胡亞軍，南世卿，姚振鞏，劉瑞新

(1.長沙礦山研究院， 湖南長沙 410012;2.河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限公司， 河北唐山市 063700)

全尾砂充填料漿管道輸送試驗(yàn)研究

胡亞軍1，2，南世卿2，姚振鞏1，劉瑞新2

(1.長沙礦山研究院， 湖南長沙 410012;2.河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限公司， 河北唐山市 063700)

充填礦山為獲最佳輸送參數(shù)往往需環(huán)管輸送試驗(yàn)，但該類試驗(yàn)需要較多的測試裝置和試驗(yàn)物料，且時(shí)間長、費(fèi)用高。針對(duì)這些缺陷，在某鐵礦充填料漿管道輸送試驗(yàn)研究中提出了一種簡單實(shí)用型管道輸送試驗(yàn)方法。試驗(yàn)表明:該法結(jié)合坍落度、簡易流動(dòng)性輔助試驗(yàn)?zāi)軌蛑庇^掌握充填料漿流動(dòng)特性，通過對(duì)影響管道阻力損失的各種因素進(jìn)行分析，可以確定礦山最佳輸送參數(shù)。

全尾砂充填料漿;坍落度;簡易型流動(dòng)試驗(yàn);管道阻力損失;最佳輸送參數(shù)

0 引言

高濃度充填系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、調(diào)試生產(chǎn)過程中需要最佳自流輸送參數(shù)，如流量、濃度、充填倍線等，如果這些參數(shù)選擇不當(dāng)，料漿在輸送過程中易發(fā)生堵管、不滿管輸送、管路磨損過快等諸多問題。而國內(nèi)、外礦山因礦石性質(zhì)、選礦工藝不同，排出全尾砂的組分和粒級(jí)組成是千差萬別的，大多數(shù)礦山不能完全參考其它礦山運(yùn)行參數(shù)，只能依據(jù)礦山全尾砂實(shí)際情況進(jìn)行環(huán)管管道輸送試驗(yàn)。環(huán)管輸送試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)能夠在現(xiàn)場測定不同配比和不同濃度下料漿在不同流速下輸送管道損失，得出適合高濃度以及膏體充填系統(tǒng)的參數(shù)，但該類試驗(yàn)消耗人力、物力過大，且需時(shí)間過長，因此，在某些礦山無法進(jìn)行。本次管道輸送試驗(yàn)采用L型管道對(duì)某鐵礦進(jìn)行了試驗(yàn)。該試驗(yàn)設(shè)備簡單、易操作，無需任何檢測儀表(如濃度計(jì)、流量計(jì)和壓力表等)。

1 L管試驗(yàn)系統(tǒng)及其原理

1.1 L管管路輸送系統(tǒng)

L管試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)備簡單，可以在現(xiàn)場短時(shí)間制作完成，主要包括收料斗、長度分別1.5，2.5 m的兩根透明良好的Φ90PVC塑料管、90°管道連接彎頭以及支架。

1.2 L管管路輸送試驗(yàn)原理

充填料漿在流動(dòng)時(shí)的受力狀態(tài)如圖1所示。根據(jù)能量守恒定律，可得出如下公式:

式中:P——進(jìn)口處壓力

0

Pg——料漿自重壓力Pl——沿程阻力損失，Pl=P直+P局=τ(h+L)πD

γ——料漿比重，N/m3;

V——料漿流速，m/s;

g——自重加速度，9.8 m/s2;

ξi——局部阻力損失系數(shù)。

圖1 管內(nèi)流體受力分析

沿程損失中的局部損失一項(xiàng)包括彎管損失、接頭損失等等，計(jì)算較為繁雜，為了簡化起見，一般取其為直管損失的10%～20%，在數(shù)據(jù)分析計(jì)算時(shí)，取10%。

則將上述各項(xiàng)代入(1)式，化簡后得:

隨著試驗(yàn)過程的進(jìn)行，料斗內(nèi)料漿料面下降，流速逐漸降低，最終停止流動(dòng)時(shí)，豎管內(nèi)料柱高度為h0，料漿自重壓力與管道靜摩擦阻力相平衡，這時(shí)即可按以下公式計(jì)算料漿的屈服剪切應(yīng)力:

在試驗(yàn)過程中，計(jì)算充填料漿在管道中的流速V，則根據(jù)式(2)、(3)即可分別計(jì)算相應(yīng)的 τ0、τ，同時(shí)根據(jù)賓漢流變方程可計(jì)算出料漿的粘性系數(shù)η，即:

根據(jù)式(3)、(4)得到不同灰砂比和不同濃度下料漿流變系數(shù)，并結(jié)合該鐵礦井下實(shí)際鋪設(shè)管道管徑(140 mm)，即可求出不同流量下管道阻力損失i(Pa/m):

2 其它輔助試驗(yàn)

為保障高濃度料漿在試驗(yàn)管道內(nèi)自流順暢輸送，減少堵管事故機(jī)率，為此進(jìn)行了坍落度和簡易流動(dòng)性測定試驗(yàn)。坍落度試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)的圓錐桶，桶高300 mm，上口直徑100 mm、下口直徑200 mm，按建筑工程規(guī)范測定不同灰砂比條件下各種濃度全尾砂膠結(jié)充填料漿的坍落度。流動(dòng)性簡易測量裝置由2 L可樂瓶和支架構(gòu)成，通過測定砂漿放出時(shí)間的長短來初步判斷其流動(dòng)性。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 坍落度測量結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

坍落度是料漿輸送性能的直觀參考指標(biāo)，直接反映料漿的流動(dòng)狀態(tài)。某鐵礦全尾砂膠結(jié)料坍落度測定結(jié)果見表1。

表1 某鐵礦全尾砂膠結(jié)料坍落度測定

試驗(yàn)表明:料漿坍落度隨料漿濃度的減小而不斷增大;料漿濃度在80%以上時(shí)，塌落度小于17.5 cm，仍保持坍落桶形狀，而當(dāng)料漿濃度在72%～75%范圍時(shí)，塌落度＞27 cm，料漿流動(dòng)性明顯變化、全面鋪開，且沒有出現(xiàn)水砂分離或大量泌水等不良現(xiàn)象;當(dāng)料漿濃度繼續(xù)稀釋至70%時(shí)，部分水砂比呈現(xiàn)出水砂分離現(xiàn)象。

3.2 流動(dòng)性簡易測量結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

流動(dòng)性簡易測量裝置由2 L可樂瓶和支架構(gòu)成，測量從砂漿開始排出到停止排料的時(shí)間間隔。砂漿(水砂比1∶6)在較高濃度(約76%左右)時(shí)，出現(xiàn)部分砂漿斷續(xù)流出的現(xiàn)象。

3.3 管道阻力損失分析

(1)輸送流量對(duì)管道阻力損失的影響。圖2為濃度相同，不同灰砂比條件下，流量變化時(shí)阻力損失曲線;圖3為灰砂比相同而濃度不同的條件下，流量變化時(shí)阻力損失曲線?？梢钥闯?管道阻力損失隨流量的增加而變大，當(dāng)流量增大至120 m3/h時(shí)，壓力損失變化率變大，特別是灰砂比高的料漿，可以判斷該點(diǎn)是漿體流動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變即從層流變成紊流狀態(tài)的過度點(diǎn)。為保證料漿流動(dòng)狀態(tài)為層流并結(jié)合該礦實(shí)際制備生產(chǎn)能力，確定流量優(yōu)化范圍80～100 m3/h。從圖3可以發(fā)現(xiàn)，72%與74%阻力曲線間隔距離接近于零。

圖2 不同灰砂比相同濃度(72%)，流量變化時(shí)阻力損失曲線

圖3 同一灰砂比不同濃度(1∶6)，流量變化時(shí)阻力損失曲線

(2)輸送濃度對(duì)管道阻力損失的影響。圖4、圖5分別為不同灰砂比相同流量時(shí)的濃度變化阻力損失曲線和同一灰砂比不同流量時(shí)的濃度變化阻力損失曲線?？梢钥闯鲚斔妥枇κ軡舛鹊挠绊懜用黠@，損失曲線總體呈升高趨勢，但濃度在72%～74%范圍時(shí)阻力損失變化平緩，壓力損失在2 kPa/m左右(計(jì)算最大幾何倍線為7)。結(jié)合坍落度試驗(yàn)結(jié)果，完全可以確定該范圍為最優(yōu)。

圖4 不同灰砂比相同流量(80 m3/h)，濃度變化阻力損失曲線

圖5 同一灰砂比不同流量時(shí)(1∶6)，濃度變化時(shí)阻力損失曲線

(3)水泥添加量對(duì)管道阻力損失的影響。從圖6可以看出，灰砂比越大，阻力損失越大。因此，在滿足強(qiáng)度的前提下，為減少輸送管道阻力損失盡量采用灰砂比小的充填料漿。

圖6 相同濃度不同流量(72%)，灰砂比變化時(shí)阻力損失曲線

4 試驗(yàn)結(jié)論

(1)坍落度試驗(yàn)直觀反映出了料漿濃度在72%～75%時(shí)，流動(dòng)性和保水性最好，不離析和分層;而簡易試驗(yàn)初步尋找了排放時(shí)間與阻力的關(guān)系，為今后采用簡單法測砂漿阻力奠定了基礎(chǔ)。

(2)管道阻力大小與料漿濃度、流量、灰砂比有關(guān)，阻力損失隨濃度的增高而增加，隨流量的增大而增加，隨水泥的添加而增加。結(jié)合該礦實(shí)際，很方便得到了最優(yōu)自流輸送參數(shù):流量80～100 m3/h;濃度72%～74%;幾何倍線小于7。

(3)試驗(yàn)結(jié)果為礦山下一步充填調(diào)試和生產(chǎn)提供了可靠的技術(shù)支撐和保障，試驗(yàn)方法可為類似礦山提供參考。本次L管輸送試驗(yàn)中，并沒有考慮管道材料因素，建議礦山在調(diào)試和生產(chǎn)過程中對(duì)參數(shù)稍加調(diào)整。

［1］ 周愛民.礦山廢料膠結(jié)充填［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2007.

［2］ 王新民.深井礦山充填理論與管道輸送技術(shù)［M］.長沙:中南大學(xué)出版社，2010.

［3］ 姚中亮.全尾砂結(jié)構(gòu)流體膠結(jié)充填的理論與實(shí)踐［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，2006，(S1).

［4］ 蘆世俊.全尾砂高濃度充填料漿自流輸送系統(tǒng)特性分析及設(shè)計(jì)［J］.有色金屬(礦山部分)，長沙，2010，(2).

［5］ WANG J，YANG C，CHU D，ZHANG J，GUO S.A new method to test for friction loss in pipeline transportation of pastefill slurry［A］.Minefill 2011，10th International Symposium on Mining with Backfill［C］.Southern African:2011.

2011－06－27)

胡亞軍(1982－)，男，河北唐山人，碩士研究生，主要從事充填理論與工藝研究與應(yīng)用工作，Email:616579060@qq.com。