2024年4月6日发(作者：诺基亚按键手机型号)

煤矿现代化　２０１０年第１期　总第９４期　

煤矿防天．人灌浆材料流变性研究　

新疆生产建设兵团安检局　

西安森兰科贸有限责任公司　

陕西省西安市雁塔路路中段５８号６２号信箱　

张为　

张荣　

张辛亥　

摘要总结了煤矿灌浆材料的流变性及其粘度系数的实验测试方法。说明不同类型颗粒原料制备的　

浆液的粘度系数的计算经验公式，对灌浆管路设计意义重大。　

关键词灌浆流变性粘度　

中图分类号：ＴＤ７５　文献标识码：Ａ　文章编号：１００９－０７９７（２０１０）０１－００３７－０２　

作为灌浆系统设计的核心内容之一，浆液的流变性的研究具　

有重要意义，因为它直接关系到动力设备的选择和运行的能　

耗。所谓流变性质（ｒｈｅｏｌｏｇｉｅ　ｐｒｏｐｅｒｉｔｅｓ），是指物质在外力作用　

下的变形（ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ）和流动（ｆｌｏｗ）的性质。流体流动过程的　

粘度及其变化是流变性的主要指标。材料的流变学性质与质　

点的大小、形状以及质点与介质间的相互作用有关，因此可以　

根据质点性质估算其流变性。　

长期以来，国内外许多研究者对此作了大量研究工作，但　

由于两相流问题的复杂性，目前对这一问题的认识还很不一　

致。本文系统总结了浆液流变性和管道流动阻力特性的研究　

现状，提出了适当的计算方法，对管道设计有重要意义。　

１流体的粘度及流型　

１．１粘度　

粘度是表示流体流动阻力的性质，它可以理解为液体流　

动时所表现出的内磨擦。液体受力时两液层之间发生滑移，形　

成液体的流动。在平流的情况下，两液层之间的距离为ｄｙ，由　

于液层上受到剪切力Ｆ的作用，两液层的运动速率不同，上层　

液比下层液的速度大ｄｘ，上下液层的运动速度有变化，速度变　

化梯度方向与Ｙ轴平行。在Ｙ处液层以速度为ｖ＝ｄｘ／ｄｔ，沿ｘ方　

向流动。在ｄｙ＋ｙ面处，该液层以ｖ＋　的速度流动，剪切应变　

用符号　表示。　

（１）　

对时间的导数称为剪切速率：　

’：单：ｄｔ　　ｄｔ　ｄ：　（粤）

ｖ　ｄｔ　

：掣　

ｄｔ　

（

、　

２）　

可见，剪切速率即速度变化的梯度。流体流动时受到的剪　

切应力越大，产生的剪切速率越大，对低分子来说，　与垂直于　

ｙ轴的单位液层上受的力１－（剪切应力）成正比，即：　

，ｒ：—

Ｆ　

（３）　

Ａ　

：　・’　

比例常数１１为粘性系数。流动行为符合（３）式的流体称为　

牛顿流体，否则为非牛顿流体。大多数纯液体都是牛顿流体。　

牛顿型液体常称为真液体。　

１．２流型　

根据流体流动过程中的粘度变化，可以将流体分为牛顿　

流体和非牛顿型流体，而非牛顿型流体可分为塑性、假（准）塑　

性和胀性流体。　

（１）塑性体（ｐｌａｓｔｉｃ　ｌｆｕｉｄ）。塑性体也叫Ｂｉｎｇｈａｍ体，这种流　

体应力与应变的关系为：　

下：　’＋　ｏ　（４）　

只有当Ｔ＞Ｔ０时，体系才流动，Ｔｎ称为屈服值（ｙｉｅｌｄ　ｖａｌｕｅ　ｏ　

（２）假塑体（ｐｓｅｕｄｏｐｌａｓｔｉｃ　ｌｆｕｉｄ　ｏ假塑体屈服值为零，其表　

观粘度随剪切力增加而下降，亦即搅得越快，显得越稀。其流　

变曲线为一凹向切力轴的曲线。对于这种流体，其应力一应变　

关系可用指数定律表示　

Ｔ＝Ｋ’“（０＜ｎ＜１）　（５）　

式中，Ｋ和ｎ是与液体性质有关的经验常数。Ｋ是液体稠度的　

量度，Ｋ越大，液体越粘稠。ｎ值小于１，是非牛顿性的量度。ｎ　

越小则非牛顿行为越显著。　

图１与时间无关流体应力一应变曲线　

振凝　

　。

＼　＼

触　

——　

－＿—＿—一　

图２与时间有关流体应力一粘度曲线　

（３）胀流体（ｄｉｌａｔａｎｔ　ｌｆｕｉｄ）。胀流体的屈服值也为零，但与　

假塑体相反，其流变曲线为一凸向切力轴的曲线。胀流体的表　

观粘度随切变速率增加而变大。胀流体满足以下两个条件：①　

分散相浓度需相当大，且应在一狭小的范围内。②颗粒必须是　

分散的，而不是聚集的。因为切力不大时颗粒全是散开的，故　

粘度较小。切力大时，许多颗粒被搅在一起，虽然此种结合并　

不稳定，但大大增加了流动阻力，搅得越剧烈结合越多，阻力　

也越大，也就显得越稠。　

・

３７・　

煤矿现代化　２０１０年第１期　

体力学的方法，导出下式　

￣ｌ／＇ｑｏ＝１＋２．５‘Ｄ　．　

总第９４期　

（８）　

（４）触变流型。触变流型具有如下特点：①随剪切速率的　

增加，表观粘度下降。②屈服值不为零。③从物系结构的拆散　

到恢复是一个等温可逆转换过程。这种结构的破坏与形成过　

程是时间的函数，而且结构的机械强度也与时间有关。由此可　

以看出，物体在切应力作用下产生变形，若　

降，则该物系具有触变性。　

之比会暂时下　

式中，１１，ｉｒｏ分别为分散体系（或溶液）和分散介质（或纯溶剂）　

的粘度；（ｐ为分散相在全部分散体系中所占的体积分数。　

由粉煤灰或细砂形成的较稀的浆液，其的流动粘度符合　

Ｅｉｎｓｔｅｉｎ粘度公式，仍是牛顿流体。对于少量交联的吸水树脂，　

或吸水性粘土，它们在水中流动粘度也可用此粘度公式表示。　

随着固体颗粒占溶液体积分数增加，流体粘度增大。　

２粘度的测定方法　

粘度测定可应用毛细管粘度和旋转粘度计。毛细管粘度　

计能方便地测出溶液或均匀液体的零切粘度，但该粘度计一　

般不适于测定粘度很大的流体，并且不能反映流体的流变性。　

（２）球形浓分散系的粘度。同样是球形粒子，但分散相很　

浓，Ｅｉｎｓｔｅｉｎ公式就不适用了。因为此时分散相粒子间的相互　

作用不能忽略，它使得液体流动时的粘度升高，最常见的粘度　

采用旋转粘度计可以测定粘度较大的溶液粘度系数，研究切　

变速率对流体粘度的影响。旋转粘度计分为同轴圆简式、锥板　

式以及平行板式三种。其中以同轴圆筒式最为常见。　

在同轴圆筒式旋转粘度计中，流体装在两内同轴圆筒之　

间的缝隙中，其中一个圆筒以恒定速率相对于另一个圆筒旋　

转。如图３所示，烧杯为同轴圆筒的外筒，转子为同轴圆筒内　

筒。工作时，转子以恒定速率相对烧杯转动。测定转动矩值Ｍ　

和角频率∞，便可计算剪切应力和剪切速率。　

图３　同轴圆筒式旋转粘度计　

由体系达到力矩平衡的条件，可求得剪切应力为：　

Ｔ　ｒ）：　（６）　

ｒ－１　

式中ｒ为园柱状液层离轴线距离，即转子半径；Ｌ为内筒浸入　

被测液体内的深度。　

剪切速率与旋转角速度成正比，故　

’（ｒ）＝Ａ（￡）　

（７）　

式中Ａ一仪器常数。　

３球形分散系的粘度　

粘土及粉煤灰可以看成是近球形胶粒，其形成的浆液基　

本上是球形颗粒的分散系。对于球形分散系，溶液的粒子在流　

动过程中额外消耗能量，使体系粘度增加。在切应力不变的情　

况下，粘度增加的程度与粒子的大小、形状、粒子间的相互作　

用以及粒子的溶剂化程度等有关。　

（１）球形稀分散系的粘度。对于有两相存在的溶胶或较　

稀的悬浮体，Ｅｉｎｓｔｅｉｎ首先假设了一个理想的模型：①分散粒　

子是球形的，它远大于介质的分子，但远小于容器；介质是连　

续的；②粒子是刚性的，完全为溶剂所润湿，而液体是不可压　

缩的；③分散相的含量很少，粒子问无相互作用；④溶液处于　

层流状态，没有湍流现象。在此模型的基础上，Ｅｉｎｓｔｅｉｎ根据流　

・

３８・　

公式为：　

－ｑ／＇ｑｏ＝１＋２．５ｔｐ＋１４ｑ￣　＋…　（９）　

式中各常数是Ｓｉｍｈａ从理论上证是的，但从实验测得等号右边　

第三项系数在５－８之间。　

粘土或粉煤灰、岩粉等颗粒一般对称性较好，可以看成球　

形颗粒，当其浆液的浓度较大时，粘度系数符合上述粘度公　

式。　

４非球形粒子悬浮体的粘度　

当分散相粒子的形状为棒状或椭球时，由于这些粒子的　

不对称性，就必须考虑它们在流线中采取择优取向的可能性。　

另外，在相同粒子体积的情况下，非球形粒子比球形粒子具有　

更大的有效水力体积。这些都将使得粘度理论复杂。然而，对　

于粒子为任意形状的稀分散体系，同样可以采用Ｅｉｎｓｔｅｉｎ公式　

的简单形式：　

ｉｒ／ｒｌｏ＝１＋Ｋｑｏ　（１Ｏ）　

式中，Ｋ为粒子的形状系数，通常随粒子的不对称性增加而增　

大。　

对于长椭球体分散系的粘度，Ｓｉｍｈａ将其推导出下式　

ｈ］＝百１４＋—

（ａ／ｂ　）２

１５［１ｎ　（２ａ／ｂ）－ｈｉ　

：丽（１１）　

式中，ａ／ｂ是非球形粒子的轴比率，ａ为长轴，ｂ为短轴，　是与　

粒子形状有关的常数　＝１．５；对于椭球体，对于圆柱棒体　＝１．８。　

一

些高吸水粘土矿物的水溶液中，由于这些粘土矿物多　

为层状硅酸盐，因此颗粒形态极不对称。通过实验确定了上式　

的参数后，即可由公式计算出流动粘度。　

５结论　

灌浆材料的流变性是灌浆管路设计的重要依据。煤矿灌　

浆材料可分为牛顿流体和非牛顿型流体，而非牛顿型流体可　

分为塑性、假（准）塑性和胀性流体。浆液的粘度可通过旋转粘　

度计测定，也可以通过经验公式计算得到。　

作者简介　

张为，男，汉族，中共党员，高级工程师。１９６５年１月５日　

土于新疆阿克苏，１９８６年西安矿业学院采矿系采矿工程专业　

本科毕业，获工学学士学位。现任新疆生产建设兵团安全生产　

监督管理局监督二处处长，兵团煤矿安全监察分局监察一室　

主任，兼任《兵团煤炭科技》、《兵团煤炭信息》副主编。长期从　

事煤炭行业管理工作，发表学术论文多篇。　

（收稿日期：２００９－８－３０）