戈壁砂和棒磨砂骨料充填料漿管輸特性試驗

楊志強，高 謙，姚維信，劉洲基

(1.北京科技大學 土木與環境工程學院 北京 100083;2.金川集團股份有限公司 鎳鈷資源綜合利用國家重點實驗室，甘肅 金昌 737100)

戈壁砂和棒磨砂骨料充填料漿管輸特性試驗

楊志強1,2，高 謙1，姚維信2，劉洲基2

(1.北京科技大學 土木與環境工程學院 北京 100083;2.金川集團股份有限公司 鎳鈷資源綜合利用國家重點實驗室，甘肅 金昌 737100)

基于利用戈壁砂替代棒磨砂骨料來降低充填采礦成本的目的，開展兩種骨料充填料漿管道輸送特性試驗。首先進行戈壁砂和棒磨砂兩種骨料的粒徑級配分析，結果顯示兩種充填骨料的粒徑級配基本相同。然后采用L管試驗裝置，對兩種骨料的充填料漿進行流變特性對比試驗。結果表明：在相同條件下，當質量濃度小于82%，兩種骨料充填料漿流變特性不存在本質上的差異；當料漿質量濃度大于82%時，戈壁砂充填料漿流變特性優于棒磨砂；當充填管徑大于130 mm時，兩種骨料充填料漿流變特性基本相同；當充填管徑小于130 mm和質量濃度小于82%時，戈壁砂充填料漿流變特性優于棒磨砂。由試驗結果可知，當料漿質量濃度小于82%和管徑小于130 mm的管道輸送條件下，戈壁砂替代棒磨砂充填料漿的管輸特性沒有變化。采用高濃度和大管徑管道輸送時，戈壁砂充填料漿更有利于管道輸送。由此表明，金川礦山充填采礦中利用廉價的戈壁砂替代棒磨砂骨料，能夠降低充填成本，提高充填采礦經濟效益。

戈壁砂；棒磨砂；充填料漿；管輸特性；對比分析

充填法采礦不僅能夠提高資源回收率和降低礦石貧化率，而且還可以減少廢棄物排放，控制巖移地表塌陷，從而保護環境和防控地質災害。可以預見，充填法采礦是未來資源開發的發展趨勢。與其他采礦方法相比，充填采礦法回采工藝復雜，采礦技術難度大，采礦成本高。其中充填骨料和膠凝材料是采礦成本的重要組成部分。低成本充填集料采礦技術研究，是提高充填采礦效益的重要途徑[1-4]。由于不同充填集料料漿流動特性與管輸阻力存在較大差異，許多學者針對不同充填集料，開展了充填料漿流變特性和管輸阻力研究[5-8]，為不同充填骨料的充填法采礦提供了理論依據。

金川礦山采用下向分層進路充填法采礦，是我國最早采用充填法采礦的大型有色金屬礦山之一。充填法采礦對充填體強度要求高，因此采用棒磨砂充填骨料，導致充填成本居高不下。為了降低充填采礦成本，自2004年以來將棒磨砂細骨料顆粒最小粒徑篩分等級從小于3 mm提高到小于5 mm；同時針對棒磨砂與尾砂混合骨料，開展了高濃度料漿管道輸送特性研究[9-13]。尤其近年來，開展了廢石與棒磨砂的混合骨料充填采礦技術研究[14-17]，為尾砂和廢石等廢棄物在金川礦山充填采礦中的應用提供了理論依據。根據金川礦山周圍戈壁集料的考察和物化特性分析，發現戈壁集料自然級配良好，含泥量小于5%，是一種理想的充填集料，經篩分的小于5 mm戈壁砂替代棒磨砂可用于礦山充填采礦。本文開展棒磨砂和戈壁砂混合集料的充填料漿流變特性和管輸阻力研究，為戈壁砂充填集料在金川礦山充填采礦中的應用奠定基礎。

1 充填料物化特性與粒徑級配分析

表1給出金川礦山附近戈壁砂的自然級配分析結果，表2為棒磨砂和戈壁砂的物化特性參數。表3給出兩種充填骨料的粒度級配特征參數，圖1和圖2顯示棒磨砂和戈壁砂粒徑分布曲線。由此可見，棒磨砂粒徑級配不符合正態分布，戈壁砂粒度級配基本符合正態分布，戈壁砂顆粒粒度分布優于棒磨砂。

表1 金川礦山戈壁砂自然粒徑級配分布參數Tab.1 Natural particle size gradation distribution parameters of Gobi sand aggregate in Jinchuan mine

表2 金川棒磨砂與戈壁砂物化特性分析結果Tab.2 The physical and chemical properties analysis results for rod mill sand and river sand in Jinchuan mine

表3 金川礦山棒磨砂與戈壁砂粒徑級配分布特征參數Tab.3 Particle size gradation distribution parameters of rod-mill sand and Gobi sand in Jinchuan mine

圖1 金川礦山棒磨砂粒徑級配分布曲線Fig.1 Particle size gradation distribution of rod-mill sand

圖2 金川戈壁砂粒徑級配分布曲線Fig.2 Particle size gradation distribution of Gobi sand

2 充填料漿流變特性參數的L試驗

2.1 L管試驗裝置

圖3(a)所示為充填料漿流變特性L管試驗裝置，試驗裝置由料漿斗、垂直管和水平管組成。圖3(b)所示為料漿在L管中流動時的受力狀態。通過測定L管試驗裝置中的流動參數，如料漿流量、流速、靜止狀態下垂直管中料柱高度等參數，可以推導出充填料漿初始剪切應力τ0及粘性系數η的計算公式。根據能量守恒定律，得出

P0+Pg=Pl+P′。

(1)

圖3 充填料漿流變特性L試驗裝置與料漿受力分析Fig.3 L tube apparatus for filling slurry rheological property test and slurry force analysis

將各項計算表達式代入(1)式得

(2)

試驗中，隨著料斗內料漿液面逐漸下降，流速隨之降低，最終停止流動，此時豎管內料柱高度為h0，料漿的自重壓力與管道靜摩擦阻力平衡，由此料漿初始屈服剪切應力計算公式為

(3)

根據管道充填料漿流量Q計算料漿的流速

(4)

由式(2)和(3)計算τ0、τ。料漿粘性系數η的計算公式為

(5)

2.2 充填料漿管輸阻力計算

含有一定比例的-20 μm細顆粒集料和坍落度為18～22 cm的高濃度料漿，其流變特性不同于牛頓流體，也不同于固液兩相流。牛頓流體靜止時沒有剪切應力，當其沿管道流動且流速較低時為層流狀態，流速較高時則呈紊流狀態，其流動阻力主要與粘度及流速有關。料漿流動阻力與剪切速率曲線τ～dv/dy為通過坐標原點的直線。固液兩相流沿管道流動處于紊流狀態，固體顆粒必須在水流的帶動下呈懸浮、跳躍、滑動或滾動等方式向前運動，其顯著特征是液體的流速與固體顆粒流速存在差異。一旦管內流速降低到臨界流速以下或靜止時，固體顆粒在自重作用下沉淀于管道底部，在管道中產生分層和離析。

根據中國金融學會綠色金融專業委員會發布的《綠色債券支持項目目錄（2015年版）》，綠色債券可以劃分為6大類，分別是節能、污染防治、資源節約與循環利用、清潔交通、清潔能源以及生態保護和適應氣候變化。另外由于金融債的特殊性，將其單獨作為一類。54只綠色債券資金投向多個類別的用途：其中有45只屬于金融債，規模為1294億元；9只非金融債，規模為59.74億元。

高濃度料漿流變特性可采用賓漢流體來描述，即流體自身具有一定初始抗剪切變形能力。料漿沿管道流動的摩擦阻力

τ=τ0+η(dV/dy)。

(6)

式中：τ—料漿與管壁間剪切應力，Pa；τ0—屈服應力，Pa；η—粘性系數，Pa·s；dV/dy—剪切速率，s-1。

圖4 充填料漿在管道內流動的受力狀態Fig.4 Stress state of filling slurry flowing in the pipe

賓漢姆流體沿管道流動過程中的受力狀態如圖4所示。

取長度為l，半徑為r的一段圓柱體，其充填料漿平衡方程式為：

(p+Δp)πr2=pπR2+2πR·l；

(7)

即

(8)

將式(8)代入式(6)得：

(9)

對r積分，且根據邊界條件r=R時，V=0，獲得料漿流速在管內的分布函數：

(10)

式中：Δp——長度為l時的漿體兩端壓力差；R—管道半徑。

由式(10)可知，管道內不同位置的漿體剪切速率和剪切應力，隨管道半徑r的變化而變化。當r=R即在管壁內，料漿剪切速率及剪切應力達到最大，越靠近管道中心越小。當料漿的剪切應力小于其屈服應力τ0時，漿體的剪切速度為0。根據(9)式，令dv/dy=0可得到：

(11)

式中：i—單位管道長度的料漿壓力損失，即料漿管道輸送阻力，Pa/m。

(12)

式中：D—管道內直徑，m。

3 料漿流變特性試驗結果與分析

1) 料漿流變特性試驗與結果

根據金川礦山充填過程與充填工藝參數，針對棒磨砂和戈壁砂兩種骨料，分別進行85%、82%、79%和76%四種濃度條件下充填料漿流變特性試驗，試驗結果見表4。

表4 不同料漿濃度的棒磨砂和戈壁砂料漿流變特性試驗結果Tab.4 Test results of rheological properties of the two kinds of filling slurry with different concentrations

2) 料漿流變特性影響因素分析

圖5為棒磨砂和戈壁砂骨料充填料漿初始屈服應力和粘度系數與料漿濃度的關系曲線。由表4及圖5可見，料漿流變參數隨濃度的增加而增大。當濃度小于82%時，兩種骨料料漿流變參數基本相同；但濃度大于82%時，棒磨砂料漿流變特性顯著大于粗骨料戈壁砂料漿。圖6和圖7分別為兩種充填料漿的塌落度和容重與料漿濃度的關系曲線。由此發現，兩種骨料的充填料漿塌落度和容重均隨濃度的增加而分別呈現減小和增大趨勢。濃度大于82%時，棒磨砂塌落度大于戈壁砂，而濃度小于82%時，棒磨砂容重小于戈壁砂。

圖5 棒磨砂和戈壁砂料漿流變特性與料漿濃度的關系曲線Fig.5 Relation curves between the rheological properties and slurry concentration of the two kinds of filling aggregate

圖6 棒磨砂和戈壁砂料漿塌落度與料漿濃度的關系曲線Fig.6 Relation curves between the slurry slump and slurry concentration of the two kinds of filling aggregate

圖7 棒磨砂和戈壁砂料漿容重與料漿濃度的關系曲線Fig.7 Relation curves between the slurry bulk density and slurry concentration of the two kinds of filling aggregate

4 充填料漿管道輸送阻力研究

根據L管試驗的充填料漿流變特性試驗結果，由式(14)計算管道中的料漿流動阻力

(14)

式中：i—料漿輸送管道單位長度的流動阻力，Pa/m；V—管中料漿流動速度，m/s，由式(4)計算；D—充填料漿管徑，m。

根據金川礦山充填管網的管道直徑以及充填生產能力，不同濃度的棒磨砂和戈壁砂料漿在不同管徑中管輸阻力的計算結果見表5和表6。由此可見，料漿管輸阻力隨管徑的增加迅速降低。流量越大，降低速率也越大，但管徑增加到125 mm時降低速率減小。根據表5中質量濃度為85%的棒磨砂料管輸阻力與流量的關系可以發現料漿管輸阻力隨管道流量的增加呈線性增大。管徑越小增大的速率越大。管徑125 mm和150 mm的管阻增加速率相差不大。由此可見，采用130 mm的管徑最為經濟。

表5 棒磨砂充填料漿流動阻力計算結果Tab.5 Calculation results of filling slurry flow resistance of rod-mill sand aggregate kPa/m

續表5

表6 戈壁砂充填料漿流動阻力計算結果Tab.6 Calculation results of filling slurry flow resistance of Gobi sand aggregate kPa/m

由表5中流量為80 m3/h的棒磨砂料漿管輸阻力與質量濃度的關系可以發現，管輸阻力隨料漿濃度的增加而增大。尤其在質量濃度大于82%和管徑D=80 mm的小管徑時增加顯著。在質量濃度小于82%的輸送條件下，管徑為D=125 mm和D=150 mm的管輸阻力差別不大。由表5中管徑為125 mm的棒磨砂料漿管輸阻力與料漿濃度的關系可以發現，質量濃度小于82%的管輸阻力隨濃度增加的速率較小。但當質量濃度大于82%時，管輸阻力隨濃度增大速率迅速提高。

根據表5和表6中管徑為125 mm和流量為80 m3/h的棒磨砂和戈壁砂兩種骨料料漿管輸阻力與濃度的關系可以看出，當質量濃度小于82%的兩種骨料的料漿管輸阻力基本相同，但當質量濃度大于82%時，棒磨砂料漿的管輸阻力顯著大于戈壁砂。由表5和表6中管徑為125 mm和流量為80 m3/h的兩種骨料料漿管輸阻力與管徑的關系可以看出，當管徑小于130 mm，棒磨砂料漿管輸阻力顯著大于戈壁砂；當管徑大于130 mm，棒磨砂料漿管輸阻力稍大于戈壁砂，但兩種骨料的充填料漿管輸阻力不存在本質上的差異。

5 結論

利用金川礦區附近戈壁砂替代棒磨砂進行充填法采礦，是降低金川礦山充填采礦成本的途徑之一。通過戈壁砂和棒磨砂兩種骨料的充填料漿流變特性試驗和管輸阻力對比研究，獲得如下結論：

1) 相同條件下，當料漿濃度小于82%時，棒磨砂和戈壁砂兩種骨料的充填料漿的流變參數相差不大；但濃度大于82%時，棒磨砂料漿流變特性優于戈壁砂充填料漿。

2) 管道直徑小于130 mm時，棒磨砂充填料漿的管輸阻力隨流量的增加迅速增大；但當管徑大于130 mm 時，管輸阻力隨流量的增大而增大不顯著。

3) 當管徑大于130 mm和料漿濃度小于82%，棒磨砂和戈壁砂兩種骨料的料漿濃度流變特性和管輸阻力不存在本質的差異，戈壁砂替代棒磨砂應用于金川礦山充填采礦中不僅可行而且可靠。

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(責任編輯：呂海亮)

Experiment on Pipeline Characteristics of Filling Slurry of Gobi Sand and Rod-mill Sand Aggregates

YANG Zhiqiang1,2,GAO Qian1,YAO Weixin2,LIU Zhouji2

(1.School of Civil and Environmental Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China;2.National Key Laboratory of Nickel and Cobalt Resources Comprehensive Utilization,Jinchuan Group Co.Ltd, Jinchang,Gansu 737100,China)

In order to reduce the filling mining cost by using Gobi sand to replace rod-mill sand aggregate,an experiment on the pipeline characteristics of two kinds of filling slurry was carried out.First,the particle size gradation of Gobi sand and rod-mill sand aggregates was analyzed.The results show that the particle size gradation of the two kinds of filling aggregates is basically the same.Then a comparison experiment on filling slurry rheological properties of the two kinds of aggregates was conducted by using the L tube test apparatus.The results show that under the same conditions,there is no fundamental difference in the rheological properties of filling slurry between Gobi sand and rod-mill sand aggregates when the slurry mass concentration is less than 82%.But when the slurry mass concentration is greater than 82%,the rheological properties of filling slurry of Gobi sand are superior to those of rod-mill sand.The filling slurry rheological properties of the two kinds of aggregates are basically the same when the pipe diameter is greater than 130 mm,while the filling slurry rheological properties of Gobi sand aggregate are better than those of rod-mill sand aggregate when the pipe diameter is less than 130 mm and the mass concentration is less than 82%.The results also indicate that the pipeline transportation bears no change when the rod-mill sand is replaced by Gobi sand if the slurry mass concentration is less than 82% and the pipe diameter is less than 130 mm.But if high concentration and large diameter transportation pipeline are adopted,the pipeline transportation of Gobi sand filling slurry is better than that of rod-mill sand.Accordingly,it is feasible to replace rod-mill sand aggregate with the cheap Gobi sand aggregate in the filling mining of Jinchuan Mine,which can reduce the filling mining cost and improve the filling mining economic benefits.

Gobi sand;rod-mill sand;filling slurry;pipelining characteristics;contrastive analysis

2016-04-04

國家高技術研究發展計劃(“863”)項目(SS2012AA062405)；鎳鈷資源綜合利用國家重點實驗室資助項目(金科礦2015-01)

楊志強(1957—),男,山西萬榮人,教授級高級工程師，主要從事金屬礦山充填法采礦及鎳鈷資源綜合利用研究.E-mail:YangZQ@jnmc.com 高 謙(1956—),男，江蘇徐州人，教授，博士生導師，主要從事充填采礦和地壓控制方面的教學和研究工作，本文通信作者.E-mail:gaoqian@ces.ustb.edu.cn

TD863

A

1672-3767(2017)01-0038-08