[发明专利]一种考虑边界层效应的膏体管输沿程阻力损失计算模型的构建方法

说明书

本发明公开一种考虑边界层效应的膏体管输沿程阻力损失计算模型的构建方法，属于膏体充填技术领域。本发明所述方法通过对膏体料浆管道输送过程中膏体内部颗粒的受力分析，来探明膏体料浆管输过程中粗细骨料在管道径向上的分布规律，进而构建出管道径向上膏体料浆屈服应力与塑性粘度的梯度模型，并结合膏体管输的流形特点，通过流量分析，建立考虑边界层效应的膏体管输沿程阻力损失计算模型。本发明建立的模型更真实的反应了膏体料浆管道输送过程中的流动规律，考虑了流变参数的边界层效应，使得新模型计算的沿程阻力损失值更为准确。在此基础上，建立膏体管输沿程阻力计算模型的可视化系统，使得模型的应用更加简便，具有重要的理论研究意义和较高的推广应用价值。

技术领域

本发明涉及一种考虑边界层效应的膏体管输沿程阻力损失计算模型的构建 方法，属于膏体充填采矿领域。

背景技术

充填采矿法是指伴随落矿、运搬及其他作业的同时，用充填料充填采空区的 采矿方法，在绿色矿山建设过程中，其中一大问题便是矿山固体废弃物占用大量 土地，可能造成二次污染。这些固体废弃物包括采矿剥离物、废石、矿渣、粉煤 灰等。矿山废弃物产生量大、排放多。据统计，目前，我国金属矿山堆存的尾矿 达到80亿吨以上，而且以每年产出8～10亿吨尾矿的速度增加。充填采矿法具有 采切工程量小、灵活性大、矿石损失贫化小的优点，能够消除开采活动引起的地 表下沉和改善采矿应力环境，改善矿柱受力状态(由单轴受压变为三轴受压)， 保证最大限度地回收矿产资源；具有降低废石尾砂等固体废料排放的功能。可适 应各种开采技术条件下的矿床，是现时期下的绿色采矿方法，基本满足资源综合 利用效率高、废料排放最小、地表不受破坏三要素。勿庸置疑，充填采矿法将成 为绿色矿山前提下的首要选择。

膏体充填技术，就是将一种或多种固体物料与水进行优化组合，配制成具有 一定稳定性、流动性，可塑性的膏状浆体，在外力(泵压)或重力作用下以柱塞流 的形态，用管道输送到地下采空区完成充填作业的过程。

管道输送技术是膏体充填技术中不可或缺也是至关重要的部分，膏体管内流 动特性研究的实质是探明膏体料浆性质与管流阻力之间的内在联系，进而为工艺 参数确定、管路系统布置以及输送设备和充填管道的选型提供依据。对于膏体充 填而言，管道输送介质已由传统低浓度的两相流料浆转变为高浓度的充填膏体， 后者在流动过程中具有可塑、稳定等良好的工程特性，更利于长距离管道输送。 但同时，由于物料组成复杂、粒径分布广、细颗粒含量大等特点，膏体管内流动 的阻力特性更为复杂，因此，对浆体制备及管道输送工艺提出了更高的要求。

目前，关于膏体管道输送研究的理论工具主要包括固——液两相流理论以及 流变学理论。两相流理论多偏重于固体颗粒沉降、对流及扩散等行为的研究，对 于膏体这类结构流体适用性较差。相比之下，流变学理论是研究膏体流动特性更 为有效的手段，但由于发展时间较短目前尚不完善，工程应用中存在诸多问题。 因此，虽然目前膏体充填技术得到了一定程度的应用，但实际上其基础理论的研 究严重滞后于技术发展，对于膏体管输边界层的研究更是少之又少，边界层对膏 体的管道输送起到润滑作用，由于边界层的存在，使得膏体的管输阻力减小，导 致沿程阻力损失的计算值远远大于实测值，从而造成资源的浪费。

发明内容

本发明的目的在于提供一种考虑边界层效应的膏体管输沿程阻力损失计算 模型的构建方法，具体包括以下步骤：

(1)膏体料浆内部颗粒受力分析

根据膏体料浆内部颗粒所处的流动环境和流动区域，对粗细骨料混合膏体料浆内部粗细 颗粒的受力进行分析，进而分析膏体料浆内部粗细颗粒在管道径向上的运动状态，进而解释 膏体料浆在稳态管输过程中，径向骨料分布的不均匀性；

膏体骨料颗粒在管输过程中会受到以下力的作用：

①重力

骨料颗粒在管输过程中会受到重力的作用，大小为：