高濃度全尾砂充填料漿流變特性及管路輸送沿程阻力損失研究

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

1 前言

自工業革命以來隨著礦產資源的大規模開采,賦存在地表淺部的高品位富礦資源已接近枯竭,礦山開采活動已經轉入到深部開采,深井開采帶來高巖溫熱、高地應力、高裂隙水壓以及巖爆等一系列程地質災害。與此同時,礦產資源的大規模開采導致地下產生大量采空區,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,嚴重威脅了生態環境的可持續發展[1]。高濃度全尾砂充填采礦技術作為一種安全高效的綠色技術,在確保深井開采安全的情況下兼具生態環境保護和改善礦石貧化、損失率的多重功效,近年來得到相關行政部門和礦山企業的大力推廣應用。

礦山充填系統設計時,需要對充填料漿的流變特性進行試驗研究和定量分析,建立正確的流變模型。目前國內外不少專家、學者已經對高濃度尾砂充填料漿的流變特性和阻力損失計算進行了大量的研究,并基于重力理論和能量理論總結出沿程阻力的計算方法,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、會澤公式等,這些公式是在特定實驗下得到的,受到設備、成本和現場條件等多方面條件的限制,存在針對性強、可復制性差等缺點,主要適合于自由沉降強的非均質流料漿[2]。高濃度全尾砂充填料漿屬于非牛頓流體,即所謂的結構流體,只有正確的建立流變模型才能描述充填料漿的流變特性。隨著計算機技術的不斷成熟和更新,利用數值仿真軟件模擬非牛頓流體的管路輸送狀態為研究充填料漿的流變特性提供了一種新的思路。

本文通過室內流變試驗獲得了某金礦高濃度全尾砂膠結充填料漿的屈服應力和黏度系數等。基于Fluent流體模擬軟件建立了與礦山實際管路輸送系統1∶1比例的數值仿真模型,模擬了高濃度全尾砂膠結充填料漿在管道中的流動特性,分別計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,確定了全尾砂膠結充填料漿最大允許充填倍線Nmax和臨界輸送濃度,數值仿真結果對優化礦山管道輸送系統具有重要的指導意義。

2 礦山充填系統現狀

某金礦位于山東省膠州半島,生產規模為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路充填法,分級尾砂膠結充填和廢石充填。充填系統工藝流程:選礦廠全尾砂經水力旋流器組分級,分級后的底流粗尾砂經渣漿泵泵送至立式砂倉內。分級尾砂在立式砂倉中自然沉降濃縮,底流進入攪拌機與膠結材料攪拌制備后,經由充填鉆孔自流輸送到采空區進行充填。不需要充填時,選廠全尾砂全部泵送至尾礦庫。礦山現有的分級尾砂充填系統主要存在以下問題:

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

(2)分級尾砂膠結充填料漿的質量濃度偏低,在長距離輸送過程中離析嚴重,導致澆面強度達不到無軌設備通行要求,充填料在采場內的泌水率較大,影響了井下環境衛生。

(3)采場底部采用廢石充填,充填勞動強度大、安全性差,廢石充填成本高。

考慮到礦山現有充填系統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,有必要將現有的分級尾砂充填系統改造高濃度全尾砂充填系統,并對高濃度全尾砂充填料漿的管道輸送特性進行研究。

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、化學成分及粒徑分布對充填料漿的性質產生重要的影響。

全尾砂密度測試參考《土工試驗規程》SL237—1999進行,采用比重瓶法測量,計算結果見表1。

表1 全尾砂密度試驗數據

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。選廠的尾砂產出率達到95%,全尾砂中SiO2含量占73.5%,屬于惰性材料,無堿集料反應。全尾砂的化學成份分析見表2。

表2 化學成份分析表

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

表3 全尾砂粒級組成表

由表3可以看出,全尾砂中小于20 μm極細尾砂占比為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,全尾砂級配Cu＞5,說明級配較好,適合作為充填原材料。

4 充填料漿流變特性實驗

4.1 實驗原理

剪切屈服應力τ和黏度系數η是研究充填料漿流變特性的重要參數。對于非牛頓流體,剪切屈服應力τ主要指充填料漿發生屈服時的正應力,只有當外部施加的外力大于該剪切屈服應力,才能克服料漿中細顆粒絮凝團之間的相互作用,實現充填料漿的流動。充填料漿流動時,必然在漿體內部產生剪應力以阻止料漿的相對運動,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力與剪切速率并非遵循簡單的線性關系,屬于一種屈服偽塑性流體。當全尾砂充填料漿的濃度超過臨界濃度值時,剪切應力隨剪切速率的變化近似呈線性關系。因此,在工程實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力,低于此值時不會流動,其本構方程如式(1)所示。

式中:τ——管壁剪切應力,Pa;

τ0——初始剪切應力(或剪切屈服應力),Pa;

η——黏度系數,Pa·s;

du/dy——剪切速率,s-1。

根據料漿管道流速的分布,通過沿程阻力計算公式可以推導出不同流量、不同管徑輸送時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——直管內徑,m;

μB——賓漢姆黏度(Pa·s),具有黏度量綱的常數;

v——平均流速,m/s;其中,Q為料漿流量,m3/s。

4.2 實驗步驟

實驗采用R/S-SST型軟固體流變儀測定充填料漿的相應黏度和動態屈服應力,具體如圖1所示,測量的數據可以在Rhoe3000軟件上進行批量處理。這種測量流變參數的方法靈活簡單,數據重復可靠,大大提高了充填料漿流變特性參數的測量精度和效率。該流變儀的基本工作原理是采用動態測定法,設置好剪切速率和測試時間,通過高速電機帶動十字形轉子旋轉,充填料漿對轉子施加黏滯阻力,通過儀器內部的傳感器元件將這種阻力轉換為扭矩和剪切應力,并實時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監測的數據進行擬合,得到漿體的流變本構關系方程。

圖1 RST-SST流變儀

根據已經完成的塌落度試驗和強度配比試驗,分別配置濃度為68%、70%、72%、74%,灰砂比為1∶6、1∶10的全尾砂膠結充填料漿作為本次流變試驗測試對象,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。試驗溫度保持在24℃下進行,盡量減少溫度變化對測試結果的影響。圖2、圖3所示分別為濃度70%、灰砂比1∶6的全尾砂膠結充填料漿黏度和剪切率流變特性曲線圖和剪切應力-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 料漿流變參數分析

利用Rhoe3000軟件對各組方充填料漿的流變特性曲線進行擬合,可以得到不同組方的全尾砂充填料漿的動態屈服應力τ0和黏度系數η之間的回歸方程,具體見表4。可以發現剪切應力與剪切速率基本呈線性關系,回歸方程的穩定指數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,充填料漿的動態屈服應力τ0隨著質量濃度的不斷增加而增大,這是因為充填料漿中含有正負電荷顆粒互相吸引,當質量濃度越大時,含有的顆粒數量越大,顆粒在料漿中形成的絮團結構需要施加一定的抗剪能力才能使料漿流動,即需要克服料漿的屈服應力。

充填料漿的動態屈服應力隨著灰砂比的增加表現出增加的趨勢,尤其在膠結充填料漿與全尾砂非膠結充填料漿之間,這種現象表現的更為明顯。這是因為膠凝材料相對全尾砂的粒徑較細,具有更大的比表面積,粒子之間有更大的相互作用的面積,進而表現出更高的屈服應力和黏度,灰砂比1∶6與灰砂比1∶10的充填料漿之間的屈服應力值差異相對很小。

5 基于FLUENT的管道輸送數值仿真

5.1 模型建立

隨著計算機技術、數值仿真技術的發展,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值求解控制流體流動的微分方程,得出流體流動的流場在連續區域上的離散分布,從而近似模擬流體流動情況[6]。

本次試驗利用FLUENT軟件建立該金礦的充填管路輸送系統。該軟件可以可以根據雷諾數Re精確地模擬無黏流、層流、湍流等模型,也可以根據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基本步驟,并提供相關的參數或物理量。

(1)通過 Solidworks或者 SpaceClaim等建模模型。

(2)采用ICEM或Meshing等劃分網格。

(3)針對模型的特征,運行合適的解算器:2D、3D、2DDP、3DDP。

(4)輸入網格文件msh,檢查網格,如果出現負體積的情況則需要進行檢查修改。

(5)根據流體的特征,比如可壓縮流或不可壓縮流、定常狀態或非定常狀態等,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、化學組分還是化學反應、熱傳導模型等。

(7)設置材料的屬性,包括比重、黏度等參數設定。

(8)指定操作環境、邊界條件,調節解的控制參數,以達到預期的效果。

(9)初始化流場,進行迭代,迭代結束后檢查、保存結果。

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構網格,按照礦山真實的充填管路建立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,網格數量共計881 244個。

圖4 三維充填管道數值仿真模型

5.2 基本假設與邊界條件

1)基本假設

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雜性,需要根據實驗目的確定主要影響因素,簡化其他因素。對充填料漿和管路的相關特性進行必要的說明和假設:

(1)充填料漿的黏性不隨溫度、時間的變化而變化。

(2)充填料漿為賓漢姆體模型且不可壓縮。

(3)不考慮采礦作業擾動等對充填管路的影響。

(4)不考慮與外界環境的熱交換。

(5)充填料漿在管道輸送過程中處于滿管狀態。

2)邊界條件

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

模擬工況同表4中的各組數據,流量設置為80 m3/h,充填管路凈直徑122 mm,對應的流速為1.90 m/s,并輸入各組方的料漿容重ρj。

5.3 模擬結果分析

1)灰砂比對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,質量濃度72%的充填管路壓力分布云圖。從圖中可以發現從地表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,在彎管處流體的動能最大。因此,在日常生產管理過程中,需要加強彎管處的管路監測和維護,防止管路過度磨損或發生堵管事故。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分別為單位質量流體的位能,p1/ρg稱為流體功分別為單位質量流體的動能,hw為阻力損失。

從全尾砂到灰砂比1∶10、灰砂比1∶6變化時,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。主要是因為細粒徑膠凝材料比表面積大,隨著膠固粉的增加,充填料漿的屈服應力相應增加。

2)質量濃度對沿程阻力損失的影響

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

圖6 不同質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,在充填料漿輸送時產生一定的勢能來克服充填管路的阻力。充填系統應滿足以下條件

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。

當重力勢能大于沿程阻力損失時,充填料漿可以實現自流輸送,反之則需要泵壓輸送。

表5中對充填管路輸送的數值仿真結果與室內流變試驗的結果進行了對比驗證,結果表明兩種計算方式的誤差控制在10%以內,說明數值仿真模型計算的結果精確度較高,仿真結果對于優化礦山充填系統具有重要的指導意義。表5中的各組方充填料漿的沿程壓差均為正值,可以實現自流輸送,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料漿輸送的重要參數。為保證充填料漿順利實現管道自流輸送,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是根據砂漿水力坡度和漿體容重計算的,實際應用中可按式(5)估算:

式中:K3——垂直管段的滿管系數,取0.9;

γj——砂漿容重,t/m3;

K4——管道局部阻力系數,取1.1;

im——砂漿水力坡度(阻力損失),104Pa/m。

根據該金礦現有的充填管路系統布置情況,充填倍線普遍為2.5～4,部分采場最大達到4.6。由式(5)計算各料漿組方的最大允許充填倍線Nmax,結合表5中的數據,最終確定全尾砂膠結充填料漿的臨界輸送濃度為72%,具體數據見表6。對于偏遠采場,需要適當降低輸送濃度滿足自流輸送的要求。

表6 全尾砂膠結充填料漿臨界輸送濃度

6 結論

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

(2)對全尾砂的物理特性進行分析,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;全尾砂級配Cu＞5,級配較好,屬于中粗尾砂,適合作為井下充填原材料。

(3)利用流變儀對全尾砂充填料漿的黏度和動態屈服應力進行測定。研究結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。充填料漿的動態屈服應力τ0隨著質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際充填管路輸送系統1∶1比例的數值仿真模型,分別模擬了不同濃度和配比的充填料漿在管道中的流動特性和沿程阻力損失情況,模擬結果表明,沿程阻力損失與料漿質量濃度和灰砂比呈正比關系,濃度越大,阻力損失越大;灰砂比對沿程阻力損失的影響較小。

(5)數值仿真結果與室內流變試驗結果進行對比驗證,結果表明用Fluent軟件建立的管道輸送數值仿真模型的精確度較高。通過數值仿真手段可以節約礦山的試驗成本,仿真結果對于優化礦山充填系統具有重要的指導意義。

(6)根據沿程阻力損失的計算結果,計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設計提供了可靠的數據支撐。