建筑垃圾再生骨料膏体充填环管试验

张保良 刘 音，2 张浩强 张新国，2

(1.山东科技大学资源与环境工程学院，山东青岛，266590; 2.矿山灾害预防控制教育部重点实验室，山东青岛，266590)

膏体充填开采技术是解决“三下一上”压煤的主要方法之一［1-2］，而高浓度膏体充填料浆管道输送性能和流变特性对安全高效充填起着关键作用。由于充填系统较为复杂，仅靠理论计算，无法保证充填料浆输送参数的准确性［3］。因此，通过室内环管试验模拟系统对建筑垃圾－粉煤灰膏体充填料浆进行试验，得到管道阻力损失，为现场充填系统设计提供依据，对城市建筑垃圾合理利用和矿山充填技术发展具有重要意义［4-5］。

1 室内膏体充填模拟试验系统介绍

膏体充填模拟系统主要组成部分包括自动称重装置、自动上料机、搅拌机、搅拌桶、空气压缩机、混凝土泵、充填管道、管道清洗机、采场模拟装置和控制系统等，如图1所示。

2 试验设计

试验以破碎、筛分后的建筑垃圾为骨料，粉煤灰为主要胶凝材料。为获取不同浓度条件下，该种膏体充填料浆流动参数，输送试验过程采用自质量浓度78%到质量浓度74%的方案。环形管路设计路线如图2所示，各组分的质量如表1所示。

图1 膏体充填模拟系统组成Fig.1 Constitution of paste filling system

图2 环形管路设计路线Fig.2 Design line of annular pipe

表1 膏体充填料浆组方Table1 Prescription of paste filling slurry

2.1 试验方法

试验以1组配方料浆3个试验单元，进行3次试验。配料的多少根据输送管路容量和试验要求，设计每次配料总体积为2.06 m3，充填料浆的总质量为3.5 t。

该组配方料浆需要进行3种浓度的测试，设计充填料浆浓度的变化方法是由浓到稀依次改变，即首先按照设计用料配合比配制最高浓度的料浆，该浓度条件下工况数读取完成后，均匀地按设计计算用量向回流的料浆中加水，使充填料浆浓度降到下一级浓度，经搅拌20 min后重复上一浓度的工作。

2.2 试验步骤

2.2.1 试验准备

(1)对试验系统的各个组成部分进行性能稳定性测试，保证试验系统正常运转。检查和清除搅拌机、管道、充填泵喂料斗等内的杂物。具体做法是:打开搅拌机、充填泵等设备，向搅拌斗加水1.6 m3(保证满管)，进行输送管路清洗及设备检测。在清洗过程中，特别注意压差计、电磁流量计的数据读取是否正确。

(2)管道润滑。用0.5 t左右由骨料、细集料制备成浓度为75.5%的料浆泵入管道，该部分充填料浆不返回充填泵。

(3)人员分配。在进行试验之前，要安排人员在各测点、拍摄点、控制点做好试验准备。

2.2.2 膏体充填材料制备

(1)分别称取粉煤灰0.702 t、生石灰0.09 t、石膏0.072 t、早强剂0.036 t、建筑垃圾1.8 t，混合后加入料斗中。

(2)混合后的材料经自动给料装置送入搅拌机，搅拌机对干料进行5 min左右的搅拌。

(3)在搅拌机干料入口处，连续定量(按设计浓度)加水，与干料混合后，搅拌10 min。

(4)待制备的料浆搅拌均匀后，装满充填泵料斗0.8 m3后，即开泵输送，并通过调节泵的流量改变充填料浆的流速。

(5)第一浓度的料浆充满整个环管管道后，通过弯道返回到搅拌机料斗，再至充填泵料斗形成循环。

(6)充填料浆在环管泵送系统中连续运转15～20 min，浓度达到稳定后，可以开始这一浓度的各种数据采集工作。

(7)进行下一浓度梯度的转变，按照表1所示的加水量，经搅拌机搅拌均匀，重复上一浓度下的试验工作。

(8)对3种浓度的膏体充填材料环管试验，总需要时间控制在3～4 h。

(9)在每一次试验前后，标定充填泵活塞冲程周期，人工取样测定膏体充填材料的塌落度、稠度、分层度、泌水率等，并浇筑试验试块，以备测定材料的力学性能参数。

(10)试验结束后，将充填料浆排至沉淀池，并清洗试验系统，重点是充填泵的活塞缸、喂料斗及管路弯道处。

3 试验结果分析

3.1 膏体基本性能变化规律

选取浓度为76%的充填料浆为例，每隔30 min测记膏体的塌落度随泵送时间的变化规律如图3所示，分层度随泵送时间的变化规律如图4所示。

图3 塌落度随泵送时间的变化规律Fig.3 Changing law of slum p w ith pumping time

图4 分层度随泵送时间的变化规律Fig.4 Changing law of layering degree w ith pumping time

由图3、图4可以分析出:膏体塌落度随泵送时间的增长而逐渐降低，膏体的塌落度由最初的21.0 cm经4 h管道输送后变为18.5 cm，并且表现出初期变化幅度小，后期变化幅度增大的趋势。可以看出，虽然膏体的塌落度经4 h的管道输送有所降低，但仍能满足膏体泵送的需求。膏体的分层度随泵送时间的增长反而出现降低的趋势，膏体泵送4 h其分层度值由最初的1.3 cm下降至0.9 cm。

3.2 管道沿程阻力损失分析

国内外的学者普遍认为具有结构流的膏体属宾汉塑性体［6-9］，其流变方程为

式中，η为膏体材料的塑性黏度，Pa·s;υm为管道料浆平均流速，m/s;D为管道直径，m。

式(1)表明:由于剪切力τ的作用，膏体克服极限剪切强度后开始流动，流动阻力大小与黏度和流速成正比。事实上，实验室所能测到的是管流沿程阻力，而管流沿程阻力一般与管壁单位面积上的流体摩擦阻力联系，根据静力学平衡理论，水平直管内的摩擦阻力(由作用力与反作用力关系，即可得到料浆的剪切应力τ=τw)［10］可以表达为

式中，L为水平管路长度，m;Δρ为管道沿程阻力，Pa。

3.2.1 流速对管道阻力损失的影响

质量浓度76%试验充填膏体在管径150 mm的试验结果如表2所示。

表2 管道阻力损失与流速试验数据Tab le 2 Testing data of pipe friction loss and flow speed

由表2中料浆平均流速和每米阻力损失的2组数据可获得膏体的流变参数τ0=60.738 Pa，η=5.88 Pa·s，因而可确定该试验膏体充填材料在管道中的流变方程为

膏体输送的压力损失随着流速增大而呈直线增长，如图5所示。

图5 管道阻力损失与料浆流速的关系曲线Fig.5 Curve of pipe friction lossw ith flow speed

3.2.2 浓度对管道阻力损失的影响

浓度对管道阻力损失的影响十分明显，在相同流速、管径(150 mm)下，不同质量浓度的试验膏体每米管道阻力损失如表3所示。

在同一流速条件下，管道压力损失随着浓度的增大而增大，曲线呈凹型。当膏体质量浓度大于76%时，若浓度继续增加，管道阻力损失增加速率增大，如图6所示。

表3 不同流速下管道阻力损失与浓度试验数据Table3 Testing data of pipe friction lossw ith concentration in different flow speed

图6 管道阻力损失与质量浓度的关系Fig.6 Relationship of pipe friction loss and concentration

3.2.3 管径对管道阻力损失的影响

在相同流量即相同流速下，管道阻力损失随着管径增大而减小，反之亦然。表4表示在流速1.0 m/s条件下，质量浓度为78%、76%、74%膏体分别在管径150、100 mm时的管道阻力损失结果。

表4 管道阻力损失与管径试验数据Tab le 4 Testing data of pipe friction loss and pipe diam eter

当相同质量浓度充填膏体阻力损失相等时，输送管道内径越小，单位当量管长所需要的压力值越大，而且随着充填膏体阻力的增大，管径越小，这种单位管长所需的压力值急剧增加，如图7所示。

图7 不同管径阻力损失与浓度关系Fig.7 Relationship of pipe friction loss and concentration in different pipe diameter

通过分析管道阻力损失与流速、充填膏体质量浓度及管径的关系，表明流速在0.8～1.1 m/s之间较为理想。因膏体质量浓度直接联系充填体的强度，故环管模拟试验只需完成不同质量浓度充填膏体的相关参数分析，不需要对其进行确定。

4 结论

(1)利用实验室膏体充填模拟系统实现膏体充填材料的配比试验、搅拌试验和管道输送试验。

(2)建筑垃圾再生骨料膏体充填材料的塌落度和分层度随泵送时间的增长而减小，质量浓度则稍有增加。经4 h管道输送后，质量浓度为76%的膏体充填材料塌落度达到18.5 cm和分层度达到0.9 cm，两者均可满足煤矿膏体泵送的要求。

(3)通过流变试验，分析了膏体基本性能变化规律，并分析了管道阻力损失与流速、膏体质量浓度、管径之间的关系，表明流速在0.8～1.1 m/s之间较为理想。

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