作者：张毅

   实践中，基于充填管路设计的需要，对煤矸石高浓度充填料浆流变参数的研究亟待推进。煤矸石高浓度充填料浆（如似膏体或膏体）的料浆浓度达到70%～80%，其中煤矸石在固料中的比例达40%～60%，最大粒径可达到20mm。目前，平行板式、同轴圆筒式和毛细管式等几种粘度计都只适用于悬浮浆液或细粒级料浆（如水泥浆等）流变参数的测量，对于这样的粗骨料浆体流变参数的测定尚无专门的测试仪器，而管道实验测试方法工作量大、费用高，一般很少采用，这给煤矸石高浓度充填料浆流变参数的测试带来不便。为此，本文探索研制了煤矸石高浓度充填料浆流变仪及相应的流变参数测试方法。

1  自制流变仪的结构组成

  传统的旋转粘度计搅拌能力低、容量小，如NXS-11A型旋转粘度计，其最大搅拌功率20W，料浆测试体积60ml，只适用于细颗粒浆体的粘性参数测试。针对煤矸石高浓度充填料浆粗骨料、粘性高的物料特征而研制的流变仪，从工作原理和结构特征考虑要实现对固料最大粒径达20mm的高浓度充填料浆流变参数的测试，采用高功率动力系统和大容量搅拌系统，其基本结构示意见图1，其主要包括以下六个子系统。

  1)动力系统：直流调速电机，额定功率18 5W，额定转速lOOOr/min。

  2)传感系统：扭矩传感器，可同时测量搅拌轴扭矩和转速，扭矩量程0.2N·m，转速量程2000r/min。

  3)搅拌系统：①桨式搅拌转子，直径4cm，高3cm;②盛料圆筒，内径lOcm，高12cm，测试盛料体积650ml。

  4)控制系统：无极调速器。

  5)数字显示单元：数显仪表一台，具有扭矩、转速实时显示功能。在需要的情况下，可将数显仪表连接到电脑，实现测试数据的自动采集和分析。

  6)辅助单元：弹性联轴器、底座、支架和光电信号隔离器。

2  自制流变仪的工作原理

  大量的试验研究表明高浓度充填料浆的流变特性可用宾汉体模型来描述，其流变特性可用屈服应力r。和塑性粘度77两个参数来表述，其流变方程表达式为式(1)。

式中：T为切应力，Pa；To为屈服应力，Pa;n为塑性粘度，Pa.s；y为切变率，S-1。

  自制流变仪分析测试流变参数的基本原理：测试时，将高浓度料浆装入盛料筒中，搅拌转子在筒中搅动，物料与圆筒壁作相对运动，测定不同搅拌转速时的搅拌扭矩，进而分析得到料浆的流变参数To、n，见图2。

  对于宾汉体塑性流体，搅拌转子角速度Q、搅拌扭矩M和流变参数To、n之间存在如式(2)所示关系式。

式中：R1为搅拌转子半径，m；R2为盛料筒半径，m；Ω为搅拌转子角速度，rad/s；h为搅拌转子高度，m;M为搅拌扭矩，N·m。

  对固定的仪器来说，搅拌转子半径Ri、盛料筒半径R2、搅拌转子高度h为已知，则有式(3)。

  由式(3)可知，k1、k2是与仪器系统相关的常量参数。因此，式(2)可简化为式(4)。

  对于待测定的料浆，其流变参数n、To是确定量，因此，测试料浆过程中的搅拌转子角速度和搅拌扭矩的相互关系可表达为式(5)。

由式(4)和式(5)，则有式(6)。

  根据以上分析，就可以通过以下的测试流程得到煤矸石高浓度充填料浆的流变参数。①首先，通过自制流变仪测定充填料浆在不同搅拌转速Ω下的搅拌扭矩M，得到料浆的M—Ω曲线；②由M-Q曲线得到a、b值；③由式(6)计算得到料浆的n、To。

3似膏体充填料浆流变参数测试

  为了安全开采水体压煤，同时又提高资源回收率，公格营子煤矿采用似膏体充填技术对水体下压煤进行开采。该矿似膏体充填材料采用普通水泥为胶凝材料，以破碎煤矸石(粒度≤20mm)和电厂粉煤灰为骨料。从充填强度和泌水率的指标要求，充填料浆浓度初选为78%和79%，其中水泥、煤矸石和粉煤灰的含量分别为4%、52%、22%～23%。

  充填料浆的流变参数是充填管道输送参数选择和管路设计的基本依据。为了进行充填管输参数的分析和管路设计，采用自制流变仪对浓度78%和79%的充填料浆流变参数进行了测试分析，得到的扭矩与转速关系曲线如图3所示。

  由图2中的扭矩与角速度关系M-Ω曲线拟合得到：①浓度78%，M=4.84×10-4 Ω+1.32×10 -2，其中a=4. 84×10-4，6=1.32×10-2；②浓度79%，M=6.22×10-4 Ω+1.  76×10-2，其中a=6. 22×10-4 ,b=1, 76×10-2。

  由自制流变形仪结构可知，R1=0.02m，R2=0. 05m，h=0.03m。因此通过式(6)和式(3)计算得到浓度78%和79%的似膏体料浆的流变参数，见表1。

4充填管输参数的分析

4.1  料浆浓度和管道内径的确定

  充填管路管径的大小，除了影响充填能力，还关系到充填系统工作的稳定性和安全性。管径太小，不仅管输阻力大，管路磨损严重，而且充填能力受限，不能满足矿山生产的实际要求；管径太大，不仅浪费管道资源，而且料浆流速太小容易出现固料沉降而堵管，也会导致不满管流现象，使管路中产生射流冲击、汽蚀等破坏作用，减少管道的使用寿命。似膏体的流型接近于宾汉塑性体，在管内的合理流速为1.0～2.0 m／s。在管道输送中，宾汉流体的摩擦阻力系数可由式(7)计算。

式中：厂为摩擦阻力系数，Pa／m；D为管道内径．m；“为浆体在管道内平均流速，m/s。

  公格营子矿设计充填能力为Q=90 m3／h。根据前文测试分析得到的充填料浆流变参数ro、n值及充填能力，由式(7)计算得到不同管径条件下的摩擦阻力系数如表2所示。

  从表2可以看出，浓度79%的摩擦阻力系数是浓度78%的1.3～1.4倍，阻力系数增加显著。综合考虑管道流速和阻力，确定采用浓度为78%充填料浆，管道内径D-0.15m，其管输阻力系数f=8. 29×l03 Pa／m。

4.2充填泵最大工作压力

  公格营子矿充填管路总长度1069m，垂直高度118m。考虑Ω=90m3/h运行条件下，充填泵最大工作压力见式(7)。

式中：L为管路总长，1= 1069m;f为管道的摩阻系数，f=8. 29kPa/m;k为局部阻力系数，取10%;AH为管路的垂直高度，ΔH= 118m;为料浆密度，p=l950kg/m3。

  因此，在充填流量Q=90m3／h条件下，充填泵的最大工作压力为7. 49MPa。根据以上分析，结合充填泵的标准配置，实际选择了流量Q一90n13／h、额定泵压P=lOMPa的充填泵。

5结  论

  1)根据煤矸石高浓度充填料浆粗骨料、粘性高的物料特征以及流变参数测试原理，研制了煤矸石高浓度充填料浆流变仪及相应的流变参数测试方法。

  2)将新研制的流变仪应用于实践，测试分析了公格营子矿的似膏体充填料浆浓度78%和79%的流变参数。

3)结合实际工作条件进行了充填管路阻力系数计算和合理管径的分析，选定浓度为78%充填料浆，管道内径D=0.15m，为充填泵的选型提供了科学依据。

、6摘要：近年来，采用煤矸石为骨料的似膏体或膏体充填采煤技术开采“三下”压煤已成为煤矿绿色开采的一个重要方向。分析充填料浆流变参数是充填管输系统设计的基础工作。针对常规流变仪无法测试煤矸石高浓度充填料浆流变参数的实际问题，根据充填料浆粗骨料、粘度高的物料特征和流变参数测试原理，研制了煤矸石高浓度充填料浆流变参数测试仪和相应的测试方法。采用自制流变仪对公格营子矿似膏体充填料浆的流变参数进行了测试分析，确定了充填料浆管道输送的摩阻系数，为该矿充填管道系统优化设计提供了科学依据。