煤炭开采矸石产量大、利用率低、传统处理方式存在占用土地、污染环境等问题。本文以煤矸石粉料浆为研究对象,采用理论分析、室内试验和数值模拟相结合的方式,研究了煤矸石粉料浆流动性能及管道运输特性,为固废注浆充填提供理论支撑。本文研究的主要成果如下: (1)煤矸石的微观测试及物理性能测试结果表明:煤矸石主成分为SiO₂(59.54%)、Al₂O₃(17.49%)、SO₃(9.97%)及Fe₂O₃(6.68%),矿物组成以石英、高岭石和方解石为主,符合高岭石系特征。料浆固体质量分数45%-65%范围内,泌水率与粒径呈正相关,与质量分数呈线性负相关,塌落度和扩展度随质量分数增大呈非线性下降。煤矸石颗粒呈不规则多孔结构,其微观形貌为理解煤矸石粉料浆剪切稀化特性和管道阻力机制提供了依据。 (2)流变试验表明粒径与质量分数存在协同效应:200目细颗粒初始流动阻力较65目粗颗粒高54%,粗/细颗粒分别在55%和60%质量分数时因结构演变出现流变突变,150目料浆在65%质量分数、高剪切速率下呈现Bingham流体特征。屈服应力在≤160目时因机械咬合增强陡增42.3%-68.5%,超临界粒径后增速骤降;黏度在80-140目区间因摩擦耗散激增55%-82%。粒径减小虽可降低屈服应力,但<200目时因间隙堵塞使黏度异常升至0.509 Pa·s。模型适用性显示:Bingham模型对粗颗粒拟合最佳(R²>0.9),H-B模型适配细颗粒剪切稀化特性,Casson模型普适性较差。 (3)环管试验验证了质量分数-粒径对管道输送阻力的协同作用机制:质量分数每增5%,直/弯管阻力损失分别增加24%-180%和38%-69%,且非线性效应随浓度升高加剧。200目细颗粒可降堵管风险,但局部阻力损失增45%;>100目粗颗粒易离析堵管。采用100目颗粒、50%-55%质量分数时,沿程/弯管阻力分别降至0.56 MPa·km^-1和0.32 MPa,球磨能耗较150目体系降18%,实现最优平衡。该方案可降65%高浓度输送能耗,并避免200目颗粒黏度过高问题,为长距离输送优化提供理论依据。 (4)Fluent数值模拟结果表明:质量分数显著影响流态分布。50%质量分数时,弯管段因离心效应形成速度梯度,剪切应力梯度达2.8 kPa;直管段呈稳定层流。流速提升至2.5 m·s^-1时,弯管湍动能增加47%,加剧局部磨损风险。沿程阻力损失随质量分数呈非单调变化,65%高质量分数料浆因刚性塞流形成管壁滑移层,摩擦阻力降低38%,但泵送能耗激增1.8倍。建议现场煤矸石粉料浆的质量分数在50%-55%、流速≤2.0 m·s^-1,并需平衡高质量分数输送的柱塞流减阻与堵塞风险矛盾。 图[40]表[11]参[110]