книги из ГПНТБ / Лобанов, Д. П. Гидромеханизация геологоразведочных и горных работ учеб. пособие

При установившемся движении структурной гидросмеси вели­ чина Е — dE/dt = const. Если принять граничные условия т = т 0 прп t — О, получим решение уравнения (11.20) в виде:

х = SITE -\-xe~tlT,

где т 0 — предельное напряя^ение сдвига (е — основание натураль­ ных логарифмов).

Если умножить приведенное уравнение на величину у (рас­ стояние между двумя слоями, движущимися параллельно друг другу), то

различные значения. Она уменьшается с увеличением градиента скорости и зависнт от вещественного состава горных пород.

По аналогии с касательным напряжением трения (см. 1.16) для однородных жидкостей кажущаяся (иначе называемая эффективной)

Таким образом, с ростом градиента скорости эффективная вяз­ кость стремится к р для однородной жидкости. Величины р в фор­ мулах (1.16) и (11.22) объединяют два качественно отличных вида сопротивления среды и являются условными параметрами. По эффективной вязкости (или псевдовязкости) в случае движения гидросмесей возможна оценка влияния твердых частиц на свойства смеси.

Приведем опытные данные для отдельных видов смеси. Замечено, что псевдовязкость гидросмесей с диспергированными частицами кварца и глины при малых концентрациях (соответственно 10 и 3%) не зависит от скорости движения жидкости и является величиной постоянной. При увеличении содержания диспергированных частиц по объему, порядка 25% и более, наблюдается резкое разделение гидросмесей: малой вязкости (кварц, магнетит) и большой вязкости (уголь, глина, мел и др.). Из этого следует, что с у в е л и ч е -

40

с в о й с т в а п о р о д , а в е р х н я я г р а н и ц а с т р у к ­ т у р н ы х г и д р о с м е с е й п о к р у п п о с т и ч а с т и ц с д в и г а е т с я в с т о р о н у т о н к о д и с п е р с н ы х . Наблюдения показывают, что многие структурные и тонкодисперс­ ные гидросмеси нри турбулентном режиме движения и концентрациях в потоке до 25—30% в первом приближении ведут себя как одно­ родные жидкости повышенной плотности. Вместе с тем известны гидросмеси (сапропели, торфяные смеси, осадки и др.), в которых вязкостные свойства резко проявляются уже при малых концен­ трациях.

Г и д р о с м е с и и з д и с п е р г и р о в а н н ы х п о р о д и л и м а т е р и а л о в (глины, мела, угля, цемента и др.) харак­ теризуются полидисперспым гранулометрическим составом при содержании частиц: <0,1 мм — 80—100% и <0,05 —0,063 мм —

50—70% (мел — при содержании частиц >0,063 мм — до 15%;

уголь — >0,063 мм — до 35%; цемент — >0,063 мм до 20%).

Помимо указанных ранее общих свойств, для подобного вида смесей следует учитывать свойства электропроводности и тепло­ емкости (при внедрении автоматизации и др.). Например, электро­

что зависит от количества растворенных в воде солей и наличия других примесей.

Сапропели, осадки и различные илы характеризуются полидисперсным гранулометрическим составом при содержании частиц < 1 м к 65 —80%; основной класс представлен крупностью <0,063 мм, причем мельчайшие твердые частицы в основном имеют волокнистую форму, что также способствует появлению вязкопластичных свойств гидросмеси уже при небольших концентрациях.

Физико-механические свойства этого вида гидросмесей зависят также от влажности и зольности (по отношению к минеральной части или илу). Влажность обычно находится в пределах 70—97%. В минеральном отношении сапропели разделяют на песчаные, глинистые, известковые и др. Осадки (особенно сточных вод) имеют

Бетонные гидросмеси характеризуются водоцементным отноше­ нием, которое изменяется в зависимости от марки цемента. Например, при В : Ц = 0,35—0,45 расход цемента марки «400» и «500» около 300 кг/м3. Наиболее употребительные марки цемента содержат классы: 0—40 мк — 73%; 40—90 мк — 25 и 90—200 мк — 2%.

Снижение В : Ц приводит к значительному повышению плотности цементного камня. Так, при снижении В : Ц от 0,55 до 0,25 плотность бетона трехдневного возраста повышается в 1,43 раза. В «зрелом» возрасте усадка жесткого бетона на 25% меньше, чем у пластич­ ного.

41

Структурные гидросмеси в соответствии с уравнением (11.22)

(рис. 7). В отличие от прямой 2, которая характеризует ньютонов­ скую жидкость, гидросмеси (кривая 2) находятся в покое до тех пор,

начинается течение гидросмеси и проявляется вязкость вследствие градиента du/dy, причем вязкость уменьшается до достижения

что реологические константы численно определяются прежде всего влажностью смеси. В табл. 3 приведены обобщенные данные из­

Данные табл. 3 отражают осредненные значения параметров, которые для углей разных марок и дисперсного состава могут отли­ чаться по величине в меньшую или большую сторону. По опытным данным отмечается резкое повышение величины х при изменении

42

удельной поверхности частиц с 6—10 тыс. до 25 тыс. см3/см 3 в пре­ делах т — 3,5—6 до 30 Н /м2 при s ^ 0,3. Из этого следует также,

на вязкость гидросмесей можно судить по следующим данным. Оказывается, что у щелочных смесей (pH = 9) критические концен­ трации для данного дисперсного состава частиц значительно меньше, а значения реологических параметров повышаются при s ^ sKp более резко, чем у кислотных смесей (для измерений применяют иономер ИМ-2М). Существенное влияние на изменение вязкости смеси оказывает повышение температуры среды свыше 40° С.

Изучение реологических свойств производится на капиллярном или ротационном вискозиметрах. Обычно пробы различного гра­ нулометрического состава содержат частиц <50 мк от 41 до 85%. Измерения реологических параметров производятся при различных концентрациях — от 25 до 50% по объему.

Д л я м е л о в ы х и г л и н и с т о - м е л о в ы х г и д р о ­ с м е с е й реологические параметры устанавливались по измерениям на вискозиметрах и в трубах большого диаметра. Так, для меловых гидросмесей (при содержании класса 10—30 мк до 70%) установлено, что аналогично другим видам смесей динамическое напряжение сдвига и структурная вязкость возрастают с повышением s по прямо­ линейной зависимости (монотонно) и при достижении sKp «= 27% обнаруживается резкое возрастание этих параметров. Оказалось, что при w = 40% эти смеси перекачивать по трубам практически невозможно вследствие потери текучести.

Меловые диспергированные гидросмеси обладают свойством текстропии (загустевания). Чем дольше смесь находится в непод­ вижном состоянии, тем интеисивиее протекает в ней процесс структурообразования. Это явление при высоких концентрациях может затруднять запуск насосов. Добавление глинистых присадок устра­

Вследствие отмеченных выше специфических свойств минеральной части твердой фазы, например, верхние слои илов и осадков весьма подвижны и имеют у — 10,5—12 кН/м3, нижерасположенные у = = 14—16 кН/м3. Сапропели по сравнению с обычными илами имеют еще меньший удельныйвес — у ~ 10,5 кН/м3. В илах содержание твердых частиц меняется: при у ~ 10,5 кН/м3 — около 4% твердых частиц и 96% воды; при у = 12 кН/м3 — около 12% твердых частиц

43

(т. е. имеют наименьшее значение) реологические параметры свеже­ приготовленных смесей. С увеличением времени между пригото­ влением и загрузкой смеси в бункер насоса значения т и р , значи­ тельно возрастают. Практика показывает, что промежутки времени между приготовлением и перекачиванием смеси обычно составляют не более 1 ч. В течение этого времени величина т не меняется, а для характерпстнкп вязкости можно принять среднее значение (30—45 мин). В общем случае при В : Ц < 0 ,3 5 —0,4 гидросмеси можно рассматривать как жидкость с аномальными свойствами; в то же время при В : Ц = 0,35—0,4 смесь обнаруживает резкое увеличение прочности структуры, т. е. свойства смеси приближаются к свой­ ствам твердого тела. Пластифицирующие добавки, вводимые в бетон­ ную смесь при ее затворенпи, увеличивают пластичность цементного теста. Например, для цементной смеси, приготовленной на обычном

ССБ—сульфидно-спиртовая барда.

Для перекачивания по трубопроводам обычно рекомендуются бетонные смеси с водоцемептным отношением 0,5—0,75 и осадкой конуса 4—12 см. Действительное водоцемеятное отношение цементной смеси, находящейся в составе бетонной смеси, всегда меньше В : Ц в начале затвердения (часть воды «поглощается» песком, водоудер­ живающая способность которого достигает 20%); с учетом этих условий В : Ц = 0,4—0,5. По измерениям в трубах для такого значения В : Ц (для обычного портланд-цемента) в течение первого

составляет: >10 мм — 15%, 5—10 до 30% и < 1 мм до 50%, то для обеспечения удерживающей способности жидкость должна обла­

Удерживающая способность бетонных, глинистых и тяжелых сред (в обогащении) зависит от дисперсности частиц. На рис. 8 приведены примерные значения х (у), обеспечивающие практически необходимую удерживающую способность частицам породы разной крупности (по известным в практике бурения рекомендациям). Для приближенного определения псевдовязкости можно рекомен­ довать формулу

Для горного производства в практике часто наиболее приемлемы гидросмеси, которые перемещаются в трубопроводах с высокими концентрациями при минимальных сопротивлениях, а при внезапных остановках не расслаиваются в потоке на две фазы в течение доста­ точно длительного времени. Смеси, обладающие такими свойствами,

45

удобно хранить в резервуарах-аккумуляторах, а в случае надобности безопасно оставлять в магистральных трубопроводах при прекра­

дисперсные гидросмеси, а также полидисперсные из различных по крупности классов (включая даже крупные). Стабильность таких смесей обусловлена наличием определенных структурных связей.

с высокими концентрациями по современным представлениям основ­ ную роль играют силы трения частиц, сведенных в структурную решетку, а также взаимодействие силовых полей около частиц. Это подтверждается наличием существенной разницы в зиачениях критической концентрации твердой фазы (при которых обнару­ живаются динамические сопротивления сдвигу) для иоиогенных и неиопогеииых смесей. Даже при малых s в ионогенных гидро­ смесях обнаруживается динамическое сопротивление сдвигу.

Исследования показывают, что в зависимости от вида гидро­ смесей и технологических особенностей их использования возможны два способа достижения стабильностей смесей — п о д б о р о м д и с п е р с н о г о с о с т а в а т в е р д о й ф а з ы и п р и ­ м е н е н и е м п о в е р х н о с т н о - а к т и в н ы х в е щ е с т в , способствующих образованию так называемых лиофобных систем (с сильно разрушенными структурными связями), но и с малыми скоростями осаждения. Рассмотрим некоторые стабильные гидро­ смеси.

Для у г о л ь н ы х г и д р о с м е с е й проведены исследо­ вания на вискозиметрах и в трубопроводе с целью установления соотношения классов угля в смеси, обеспечивающих требуемую стабильность. При этом особое внимание уделялось изучению влия­ ния на свойства гидросмеси частиц угля мельчайших классов по крупности (не превышающих 70 мк) при разных концентрациях. В экспериментах использовались угли марок Г, ПС и АЩ с золь­ ностью до 15% (исследования ИГД им. А. А. Скочинского).

На рис. 9, а показано изменение кажущейся вязкости гидросмеси в зависимости от объемной концентрации. Из графика видно, что с увеличением концентрации гидросмеси значения а возрастают, причем наблюдается некоторая величина критической объемной концентрации sKp, при превышении которой увеличение вязкости происходит значительно быстрее. Эта концентрация характеризуется не отдельной точкой, а зоной, начинающейся в месте отклонения зависимости р = / (s) от прямой. На рис. 9, а видно, что график для гидросмеси, содержащей уголь класса 0—15 мк, занимает обосо­ бленное положение по сравнению с графиками остальных смесей.

Анализ результатов измерений реологических параметров в зави­ симости от содержания в гидросмеси различных классов угля, в частности р (d), позволил представить опытные данные в виде кривых (рис. 9, б). При рассмотрении графика можно отметить

46

резкое изменение величины р для гидросмесей при уменьшении крупности частиц угля. С увеличением концентрации гидросмеси точка резкого изменения реологических характеристик смещается в сторону более крупных частиц. Для гидросмесей с концентра­ цией 26—32% преобладающее влияние на вязкость и напряжение сдвига оказывают частицы, не превышающие 40 мк. При тех же концентрациях присутствие в гидросмеси более крупных частиц оказывает малое влияние на реологические свойства.

При увеличении концентрации крупность частиц, оказывающих преобладающее влияние на реологические характеристики гидро­ смеси, возрастает и при концентрациях 36—38% по объему включает

о б

Рис. 9. Влияние концентрации и крупности частиц на структурную вязкость угольной гидросмеси:

о — кривые ц (s); 1—4 — соответственно для классов 0—15; 0—40; 0—G3 и 0—80 мк; б — кривые р. (d); 1—в — соответственно при s = 0,26; 0,28; 0,3; 0,32; 0,34 и 0,36

даже частицы размером 60—70 мк. Частицы крупностью более 70—100 мк на свойства гидросмеси влияют незначительно. Пре­ обладающее влияние на реологические параметры оказывают тонкие классы угля, содержание которых выше некоторого определенного количества (в данном случае выше 27—30%) качественно меняет свойства смеси.

Для полидисперсных частиц меру стабильности (устойчивости) гидросмеси можно характеризовать понижением уровня (рис. 10) отстоявшейся воды от времени осаждения гидросмеси (или в виде скорости осветления смеси). Этот процесс можно также проследить на примере осаждения частиц при наличии в смеси угля фракций 0—15 и 0—40 мк. Результаты измерений показали, что с увеличением концентрации скорость осаждения изменяется весьма неравномерно и при достижении некоторой концентрации резко уменьшается. Концентрации, при которых происходит резкое замедление скорости

47

расслаивания гидросмеси, оказываются выше критических (см.

рис. 10).

Стабильные угольные гидросмеси, например, могут найти при­ менение при создании топливно-энергетических комплексов на основе магистрального трубопроводного транспорта и технологии непосредственного сжигания водоугольпых смесей (без обезвожи­ вания). Например, для прямого сжигания угля в циклонных топках теплоэлектростанций после транспортирования по трубопроводу минимальный размер частиц не должен превышать 2—3 мм, а при сжигании в обычных топках 0—200 мк. Однако угли этих классов могут иметь самый разнообразный гранулометрический состав, которым, как было показано, определяются физико-механические

Рис. 10. Изменение уровня отстоявшейся воды в завпслмостн от времени

свойства гидросмеси. Особенно важно содержание частиц круп­ ностью до 70 мк. Измерения показывают, что гидросмесь, содержа­ щая небольшое количество этих частиц (до 15% от всего количества мелкого угля), транспортируется только в режиме турбулентного течения, но имеет тенденцию расслаивания при прекращении пере­ качки или хранении в резервуаре (см. подробнее гл. IV).

Повышенное содержание частиц 0—70 мк делает гидросмесь более устойчивой, но может вызвать в диапазоне рабочих скоростей транспортирования вязко-пластичный режим течения и привести к неэкономичной работе транспортной системы. Поэтому возникает задача определения оптимальной гранулометрической характери­ стики угля, транспортируемого по трубопроводу (иначе, соотношения классов угля) при разных концентрациях гидросмеси.

В практике обогащения используются гидросмеси для разделения минеральной компоненты руд. Их называют т я ж е л ы м и с р е ­ д а м и . Надлежащая устойчивость таких смесей достигается доба­ влением в них частиц мельчайших классов того же или специально подобранного материала. Для минералов (или горных пород) боль­ шого удельного веса «утяжеляющая» способность или их стабили­ зация сильно зависит от содержания частиц меньше 5 мк. Класс О1—5 мк способствует более резкому повышению вязкости смеси.

48

Причина в том, что такие частицы при определенных условиях являются центрами образования структуры.

В опытах с гидросмесями из глины и бетонита (крупность на сите 100 мк около 0,1%, ыа сите 10 мк 85%) установлено, что доба­ вление в поток этих мельчайших классов резко изменяет величину вязкости. Например, 10% по весу такой глины в несколько раз

сивов и др.), перекачиваемым по трубам, предъявляются более высокие требования в отношении стабильности (однородности и постоянства состава), чем к обычным смесям. Смесь с осадкой стан­ дартного конуса более 15—18 см (так оценивается на практике устойчивость бетона) ие рекомендуется вообще транспортировать по трубам, так как при этом из потока выпадает крупный заполнитель и создаются пробки. Жесткая бетонная смесь с осадкой конуса 1 — 5 см также непригодна (малоподвижна). Лучшие результаты дает смесь с осадкой стандартного конуса 7—10 см.

Опыт свидетельствует, что эффективнее перекачивать смеси с большим содержанием цемента. Размер зерен крупного запол­ нителя на должен превышать 1/3 внутреннего диаметра труб. Целе­ сообразно, чтобы количество пылевидных частиц песка крупностью до 0,15 мм находилось в пределах 5%, а песка крупностью до 0,3 мм — в пределах 20% от общего количества.

Для достижения свойств стабильности (улучшения подвижности) смеси используют пластифицирующие добавки в количестве 0,1 — 0,25% от веса цемента, что обеспечивает при той же подвижности экономию 8—10% цемента.4

4 Заказ 545