膏体管道壁面滑移特性研究进展及趋势

张 磊 王洪江 李公成 吴爱祥 刘晓辉

(1.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083；2.金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083;3.金诚信矿山技术研究院，北京 101500)

·采矿工程·

膏体管道壁面滑移特性研究进展及趋势

张 磊1,2王洪江1,2李公成1,2吴爱祥1,2刘晓辉3

(1.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083；2.金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083;3.金诚信矿山技术研究院，北京 101500)

膏体充填技术由于其在安全、环保、高效等方面的优势，逐渐成为充填法重要的发展方向，而膏体的管道输送是整个系统中的关键环节。壁面滑移现象存在于膏体流动过程中，但是其机理并不明确，国内外对于膏体滑移流动行为并没有进行过深入研究，探明其规律对于有效减小膏体管道输送阻力和降低能耗具有十分重要的现实意义。详细介绍了浆体管道壁面滑移研究现状，讨论了管道滑移效应的影响因素，在此基础上，提出膏体管道滑移研究趋势。

壁面滑移 滑移机理 滑移层 管道输送 膏体

近年来充填技术得到快速发展，而尾矿可以当作主要充填料充填采空区，这不仅使尾矿处置很好地得到了解决，而且减轻了采空区的治理难度，可以说是“一举两得”。但传统充填工艺普遍使用分级尾砂，即去除了-20 μm的细颗粒，因此产生了尾砂利用率低、采场大量脱水产生的环境污染、水泥离析充填体强度不达标等一系列突出问题。由此，膏体充填技术便应运而生[1]。膏体充填技术因料浆不离析、不脱水、不沉淀等特点，在加拿大、美国等矿业发达国家已经得到广泛应用[2]。管道输送技术是膏体充填系统的核心技术之一，管道输送系统设计的成败直接关系到充填系统能否正常运行[3]。

国内外学者认为，非牛顿流体在管道输送中存在壁面滑移现象。Mooney[4-5]最早提出了滑移问题，他发现当应力超过了一定的值，毛细管的直径直接影响着流动曲线，表明管内壁面滑移产生[6]。卢平[7]通过自制的泵送水煤膏回路系统分析了管壁滑移对于水煤膏流动特性的影响，由试验证明当壁面剪切应力减小时，滑移对于管道流量的影响将会增大，并且滑移流量和管径成反比。张晓斌[8]通过旋转流变仪和毛细管流变仪来探索城市脱水污泥是否和聚合物HDPE一样存在壁面滑移，2种试验结果都发现了壁面滑移现象，并且角频率和浓度因素对滑移也有不同程度的影响。

作为典型的非牛顿流体，膏体充填料浆在管道输送中必然存在此效应。在采矿界，对于膏体的管壁滑移行为仅仅做了简要描述，并没有对此机理作出更深入的研究[9]。因对膏体管道输送过程中滑移行为、剪切诱导迁移等行为[10]认识不清，经常会发生堵管、爆管等现象。通过壁面滑移的深入研究，从而合理地计算管道沿程阻力，对指导矿山生产实践、减少生产投资等具有重要的现实意义和理论价值。

1 管道滑移现象

高浓度非牛顿流体在管道中流动过程中，由于剪切作用的产生，壁面的剪切应力较高，管道中心处剪切应力为零。为了降低体系的自由能，颗粒会自发地径向迁移，从而在管壁处形成黏度很低的稀薄的流层，说明流体和壁面之间存在着相对滑移。这样的现象叫作管道壁面滑移[6]，但是国内对于壁面滑移的形成机理还是没有一致的结论。吴文渊等[11]在研究两相流系统时发现，颗粒以团聚物形式存在是滑移产生的条件，而颗粒团聚的原因又与颗粒间的范德华力、静电力等内聚力有关。流体与颗粒相互作用和颗粒与颗粒相互作用达到平衡，两相流系统处于一种均匀状态，团聚物不再存在。

1.1 壁面滑移分类

膏体属于典型的非牛顿流体，这一类的流体管道壁面滑移机理大致可以分为两类，即表观滑移和真实滑移。表观滑移是针对悬浮颗粒物和液体之间的滑移效应，也可以认为是固体边界面附近处由滑移层引起的流速梯度区域段的滑移。真实滑移指的是液体分子和固体壁面之间发生相对滑动，在管道壁面附近出现一个速度的“跳跃”[12]。这里的液体指的是壁面附近由于膏体中颗粒径向迁移形成的一层很薄的、几乎不含固体颗粒成分的低黏度液体膜。

在高浓度聚合物体系中，由于壁面和膏体体系之间缺乏相容性，壁面上存在一层润滑层，从而产生表观滑移；而真实滑移的产生是不存在润滑层的，它由黏性滑动引起。全尾砂膏体的浓度一般为75%～82%，这种高浓度的悬浮体在流动过程中，管道壁面上的润滑层是真实存在的，因此这样的壁面滑移可以看作是表观滑移。

1.2 管道滑移流动结构

由非牛顿流体运动理论可知，具有屈服应力的流体在管道中流动，其所受的径向剪切应力呈线性分布，中心处为零，两边壁面处最大。类比于其他高浓度非牛顿流体，可以把膏体稳定层流条件下在圆形管道中的滑移流动分成3个区段，即柱塞流动区、剪切流动区和滑移流动区[13]。

选取一段半径为r的膏体柱模型，假设在r=r0的条件下，剪切应力和屈服应力相等。当0

图1 膏体管道滑移流动结构

1.3 壁面效应

膏体在管道流动过程中，在膏体体系中的颗粒不会穿透壁面的前提条件下，壁面对于膏体体系的影响是双重的，即静态壁面效应和动态壁面效应。这2种效应和表观滑移的产生机理联系紧密。

Barnes[14]研究了陶瓷膏体、高浓度乳化液等流体的流动行为，发现高浓度流体在与固体界面接触时，因为悬浮的颗粒并不能渗入壁面，因而其局部微观结构会首先受到物理损耗的影响，即使在流体不流动的时候这样的现象也会存在。他认为这种现象可以称作静态几何损耗效应，简称静态壁面效应。静态壁面效应中，滑移层被直径大于层厚δ的悬浮颗粒穿透损耗，颗粒的中心大致位于滑移层的中心，如图2所示。

图2 静态壁面效应颗粒微观

Delime[15]在对Poiseuille流动的探索中发现高浓度悬浮液由于壁面的存在和速度梯度的不对称，产生径向的颗粒迁移。在靠近壁面的位置布朗运动的各项同性被破坏，有些粒子被限制在滑移层附近但并不会穿透滑移层。他认为此种现象可以视为动态壁面损耗效应，简称动态壁面效应，如图3所示。

膏体流动过程中，管道径向切变率在壁面处最大，中心区为零，体系会向自由能最低的稳态方向发展，因而膏体体系颗粒发生径向迁移，也就是从高剪切应力区迁移到低剪切应力区。

图3 动态壁面效应颗粒微观图

静态壁面效应和动态壁面效应也是相互联系的。 静态壁面效应会自动在靠近壁面的地方形成剪切速率梯度，而这种行为同时也会增强动态壁面效应。

1.4 滑移层研究

Benbow和Bridgewater[16]在陶瓷膏体柱塞流的剪切区域附近观察到厚度为0.5～2.0 μm的滑移层。Kalyon[17]团队通过对高浓度悬液进行电镜扫描得到局部横截面图，他们观察到在悬液体系的外围有一层很薄的液体层，组成了靠近壁面的表观滑移层，滑移层的厚度被测得在2～30 μm范围内(平均厚度11 μm)。滑移层的黏度远远小于悬液体系的浓度，且其中几乎不含固体颗粒。

滑移层的形成是因为膏体在管道内流动时，管道内的切应力在管壁处最大，而在中心区为零，流体中的固体颗粒物以及大分子物质(尤其是管壁处)在切应力的作用下会产生变形。因为体系会朝着自由能最低的稳态方向发展，故边界的微团会自发地向中心区迁移，会在管壁上留下剪切后形成的黏度显著减小的滑移层。

滑移层的厚度极薄，与高浓度悬液颗粒直径相比仍然相差很大。Ylimazer[18]曾测量出体积浓度为60%的硫酸铵悬浮液中滑移层厚度和颗粒直径比值为0.06；Jana等[19]在体积浓度范围在46%～52%的聚甲基丙烯酸酯中确定出滑移层和颗粒直径之比为0.063。

滑移层在形成过程中会受到一些因素的影响从而改变滑移层的厚度。刘晓辉[13]通过改变膏体混合物料级配来探究对于滑移层的厚度变化的影响。在不改变切应力τ的条件下，滑移层厚度δ会随着膏体物料粒径dp的增加而变大。这是由于大颗粒更有利于形成滑移层，并且当颗粒直径增大时，会减弱颗粒间的相互作用和渗透压[20]，因此滑移层厚度会增大。

Kalyon[17]通过对高浓度悬液进行的电镜扫描照片直观观察到滑移层相对于颗粒的大小，得出影响滑移层厚度的几个因素，包括固体颗粒平均粒径、体积分数和固体颗粒最大填充率的比值。滑移层厚度δ与固体颗粒平均粒径的比值和体积分数与固体颗粒最大填充率的比值呈线性相关关系，表示为

式中，dp为固体颗粒平均粒径；φ为固体颗粒体积分数；φm为固体颗粒最大填充率。

Faezeh[21]通过选取不同直径的含Al颗粒高浓度悬浮液做滑移实验，他发现滑移层的厚度会随着颗粒直径的增加而增加；但是滑移层厚度并不会一直增加，而是有一个最大极限值。Delime等[15]发现滑移层形成的时间较为漫长，在高流速的情况下，运动方向指向壁面的反向流开始产生，布朗运动引起的颗粒碰撞开始在边界层发生，极大程度地限制了滑移层的厚度增加。

2 壁面滑移效应的影响因素

2.1 浓度对于壁面滑移的影响

马修元[22]在对水焦浆的流变性的研究中发现，水焦浆的滑移速度和壁面剪切应力之间并没有单一的线性关系，而重要的影响因素便是浆体的浓度，即浓度为59.8%和浓度为63.4%的水焦浆的滑移速度的变化表现相反的趋势。Lam等[23]把高浓度乙烯醋酸乙烯酯溶液按颗粒体积比35%、40% 以及45%划分为3个实验组,在毛细管流变仪中进行壁面滑移测试，发现滑移速度和颗粒浓度成正相关的关系，并据此提出了一种新的颗粒浓度依赖性滑移模型。陈良勇等[24]对水煤浆进行滑移特性测试，结果发现，浓度是影响水煤浆壁面滑移速度的一个十分重要的因素。体积浓度50%作为浓度的分界点，在41.7%～49.5%浓度区间，滑移速度随着浓度的增加显著增长；而当浓度超过50%之后，滑移速度随着浓度的增加反而减小。

在低浓度浆体体系中，滑移层的形成与静态壁面损耗效应相关，体系中的固体颗粒无法有效地填充壁面附近区域，因此壁面上形成一层几乎无颗粒的滑移层[25]，滑移层在不受到剪切力或者受到很小的剪切力情况下同样存在。正是它的存在产生了一定的润滑作用，使得主流区浆体能在较小的剪切力作用下流动。

当浓度较高时，会诱导动态壁面效应的发展引起体系颗粒的迁移。开始时，壁面的剪切应力较小，颗粒与壁面之间的摩擦力会随着浓度的增大而增加，滑移并未显现。当剪切应力超过浆体的屈服应力时，体系开始发生剪切变形，部分颗粒由于浓度梯度产生的渗透压而发生径向迁移，壁面上的滑移层逐步形成，并随着剪切应力的继续增加出现流动。值得注意的是，体系的浓度越高，产生流动所需要的剪应力就会越大，得到相同的滑移速度必然需要更大的壁面剪切应力。因此在相同剪切应力下，滑移速度随着浓度的增加而减小。

2.2 温度对于壁面滑移的影响

不同的温度条件下，滑移层的形成主要受静态壁面损耗作用控制，滑移速度随温度的增加而增大。温度的增加降低了滑移层内液体的黏度，从而实现对于滑移条件的改变，但是温度对滑移层厚度或滑移层内的颗粒迁移影响不大[26]。Birnur等[27]测量了高浓度聚乙烯浓缩悬浮液剪切应力与滑移速度，把温度作为控制变量，依次分为25、60和90 ℃。他们发现，在给定一个剪切应力值的情况下，滑移速度会随着温度的升高而增加。其中90 ℃下浓缩悬浮液的滑移速度比25 ℃下大2个数量级。

2.3 壁面粗糙度对于壁面滑移的影响

膏体在管道流动过程中与管壁直接接触，管道壁面材质的粗糙程度影响着膏体流动的滑移行为[20]。通过对于壁面粗糙程度如何影响滑移的机理深入探索，可以为输送管道内壁的材质选择提供一定的参考方案。

Chen等[28]利用毛细管流动调查分析粗糙度对线性低密度聚乙烯的壁面滑移的影响。通过选择不同粗糙度的材料进行流动实验，利用穆尼分析法确定出表面粗糙度最小的不锈钢壁面滑移速度最大。廖华勇[29]通过改变旋转流变仪平行夹板的粗糙度探究粗糙度对于聚合物PDMS壁面滑移的影响。他将铝制的平行板分成光滑、中等和粗糙3种类型，通过实验测得PDMS在光滑铝制平行板上的滑移速度和滑移长度最大，而粗糙板上的滑移程度略大于中等板。

近年来国外研究人员通过近流场激光测速技术，可以从微观角度探究简单流体到复杂聚合物流体与固界面的摩擦机理。Brochard[30]提出高浓度聚合物流体分子和壁面接触的2种模型—直接吸附和缠结作用，可以用来形象化表征流体和固界面接触行为，对于粗糙度和壁面滑移抑制给出了定量关系。国内学者通过计算得出PDMS滑移消除的粗糙度范围，并且提出了粗糙壁面纹理也是影响壁面滑移的因素。

3 存在问题和未来研究趋势

3.1 存在问题

膏体充填技术推广不过40a，在我国也尚属起步阶段。针对膏体的输送相关研究及其生产应用等方面已经开展了大量的研究工作，也取得了一些成果，但是针对膏体的壁面滑移研究具有一定的局限性，只是从简单的试验中定性分析，缺乏微观层面的深入研究，如滑移层的形成机理、滑移速度的直接测量、颗粒在滑移流动中的运移行为等问题，仍需要进一步地开展研究创新工作。目前对于膏体管道壁面滑移仍然存在以下的问题：

(1)根据目前的研究来看，膏体在管道流动存在滑移行为已经被证实，但是膏体的滑移机理却并不清晰，需要更深层次的研究。

(2)膏体管道壁面滑移和固-固摩擦有着本质的区别，也不能简单地等同于固-液滑动摩擦。另外，膏体在管道流动的各个位置滑移层是否都存在且是否发生变化都未能确定。

(3)对于膏体滑移减阻的研究还只是停留在阻力损失计算的层面上，尚未应用于管道输送工程的理论模型修正。膏体滑移模型以及滑移机理都是借鉴于其他高浓度悬浮液体系的研究，并没有属于膏体本身的理论体系。

(4)受限于测量手段和设备的限制，对于膏体的滑移测量仅停留在理论上的计算和流量压力等变量的测量，粗略的测量值很难作为论证依据。

3.2 未来研究趋势

(1)开展膏体滑移流动微观结构的可视化，发展微观测量手段，如粒子示踪法、激光-多普勒法以及核磁共振法等进行直观的观察和测量壁面滑移层、滑移速度以及膏体和壁面作用行为等微观机理及变量。

(2)建立属于膏体的滑移流动模型，做到理论分析手段和实验研究并行，为膏体输送研究提供完善可靠的依据。

(3)深入研究膏体壁面滑移的机理，探索膏体滑移产生的条件以及各种影响壁面滑移因素的作用机理，探明管道壁面滑移对管道输送系统的影响。

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(责任编辑 石海林)

Research Progress and Trend of Characteristics about Wall Slip in Paste Pipeline

Zhang Lei1,2Wang Hongjiang1,2Li Gongcheng1,2Wu Aixiang1,2Liu Xiaohui3

(1.SchoolofCivil&EnvironmentalEngineering，UniversityofScience&TechnologyBeijing，Beijing100083，China；2.KeyLaboratoryofHighEfficiencyMining&SafetyforMetalMinesofMinistryofEducation，Beijing100083，China；3.TheMiningTechnologyResearchInstituteofJCHX，Beijing101500，China)

Paste filling technology has gradually become an important development direction of filling method because of its advantages in safety，environment protection and high efficiency and other aspects，and the paste conveying pipeline is the key link in the system.The phenomenon of wall slip exist in the process of paste flow，but its mechanism is not clear，and the research for behavior of paste slip flow is not conducted deeply both at home and abroad.It is of great practical significance to explore its law for the sake of reducing resistance of paste pipeline transportation efficiently and energy consumption.The research status of wall slip in slurry pipeline is introduced，and the influence factors of slip effect in pipeline are discussed.On this basis，the trend of research on wall slip of paste is put forward.

Wall slip，Mechanism of wall slip，Slip layer，Pipeline transportation，Paste

2015-06-20

国家自然科学基金项目(编号：51374034)，“十二五”国家科技支撑计划项目(编号：2012BAB08B02)。

张 磊(1992—)，男，硕士研究生。通讯作者 王洪江(1967—)，男，教授，博士研究生导师。

TD853

A

1001-1250(2015)-10-001-05