楊 寧 ，尹賢剛

（1.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410012；2.國(guó)家金屬采礦工程技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410012；3.金屬礦山安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410012）

0 引言

充填采礦法具有回采安全、貧損率低、回收率高以及綠色環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)，成為國(guó)內(nèi)外采礦的發(fā)展趨勢(shì)[1-2]。利用管道作為載體輸送充填料漿是充填系統(tǒng)的中樞手段之一，其相關(guān)參數(shù)的分析和計(jì)算是管網(wǎng)敷設(shè)的重要基礎(chǔ)，甚至決定充填系統(tǒng)運(yùn)行的成敗[3-6]。學(xué)者在充填系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論方面做過(guò)很多研究，推導(dǎo)出了一系列經(jīng)驗(yàn)公式，但考慮到充填管網(wǎng)的重要性和復(fù)雜性，設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)僅憑理論公式換算得出的結(jié)果，不具說(shuō)服力，另外系統(tǒng)調(diào)試時(shí)會(huì)出現(xiàn)各種問(wèn)題，得不償失。充填料漿在輸送過(guò)程中所受剪切應(yīng)力，黏性系數(shù)等參數(shù)，與全尾砂的自身性質(zhì)、管道的材質(zhì)及其直徑等因素相關(guān)，各礦山尾砂不同，需通過(guò)行之有效的方法測(cè)定各項(xiàng)參數(shù)[7]。業(yè)內(nèi)推廣的方法主要有以下四種：環(huán)管試驗(yàn)[8-10]、加壓管式流變測(cè)定試驗(yàn)[11]、L型管道輸送試驗(yàn)[12]以及旋轉(zhuǎn)流變儀測(cè)定試驗(yàn)[13]。本文依托某礦山選礦廠排出的全尾砂料漿，結(jié)合前期坍落度試驗(yàn)得出的結(jié)論，開(kāi)展L型管道輸送試驗(yàn)研究，得出了料漿在充填管道輸送時(shí)的各項(xiàng)流動(dòng)性指標(biāo)值，作為充填系統(tǒng)建設(shè)的理論依據(jù)。

1 L型管道自流輸送試驗(yàn)

1.1 全尾砂的物理化學(xué)性質(zhì)

針對(duì)某礦山使用充填法采礦以及選礦工藝特性，收集從選廠流出的全尾砂料漿，經(jīng)曬干后運(yùn)至長(zhǎng)沙礦山研究院充填實(shí)驗(yàn)室。由于全尾砂的粒徑及其化學(xué)成分都會(huì)影響料漿流動(dòng)性，故用MASTERSIZER激光衍射粒度分析儀（英國(guó)馬爾文儀器有限公司，型號(hào)300）測(cè)定粒度，且對(duì)全尾砂的化學(xué)成分進(jìn)行分析。結(jié)果如圖1和圖2所示。計(jì)算得顆粒均勻度系數(shù)26.51（大于5），表明尾砂粒級(jí)不均勻，尾砂小顆?？蛇M(jìn)入大顆粒間縫隙，使充填體更緊密，有利于提高強(qiáng)度；含硫量小于6%（1.33%），對(duì)充填體的影響不大，Si含量較高，有利于提高強(qiáng)度。

圖1 全尾砂粒度統(tǒng)計(jì)圖Fig.1 Statistics of full tailings particle size

圖2 全尾砂化學(xué)成分及含量Fig.2 Chemical composition and content of full tailings

1.2 試驗(yàn)方案及參數(shù)

使用充填法開(kāi)采的礦山，可將充填系統(tǒng)管路中輸送的料漿近似為黏稠流體，通過(guò)試驗(yàn)獲取輸送流體各項(xiàng)參數(shù)。對(duì)于需要輸送高濃度充填料漿的礦山而言，研究其流動(dòng)性能勢(shì)在必行，研究結(jié)果對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)起重大指導(dǎo)意義。充填料漿可當(dāng)作流體力學(xué)中提及的賓漢流[13]，即研究料漿流動(dòng)性時(shí)使用與之相像的測(cè)定方法。本研究依托某使用充填法礦山，經(jīng)過(guò)前期試驗(yàn)研究明確了L管試驗(yàn)的方案，選取6組灰砂比（0、1∶4、1∶6、1∶10、1∶12、1∶15）、5 組濃度（66%、68%、70%、72%、74%）、7組管徑（80～200 mm）以及 8組流量（60～200 m3/h），共1680組試驗(yàn)進(jìn)行全尾砂料漿流動(dòng)性能測(cè)定。圖3和圖4分別為試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)尺寸及料漿在充填管道中流動(dòng)時(shí)的受力狀態(tài)。

圖3 自流輸送試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)尺寸圖Fig.3 Structure diagram for the gravity flow conveying test device

圖4 充填料漿在流動(dòng)時(shí)的受力狀態(tài)圖Fig.4 Stress diagram of filling slurry when flowing

料漿的流動(dòng)性能指標(biāo)包含τ0（屈服剪切應(yīng)力）和η（黏性系數(shù)）。以賓漢流的方程式為基礎(chǔ)，結(jié)合料漿在管道中輸送的流動(dòng)速度V，再依照伯努利方程即可推出：

式中：V為充填料漿流速，m/s；D為管道直徑，m；τ0為屈服剪切應(yīng)力，Pa；τ為管壁剪切應(yīng)力，Pa；η為黏性系數(shù)，Pa·S。

試驗(yàn)開(kāi)始后，料漿從管道中流出，料面下降，流動(dòng)速度也隨之減小，最終停止流動(dòng)，此時(shí)管內(nèi)料漿高為h0，料漿自重壓力與管道靜摩擦阻力相平衡，即可用式（2）計(jì)算 τ0：

式中：h0為靜止?fàn)顟B(tài)下豎管中料柱高，m；γ料漿容重，kN/m3；L試驗(yàn)管道水平長(zhǎng)度，m。

試驗(yàn)測(cè)出流速V，結(jié)合 γ，代入式（1）和式（2）可求得對(duì)應(yīng)τ0、τ，則η如下式：

（1）料漿流速V（m/s）：

式中：Q為充填料漿流量，m3/h。

（2）流動(dòng)阻力

管道單位長(zhǎng)度流動(dòng)阻力i（Pa/m）：

（3）輸送倍線及自流輸送判斷

式中：（H+L）/H為管道總長(zhǎng)和垂直管道高度比值，則代表輸送倍線N0；H為垂直管道高度，m。

2 料漿流動(dòng)阻力與輸送倍線試驗(yàn)結(jié)果

觀察上述與料漿流變指標(biāo)有關(guān)的各項(xiàng)公式，可通過(guò)（4）式計(jì)算得到料漿流量和管徑各項(xiàng)指標(biāo)都不一致時(shí)相對(duì)應(yīng)的料漿流速V，結(jié)果如表1中所示，將該數(shù)據(jù)代到式（5）和式（6）可分別求出不同情況的i、N0。

表1 不同料漿流量及管徑時(shí)料漿流速計(jì)算表Tab.1 Calculation table of slurry flow rate of different slurry flow and pipe diameter

圖5 內(nèi)徑140mm、流量120m3/h的阻力Fig.5 Calculation results of resistance of different pipe diameter(140 mm)and flow rate(120 m3/h)

圖6 內(nèi)徑140 mm、流量120 m3/h的輸送倍線Fig.6 Calculation results of transmission doubling line of different pipe diameter(140 mm)and flow rate(120 m3/h)

文中選擇用簡(jiǎn)潔且直觀明了的散點(diǎn)圖對(duì)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，在圖7、圖8中只展示了灰砂比為1∶6，料漿濃度為 72%時(shí)，7 種管道內(nèi)徑80～200 mm以及8種料漿流量60～200 m3/h情況下i和N0的變化情況，其他沒(méi)列出的濃度為66%、68%、70%和74%以及灰砂比為 0、1∶4、1∶10、1∶12 和 1∶15 的料漿變化特征與之相似。

圖7 濃度72%的料漿輸送阻力隨管道內(nèi)徑變化Fig.7 Variation of slurry transmission resistance(with a concentration of 72%)with the change of inner diameter of pipe

圖8 濃度72%的料漿輸送倍線隨管道內(nèi)徑變化Fig.8 Variation of slurry transmission doubling line(with a concentration of 72%)with the change of inner diameter of pipe

分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可得隨著料漿灰砂比的改變，不同流量和濃度的料漿所對(duì)應(yīng)的流動(dòng)阻力與輸送倍線的變化規(guī)律。本文只列出了濃度為72%、管徑為140 mm時(shí)，不同灰砂比料漿輸送i和N0的變化情況，如圖9、圖10中所示，其他沒(méi)列出的濃度為74%、70%、68%以及66%的料漿輸送流動(dòng)指標(biāo)也與此規(guī)律相似。

圖9 濃度72%的料漿輸送阻力隨灰砂比變化Fig.9 Variation of slurry conveying resistance(with a concentration of 72%)with the change of cement sand ratio

圖10 濃度72%的料漿輸送倍線隨灰砂比變化Fig.10 Variation of slurry transmission doubling line(with a concentration of 72%)with the change of cement sand ratio

圖11 灰砂比1∶6的料漿輸送阻力隨流量變化Fig.11 Variation of slurry conveying resistance(cement sand ratio is 1:6)with the change of flow rate

圖12 灰砂比1∶6的料漿輸送倍線隨流量變化Fig.12 Variation of slurry transmission doubling line(cement sand ratio is 1:6)with the change of flow rate

通過(guò)室內(nèi)L型管道料漿輸送試驗(yàn)，測(cè)定了充填料漿各種不同情況下的流動(dòng)性指標(biāo)。觀察料漿各流量、管徑相對(duì)應(yīng)的流速，當(dāng)管徑140 mm，流量每小時(shí)120 m3時(shí)，不同灰砂比和不同濃度的充填料漿輸送阻力和倍線的變動(dòng)曲線規(guī)律可得，同樣的流量，當(dāng)管徑逐漸增大，流速會(huì)慢慢降低。同樣的管徑，當(dāng)料漿的流量逐漸增大，則流動(dòng)阻力也會(huì)隨之加大，且隨著水泥的增多，料漿的流動(dòng)阻力也會(huì)變強(qiáng)。反之，充填管徑及流量大小為一定值時(shí)，當(dāng)濃度增大，輸送倍線會(huì)隨之減小，料漿中水泥的含量變多，輸送倍線也會(huì)變小。觀察圖中所列出的灰砂比1∶6，濃度72%的料漿，在7種不同管徑以及8種流量條件下所對(duì)應(yīng)的輸送阻力和輸送倍線變化情況，得管道的直徑變大，充填料漿在各種濃度中的輸送阻力都會(huì)隨之減小，輸送倍線會(huì)變大，濃度越小料漿在流動(dòng)時(shí)的阻力越弱，此時(shí)輸送倍線會(huì)跟著變大。其他圖中未列出的濃度 66%～70%、74%和灰砂比 0、1∶4、1∶10、1∶12、1∶15的料漿也遵循此規(guī)律。

3 結(jié)論

分析試驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)，可得充填料漿在不同條件下的輸送阻力和輸送倍線的變化規(guī)律，管道中的料漿，其流動(dòng)性參數(shù)（包括輸送阻力和輸送倍線）的變化受料漿質(zhì)量濃度和灰砂比的影響，觀察試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)流動(dòng)參數(shù)受質(zhì)量濃度的影響較灰砂比略顯著。因此，可利用這兩個(gè)影響因素，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求對(duì)輸送倍線進(jìn)行調(diào)節(jié)。輸送倍線較小時(shí)，可增加料漿質(zhì)量濃度，降低流速，將料漿對(duì)充填管道的磨損減小，不產(chǎn)生負(fù)壓，但要注意避免管道堵塞；輸送倍線較大時(shí)，為防止因料漿流速較小引起的滯留現(xiàn)象，通過(guò)降低料漿濃度的手段使輸送阻力變?nèi)酰岣吡魉伲詫?shí)現(xiàn)料漿在管道中的長(zhǎng)距離輸送，但不能忽視排水。

當(dāng)料漿濃度為定值，增加水泥量，輸送阻力會(huì)增大，究其原因料漿中不同顆粒所占比重改變了。本試驗(yàn)采用的全尾砂粒徑小于20μm的比重約為27.05%，使用的膠結(jié)劑顆粒粒徑小于20 μm的比重約為50%～70%，因此水泥含量增加時(shí)，料漿中細(xì)小微粒增加，比表面積也會(huì)相應(yīng)增大。所以，同樣濃度的充填料漿，灰砂比不同，其輸送阻力也不同，灰砂比越大阻力越大，同時(shí)可順利輸送的倍線較低，但在充填料漿中適量添加水泥，增加細(xì)顆?？梢蕴岣吆鸵仔裕蠞{輸送時(shí)在管道的內(nèi)腔產(chǎn)生潤(rùn)滑層，有利于結(jié)構(gòu)流的產(chǎn)生，以實(shí)現(xiàn)自流輸送，有時(shí)管道中料漿發(fā)生短時(shí)間的暫停后依然可以流動(dòng)。