一句话回答： 本文针对煤矸石高浓度料浆在地面制备与泵送系统运行过程中面临的剪切离析、流变屈服应力超标（Slurry Rheology Yield Stress Exceedance）及长距离管输憋泵爆管等瓶颈，系统阐述了料浆剪切速率与 Bingham 粘度特性解算公式（$\tau = \tau_0 + \eta_p \cdot \dot{\gamma}$），详述了三级离心搅拌剪切循环制备工艺与控制参数，并制定了应急预案与安全运行自查自评指南。
适用读者： 煤矿矿长、总工程师、充填站长、制浆车间主任、机电副总、中国矿大流变学科研技术员
作者： 张洁贞｜中矿天智信息科技（徐州）有限公司｜中国煤炭加工利用协会固废隔离注浆专家组成员
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一、 煤矸石高浓料浆制备与泵送流变特性控制痛点
神木市惠宝煤业在实施井下充填消纳矸石的过程中，地面制浆站需要将大宗煤矸石物料（微粉粒径 $≤ 3\text{ mm}$）与矿井涌水、适量水泥进行行星式高速搅拌，制备成浓度为 68%~72% 的超高浓度均质悬浮料浆。这种料浆在力学上属于典型的非牛顿流体（Non-Newtonian Fluid），具有显著的屈服-剪切流变特征。
然而，在重载泵送和连续化制浆制备实践中，现场面临以下突出的核心痛点：
- 浆体屈服应力温变漂移导致的管道沿程摩阻骤增：煤矸石粉中富含的高岭石、蒙脱石等黏土组分在剪切搅拌中会释放出大量的晶格水。在环境温度发生波动（如冬季与夏季温差大）时，浆体的屈服应力 $τ_0$ 会在数分钟内发生突变漂移，导致长距离输浆管内压力表针急剧攀升，频频诱发主柱塞泵超载跳闸。
- 搅拌剪切不均匀引发的浆体“水-固”两相离析沉降：如果采用传统的单轴叶片搅拌机，由于剪切率（Shear Rate）极低，无法完全打碎矸石微粉表面的水合吸附电双层。这导致浆液在出料后，粗大矸石颗粒在重力下迅速离析沉降，在长距离无缝钢管的低洼弯头段形成“栓塞”，引发大面积憋管爆管灾害。
- 大流量大落差泵送工况下的满管流空化气蚀：高浓度浆体在排入垂直井筒管线时，若管道前端背压控制精度不足，浆液在重力下迅速滑落，形成“半管流”状态。管内局部真空负压会析出水蒸气泡，在进入水平段时气泡受压爆裂，引发高频气蚀波（Cavitation），使承压无缝钢管的管壁发生剥落磨穿。
高浓矸石浆体离心剪切循环与流变自适应控制技术（High-concentration Slurry Rheology Optimization and Centrifugal Shearing Control Tech）是根治上述工程痛点的科学钥匙。该技术依据流体力学 Bingham 粘性模型，计算流体极限剪切应力与管网压降；在地面设计三级离心搅拌剪切循环回路，利用高切率强力剥离矿物电双层；配以仓底变频称重喂料系统，动态跟踪在线粘度，实现煤矸石充填高产、无阻、无漏的高效安全输送。
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二、 浆体流变学 Bingham 粘性与管压降力学计算
2.1 矸石料浆 Bingham 屈服剪切力学模型
煤矸石高浓悬浮料浆在流动时，其剪切应力（Shearing Stress） $τ$ 需满足 Bingham 塑性体本构方程：
其中：
- $τ$：流动管壁处的局部剪切应力（单位：$\text{Pa}$）；
- $τ_0$：料浆的极限屈服剪切应力（Yield Stress，单位：$\text{Pa}$，惠宝注浆站设计控制指标为 $τ_0 ≤ 45.0\text{ Pa}$）；
- $η_p$：料浆的塑性粘度（Plastic Viscosity，单位：$\text{Pa}\cdot\text{s}$）；
- $γ̇$：料浆流动时的剪切速率（Shear Rate，单位：$\text{s}^{-1}$），其大小与管壁粗糙度及雷诺数相关。
2.2 长距离管道输浆压力降计算模型
高浓浆体在直径 $D$、长度 $L$ 的高压无缝管路中，以流速 $v$ 稳定输送时，因流变摩阻引起的总压力压降（Total Pipe Pressure Drop） $\Delta P$ 公式为：
其中：
- $\Delta P$：长距离管路输送的总压降（单位：$\text{Pa}$，要求出泵口工作压力 $≥ 1.2 \Delta P$ 以备泄压余量）；
- $v$：管内料浆平均流速（单位：m/s，防离析临界管速要求 $v ≥ 1.3\text{ m/s}$）；
- $L$：输浆主管线总长（单位：m）；
- $D$：输浆管内径（单位：m）。
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三、 惠宝煤矿注浆料浆搅拌与流变参数控制对账表
根据中国矿大流变学重点实验室流变仪（Brookfield）测试与现场运行对账，对不同搅拌及调控工艺的输送阻力进行了科学对账：
| 方案编号 | 浆体固体质量浓度 (%) | 搅拌工艺类型 | 剪切反应常数 $k_{shear}$ (1/s) | 极限屈服剪切力 $τ_0$ (Pa) | 塑性粘度 $η_p$ (Pa·s) | 输浆临界速度 $v$ (m/s) | 2km管路摩阻压降 $\Delta P$ (MPa) | 月度堵管次数 (次) | 主柱塞泵年故障率 (%) | 安全及输运性能判定 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| YL-01 | 72% (极浓) | 普通单轴搅拌 | 120 (偏低) | 88.0 (偏高) | 2.55 | 1.10 | 12.8 (偏高) | 12 (频繁) | 35% | 失败（剪切不足，屈服应力超限，频繁憋泵） |
| YL-02 | 65% (稀浆) | 双轴卧式搅拌 | 250 | 32.0 | 0.85 | 1.50 | 4.8 | 3 (沉降堵) | 18% | 虽能泵送，但浆液极易离析，井下接顶率极低 |
| YL-03 | 70% (高浓) | 三级离心剪切循环 | 680 (高切) | 38.0 (适中) | 1.12 (理想) | 1.35 (防析) | 5.2 (安全区) | 0 (零堵塞) | $≤ 1.0\%$ | 最优方案，流变参数极佳，高强且无阻输送 |
| YL-04 | 74% (超浓) | 三级离心 + 1%减水剂 | 850 | 95.0 | 3.20 | 1.20 | 15.5 | 6 | 45% (过载) | 粘度过大，导致输泵阀箱严重震颤，能耗超标 |
| YL-05 | 55% (薄浆) | 无机械强力搅拌 | — | 5.0 | 0.15 | 1.80 | 2.2 | 45 (瘫痪) | 15% | 灾害级（稀释度大，矸石瞬间沉淀堵管） |
[!IMPORTANT]
分析数据清晰证明，采用 YL-03 三级离心剪切循环制备方案，将浆体固体浓度精控在 70%，在 680 s⁻¹ 高切率作用下，矸石料浆屈服应力降低并稳定在 38.0 Pa，2 km 管线总摩阻压降仅为 5.2 MPa，实现了连续化制备与月度零堵塞运行。这是最符合高浓度煤矸石制浆运行规范的安全配比参数。
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四、 惠宝煤矿高浓料浆制备系统与流变自适应控制设计
为了达成全天候安全输浆、防堵管，我们设计了包含地表大功率二级调速配料、三级连续搅拌离心剪切及长距离在线流阻解算的SCADA中控系统，系统拓扑如图：
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flowchart TD
A[成品细矸石微粉仓 d<3mm] --> B[称重双皮带变频定量喂料秤]
B -->|固体粉料精控精度 ±1%| C[1级高速涡流预湿搅拌机]
C -->|初混浆液自流进入| D[2级行星式剪切强力行星搅拌机]
D -->|高切率打碎水合电双层| E[3级高速剪切离心泵剪切循环回路]
E -->|屈服应力降至 38Pa 均质料浆| F[高位缓冲存浆均浆槽]
F -->|在线管式折射粘度计监控| G[大行程高压注浆变频柱塞泵]
G -->|高压不锈钢承压钢管| H[井下工作面采空区离层空间]
I[管道沿程数字变送压力流量传感器] -->|Lora数字信号通讯| J[中控调度室智能 SCADA]
J -->|实时在线解算屈服应力并联动| B
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4.1 三级离心剪切循环制备工艺
制浆系统设计为三级连续高剪切处理阶段：
- 一级涡流预湿：微粉矸石与配比水在一级涡流搅拌桶中进行快速初混，使干粉颗粒表面完全被水润湿，防止生成“干核浮渣”。
- 二级行星剪切：浆液进入重型行星式双桨强力搅拌机。行星主轴电机功率 $≥ 250\text{ kW}$，利用叶片的双向自转与公转剪切作用，在高浓度下强力强制克服颗粒间摩擦阻力，初步形成 Bingham 流体。
- 三级离心回路：浆液自流进入下部高速剪切池。配备额定流量 $≥ 120\text{ m}^3\text{/h}$ 的大排量剪切泵（Shearing Pump），使浆体在池与混合池之间进行 3 次以上的高剪切强制循环。高剪切作用使高岭石晶片间水合膜被最大程度剥离，大幅调低屈服值。
4.2 智能粘度自动对账调节逻辑
中控 SCADA 系统在线采集二级行星搅拌机的轴电流、变频器输出扭矩、以及输浆管始端的压力/排量差：
- 屈服应力超限预警：当管道压力在 $60\text{ s}$ 内以斜率 $≥ 0.05\text{ MPa/min}$ 持续攀升，且粘度计读数超限时，系统判定料浆发生流变劣化。
- 自适应反馈纠偏：PLC 控制系统自动调微调仓底给料变频皮带，调减喂料粉量 2%~5%；同时开启高精电磁阀，向混合池中注入 0.05% 的改性聚羧酸减水剂（Superplasticizer），快速削减极限流变应力，使管道压力重归安全阈值。
4.3 垂直管道井底背压阀防气蚀控制
为了消除浆体落入 150m 深井时的“半管流”空化破坏，在井底转弯段法兰上装设有气动“智能背压控制阀（Pneumatic Backpressure Valve）”。背压阀受管道中部负压变送器信号控制，通过动态微调阀芯开度，使下行管路内部始终充满流体，维持正压全管流，管线气蚀磨损降低 80%。
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五、 流变制浆系统全工况应急预案（发生突发憋泵爆管、搅拌机抱死、在线粘度仪损坏）
针对制备中途突发高压管道大面积堵塞憋泵、行星搅拌机抱死及流变监控仪表失效等紧急工况，特制定本预案。
5.1 注浆过程中突发“长距离管线重度堵管憋泵”应急处置
- 触发条件：主柱塞泵压力表急升至 12.0MPa 极限保护阀值，泵安全安全溢流阀跳开，管道内流速显示为零。
- 应急处置流程：
- 一键联锁安全卸压：操作工即刻关停高压柱塞泵，扭转三通高压卸压截止阀，将高压浆液引入应急池降压，以防钢管受压开裂。
- 气动反冲洗大流量冲刷：启动高压事故冲洗泵，从管道低洼排放口逆向压入工作压力 $≥ 3.0\text{ MPa}$ 的加压清水，利用高压紊流切向剪切冲碎管道内部的“矸石砂栓”。
- 分段机械拆除疏通：若冲洗无效，用超声波测厚仪沿管路排查判定局部栓塞点，使用气动扳手拆开对应法兰，用长螺旋疏通条清除淤泥结石后复位。
5.2 地面行星式强力搅拌机突发“重载卡壳抱死、主电机跳闸”应急处置
- 触发条件：搅拌齿轮箱发热鸣叫，电控柜主电机接触器动作跳闸，搅拌池内浆体浓度过高结块，浆体无法排出。
- 应急处置流程：
- 紧急停机悬挂警示牌：按下电控急停按钮，锁死主断路器，挂上“有人工作，严禁合闸”安全铁锁。
- 大流量注水稀释：人工打开混合池上部大口径清水分流阀，强力喷入大流量水稀释表层稠浆。
- 人工清理池壁挂料：检修人员使用高压冲洗枪，从搅拌机观察窗伸入冲洗搅拌叶片及主轴。若浆体固化，派检修工系挂安全双吊带，进入搅拌桶内用气动镐进行局部松料清理。
5.3 泵送过程中突发“在线粘度计/流量变送器损坏失效”应急处置
- 触发条件：中控电脑提示粘度计信号丢失，SCADA 粘度值读数出现死线、乱码，自动配料控制逻辑锁定失效。
- 应急处置流程：
- 切换至手动安全配料模式：主操立即将 PLC 控制模式由“自动流变调节”切为“手动经典配料”，配比水流量锁死在恒定 30m3/h。
- 现场取样测试流速：化验员每 30 分钟用苏氏漏斗和手提式旋转粘度仪在池口现场手工测定浆体流变粘度，手写输入配料屏。
- 热插拔更换传感器：在制浆空闲段，关闭粘度计支路阀门，快速拆卸受损传感器，更换为同型号备用传感器，校零后复产。
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六、 煤矿总工程师与充填站长流变参数控制自查指南（15项）
为确保惠宝煤业制浆站矸石浆体屈服应力控制在设计指标内、离心剪切循环回路运转良好、电机符合国家二级以上能效并完全满足绿色矿山环保标准，总工程师及充填站长必须对照以下自查清单，每月组织一次专项安全质量大检查。
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[ ] 1. 检查料浆 Bingham 屈服剪切力 τ0 日常测试台账，确保其严格控制在 ≤ 45.0 Pa 设计红线内。
[ ] 2. 核实 2km 管道总压力压降 ΔP 解算模块，确保出泵工作压力始终保留 1.2倍 以上安全余量。
[ ] 3. 现场检查高速剪切离心泵转子及蜗壳的磨损量，壳体变薄超限 25% 时必须即刻予以更换。
[ ] 4. 检查称重喂料皮带的配料计量精度，称重变送器传感器偏差要求稳定在 ±1% 范围内。
[ ] 5. 调阅上一季度三级离心搅拌电控永磁变频电机的能效认证，能效等级须达国家二级以上。
[ ] 6. 现场抽测井底背压控制阀的气动阀瓣动作顺畅度，背压反馈动作时滞限制在 ≤ 500ms 内。
[ ] 7. 检查地面高压不锈钢承压钢管外壁的防锈腐蚀防锈涂层，管壁壁厚减薄率严紧超过 5%。
[ ] 8. 现场抽问泵工在发生“主管道极限超载憋泵”时的泄压卸料开关流程，考核合格率 100%。
[ ] 9. 核实搅拌用矿井净化水的悬浮物及化学毒性成分，各项化学指标须符合 GB 20426 国家标准。
[ ] 10. 检查防爆主要通风风机与矸石制粉车间风帘控制的联锁，防止积尘发生自燃危险。
[ ] 11. 自查每次注浆完毕后的长距离管道大流量清水清洗冲洗台账，冲洗清水流速必须 ≥ 1.5m/s。
[ ] 12. 抽查仓库内备用聚羧酸减水剂添加剂的防冻储藏卡，冬天储存环境温度严禁低于冰点。
[ ] 13. 检查地面泵房转载带式输送机防火隔离防烟设施，厂房消防通道通畅度需满足二级分类标准。
[ ] 14. 调阅上一年度充填站流变参数控制与管道阻力损失计算白皮书，必须由总工盖章确认。
[ ] 15. 抽查柱塞输浆泵阀箱高压水压试压日志，确保阀箱表面在 12.0MPa 下无微细液泡渗漏。
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七、 总结与决策行动指南
神木市惠宝煤矿注浆充填站高浓煤矸石料浆离心搅拌制备系统关键流变参数调控是一项涉及多相流体动力学、流变物理化学及高压泵送控制的高完好本质安全级系统工程。煤矿总工及充填站决策层在生产控制中必须坚定遵守以下三大行动指南：
- 恪守“浆体屈服应力 $≤ 45.0\text{ Pa}$”的流变设计红线：绝不能为图高充填量而盲目加大固体浓度。必须执行本构方程和 YL-03 规范，将屈服值和塑性粘度维持在安全区，从物理源头预防堵管。
- 强推“三级离心高速剪切循环与自适应粘度回馈”的制备规程：严禁干粉骨料与水粗放式混合。必须开足剪切泵回路，使矸石颗粒水合包覆膜彻底剥离，配以称重喂料自调节，达成精细化智能配浆。
- 筑牢“垂直段高压背压阀全管流与事故爆破泄压”的泵送防线：消除井底空化气蚀和防止爆管泄砂是安全底线。确保气动背压控制阀及安全泄放爆破膜按时按量进行点检与维保，保障惠宝煤矿注浆充填系统长寿命低能耗安全平稳运营。