齊兆軍，宋澤普，寇云鵬，杜加法，劉 超，楊紀(jì)光

(山東黃金礦業(yè)科技有限公司充填工程實(shí)驗(yàn)室分公司，山東 萊州 261400)

管道輸送是礦山充填工藝的重要一環(huán)，且充填體的管流阻力是充填工藝參數(shù)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)[1]。對(duì)于較低濃度充填料漿的管流阻力計(jì)算，相關(guān)學(xué)者以固-液兩相流理論和流變學(xué)理論為基礎(chǔ)獲得了一系列計(jì)算公式，包括基于重力理論的卡杜里斯基公式、杜蘭德公式、金川公式等，基于能量理論的蘇聯(lián)煤炭科學(xué)研究院公式、鞍山黑色金屬礦山設(shè)計(jì)院公式和會(huì)澤經(jīng)驗(yàn)公式等；當(dāng)充填濃度提高，充填料漿達(dá)到膏體(似膏體)狀態(tài)，可視為賓漢姆流體，其在管道中的流動(dòng)呈結(jié)構(gòu)流，對(duì)于結(jié)構(gòu)流體的流動(dòng)特性研究，流變學(xué)理論更加有效，如基于流變學(xué)的會(huì)澤經(jīng)驗(yàn)公式[2-8]。上述公式大多是經(jīng)驗(yàn)公式，運(yùn)用存在局限性，計(jì)算結(jié)果往往和礦山實(shí)際也存在較大誤差，不同礦山尾砂的物化性質(zhì)和粒徑組成存在較大差異，對(duì)料漿管道輸送特性要求不同。進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)管流輸送試驗(yàn)是目前獲得管流阻力等輸送參數(shù)較為直接的方法，其中半工業(yè)環(huán)管試驗(yàn)規(guī)模較大、費(fèi)用較高，L管試驗(yàn)更加簡(jiǎn)單易行[9-13]。

本研究為探索某金礦全尾砂似膏體充填料漿的管道輸送參數(shù)，對(duì)其全尾砂物化性質(zhì)進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上開展L管試驗(yàn)研究，對(duì)不同配比全尾砂似膏體料漿的管流阻力，流變參數(shù)以及可實(shí)現(xiàn)順利輸送的充填倍線進(jìn)行了分析，為該金礦全尾砂似膏體料漿輸送選擇合理的輸送參數(shù)提供理論支撐。

1 試驗(yàn)物料物化性質(zhì)

試驗(yàn)的物料為某金礦全尾砂，尾砂物化性質(zhì)的測(cè)定是充填體性質(zhì)測(cè)試的基礎(chǔ)，參照相關(guān)規(guī)程，采用比重瓶法及堆積法分別測(cè)定全尾砂和分級(jí)尾砂的比重和容重，結(jié)果見表1；采用水篩篩分法測(cè)定全尾砂及分級(jí)尾砂的粒徑組成，結(jié)果見表2；采用X射線衍射測(cè)試方法(XRD物相測(cè)試分析儀)測(cè)定尾砂的物相組成。

表1 全尾砂物理性質(zhì)

表2 全尾砂粒徑分布

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該礦山全尾砂總體呈粗細(xì)顆粒均較多，中間粒度顆粒含量較少的趨勢(shì)，其中粒徑150 μm以上顆粒含量為30.7%，37 μm粒徑以下顆粒含量為42.5%，全尾砂的細(xì)顆粒含量高，-20 μm累計(jì)含量達(dá)36.55%，孔隙率較大，與膠結(jié)材料結(jié)合后易形成結(jié)構(gòu)流體，有利于料漿流動(dòng)性，且和易性及密實(shí)度好，充填料漿更易達(dá)到似膏體狀態(tài)，適宜做似膏體充填骨料。全尾砂的物相組成成分測(cè)試結(jié)果表明該礦全尾砂物相組成比較單一，主要是石英和云母，這兩種物質(zhì)難溶于水且不易單體解離，對(duì)尾砂充填料漿流動(dòng)性影響很小。

2 全尾砂似膏體料漿輸送特性分析

2.1 L管原理分析

含有一定比例的-20 μm顆粒的充填料漿，當(dāng)濃度較高、坍落度為18～20 cm以上時(shí)，可達(dá)到膏體(似膏體)狀態(tài)，其流變特性既不同于牛頓流體，亦不同于分級(jí)尾砂或其它固體顆粒和水組成的固-液兩相流。牛頓流體(如清水)自身無抗剪切強(qiáng)度，當(dāng)其沿管道流動(dòng)且流速較低時(shí)為層流狀態(tài)，流速較高時(shí)則為紊流，其流動(dòng)阻力主要與其黏度及流速有關(guān)，其τ-du/dy曲線為一過坐標(biāo)原點(diǎn)的直線；固-液兩相流沿管道的流動(dòng)則完全處于紊流狀態(tài)，固體顆粒必須在水流的帶動(dòng)下呈懸浮、跳躍、滑動(dòng)或滾動(dòng)等方式向前運(yùn)動(dòng)，其顯著特征是液體(水)的流速與固體顆粒流速存在差異，一旦管內(nèi)流速降低到臨界流速以下或靜止不動(dòng)，固體顆粒將在自重作用下沉淀于管道底部，即在管道中產(chǎn)生分層、離析等現(xiàn)象。

膏體(似膏體)料漿的流變特性可用賓漢流體來描述。即流體自身具有一定的初始抗剪切變形的能力，當(dāng)其沿管道流動(dòng)時(shí)，其產(chǎn)生的摩擦阻力的計(jì)算公式見式(1)。

(1)

式中：τ為管壁剪切應(yīng)力，Pa；τ0為初始剪切應(yīng)力(或屈服剪切應(yīng)力)Pa；η為黏性系數(shù)，Pa·S；du/dy為剪切速率，S-1。

賓漢流體在壓力條件下沿管道流動(dòng)時(shí)，受力情況如圖1所示。

圖1 賓漢流體沿管道流動(dòng)受力示意圖

根據(jù)受力平衡，膏體(似膏體)呈柱塞狀的運(yùn)動(dòng)范圍的計(jì)算公式見式(2)。

(2)

式中：Δp為長(zhǎng)度為l的流體兩端的壓力差，Pa；i為單位管道長(zhǎng)度的壓力損失，即輸送阻力，Pa/m。

當(dāng)輸送管徑R>r0時(shí)，只是在管道中心產(chǎn)生柱塞流或“結(jié)構(gòu)流”；而當(dāng)R≤r0時(shí)，則流速在整個(gè)管道內(nèi)均勻分布，即形成整管柱塞流或“結(jié)構(gòu)流”，由于在柱塞流或“結(jié)構(gòu)流”的范圍內(nèi)，流體質(zhì)點(diǎn)既不產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)又不發(fā)生質(zhì)點(diǎn)交換，從而可減少輸送過程的內(nèi)摩擦損失，流體沿管道的流動(dòng)只是沿管壁的“滑移”。由大量生產(chǎn)實(shí)踐證實(shí)，含有細(xì)微顆粒的料漿沿管道輸送時(shí)，由于壓力作用，漿體物質(zhì)及細(xì)微顆粒被擠向外層，從而在管壁形成一個(gè)潤(rùn)滑層，從而顯著降低管道輸送阻力。

根據(jù)式(1)，并考慮管道全斷面具有流速V，根據(jù)伯努利方程可得管壁剪切應(yīng)力，見式(3)。

(3)

實(shí)驗(yàn)室L管充填料漿自流輸送試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)及充填料漿在管道中流動(dòng)時(shí)的受力狀態(tài)如圖2所示。

P0-進(jìn)口處壓力;Pg-料漿自重壓力;Pl-沿程阻力損失;P′-出口壓力損失圖2 自流輸送試驗(yàn)裝置圖

料漿流速計(jì)算公式見式(4)。

(4)

式中：t為流動(dòng)時(shí)間，s；G為時(shí)間t內(nèi)流出的料漿質(zhì)量，kg；γ為料漿容重，N/m3；D為管道內(nèi)徑，m。

沿程損失中的局部損失包括彎管損失、接頭損失等等，計(jì)算較為繁雜，為了簡(jiǎn)化起見，一般取其為直管損失的10%～20%，在數(shù)據(jù)分析計(jì)算時(shí)，取15%，由料漿在L管內(nèi)的受力平衡得出，見式(5)。

(5)

式中：h為豎直管高度，m；h′為料斗中料漿高度，m；g為重力加速度，9.8 m/s2。

料漿的屈服應(yīng)力計(jì)算公式見式(6)。

(6)

式中：h0為豎直管中靜止料柱高度，m；L為水平管長(zhǎng)度，m。

料漿的黏性系數(shù)計(jì)算公式見式(7)。

(7)

2.2 管流阻力及充填倍線

屈服應(yīng)力τ0及黏性系數(shù)η是膏體(似膏體)料漿的固有屬性，不同管徑及流速下料漿的流動(dòng)阻力可根據(jù)流變參數(shù)計(jì)算，見式(8)。

(8)

對(duì)于礦山充填管網(wǎng)而言，在自流輸送的條件下，若垂直管道高度為H，水平管道長(zhǎng)度為L(zhǎng)，根據(jù)能量守恒原理，可得出管道總長(zhǎng)與垂直管道高度之比(H+L)/H，即充填倍線，見式(9)。

(9)

3 試驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果

3.1 試驗(yàn)內(nèi)容

為確定全尾砂似膏體充填料漿的輸送性能指標(biāo)，給充填管網(wǎng)設(shè)計(jì)提供理論計(jì)算依據(jù)，結(jié)合礦山生產(chǎn)實(shí)際，實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了72%、74%濃度全尾砂料漿的自流輸送試驗(yàn)，試驗(yàn)灰砂比為1∶5、1∶8、1∶10、1∶12四種。試驗(yàn)裝置的基本參數(shù)為：豎直管高度h=1.05 m，水平管長(zhǎng)度L=2 m，管道內(nèi)徑D=0.1 m。

具體試驗(yàn)步驟如下：①按設(shè)計(jì)配制不同配比料漿，并測(cè)量配置好料漿的容重γ;②將水平管道接好，并關(guān)閉其末端球閥，將配置好的似膏體料漿導(dǎo)入料斗中;③打開球閥，進(jìn)行正式試驗(yàn)，待料漿停止流動(dòng)，量取豎直管中靜止料柱的高度h0，用秒表測(cè)量料漿流動(dòng)時(shí)間t，并稱量流入盛料容器內(nèi)料漿的重量G;④通過式(4)求出料漿流速V，由式(5)、式(6)和式(7)求出似膏體料漿相應(yīng)的管壁剪切應(yīng)力τ、屈服應(yīng)力τ0、黏性系數(shù)η，代入式(8)、式(9)得到似膏體料漿的流動(dòng)阻力及實(shí)現(xiàn)自流輸送的充填倍線;⑤不同配比的似膏體料漿重復(fù)以上試驗(yàn)步驟，得到不同配比料漿的輸送參數(shù)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，得出不同配比似膏體料漿的容重及流速見表3。

表3 充填料流動(dòng)性試驗(yàn)結(jié)果

同一灰砂比條件下，充填料漿濃度提高兩個(gè)百分點(diǎn)，料漿流速急劇下降，變?yōu)樵瓉砹魉俚?/3左右；相同濃度條件下，不同灰砂比料漿流速差距不大。

3.2.1 流變參數(shù)計(jì)算分析

計(jì)算得到不同配比似膏體充填料漿流變參數(shù)如表4所示。

屈服剪切應(yīng)力τ0其物理意義為料漿在靜止?fàn)顟B(tài)下抵抗剪切變形的能力，也可理解為料漿抗離析沉淀的能力，其與料漿濃度具有直接的關(guān)系，由數(shù)據(jù)看出：對(duì)各灰砂比料漿，充填料漿的濃度自72%增加到74%時(shí)，τ0增大了1～1.8倍；黏性系數(shù)η表征了料漿在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下所產(chǎn)生的抵抗剪切變形的能力，對(duì)既定的料漿而言，黏性系數(shù)決定了輸送阻力隨濃度增加的幅度，全尾砂充填料漿的黏性系數(shù)η隨濃度的變化幅度也較大，濃度74%的充填料漿黏性系數(shù)約為濃度72%時(shí)的2.6～3.2倍。因此在生產(chǎn)中，應(yīng)對(duì)充填料漿濃度的控制有足夠的措施，避免出現(xiàn)濃度過高輸送阻力過大的問題。總體而言，濃度72%～74%的充填料漿具有一定的抗離析能力，工程上可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離輸送。

3.2.2 流動(dòng)阻力及充填倍線計(jì)算分析

料漿濃度分別為72%、74%，不同灰砂比的料漿由試驗(yàn)得出的料漿流動(dòng)阻力及可實(shí)現(xiàn)順利輸送的允許充填倍線計(jì)算結(jié)果見表5。72%和74%料漿屈服應(yīng)力及黏性系數(shù)對(duì)比結(jié)果如圖3所示。

表4 不同配比料漿的流變參數(shù)

表5 試驗(yàn)管道輸送參數(shù)

圖3 72%和74%料漿屈服應(yīng)力及黏性系數(shù)對(duì)比

試驗(yàn)結(jié)果表明，在管道內(nèi)徑100 mm時(shí)，可實(shí)現(xiàn)順利輸送的充填倍線為2.26～3.02。通常的經(jīng)驗(yàn)證明，在實(shí)際生產(chǎn)條件下，可實(shí)現(xiàn)自流輸送的充填倍線往往大于L管試驗(yàn)所得結(jié)果。

4 結(jié) 論

本文通過L管試驗(yàn)對(duì)某礦山似膏體充填料漿的輸送特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，充填料漿沿管道的輸送阻力i與充填料漿自身的流變參數(shù)(屈服剪切應(yīng)力τ0、黏性系數(shù)η)及輸送管道直徑D有關(guān)。

1) 在相同的輸送管徑條件下，隨料漿質(zhì)量濃度增加，該礦山全尾砂似膏體充填料漿的管壁剪切應(yīng)力、屈服應(yīng)力τ0、黏性系數(shù)η、流動(dòng)阻力明顯增大，料漿流速及可實(shí)現(xiàn)順利輸送的充填倍線減??；同一濃度條件下，灰砂比變化造成輸送參數(shù)的變化不大。因此在生產(chǎn)中，應(yīng)對(duì)充填料漿濃度的控制有足夠的措施，避免出現(xiàn)濃度過高輸送阻力過大的問題。

2) 該礦山全尾砂似膏體充填料漿在質(zhì)量濃度72%～74%時(shí)具有一定的抗離析能力，工程上可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離輸送。

3) 在管道內(nèi)徑100 mm時(shí)，該礦山全尾砂似膏體充填料漿可實(shí)現(xiàn)順利輸送的充填倍線為2.26～3.02。