楊清平，王貽明，王　勇，吳國(guó)珉，岑佑華，沈家華

(1.中色非洲礦業(yè)有限公司，　贊比亞 基特韋； 2.北京科技大學(xué) 金屬礦山高效開(kāi)采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，　北京　100083； 3.大冶有色設(shè)計(jì)研究院有限公司，　湖北 黃石市　435005)

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謙比希銅礦膏體充填環(huán)管實(shí)驗(yàn)研究

楊清平1，王貽明2，王勇2，吳國(guó)珉3，岑佑華3，沈家華1

(1.中色非洲礦業(yè)有限公司，贊比亞 基特韋； 2.北京科技大學(xué) 金屬礦山高效開(kāi)采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083； 3.大冶有色設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 黃石市435005)

膏體充填的管道輸送阻力一般需通過(guò)環(huán)管實(shí)驗(yàn)獲得。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)管實(shí)驗(yàn)，研究了膏體濃度和水泥摻量對(duì)磨阻損失的影響。隨著膏體體積濃度及流量的增加，摩阻損失均呈遞增變化。隨水泥摻量的增加，摩阻損失呈現(xiàn)先降低再增大的變化趨勢(shì)，當(dāng)摻量為8%時(shí)，摩阻最小，摻量為11%時(shí)，摩阻較大。在謙比希銅礦膏體充填環(huán)管實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)試基礎(chǔ)上，分析了不同狀態(tài)下管徑150 mm管道中的流態(tài)，結(jié)果表明，謙比希膏體料漿在管內(nèi)呈均質(zhì)流動(dòng)，流速不超過(guò) 5.24 m/s時(shí)，膏體在管內(nèi)呈層流流態(tài)。

膏體充填；環(huán)管實(shí)驗(yàn)；磨阻損失；均質(zhì)流

0　引　言

膏體充填技術(shù)可以減少地表尾礦排放，防止重金屬污染源井下擴(kuò)散，具有充填質(zhì)量高、充填成本低等優(yōu)勢(shì)[1]，在國(guó)內(nèi)外地下礦山廣泛使用[2￣4]。膏體輸送是膏體充填的關(guān)鍵工藝之一，阻力特性又是膏體管道輸送的關(guān)鍵研究?jī)?nèi)容，對(duì)于管路優(yōu)化布置以及泵送設(shè)備選型等方面具有重大的實(shí)用價(jià)值。傳統(tǒng)研究中，一般將充填料漿視作為兩相流流體，并在大量環(huán)管實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一系列阻力計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式，如杜蘭德公式、金川公式等[5]。但對(duì)于膏體而言，由于流動(dòng)結(jié)構(gòu)及流動(dòng)形態(tài)方面存在的差異，上述公式表現(xiàn)出較差的適用性，計(jì)算結(jié)果往往與實(shí)際情況相差懸殊[5]。因此，對(duì)于膏體管輸阻力需要借助環(huán)管實(shí)驗(yàn)獲得。

謙比希膏體充填系統(tǒng)是贊比亞建成的第一個(gè)膏體系統(tǒng)，目前系統(tǒng)已平穩(wěn)運(yùn)行兩年多，累計(jì)充填23萬(wàn)m3。本文介紹了謙比希銅礦膏體系統(tǒng)調(diào)試期間現(xiàn)場(chǎng)環(huán)管實(shí)驗(yàn)，探討了膏體濃度和水泥摻量對(duì)膏體磨阻損失的影響，并對(duì)膏體在管道內(nèi)部流態(tài)進(jìn)行分析，為謙比希膏體管道輸送系統(tǒng)優(yōu)化提供依據(jù)。

1　環(huán)管實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法

1.1環(huán)管實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成

環(huán)管實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由尾砂濃密系統(tǒng)、膏體制備泵送系統(tǒng)、循環(huán)管路及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等幾部分組成，其中，濃密系統(tǒng)及制備泵送均依托于礦區(qū)新建的膏體充填攪拌站，而循環(huán)管路則根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行布置(見(jiàn)圖1)。

圖1　環(huán)管布置

1.2環(huán)管實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)主要考慮膏體濃度及水泥摻量2個(gè)因素對(duì)摩阻損失的影響。具體實(shí)驗(yàn)方案見(jiàn)表1，共設(shè)計(jì)9組實(shí)驗(yàn)，1～5組考察濃度對(duì)摩阻損失的影響，水泥摻量均為11%，根據(jù)泵送設(shè)定流量范圍為24～60 m3/h；6～9組考察水泥摻量對(duì)摩阻損失的影響，其質(zhì)量濃度控制在71%左右，流量范圍為24～60 m3/h。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1膏體濃度對(duì)摩阻損失的影響

圖2為膏體濃度對(duì)摩阻損失影響環(huán)管實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由圖2可知，隨著膏體體積濃度及流量的增加，摩阻損失均呈遞增變化，在實(shí)驗(yàn)條件范圍內(nèi)，相應(yīng)摩阻損失為1500～4000 Pa·m-1。同時(shí)，濃度對(duì)摩阻損失的影響十分顯著，在濃度較低時(shí)，即體積濃度為44%～47%時(shí)(質(zhì)量濃度67%～70%)，摩阻損失的變化較為平緩，當(dāng)體積濃度大于47%(質(zhì)量濃度70%)時(shí)，摩阻損失的增率加劇。

表1　實(shí)驗(yàn)方案

圖2　膏體體積濃度對(duì)摩阻損失影響

2.2水泥摻量對(duì)摩阻損失的影響

圖3為膏體體積濃度約48%，不同流量條件下，水泥摻量對(duì)摩阻損失的影響規(guī)律，摩阻損失范圍為3000～4000 Pa·m-1。

圖3　水泥摻量對(duì)摩阻損失影響

由圖3可知，隨水泥摻量的增加，損失呈現(xiàn)先降低再增大的變化趨勢(shì)，當(dāng)水泥摻量為8%時(shí)，摩阻最小，純?nèi)采凹八鄵搅繛?1%時(shí)，摩阻較大。

3　膏體管道內(nèi)流態(tài)分析

膏體在管道輸送過(guò)程中具有不分層、不離析等優(yōu)點(diǎn)，而固體顆粒不發(fā)生沉降是保證膏體穩(wěn)定輸送的前提。

3.1顆粒/絮團(tuán)臨界尺寸

當(dāng)顆粒所受的重力與剪切阻力相等時(shí)，沉降阻力為0，顆粒處于懸浮狀態(tài)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的顆粒粒徑dmax即為不沉粒徑：

(1)

式中：dmax——不沉粒徑；

τy——屈服應(yīng)力；

ρs——固體顆粒密度；

ρm——膏體密度。

由式(1)可知，為了保證膏體在管道內(nèi)均質(zhì)流動(dòng)，則物料中的最大粒徑應(yīng)小于dmax，且膏體屈服應(yīng)力越大，則能夠承受的最大粒徑越大。

3.2層流過(guò)渡流速

研究表明，均質(zhì)流體在管道中流動(dòng)的摩阻損失△P與流速V的典型關(guān)系如圖4所示。在高流速區(qū)，流體為紊流流態(tài)，當(dāng)流速減小到某一點(diǎn)時(shí)，流動(dòng)從紊流轉(zhuǎn)入層流，此點(diǎn)流速即為“過(guò)渡流速”，記做為VD；由此可見(jiàn)，在膏體管道輸送過(guò)程中，為了避免摩阻損失過(guò)大，確定其流態(tài)由層流向紊流轉(zhuǎn)變的過(guò)渡流速顯得尤為必要。

圖4　均質(zhì)流管道摩阻損失與流速典型關(guān)系

臨界雷諾數(shù)：

(2)

式中，Rec為臨界雷諾數(shù)；D為管徑；V為膏體流速；μp為塑性黏度。

過(guò)渡流速VD為：

(3)

3.3流態(tài)參數(shù)計(jì)算結(jié)果

在謙比希銅礦膏體充填環(huán)管實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)試基礎(chǔ)上，分析了不同狀態(tài)下管徑D150 mm管道中的流態(tài)，相關(guān)計(jì)算結(jié)果如表2所示。

由表2可知，在上述濃度及配比條件下，充填物料中的最大粒徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于不沉臨界粒徑dmax，完全滿足固體顆粒在漿體中的懸浮條件，因此漿體在管內(nèi)呈均質(zhì)流動(dòng)。同時(shí)，在既有的管道及泵送流量條件下，漿體雷諾數(shù)遠(yuǎn)小于臨界雷諾數(shù)，流速不超過(guò) 5.24 m·s-1時(shí)，膏體在管內(nèi)均呈層流流態(tài)。

表2　流態(tài)分析相關(guān)參數(shù)計(jì)算結(jié)果

4　結(jié)　論

(1) 膏體濃度對(duì)摩阻損失影響環(huán)管實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著膏體體積濃度及流量的增加，摩阻損失均呈遞增變化，在實(shí)驗(yàn)條件范圍內(nèi)，相應(yīng)摩阻損失為1500～4000 Pa·m-1。在濃度較低時(shí)，即體積濃度為44%～47%(質(zhì)量濃度67%～70%)時(shí)，摩阻損失的變化較為平緩，當(dāng)體積濃度大于47%(質(zhì)量濃度70%)時(shí)，摩阻損失的增率加劇。

(2) 膏體體積濃度約48%，水泥摻量為0～11%，不同流量條件下，摩阻損失范圍為3000～4000 Pa·m-1。隨水泥摻量的增加，損失呈現(xiàn)先降低再增大的變化趨勢(shì)，當(dāng)水泥摻量為8%時(shí)，摩阻最小，純?nèi)采凹八鄵搅?1%時(shí)，摩阻較大。

(3) 分析了顆粒在管道內(nèi)不沉尺寸以及過(guò)渡流速理論計(jì)算方法?；谥t比希膏體充填環(huán)管實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)管徑150 mm條件膏體流態(tài)分析相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果表明，謙比希膏體充填物料中的最大粒徑小于不沉臨界粒徑dmax，可滿足固體顆粒在漿體中的懸浮條件，在管內(nèi)呈均質(zhì)流動(dòng)。并且，膏體雷諾數(shù)遠(yuǎn)小于臨界雷諾數(shù)，流速不超過(guò) 5.24 m·s-1時(shí)，膏體在管內(nèi)均呈層流流態(tài)。

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2016￣06￣08)

楊清平(1965-)，男，湖北孝感人，高級(jí)工程師，主要從事采礦技術(shù)與管理工作，Email：251671170@qq.com。