康金箭

（湖南有色金屬職業(yè)技術學院，湖南株洲 412006）

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礦山膏體充填輸送方式的選擇

康金箭

（湖南有色金屬職業(yè)技術學院，湖南株洲 412006）

初始剪切應力和粘性系數(shù)稱為膏體充填料的流變參數(shù)，是決定充填料輸送性能的重要參數(shù)。文章通過對膏體充填料流變模型的分析，結合L管輸送試驗，建立了流變參數(shù)－沿程阻力系數(shù)－充填倍線的關系，用于指導膏體充填料輸送方式的選擇，以解決經(jīng)驗類比法計算誤差大導致的輸送方式選擇不合理問題。

膏體充填；流變參數(shù)；充填倍線

管道輸送方式的選擇作為充填料管輸系統(tǒng)設計的核心內(nèi)容，需考慮多方面的因素，但總體而言，主要就是在自流輸送和泵壓輸送之間進行論證和取舍。自流輸送方式能耗低，工藝簡單，設備投入小，是礦山充填應優(yōu)先選用的方案，泵壓輸送方式不受充填倍線的限制，在長距離輸送方面具有優(yōu)勢［1］。輸送方式的選擇，應以充填料管道輸送沿程阻力的計算作為依據(jù)。

充填料的管道輸送是膏體充填的關鍵技術之一，目前充填料輸送的基本理論與計算方法已有較多成果［2］，由于不同礦山充填料的物理性質(zhì)的差異，這些成果的普適性較差。對于具體礦山的充填系統(tǒng)設計，鑒于對研發(fā)成本的考慮，設計人員往往直接引用已有的成果和經(jīng)驗進行充填料管輸阻力計算，計算結果誤差較大。本文從膏體充填料流變力學的角度出發(fā)，介紹了一種簡單可行的計算方法，并闡述其原理。

1 膏體充填料管道輸送特性

1.1 膏體充填料的流變力學模型

通常把由細粒級物料組成的膏體充填料視為塑性結構體，并應用賓漢（Bingham）流變模型來研究［3］，流變方程為：式中：τ為管壁剪切應力／Pa；τ0為初始剪切應力（或屈服剪切應力）／Pa；η為粘性系數(shù)／Pa·s；du／dy剪切速率／s－1。

膏體充填料在管道輸送過程中的流態(tài)為層流，固體顆粒不發(fā)生沉降，管道內(nèi)膏體充填料內(nèi)層與層也不出現(xiàn)交流，呈“柱塞”狀［4］，橫斷面上的速度變化為常數(shù)。根據(jù)式（1），并考慮管道全斷面具有流速，根據(jù)伯努利方程可得出方程式：

式中：v為流速／m·s－1；D為管道直徑／m。

實際生產(chǎn)中，膏體充填料的輸送管徑是固定的，而流速通常根據(jù)充填系統(tǒng)的生產(chǎn)能力將充填料設定為某一固定值，管壁切應力實際上取決于膏體自身的兩個參數(shù)，即初始剪切應力（或屈服剪切應力）τ0和粘性系數(shù)η，這兩個參數(shù)稱為流體的流變參數(shù)。

1.2 膏體流變參數(shù)及測量方法

根據(jù)管流靜力學平衡理論，結合式（3）可知，管道單位長度流動阻力i（Pa／m）：

τ0／τ高次冪很小，可以忽略，故可得出近似的管壁剪切應力：

在管徑、流速確定的條件下，流變參數(shù)決定膏體的輸送阻力，因此，在充填系統(tǒng)輸送方式選擇時，應以流變參數(shù)的測量為基礎。膏體流變參數(shù)的測量主要有兩類方法，即儀器直接測量（槳葉測量法、平行板黏度測量法、旋轉圓筒式黏度測量法等）和半工業(yè)、工業(yè)規(guī)模的環(huán)管試驗測算。從實際應用的情況看，儀器測量雖然簡單快捷，但結果往往不準確。通過環(huán)管試驗測算膏體充填料流變參數(shù)是最符合工程實際的方法，但試驗系統(tǒng)復雜，成本較高，且試驗周期長［5］。

根據(jù)流變學理論及流體的管道輸送能量方程，使用L管輸送試驗方式獲得膏體充填料流變參數(shù)是較為經(jīng)濟合理的方法。

實驗室L管輸送試驗裝置結構如圖1所示。充填料漿在流動時的受力狀態(tài)如圖2所示。根據(jù)流體管道輸送的能量守恒定律，可得出如下公式：

圖1 L管輸送試驗裝置結構圖

圖2 管內(nèi)流體受力分析圖

式中：P0為進口處壓力，由下式計算：

Pg為料漿自重壓力，由下式計算：

局部損失P局包括彎管損失、接頭損失等，計算較為繁雜，通常取其為直管損失的15%，以簡化計算。

P′為出口壓力損失，由下式計算：

Pl為沿程阻力損失，由下式計算：

以上各式中：γ為料漿比重／N·m－3；v為料漿流速／m·s－1；g為自重加速度／9.8 m·s－2；ξi為局部阻力損失系數(shù)。

則將上述各項代入（5）式，化簡后得：

隨著試驗過程的進行，料斗內(nèi)料漿料面下降，流速逐漸降低，最終停止流動時，豎管內(nèi)料柱高度為h0，根據(jù)管流靜力學平衡，可推導出屈服剪切應力：

1.3 充填倍線與輸送方式的選擇

對于礦山充填管網(wǎng)而言，在自流輸送的條件下，若垂直管道高度為H，水平管道長度為L，則根據(jù)能量守恒原理，可得出：

在試驗過程中，分別配制不同濃度的全尾砂充填料漿，測定其坍落度與料漿容重，同時測定計算充填料漿在管道中的流速v，則根據(jù)式（10）、（11）即可分別計算相應的τ0、τ，同時根據(jù)式（3）可計算出料漿的粘性系數(shù)η，即：

取局部阻力及出口損失之和為管道沿程阻力的15%，則上式變?yōu)椋?/p>

（H＋L）／H為管道總長與垂直管道高度之比，即充填倍線。將式（4）代入式（15），即可計算出礦山膏體充填料在不同流量及管道直徑時，可實現(xiàn)自流輸送的允許充填倍線，作為輸送方式選擇的依據(jù)。

2 工程實例

某鉛鋅礦設計采用全尾砂膏體充填，設計充填生產(chǎn)能力60～80 m3／s，礦山最大開采深度678 m，實測的最遠水平輸送距離800 m，充填倍線為1.1～3.3，設計輸送管道內(nèi)徑125 mm。根據(jù)材料配比實驗，確定充填濃度為76%～79%，對應的膏體充填料容重見表1。

為節(jié)省成本，縮短項目周期，礦山未進行膏體充填料的環(huán)管輸送試驗，其充填料輸送參數(shù)與充填方式的選擇按下述進行。

表1 礦山膏體充填料濃度－容重對照

2.1 測定流變參數(shù)

使用圖1所示的裝置測定膏體充填料流變參數(shù)，其中，h＝1.2 m，h′＝0.24 m，D＝0.06 m，L＝2.06 m。結果見表2。

表2 不同濃度全尾砂料漿的流變參數(shù)

2.2 計算管道單位長度流動阻力i

將表1中的計算結果代入式（4），分別計算不同流速（流量）下的管道單位長度流動阻力i，計算結果見表3。

表3 充填料管道單位長度流動阻力 Pa／m

2.3 可實現(xiàn)自流輸送的充填倍線計算

將不同流速（流量）下的管道單位長度流動阻力i代入式（15），分別計算不同輸送參數(shù)下可實現(xiàn)的自流輸送倍線，計算結果見表4。

2.4 輸送方式選擇

由表4可知，選用內(nèi)徑125 mm的輸送管道，當充填料質(zhì)量濃度為76%～79%、充填流量為60～80 m3／h時，該礦山可實現(xiàn)自流輸送的充填倍線為3.7～8.5，大于實際工程的充填倍線（1.1～3.3），因此，礦山可實現(xiàn)自流輸送。

表4 不同輸送參數(shù)下可實現(xiàn)的自流輸送倍線

3 結 論

1.根據(jù)膏體充填料的流變參數(shù)，結合流體管道輸送能量方程，可計算膏體充填料管道輸送的沿程阻力系數(shù)，進而計算可實現(xiàn)自流輸送的充填倍線，用以指導礦山膏體充填料輸送方式的選擇。

2.膏體充填料作為非牛頓流體中的賓漢體，可通過室內(nèi)L管輸送試驗獲得其初始剪切應力和粘性系數(shù)，L管輸送試驗獲取膏體充填料流變參數(shù)的方式，較儀器測量法更為接近工程實際，成本遠低于大規(guī)模的環(huán)管實驗。

［1］ 蔡嗣經(jīng)，王洪江.現(xiàn)代充填理論與技術［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2012.

［2］ 王洪武.多相復合膏體充填料配比與輸送參數(shù)優(yōu)化［D］.長沙：中南大學，2010.

［3］ 劉同友.充填采礦技術與應用［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2001.

［4］ 陳廣文，古德生，高泉.高濃度漿體的濃度判據(jù)及其層流輸送特性［J］.中國有色金屬學報，1995，5（4）：35－38.

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

The Choice of M ethod of Paste Filling Transportation in a M ine

KANG Jin-jian
（Hunan Nonferrous Metals Vocational and Technical College，Zhuzhou 412006，China）

The initial shear stress and viscous coefficient is called the rheological parameters of paste filling，and is an important parameter to decide transmission performance of fillingmaterial.This article through the analysis of the fillingmaterial paste rheologicalmodel and the pipe experiment，established the relationship between rheological parameters，the frictional resistance coefficient and the times filling line.It is used to choose paste fillingmaterial transportation，in order to solve the unreasonable transportation mode choice problem caused by large calculation error.

the paste filling；the rheological parameters；times filling line

TD52

：A

：1003－5540（2014）05－0001－03

2014－06－20

康金箭（1973－），男，高級工程師，主要從事金屬礦開采技術研究工作。