梁新民,王懷勇,江國建,陳小偉,謝盛青(.中國恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 00038;.招金礦業(yè)股份有限公司,山東 招遠(yuǎn) 65400)

1 前言

自工業(yè)革命以來隨著礦產(chǎn)資源的大規(guī)模開采,賦存在地表淺部的高品位富礦資源已接近枯竭,礦山開采活動(dòng)已經(jīng)轉(zhuǎn)入到深部開采,深井開采帶來高巖溫?zé)?、高地?yīng)力、高裂隙水壓以及巖爆等一系列程地質(zhì)災(zāi)害。與此同時(shí),礦產(chǎn)資源的大規(guī)模開采導(dǎo)致地下產(chǎn)生大量采空區(qū),造成地表塌陷、水資源流失等問題;地表堆存礦山固廢的排土場和尾礦庫占用大量土地,嚴(yán)重威脅了生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展[1]。高濃度全尾砂充填采礦技術(shù)作為一種安全高效的綠色技術(shù),在確保深井開采安全的情況下兼具生態(tài)環(huán)境保護(hù)和改善礦石貧化、損失率的多重功效,近年來得到相關(guān)行政部門和礦山企業(yè)的大力推廣應(yīng)用。

礦山充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),需要對(duì)充填料漿的流變特性進(jìn)行試驗(yàn)研究和定量分析,建立正確的流變模型。目前國內(nèi)外不少專家、學(xué)者已經(jīng)對(duì)高濃度尾砂充填料漿的流變特性和阻力損失計(jì)算進(jìn)行了大量的研究,并基于重力理論和能量理論總結(jié)出沿程阻力的計(jì)算方法,如卡杜里斯基公式、杜蘭德公式、金川公式、鞍山黑色金屬礦山公式、會(huì)澤公式等,這些公式是在特定實(shí)驗(yàn)下得到的,受到設(shè)備、成本和現(xiàn)場條件等多方面條件的限制,存在針對(duì)性強(qiáng)、可復(fù)制性差等缺點(diǎn),主要適合于自由沉降強(qiáng)的非均質(zhì)流料漿[2]。高濃度全尾砂充填料漿屬于非牛頓流體,即所謂的結(jié)構(gòu)流體,只有正確的建立流變模型才能描述充填料漿的流變特性。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷成熟和更新,利用數(shù)值仿真軟件模擬非牛頓流體的管路輸送狀態(tài)為研究充填料漿的流變特性提供了一種新的思路。

本文通過室內(nèi)流變?cè)囼?yàn)獲得了某金礦高濃度全尾砂膠結(jié)充填料漿的屈服應(yīng)力和黏度系數(shù)等?；贔luent流體模擬軟件建立了與礦山實(shí)際管路輸送系統(tǒng)1∶1比例的數(shù)值仿真模型,模擬了高濃度全尾砂膠結(jié)充填料漿在管道中的流動(dòng)特性,分別計(jì)算了不同濃度和配比的充填料漿在管道中的沿程阻力系數(shù),確定了全尾砂膠結(jié)充填料漿最大允許充填倍線Nmax和臨界輸送濃度,數(shù)值仿真結(jié)果對(duì)優(yōu)化礦山管道輸送系統(tǒng)具有重要的指導(dǎo)意義。

2 礦山充填系統(tǒng)現(xiàn)狀

某金礦位于山東省膠州半島,生產(chǎn)規(guī)模為5 000 t/d,主要1#、2#礦體賦存于招平斷裂帶下,采用上向水平分層充填法和上向進(jìn)路充填法,分級(jí)尾砂膠結(jié)充填和廢石充填。充填系統(tǒng)工藝流程:選礦廠全尾砂經(jīng)水力旋流器組分級(jí),分級(jí)后的底流粗尾砂經(jīng)渣漿泵泵送至立式砂倉內(nèi)。分級(jí)尾砂在立式砂倉中自然沉降濃縮,底流進(jìn)入攪拌機(jī)與膠結(jié)材料攪拌制備后,經(jīng)由充填鉆孔自流輸送到采空區(qū)進(jìn)行充填。不需要充填時(shí),選廠全尾砂全部泵送至尾礦庫。礦山現(xiàn)有的分級(jí)尾砂充填系統(tǒng)主要存在以下問題:

(1)井下充填消耗的尾砂量較少,大部分尾砂需要排至現(xiàn)有尾礦庫。按照目前生產(chǎn)規(guī)模和充填方式,現(xiàn)有尾礦庫僅能服務(wù)1～2年,急需要處理更多的尾砂。

(2)分級(jí)尾砂膠結(jié)充填料漿的質(zhì)量濃度偏低,在長距離輸送過程中離析嚴(yán)重,導(dǎo)致澆面強(qiáng)度達(dá)不到無軌設(shè)備通行要求,充填料在采場內(nèi)的泌水率較大,影響了井下環(huán)境衛(wèi)生。

(3)采場底部采用廢石充填,充填勞動(dòng)強(qiáng)度大、安全性差,廢石充填成本高。

考慮到礦山現(xiàn)有充填系統(tǒng)處理尾砂的能力有限,為了提高尾砂的綜合利用率,減輕尾礦庫的庫容壓力,有必要將現(xiàn)有的分級(jí)尾砂充填系統(tǒng)改造高濃度全尾砂充填系統(tǒng),并對(duì)高濃度全尾砂充填料漿的管道輸送特性進(jìn)行研究。

3 充填材料物理特性

充填粗骨料主要來自磨浮廠房的全尾砂,其物理性質(zhì)、化學(xué)成分及粒徑分布對(duì)充填料漿的性質(zhì)產(chǎn)生重要的影響。

全尾砂密度測試參考《土工試驗(yàn)規(guī)程》SL237—1999進(jìn)行,采用比重瓶法測量,計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 全尾砂密度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

礦床受斷裂帶的影響,主要賦存在黃鐵絹英巖化碎裂巖和黃鐵絹英巖化花崗巖中。選廠的尾砂產(chǎn)出率達(dá)到95%,全尾砂中SiO2含量占73.5%,屬于惰性材料,無堿集料反應(yīng)。全尾砂的化學(xué)成份分析見表2。

表2 化學(xué)成份分析表

全尾砂的粒級(jí)組成多用不同粒徑區(qū)段的顆粒重量百分比表示,尾砂的粒級(jí)組成對(duì)于充填料漿的性質(zhì)有著重要的影響。全尾砂粒級(jí)組成見表3。

表3 全尾砂粒級(jí)組成表

由表3可以看出,全尾砂中小于20 μm極細(xì)尾砂占比為30.10%,大于74 μm的較粗尾砂約占40.44%,平均粒徑為75.36 μm,屬于中粗尾砂。Cu=d60/d10=12.27,全尾砂級(jí)配Cu＞5,說明級(jí)配較好,適合作為充填原材料。

4 充填料漿流變特性實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)原理

剪切屈服應(yīng)力τ和黏度系數(shù)η是研究充填料漿流變特性的重要參數(shù)。對(duì)于非牛頓流體,剪切屈服應(yīng)力τ主要指充填料漿發(fā)生屈服時(shí)的正應(yīng)力,只有當(dāng)外部施加的外力大于該剪切屈服應(yīng)力,才能克服料漿中細(xì)顆粒絮凝團(tuán)之間的相互作用,實(shí)現(xiàn)充填料漿的流動(dòng)。充填料漿流動(dòng)時(shí),必然在漿體內(nèi)部產(chǎn)生剪應(yīng)力以阻止料漿的相對(duì)運(yùn)動(dòng),料漿流體的這一特性稱為黏度。充填料漿的黏度值一般與抵抗流體剪切變形的能力呈正比例關(guān)系[3]。

沿程阻力損失則表示為流體克服黏阻力而損失的能量,輸送管路越長,所損失的能量越多,是判斷充填料漿輸送性能的重要因素。

全尾砂充填料漿作為一種復(fù)雜的固液兩相濃懸浮液體系,在管路輸送過程中管壁剪切應(yīng)力與剪切速率并非遵循簡單的線性關(guān)系,屬于一種屈服偽塑性流體。當(dāng)全尾砂充填料漿的濃度超過臨界濃度值時(shí),剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化近似呈線性關(guān)系。因此,在工程實(shí)踐中一般將高濃度全尾砂充填料漿視為賓漢姆流體[4-5]。賓漢姆流體的具有一定的初始剪切應(yīng)力,低于此值時(shí)不會(huì)流動(dòng),其本構(gòu)方程如式(1)所示。

式中:τ——管壁剪切應(yīng)力,Pa;

τ0——初始剪切應(yīng)力(或剪切屈服應(yīng)力),Pa;

η——黏度系數(shù),Pa·s;

du/dy——剪切速率,s-1。

根據(jù)料漿管道流速的分布,通過沿程阻力計(jì)算公式可以推導(dǎo)出不同流量、不同管徑輸送時(shí)充填料漿的沿程阻力損失,其單位長度沿程阻力公式為

式中:im——單位長度沿程阻力,MPa/m;

D——直管內(nèi)徑,m;

μB——賓漢姆黏度(Pa·s),具有黏度量綱的常數(shù);

v——平均流速,m/s;其中,Q為料漿流量,m3/s。

4.2 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)采用R/S-SST型軟固體流變儀測定充填料漿的相應(yīng)黏度和動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力,具體如圖1所示,測量的數(shù)據(jù)可以在Rhoe3000軟件上進(jìn)行批量處理。這種測量流變參數(shù)的方法靈活簡單,數(shù)據(jù)重復(fù)可靠,大大提高了充填料漿流變特性參數(shù)的測量精度和效率。該流變儀的基本工作原理是采用動(dòng)態(tài)測定法,設(shè)置好剪切速率和測試時(shí)間,通過高速電機(jī)帶動(dòng)十字形轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),充填料漿對(duì)轉(zhuǎn)子施加黏滯阻力,通過儀器內(nèi)部的傳感器元件將這種阻力轉(zhuǎn)換為扭矩和剪切應(yīng)力,并實(shí)時(shí)繪制測試充填料漿的流變特性曲線圖,利用賓漢姆模型、H-B(赫歇爾-伯克利)模型或自定義模型對(duì)監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得到漿體的流變本構(gòu)關(guān)系方程。

圖1 RST-SST流變儀

根據(jù)已經(jīng)完成的塌落度試驗(yàn)和強(qiáng)度配比試驗(yàn),分別配置濃度為68%、70%、72%、74%,灰砂比為1∶6、1∶10的全尾砂膠結(jié)充填料漿作為本次流變?cè)囼?yàn)測試對(duì)象,另外配置濃度為70% ～76%的全尾砂料漿作參考。膠凝材料選用膠固粉。試驗(yàn)溫度保持在24℃下進(jìn)行,盡量減少溫度變化對(duì)測試結(jié)果的影響。圖2、圖3所示分別為濃度70%、灰砂比1∶6的全尾砂膠結(jié)充填料漿黏度和剪切率流變特性曲線圖和剪切應(yīng)力-剪切速率的流變特性曲線圖。

圖2 黏度-剪切率流變特性曲線圖(濃度70%、灰砂比 1∶6)

圖3 剪切應(yīng)力-剪切速率的流變特性曲線(濃度70%、灰砂比1∶6)

4.3 料漿流變參數(shù)分析

利用Rhoe3000軟件對(duì)各組方充填料漿的流變特性曲線進(jìn)行擬合,可以得到不同組方的全尾砂充填料漿的動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力τ0和黏度系數(shù)η之間的回歸方程,具體見表4?？梢园l(fā)現(xiàn)剪切應(yīng)力與剪切速率基本呈線性關(guān)系,回歸方程的穩(wěn)定指數(shù)R2大于0.94,可以采用賓漢姆流變模型來描述該礦全尾砂充填料漿的流變特性。

表4 不同組方充填料漿Bingham流變模型回歸表

從表中也不難看出,充填料漿的動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力τ0隨著質(zhì)量濃度的不斷增加而增大,這是因?yàn)槌涮盍蠞{中含有正負(fù)電荷顆粒互相吸引,當(dāng)質(zhì)量濃度越大時(shí),含有的顆粒數(shù)量越大,顆粒在料漿中形成的絮團(tuán)結(jié)構(gòu)需要施加一定的抗剪能力才能使料漿流動(dòng),即需要克服料漿的屈服應(yīng)力。

充填料漿的動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力隨著灰砂比的增加表現(xiàn)出增加的趨勢,尤其在膠結(jié)充填料漿與全尾砂非膠結(jié)充填料漿之間,這種現(xiàn)象表現(xiàn)的更為明顯。這是因?yàn)槟z凝材料相對(duì)全尾砂的粒徑較細(xì),具有更大的比表面積,粒子之間有更大的相互作用的面積,進(jìn)而表現(xiàn)出更高的屈服應(yīng)力和黏度,灰砂比1∶6與灰砂比1∶10的充填料漿之間的屈服應(yīng)力值差異相對(duì)很小。

5 基于FLUENT的管道輸送數(shù)值仿真

5.1 模型建立

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)值仿真技術(shù)的發(fā)展,目前模擬充填管路輸送過程的軟件主要有FLUENT、FLOW-3D及FLOTRAN等,其基本原理是通過數(shù)值求解控制流體流動(dòng)的微分方程,得出流體流動(dòng)的流場在連續(xù)區(qū)域上的離散分布,從而近似模擬流體流動(dòng)情況[6]。

本次試驗(yàn)利用FLUENT軟件建立該金礦的充填管路輸送系統(tǒng)。該軟件可以可以根據(jù)雷諾數(shù)Re精確地模擬無黏流、層流、湍流等模型,也可以根據(jù)需要自定義流變模型。Fluent軟件的求解步驟一般需要通過幾個(gè)基本步驟,并提供相關(guān)的參數(shù)或物理量。

(1)通過 Solidworks或者 SpaceClaim等建模模型。

(2)采用ICEM或Meshing等劃分網(wǎng)格。

(3)針對(duì)模型的特征,運(yùn)行合適的解算器:2D、3D、2DDP、3DDP。

(4)輸入網(wǎng)格文件msh,檢查網(wǎng)格,如果出現(xiàn)負(fù)體積的情況則需要進(jìn)行檢查修改。

(5)根據(jù)流體的特征,比如可壓縮流或不可壓縮流、定常狀態(tài)或非定常狀態(tài)等,從而選擇解的格式。

(6)選擇需要解的基本方程:層流還是湍流、化學(xué)組分還是化學(xué)反應(yīng)、熱傳導(dǎo)模型等。

(7)設(shè)置材料的屬性,包括比重、黏度等參數(shù)設(shè)定。

(8)指定操作環(huán)境、邊界條件,調(diào)節(jié)解的控制參數(shù),以達(dá)到預(yù)期的效果。

(9)初始化流場,進(jìn)行迭代,迭代結(jié)束后檢查、保存結(jié)果。

井下充填管路直徑146 mm,壁厚12 mm,充填管路總長3 148 m。本次管道輸送模擬仿真試驗(yàn)利用Solidworks前處理軟件建立充填管路模型,利用Meshing工具將管路劃分六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,按照礦山真實(shí)的充填管路建立1∶1比例的輸送仿真模型,如圖4所示,模型中共劃分為 10段管道,長度3 148 m,網(wǎng)格數(shù)量共計(jì)881 244個(gè)。

圖4 三維充填管道數(shù)值仿真模型

5.2 基本假設(shè)與邊界條件

1)基本假設(shè)

鑒于充填料漿在管路輸送過程中的流變性及管路輸送工藝的復(fù)雜性,需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康拇_定主要影響因素,簡化其他因素。對(duì)充填料漿和管路的相關(guān)特性進(jìn)行必要的說明和假設(shè):

(1)充填料漿的黏性不隨溫度、時(shí)間的變化而變化。

(2)充填料漿為賓漢姆體模型且不可壓縮。

(3)不考慮采礦作業(yè)擾動(dòng)等對(duì)充填管路的影響。

(4)不考慮與外界環(huán)境的熱交換。

(5)充填料漿在管道輸送過程中處于滿管狀態(tài)。

2)邊界條件

將模型入口的inflow流速設(shè)置為勻速,流速方向垂直于管道的橫截面,出口方向設(shè)置為outflow。管道壁面采用無滑移邊界條件。采用自流輸送方式,入口壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力。設(shè)置Z方向的重力加速度值為-9.8 m/s2。

模擬工況同表4中的各組數(shù)據(jù),流量設(shè)置為80 m3/h,充填管路凈直徑122 mm,對(duì)應(yīng)的流速為1.90 m/s,并輸入各組方的料漿容重ρj。

5.3 模擬結(jié)果分析

1)灰砂比對(duì)沿程阻力損失的影響

圖5所示分別為全尾砂、灰砂比1∶10、灰砂比1∶6,質(zhì)量濃度72%的充填管路壓力分布云圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)從地表140 m到井下-380 m水平,豎直管路的壓力從上到下逐漸增大,在-380 m水平豎直彎管處壓力達(dá)到最大值。由黏性流體的伯努利方程(式3)可知,重力勢能在克服管路沿程阻力損失hw后,豎直管路的壓力逐漸增加,在彎管處流體的動(dòng)能最大。因此,在日常生產(chǎn)管理過程中,需要加強(qiáng)彎管處的管路監(jiān)測和維護(hù),防止管路過度磨損或發(fā)生堵管事故。水平管路由于存在沿程阻力損失hw,在重力勢能維持不變的情況下,充填管路的壓力逐漸減小,可以起到水平管路充填減壓的作用。

圖5 不同灰砂比下充填管路壓力分布(質(zhì)量濃度72%)

黏性流體的伯努利方程見式(3)

式中,Z1、Z2分別為單位質(zhì)量流體的位能,p1/ρg稱為流體功分別為單位質(zhì)量流體的動(dòng)能,hw為阻力損失。

從全尾砂到灰砂比1∶10、灰砂比1∶6變化時(shí),充填管路出口處的壓力從12.47 MPa、7.98 MPa到7.07 MPa逐漸減小,沿程阻力損失則逐漸增大。主要是因?yàn)榧?xì)粒徑膠凝材料比表面積大,隨著膠固粉的增加,充填料漿的屈服應(yīng)力相應(yīng)增加。

2)質(zhì)量濃度對(duì)沿程阻力損失的影響

圖6所示為灰砂比為1∶6,質(zhì)量濃度分別為68%、70%、74%時(shí)的充填管路壓力分布云圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn),隨著充填料漿質(zhì)量濃度的增加,出口處的壓力值大幅度降低,沿程阻力損失大幅度增加。即充填料漿的質(zhì)量濃度與沿程阻力損失成正比例關(guān)系。

圖6 不同質(zhì)量濃度下充填管路壓力分布(灰砂比1∶6)

3)自流輸送可行性驗(yàn)證

為了滿足充填料漿的自流輸送,一般需要滿足一定的高差,在充填料漿輸送時(shí)產(chǎn)生一定的勢能來克服充填管路的阻力。充填系統(tǒng)應(yīng)滿足以下條件

式中,H是充填料漿入口和出口的垂直高差,m;ρj為料漿密度,t/m3;im為阻力損失,kPa/m;L為充填管路總長度,m。

當(dāng)重力勢能大于沿程阻力損失時(shí),充填料漿可以實(shí)現(xiàn)自流輸送,反之則需要泵壓輸送。

表5中對(duì)充填管路輸送的數(shù)值仿真結(jié)果與室內(nèi)流變?cè)囼?yàn)的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證,結(jié)果表明兩種計(jì)算方式的誤差控制在10%以內(nèi),說明數(shù)值仿真模型計(jì)算的結(jié)果精確度較高,仿真結(jié)果對(duì)于優(yōu)化礦山充填系統(tǒng)具有重要的指導(dǎo)意義。表5中的各組方充填料漿的沿程壓差均為正值,可以實(shí)現(xiàn)自流輸送,無需泵壓輸送。

表5 充填料漿管路輸送沿程阻力損失驗(yàn)證

4)充填料漿臨界輸送濃度確定

充填倍線是表征充填系統(tǒng)料漿輸送的重要參數(shù)。為保證充填料漿順利實(shí)現(xiàn)管道自流輸送,幾何充填管路倍線N要小于最大允許充填倍線Nmax。

最大允許充填倍線Nmax是根據(jù)砂漿水力坡度和漿體容重計(jì)算的,實(shí)際應(yīng)用中可按式(5)估算:

式中:K3——垂直管段的滿管系數(shù),取0.9;

γj——砂漿容重,t/m3;

K4——管道局部阻力系數(shù),取1.1;

im——砂漿水力坡度(阻力損失),104Pa/m。

根據(jù)該金礦現(xiàn)有的充填管路系統(tǒng)布置情況,充填倍線普遍為2.5～4,部分采場最大達(dá)到4.6。由式(5)計(jì)算各料漿組方的最大允許充填倍線Nmax,結(jié)合表5中的數(shù)據(jù),最終確定全尾砂膠結(jié)充填料漿的臨界輸送濃度為72%,具體數(shù)據(jù)見表6。對(duì)于偏遠(yuǎn)采場,需要適當(dāng)降低輸送濃度滿足自流輸送的要求。

表6 全尾砂膠結(jié)充填料漿臨界輸送濃度

6 結(jié)論

(1)為了提高尾砂的綜合利用率,減輕尾礦庫的庫容壓力,需要將現(xiàn)有的分級(jí)尾砂充填系統(tǒng)改造為高濃度全尾砂充填系統(tǒng)。

(2)對(duì)全尾砂的物理特性進(jìn)行分析,全尾砂的平均比重為 2.701 t/m3;全尾砂中 SiO2含量占73.5%,屬于惰性材料,無堿集料反應(yīng);全尾砂級(jí)配Cu＞5,級(jí)配較好,屬于中粗尾砂,適合作為井下充填原材料。

(3)利用流變儀對(duì)全尾砂充填料漿的黏度和動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力進(jìn)行測定。研究結(jié)果表明高濃度全尾砂充填料漿符合非牛頓流體中賓漢姆流體的特征。充填料漿的動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力τ0隨著質(zhì)量濃度和灰砂比的不斷增加而增大。

(4)基于Fluent軟件建立了與礦山實(shí)際充填管路輸送系統(tǒng)1∶1比例的數(shù)值仿真模型,分別模擬了不同濃度和配比的充填料漿在管道中的流動(dòng)特性和沿程阻力損失情況,模擬結(jié)果表明,沿程阻力損失與料漿質(zhì)量濃度和灰砂比呈正比關(guān)系,濃度越大,阻力損失越大;灰砂比對(duì)沿程阻力損失的影響較小。

(5)數(shù)值仿真結(jié)果與室內(nèi)流變?cè)囼?yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證,結(jié)果表明用Fluent軟件建立的管道輸送數(shù)值仿真模型的精確度較高。通過數(shù)值仿真手段可以節(jié)約礦山的試驗(yàn)成本,仿真結(jié)果對(duì)于優(yōu)化礦山充填系統(tǒng)具有重要的指導(dǎo)意義。

(6)根據(jù)沿程阻力損失的計(jì)算結(jié)果,計(jì)算各組方充填料漿的最大允許充填倍線Nmax,并確定全尾砂膠結(jié)充填料漿的臨界輸送濃度為72%,為礦山下一步全尾砂充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐。