論,以金川礦區(qū)以及大紅山銅礦的充填料漿為研究對象,開展了高濃度、流態(tài)、流變實驗,深入研究了礦山固體廢料高濃度充填料漿的流變特性及多因素影響規(guī)律,提出了廢石-尾砂(戈壁砂-棒磨砂)高濃度充填料漿粘度與屈服應(yīng)力的計算模型,進(jìn)行了高濃度充填料漿管道輸送實驗,最終將理論成果運(yùn)用于礦山生產(chǎn)充填。主要內(nèi)容包括以下幾點(diǎn)：(1)結(jié)合高濃度充填在地下礦山的設(shè)計、應(yīng)用現(xiàn)狀,以及目前對于高濃度定義的不一致性,論述了料漿的高濃度高流態(tài)特性,進(jìn)行了充填料漿坍落度、倒坍落度測定,分析并確定了自流輸送條件下的漿體高濃度范圍,提出了漿體高濃度范圍的判定式。通過金川、大紅山礦區(qū)的實驗,確定了廢石-尾砂(戈壁砂-棒磨砂)相應(yīng)的自流高濃度范圍。(2)應(yīng)用RheoCAD500流變儀完成了流變實驗340余組,得到廢石-分級尾砂、戈壁砂-棒磨砂、廢石-尾砂的流變曲線,從料漿的剪切機(jī)理出發(fā),對粘度-剪切率曲線和剪切應(yīng)力-剪切率曲線進(jìn)行了統(tǒng)一分析,指出在粘度發(fā)生變化的拐點(diǎn)處對應(yīng)剪切應(yīng)力的本質(zhì)變化,并確定了料漿的流變參數(shù),為流變特性的分析奠定了基礎(chǔ)。(3)采用響應(yīng)曲面法分析顆粒粒徑、骨料成分、骨料配比、細(xì)粒級含量對粘度的影響,結(jié)果表明大紅山廢石-分級尾砂粘度的主要影響因素排序為質(zhì)量濃度水泥量配比,其中水泥量與質(zhì)量濃度的交互作用也會產(chǎn)生顯著影響。針對不同礦山不同材料的影響因素(質(zhì)量濃度,水泥量,配比,以及骨料中細(xì)粒級含量)分析顯示,質(zhì)量濃度與細(xì)粒級含量對粘度的影響最大,水泥量次之,而水泥量與質(zhì)量濃度的交互項,以及水泥量與細(xì)粒級含量的交互項對粘度也有顯著影響。對于不同粒徑的戈壁砂分析顯示,質(zhì)量濃度與水泥量對粘度的影響較大,其次是粒度的變化。應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)理論分別對廢石-分級尾砂、廢石-尾砂、-12mm～-20mm戈壁砂的屈服應(yīng)力影響因素進(jìn)行分析,結(jié)果表明水泥添加量和質(zhì)量濃度是屈服應(yīng)力的決定因素,廢石-尾砂的配比對屈服應(yīng)力的影響較小。通過對戈壁砂屈服應(yīng)力的分析表明,顆粒的變化對屈服應(yīng)力的影響較大,其次為質(zhì)量濃度,次之為水泥添加量。(4)通過對粘度主要影響因素的整體分析表明,料漿的粘度受細(xì)粒級含量(包括水泥添加量),料漿濃度的影響較大。粘度與料漿中的細(xì)粒級含量以及骨料的體積存在一定的定量關(guān)系,同時提出了兩個與水泥添加體積相關(guān)的關(guān)鍵參數(shù)k1、k2,建立了高濃度料漿粘度計算模型。通過誤差分析和大紅山銅礦／金川礦區(qū)的廢石-(分級)尾砂分別對其進(jìn)行驗證,結(jié)果表明本文提出的粘度計算模型適應(yīng)性良好,參數(shù)簡單易測,誤差較小,滿足工業(yè)應(yīng)用要求。(5)通過對屈服應(yīng)力主要影響因素的整體分析顯示,料漿的濃度以及骨料的變化對于屈服應(yīng)力的影響較大。骨料體積濃度與屈服應(yīng)力之間存在指數(shù)關(guān)系,水灰比與屈服應(yīng)力呈負(fù)冪指數(shù)關(guān)系。結(jié)合其它影響因素,建立了屈服應(yīng)力預(yù)測模型,為管道輸送阻力計算提供了依據(jù)。(6)根據(jù)金川礦區(qū)／大紅山銅礦的實際充填管路利用Gambit建立三維管道模型,依據(jù)料漿自身的特點(diǎn)以及結(jié)構(gòu)流理論,應(yīng)用Fluent(3D)進(jìn)行了數(shù)值模擬,分析了廢石-尾砂高濃度料漿的自流管輸阻力。結(jié)合礦山實際阻力監(jiān)測、坍落度等測定結(jié)果,表明數(shù)值模擬的結(jié)果是準(zhǔn)確的,也說明了本文獲取流變參數(shù)的正確性。研究結(jié)果為礦山應(yīng)用廢石-尾砂高濃度充填技術(shù)提供了理論支持,對大范圍推廣應(yīng)用該技術(shù)有重要意義。
【關(guān)鍵詞】：廢石-尾砂 高濃度 流變特性 粘度 屈服應(yīng)力 管道輸送
【學(xué)位授予單位】：昆明理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TD853.34
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第一章 緒論13-31
• 1.1 課題的提出及研究意義13-15
• 1.2 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢15-27
• 1.2.1 膠結(jié)充填法15-18
• 1.2.2 料漿流態(tài)及高濃度的發(fā)展18-19
• 1.2.3 料漿的流變特性19-23
• 1.2.4 流變模型及其測量方法23-25
• 1.2.5 管道輸送及管道模擬的發(fā)展25-27
• 1.3 本文研究內(nèi)容及技術(shù)路線27-31
• 1.3.1 研究內(nèi)容27-29
• 1.3.2 技術(shù)路線29-31
• 第二章 高濃度高流態(tài)特性及其判據(jù)31-59
• 2.1 充填料漿的高流態(tài)31-32
• 2.1.1 坍落度與擴(kuò)展度32
• 2.1.2 倒坍落度32
• 2.2 實驗32-41
• 2.2.1 實驗材料32-37
• 2.2.2 級配實驗37-41
• 2.2.3 實驗方案41
• 2.3 充填料漿的流態(tài)實驗結(jié)果41-43
• 2.4 充填料漿的高濃度判定43-56
• 2.4.1 高濃度特性43-47
• 2.4.2 高濃度判定條件47
• 2.4.3 實驗及結(jié)果47-48
• 2.4.4 確定判定式值48-56
• 2.5 本章小節(jié)56-59
• 第三章 流變實驗及料漿流變模型分析59-91
• 3.1 流變性能的實驗測定59-61
• 3.1.1 流變基本概念59-60
• 3.1.2 實驗儀器及方法60-61
• 3.2 流變結(jié)果61-72
• 3.3 流變曲線及變化機(jī)理的分析72-77
• 3.4 流變模型77-88
• 3.5 本章小結(jié)88-91
• 第四章 料漿的流變特性及影響因素分析91-117
• 4.1 各影響因素的理論分析91-92
• 4.2 各影響因素對粘度的影響分析92-106
• 4.2.1 骨料配比的變化對粘度的影響92-98
• 4.2.2 骨料的變化對粘度的影響分析98-101
• 4.2.3 粒度的變化對粘度的影響101-106
• 4.3 屈服應(yīng)力及其影響因素分析106-114
• 4.3.1 廢石-分級尾砂的屈服應(yīng)力影響分析106-110
• 4.3.2 戈壁砂的屈服應(yīng)力影響分析110-113
• 4.3.3 廢石-尾砂的屈服應(yīng)力影響分析113-114
• 4.4 本章小結(jié)114-117
• 第五章 粘度/屈服應(yīng)力的預(yù)測模型及與高濃度的關(guān)系117-147
• 5.1 粘度的計算模型117-128
• 5.1.1 粘度計算模型的建立117-122
• 5.1.2 粘度計算公式的驗證及誤差分析122-128
• 5.2 屈服應(yīng)力預(yù)測模型的提出128-135
• 5.3 不同材料的屈服應(yīng)力預(yù)測模型135-142
• 5.3.1 廢石-分級尾砂的屈服應(yīng)力預(yù)測模型135-139
• 5.3.2 戈壁砂的屈服應(yīng)力預(yù)測模型139-141
• 5.3.3 廢石-尾砂屈服應(yīng)力預(yù)測模型141-142
• 5.4 高濃度與屈服應(yīng)力區(qū)間的關(guān)系142-144
• 5.5 本章小結(jié)144-147
• 第六章 充填料漿管道輸送模擬及實驗驗證147-179
• 6.1 充填系統(tǒng)147-148
• 6.1.1 金川龍首礦東部充填系統(tǒng)147-148
• 6.1.2 大紅山充填系統(tǒng)148
• 6.2 幾何模型的建立148-150
• 6.2.1 金川管道模型148
• 6.2.2 大紅山管道模型148-150
• 6.3 模擬方案及料漿參數(shù)150-152
• 6.3.1 金川礦區(qū)150
• 6.3.2 大紅山銅礦150-152
• 6.4 模型152-153
• 6.4.1 模型的選擇152
• 6.4.2 控制方程152-153
• 6.4.3 邊界條件153
• 6.5 金川數(shù)值模擬結(jié)果分析153-156
• 6.6 大紅山數(shù)值模擬結(jié)果分析156-173
• 6.6.1 速度對阻力的影響156-164
• 6.6.2 濃度對阻力的影響164-166
• 6.6.3 彎管處阻力分析166-173
• 6.7 模擬結(jié)果的驗證173-177
• 6.7.1 金川實驗驗證173-175
• 6.7.2 大紅山實驗驗證175-177
• 6.8 本章小結(jié)177-179
• 第七章 結(jié)論與展望179-183
• 7.1 研究成果與結(jié)論179-181
• 7.2 本文的創(chuàng)新點(diǎn)181-182
• 7.3 存在的問題與展望182-183
• 致謝183-185
• 參考文獻(xiàn)185-195
• 攻讀學(xué)位期間主要研究成果195-197
• 附表A197-214
• 附表B214-224
• 附表C224-228

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本文編號：581421