全尾砂充填料漿管道輸送試驗研究

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.河北鋼鐵集團礦業有限公司， 河北唐山市 063700)

全尾砂充填料漿管道輸送試驗研究

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.河北鋼鐵集團礦業有限公司， 河北唐山市 063700)

充填礦山為獲最佳輸送參數往往需環管輸送試驗，但該類試驗需要較多的測試裝置和試驗物料，且時間長、費用高。針對這些缺陷，在某鐵礦充填料漿管道輸送試驗研究中提出了一種簡單實用型管道輸送試驗方法。試驗表明:該法結合坍落度、簡易流動性輔助試驗能夠直觀掌握充填料漿流動特性，通過對影響管道阻力損失的各種因素進行分析，可以確定礦山最佳輸送參數。

全尾砂充填料漿;坍落度;簡易型流動試驗;管道阻力損失;最佳輸送參數

0 引言

高濃度充填系統在設計、調試生產過程中需要最佳自流輸送參數，如流量、濃度、充填倍線等，如果這些參數選擇不當，料漿在輸送過程中易發生堵管、不滿管輸送、管路磨損過快等諸多問題。而國內、外礦山因礦石性質、選礦工藝不同，排出全尾砂的組分和粒級組成是千差萬別的，大多數礦山不能完全參考其它礦山運行參數，只能依據礦山全尾砂實際情況進行環管管道輸送試驗。環管輸送試驗的優點能夠在現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的參數，但該類試驗消耗人力、物力過大，且需時間過長，因此，在某些礦山無法進行。本次管道輸送試驗采用L型管道對某鐵礦進行了試驗。該試驗設備簡單、易操作，無需任何檢測儀表(如濃度計、流量計和壓力表等)。

1 L管試驗系統及其原理

1.1 L管管路輸送系統

L管試驗系統設備簡單，可以在現場短時間制作完成，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管管路輸送試驗原理

充填料漿在流動時的受力狀態如圖1所示。根據能量守恒定律，可得出如下公式:

式中:P——進口處壓力

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。

圖1 管內流體受力分析

沿程損失中的局部損失一項包括彎管損失、接頭損失等等，計算較為繁雜，為了簡化起見，一般取其為直管損失的10%～20%，在數據分析計算時，取10%。

則將上述各項代入(1)式，化簡后得:

隨著試驗過程的進行，料斗內料漿料面下降，流速逐漸降低，最終停止流動時，豎管內料柱高度為h0，料漿自重壓力與管道靜摩擦阻力相平衡，這時即可按以下公式計算料漿的屈服剪切應力:

在試驗過程中，計算充填料漿在管道中的流速V，則根據式(2)、(3)即可分別計算相應的 τ0、τ，同時根據賓漢流變方程可計算出料漿的粘性系數η，即:

根據式(3)、(4)得到不同灰砂比和不同濃度下料漿流變系數，并結合該鐵礦井下實際鋪設管道管徑(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

為保障高濃度料漿在試驗管道內自流順暢輸送，減少堵管事故機率，為此進行了坍落度和簡易流動性測定試驗。坍落度試驗采用標準的圓錐桶，桶高300 mm，上口直徑100 mm、下口直徑200 mm，按建筑工程規范測定不同灰砂比條件下各種濃度全尾砂膠結充填料漿的坍落度。流動性簡易測量裝置由2 L可樂瓶和支架構成，通過測定砂漿放出時間的長短來初步判斷其流動性。

3 試驗結果與分析

3.1 坍落度測量結果與數據分析

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

表1 某鐵礦全尾砂膠結料坍落度測定

試驗表明: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，塌落度小于17.5 cm，仍保持坍落桶形狀，而當料漿濃度在72%～75%范圍時，塌落度＞27 cm，料漿流動性明顯變化、全面鋪開，且沒有出現水砂分離或大量泌水等不良現象;當料漿濃度繼續稀釋至70%時，部分水砂比呈現出水砂分離現象。

3.2 流動性簡易測量結果與數據分析

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

3.3 管道阻力損失分析

(1)輸送流量對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，當流量增大至120 m3/h時，壓力損失變化率變大，特別是灰砂比高的料漿，可以判斷該點是漿體流動狀態發生改變即從層流變成紊流狀態的過度點。為保證料漿流動狀態為層流并結合該礦實際制備生產能力，確定流量優化范圍80～100 m3/h。從圖3可以發現，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%)，流量變化時阻力損失曲線

圖3 同一灰砂比不同濃度(1∶6)，流量變化時阻力損失曲線

(2)輸送濃度對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的濃度變化阻力損失曲線和同一灰砂比不同流量時的濃度變化阻力損失曲線。可以看出輸送阻力受濃度的影響更加明顯，損失曲線總體呈升高趨勢，但濃度在72%～74%范圍時阻力損失變化平緩，壓力損失在2 kPa/m左右(計算最大幾何倍線為7)。結合坍落度試驗結果，完全可以確定該范圍為最優。

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(1∶6)，濃度變化時阻力損失曲線

(3)水泥添加量對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%)，灰砂比變化時阻力損失曲線

4 試驗結論

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

(2)管道阻力大小與料漿濃度、流量、灰砂比有關，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。結合該礦實際，很方便得到了最優自流輸送參數:流量80～100 m3/h;濃度72%～74%;幾何倍線小于7。

(3)試驗結果為礦山下一步充填調試和生產提供了可靠的技術支撐和保障，試驗方法可為類似礦山提供參考。本次L管輸送試驗中，并沒有考慮管道材料因素，建議礦山在調試和生產過程中對參數稍加調整。

［1］ 周愛民.礦山廢料膠結充填［M］.北京:冶金工業出版社，2007.

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

［3］ 姚中亮.全尾砂結構流體膠結充填的理論與實踐［J］.礦業研究與開發，2006，(S1).

［4］ 蘆世俊.全尾砂高濃度充填料漿自流輸送系統特性分析及設計［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用工作，Email:616579060@qq.com。