戈壁砂和棒磨砂骨料充填料漿管輸特性試驗(yàn)

楊志強(qiáng)，高 謙，姚維信，劉洲基

(1.北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院 北京 100083;2.金川集團(tuán)股份有限公司 鎳鈷資源綜合利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(yàn)

楊志強(qiáng)1,2，高 謙1，姚維信2，劉洲基2

(1.北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院 北京 100083;2.金川集團(tuán)股份有限公司 鎳鈷資源綜合利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(yàn)。首先進(jìn)行戈壁砂和棒磨砂兩種骨料的粒徑級(jí)配分析，結(jié)果顯示兩種充填骨料的粒徑級(jí)配基本相同。然后采用L管試驗(yàn)裝置，對(duì)兩種骨料的充填料漿進(jìn)行流變特性對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果表明：在相同條件下，當(dāng)質(zhì)量濃度小于82%，兩種骨料充填料漿流變特性不存在本質(zhì)上的差異；當(dāng)料漿質(zhì)量濃度大于82%時(shí)，戈壁砂充填料漿流變特性優(yōu)于棒磨砂；當(dāng)充填管徑大于130 mm時(shí)，兩種骨料充填料漿流變特性基本相同；當(dāng)充填管徑小于130 mm和質(zhì)量濃度小于82%時(shí)，戈壁砂充填料漿流變特性優(yōu)于棒磨砂。由試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)料漿質(zhì)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(shí)，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(jià)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(jīng)濟(jì)效益。

戈壁砂；棒磨砂；充填料漿；管輸特性；對(duì)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(hù)環(huán)境和防控地質(zhì)災(zāi)害?？梢灶A(yù)見，充填法采礦是未來資源開發(fā)的發(fā)展趨勢。與其他采礦方法相比，充填采礦法回采工藝復(fù)雜，采礦技術(shù)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(shù)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(dòng)特性與管輸阻力存在較大差異，許多學(xué)者針對(duì)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(jù)。

金川礦山采用下向分層進(jìn)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(duì)充填體強(qiáng)度要求高，因此采用棒磨砂充填骨料，導(dǎo)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(xì)骨料顆粒最小粒徑篩分等級(jí)從小于3 mm提高到小于5 mm；同時(shí)針對(duì)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(shù)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(yīng)用提供了理論依據(jù)。根據(jù)金川礦山周圍戈壁集料的考察和物化特性分析，發(fā)現(xiàn)戈壁集料自然級(jí)配良好，含泥量小于5%，是一種理想的充填集料，經(jīng)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(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 充填料物化特性與粒徑級(jí)配分析

表1給出金川礦山附近戈壁砂的自然級(jí)配分析結(jié)果，表2為棒磨砂和戈壁砂的物化特性參數(shù)。表3給出兩種充填骨料的粒度級(jí)配特征參數(shù)，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(jí)配不符合正態(tài)分布，戈壁砂粒度級(jí)配基本符合正態(tài)分布，戈壁砂顆粒粒度分布優(yōu)于棒磨砂。

表1 金川礦山戈壁砂自然粒徑級(jí)配分布參數(shù)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(jié)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(jí)配分布特征參數(shù)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(jí)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(jí)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(shù)的L試驗(yàn)

2.1 L管試驗(yàn)裝置

圖3(a)所示為充填料漿流變特性L管試驗(yàn)裝置，試驗(yàn)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(dòng)時(shí)的受力狀態(tài)。通過測定L管試驗(yàn)裝置中的流動(dòng)參數(shù)，如料漿流量、流速、靜止?fàn)顟B(tài)下垂直管中料柱高度等參數(shù)，可以推導(dǎo)出充填料漿初始剪切應(yīng)力τ0及粘性系數(shù)η的計(jì)算公式。根據(jù)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(yàn)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(xiàng)計(jì)算表達(dá)式代入(1)式得

(2)

試驗(yàn)中，隨著料斗內(nèi)料漿液面逐漸下降，流速隨之降低，最終停止流動(dòng)，此時(shí)豎管內(nèi)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(yīng)力計(jì)算公式為

(3)

根據(jù)管道充填料漿流量Q計(jì)算料漿的流速

(4)

由式(2)和(3)計(jì)算τ0、τ。料漿粘性系數(shù)η的計(jì)算公式為

(5)

2.2 充填料漿管輸阻力計(jì)算

含有一定比例的-20 μm細(xì)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(shí)沒有剪切應(yīng)力，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)則呈紊流狀態(tài)，其流動(dòng)阻力主要與粘度及流速有關(guān)。料漿流動(dòng)阻力與剪切速率曲線τ～dv/dy為通過坐標(biāo)原點(diǎn)的直線。固液兩相流沿管道流動(dòng)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時(shí)，固體顆粒在自重作用下沉淀于管道底部，在管道中產(chǎn)生分層和離析。

根據(jù)中國金融學(xué)會(huì)綠色金融專業(yè)委員會(huì)發(fā)布的《綠色債券支持項(xiàng)目目錄（2015年版）》，綠色債券可以劃分為6大類，分別是節(jié)能、污染防治、資源節(jié)約與循環(huán)利用、清潔交通、清潔能源以及生態(tài)保護(hù)和適應(yīng)氣候變化。另外由于金融債的特殊性，將其單獨(dú)作為一類。54只綠色債券資金投向多個(gè)類別的用途：其中有45只屬于金融債，規(guī)模為1294億元；9只非金融債，規(guī)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(dòng)的摩擦阻力

τ=τ0+η(dV/dy)。

(6)

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

圖4 充填料漿在管道內(nèi)流動(dòng)的受力狀態(tài)Fig.4 Stress state of filling slurry flowing in the pipe

賓漢姆流體沿管道流動(dòng)過程中的受力狀態(tài)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(duì)r積分，且根據(jù)邊界條件r=R時(shí)，V=0，獲得料漿流速在管內(nèi)的分布函數(shù)：

(10)

式中：Δp——長度為l時(shí)的漿體兩端壓力差；R—管道半徑。

由式(10)可知，管道內(nèi)不同位置的漿體剪切速率和剪切應(yīng)力，隨管道半徑r的變化而變化。當(dāng)r=R即在管壁內(nèi)，料漿剪切速率及剪切應(yīng)力達(dá)到最大，越靠近管道中心越小。當(dāng)料漿的剪切應(yīng)力小于其屈服應(yīng)力τ0時(shí)，漿體的剪切速度為0。根據(jù)(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(nèi)直徑，m。

3 料漿流變特性試驗(yàn)結(jié)果與分析

1) 料漿流變特性試驗(yàn)與結(jié)果

根據(jù)金川礦山充填過程與充填工藝參數(shù)，針對(duì)棒磨砂和戈壁砂兩種骨料，分別進(jìn)行85%、82%、79%和76%四種濃度條件下充填料漿流變特性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)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(yàn)結(jié)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(yīng)力和粘度系數(shù)與料漿濃度的關(guān)系曲線。由表4及圖5可見，料漿流變參數(shù)隨濃度的增加而增大。當(dāng)濃度小于82%時(shí)，兩種骨料料漿流變參數(shù)基本相同；但濃度大于82%時(shí)，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(guān)系曲線。由此發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)減小和增大趨勢。濃度大于82%時(shí)，棒磨砂塌落度大于戈壁砂，而濃度小于82%時(shí)，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(guān)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(guān)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(guān)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(jù)L管試驗(yàn)的充填料漿流變特性試驗(yàn)結(jié)果，由式(14)計(jì)算管道中的料漿流動(dòng)阻力

(14)

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

根據(jù)金川礦山充填管網(wǎng)的管道直徑以及充填生產(chǎn)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(jì)算結(jié)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(shí)降低速率減小。根據(jù)表5中質(zhì)量濃度為85%的棒磨砂料管輸阻力與流量的關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)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(jīng)濟(jì)。

表5 棒磨砂充填料漿流動(dòng)阻力計(jì)算結(jié)果Tab.5 Calculation results of filling slurry flow resistance of rod-mill sand aggregate kPa/m

續(xù)表5

表6 戈壁砂充填料漿流動(dòng)阻力計(jì)算結(jié)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(zhì)量濃度的關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)，管輸阻力隨料漿濃度的增加而增大。尤其在質(zhì)量濃度大于82%和管徑D=80 mm的小管徑時(shí)增加顯著。在質(zhì)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(guān)系可以發(fā)現(xiàn)，質(zhì)量濃度小于82%的管輸阻力隨濃度增加的速率較小。但當(dāng)質(zhì)量濃度大于82%時(shí)，管輸阻力隨濃度增大速率迅速提高。

根據(jù)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(guān)系可以看出，當(dāng)質(zhì)量濃度小于82%的兩種骨料的料漿管輸阻力基本相同，但當(dāng)質(zhì)量濃度大于82%時(shí)，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(guān)系可以看出，當(dāng)管徑小于130 mm，棒磨砂料漿管輸阻力顯著大于戈壁砂；當(dāng)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(zhì)上的差異。

5 結(jié)論

利用金川礦區(qū)附近戈壁砂替代棒磨砂進(jìn)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(yàn)和管輸阻力對(duì)比研究，獲得如下結(jié)論：

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

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

3) 當(dāng)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(zhì)的差異，戈壁砂替代棒磨砂應(yīng)用于金川礦山充填采礦中不僅可行而且可靠。

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(責(zé)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(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(“863”)項(xiàng)目(SS2012AA062405)；鎳鈷資源綜合利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目(金科礦2015-01)

楊志強(qiáng)(1957—),男,山西萬榮人,教授級(jí)高級(jí)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(dǎo)師，主要從事充填采礦和地壓控制方面的教學(xué)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