高濃度分級(jí)尾砂充填料漿管輸阻力影響因素研究與分析

石宏偉，黃吉榮，滕高禮，潘張偉，張祝九，鐘 超

(1.馳宏科技工程股份有限公司，云南 曲靖655000；2.云南馳宏鋅鍺股份有限公司，云南 曲靖 655000)

高濃度料漿因具有不離析、不沉淀、充填質(zhì)量好、采場(chǎng)脫水量少、效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)[1-3]，使其成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的主要研究對(duì)象。但高濃度充料漿輸送是一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)難題，若管輸參數(shù)選取不合理，就會(huì)造成堵管、不滿管輸送等問(wèn)題[4-5]。為了確保高濃度料漿能夠順利輸送到井下采空區(qū)，進(jìn)行高濃度充填料漿的工業(yè)管輸試驗(yàn)是非常必要的。目前主要試驗(yàn)方法有L管試驗(yàn)和工業(yè)環(huán)管試驗(yàn)[6-9]。L管試驗(yàn)簡(jiǎn)單便捷，但其試驗(yàn)過(guò)于簡(jiǎn)單不能全面反應(yīng)礦山的實(shí)際輸送情況[3]；工業(yè)環(huán)管管輸試驗(yàn)雖然實(shí)驗(yàn)強(qiáng)度大、費(fèi)用高[8-12]，但能夠測(cè)出在不同料漿濃度、不同流量(流速)、不同灰砂比下與礦山實(shí)際情況較為接近的管道輸送阻力，從而可確定適用礦山高濃度充填系統(tǒng)的參數(shù)，為礦山實(shí)際充填提供技術(shù)參數(shù)。

為研究云南某礦山的高濃度分級(jí)尾砂充填料漿的管輸特性，通過(guò)工業(yè)管輸試驗(yàn)測(cè)得不同濃度、流量和灰砂比條件下的管道阻力數(shù)據(jù)，結(jié)合礦山實(shí)際充填情況分析管輸阻力與各影響因素之間的關(guān)系，應(yīng)用L9(3)4正交試驗(yàn)進(jìn)行多因素影響規(guī)律分析，得出各個(gè)影響因素的主次關(guān)系，以便于實(shí)現(xiàn)高濃度分級(jí)尾砂充填料漿的管道輸送，有效控制管輸參數(shù)，確保高濃度充填系統(tǒng)安全、穩(wěn)定。

1 充填材料的物理化學(xué)性質(zhì)測(cè)定

選取云南某礦山選礦廠尾砂為試驗(yàn)原料，對(duì)尾砂的密度、體積密度、空隙率、松散密度、堆實(shí)密度情況進(jìn)行測(cè)定。其測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 云南某礦山的分級(jí)尾砂的物理力學(xué)性能表

采用化學(xué)元素標(biāo)定法結(jié)合X衍射和掃描電鏡等手段對(duì)云南某礦山選礦廠的分級(jí)尾砂進(jìn)行化學(xué)成分分析和礦物組成分析。表2為分級(jí)尾砂主要化學(xué)成分標(biāo)定結(jié)果。

分析結(jié)果表明：分級(jí)尾砂中主要化學(xué)成分有SiO2、Al2O3、CaO、MgO等，主要礦物成分為石英、長(zhǎng)石、云母、赤鐵礦。分級(jí)尾砂中可回收的金屬含量均比較低，不含或少含有毒有害元素(如S)礦物，組成礦物物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。

表2 云南某礦山分級(jí)尾砂化學(xué)成分表

為區(qū)分尾砂的粒度情況，對(duì)云南某礦山選廠的分級(jí)尾砂采用激光粒度分析儀進(jìn)行測(cè)定。其測(cè)定結(jié)果如表3所示。

表3 云南某礦山分級(jí)尾砂(混合樣)的粒度分布

從表3結(jié)果可知：云南某礦山的分級(jí)尾砂的粒度特性總體來(lái)看分級(jí)尾砂粒級(jí)比較集中，-0.246+0.097 mm粒度區(qū)間占50%左右，-0.097+0.05 mm粒度區(qū)間占35%左右。符合日本建筑學(xué)會(huì)制定的《泵送混凝土施工規(guī)程》中規(guī)定的通過(guò)0.3 mm篩孔顆粒含量為10%～30%的要求，能夠配制流態(tài)混凝土的要求；也符合美國(guó)混凝土協(xié)會(huì)(ACI)推薦的細(xì)集料級(jí)配曲線建議的20%篩下率的要求[1]，說(shuō)明礦山的分級(jí)尾砂可制備成具有良好流態(tài)的充填料漿。

2 工業(yè)管輸試驗(yàn)

云南某礦山的充填系統(tǒng)工藝：將選礦廠的分級(jí)尾砂用汽車(chē)運(yùn)至充填站的尾砂堆場(chǎng)，再用裝載機(jī)將分級(jí)尾砂鏟運(yùn)至儲(chǔ)料倉(cāng)，通過(guò)螺旋給料機(jī)按照設(shè)計(jì)要求添加強(qiáng)度等級(jí)32.5R普通硅酸鹽水泥，充填料漿的灰砂比為1∶4～1∶16，充填制備能力在60 m3/h左右。料漿經(jīng)攪拌制備好后采用HBT80.18.132S型混凝土拖泵輸送，最終通過(guò)地表充填管、鉆孔及井下管網(wǎng)輸送至井下充填工作面。

為了良好的模擬礦山實(shí)際充填的情況，優(yōu)化礦山的充填配比，礦山的環(huán)管泵送試驗(yàn)管路系統(tǒng)設(shè)置成水平輸送管道、傾斜(30°)下行輸送管道、垂直(90°)下行輸送管道等3種管道布置形式，總長(zhǎng)度為100 m左右(包括傾斜管、水平管、垂直管和彎頭)，充填倍線為5.0。環(huán)管設(shè)備及管路系統(tǒng)包括攪拌機(jī)、輸送泵、管路、測(cè)試儀表(壓力表5個(gè))、測(cè)量數(shù)據(jù)采集選用工控系統(tǒng)等。

根據(jù)礦山現(xiàn)有的工業(yè)試驗(yàn)研究設(shè)備，攪拌機(jī)用1臺(tái)JS1000型雙臥軸強(qiáng)制式混凝土攪拌機(jī)，為了制備均勻，合格攪拌時(shí)間為4～6 min；輸送泵用HBT80.18.132S型混凝土拖泵；充填管采用DN125 mm地泵管、曲率半徑R1 500 mm的15°和90°彎管。料漿流量測(cè)量采用電磁流量計(jì)、管道測(cè)點(diǎn)壓力測(cè)量采用壓力變送器。

工業(yè)環(huán)管試驗(yàn)方案：充填灰砂比在1∶4～1∶16，充填流量在40～60 m3/h，充填料漿濃度在66%～70%。結(jié)合在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行的強(qiáng)度和流變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)，本次環(huán)管試驗(yàn)的試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)如表4，提取數(shù)據(jù)接近流量(40、50、60 m3/h)、濃度(66%、68%、70%)、灰砂比(1∶4、1∶8、1∶12)條件下進(jìn)行收集流量計(jì)和壓力表的數(shù)值，進(jìn)而分析其相關(guān)關(guān)系。工業(yè)充填管輸試驗(yàn)管道布置見(jiàn)圖1。

圖1 工業(yè)充填管輸試驗(yàn)管道布置圖(單位：m)Fig.1 Layout of industrial filling pipeline transportation test

表4 工業(yè)環(huán)管試驗(yàn)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)

Table 4 Test design of industrial ring pipe test

灰砂比充填料漿濃度設(shè)計(jì)充填料漿流量設(shè)計(jì)1∶41∶81∶12料漿質(zhì)量濃度范圍66%～70%,試驗(yàn)中采用由低濃度到高濃度的濃度改變方法,試驗(yàn)最低濃度66%,依次選取2%的濃度增大距離。本次主要選用濃度為66%、68%、70%,每組配比獲取4～5組濃度條件下的壓力值。充填料漿流量范40～60 m3/h,流量的大小由泵活塞沖、程頻率來(lái)控制。本次選取流量為40、50、60 m3/h,每組灰砂比每種濃度獲取4～5組流量條件。

3 管道輸送試驗(yàn)的沿程阻力及其影響因素分析

根據(jù)高濃度分級(jí)尾砂充填料漿的工業(yè)管道輸送試驗(yàn)的壓力監(jiān)測(cè)值，計(jì)算出試驗(yàn)中的水平直管和斜管道的管道沿程阻力，進(jìn)一步深入研究管道沿程阻力與充填料漿質(zhì)量濃度、料漿的流量、灰砂比之間的關(guān)系。根據(jù)工業(yè)管道輸送試驗(yàn)壓力表監(jiān)測(cè)值計(jì)算出的管道沿程阻力，繪制濃度、流量、灰砂比與沿程阻力曲線圖。

3.1 充填料漿的質(zhì)量濃度對(duì)管道阻力的影響

水平管料漿濃度、斜管料漿濃度與阻力的關(guān)系分別見(jiàn)圖2和圖3。

由圖2、圖3可知：

1)高濃度分級(jí)尾砂充填料漿質(zhì)量濃度對(duì)管輸沿程阻力的影響極為敏感；當(dāng)分級(jí)尾砂充填料漿濃度相差2%左右時(shí)，其管輸沿程阻力的值就會(huì)波動(dòng)40%～60%。其原因是分級(jí)尾砂的重量濃度越高，充填料漿的塑性黏度和屈服應(yīng)力就越大，充填料漿在管道輸送中管內(nèi)流動(dòng)阻力越大，其管道輸送阻力損失也就越大。

2)分級(jí)尾砂充填料漿的流量和灰砂比一定時(shí)，隨著分級(jí)尾砂充填料漿質(zhì)量濃度增加，水平管道和斜管道的管輸沿程阻力基本呈指數(shù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，且水平管道的管輸沿程阻力增大值要大于斜管道的管輸沿程阻力增大值。

圖2 水平管料漿濃度與阻力Fig.2 Relationship between concentration and resistance of horizontal pipe slurry

圖3 斜管料漿濃度與阻力Fig.3 Relationship between concentration and resistance of oblique tube slurry

3)分級(jí)尾砂充填料漿的質(zhì)量濃度超過(guò)68%后，其充填料漿的管輸沿程阻力的變化率呈減小的趨勢(shì)，表明分級(jí)尾砂充填料漿在68%～70%中間存在著一個(gè)臨界濃度，使分級(jí)尾砂充填料漿呈似膏體狀態(tài)，從而使料漿的流動(dòng)性、保水性、可泵性等管流特性較優(yōu)，有利于漿體的管道輸送，充填料漿管輸阻力相對(duì)減小，其沿程阻力的變化率減小。因此，在實(shí)際充填中將充填料漿濃度控制在合理范圍顯得尤為重要，通過(guò)充填管輸試驗(yàn)研究，結(jié)合和阻力規(guī)律研究分級(jí)尾砂的料漿質(zhì)量濃度在68%～70%中間為最優(yōu)。

3.2 充填料漿的流量對(duì)沿程阻力的影響

由圖4、圖5可知：

1)當(dāng)充填料漿的濃度和灰砂比一定時(shí)，水平直管和斜管的管道沿程阻力隨著充填料漿流量(流速)的增加呈線性增大趨勢(shì)；流量越大管道沿程阻力越大，流量越小管道沿程阻力越小。其主要原因是充填料漿的流量增大，料漿的工作流速增大，從而導(dǎo)致料漿的管道輸送沿程阻力增大。

2)水平直管和斜管的管道沿程阻力隨流量(流速)的增大基本成線性增加；充填料漿的濃度越高，其變化率越大；在適宜濃度時(shí)，其變化率較小；充填料漿的濃度越低，其變化率也較大。

3)充填料漿在水平管流動(dòng)時(shí)隨流量的變化其阻力變化值要小于斜管的阻力變化值，主要是因?yàn)闈{體在水平管的料漿流動(dòng)性能變化較小，在斜管段因流量發(fā)生變化，料漿輸送不滿管、料漿流動(dòng)發(fā)生變化等因素會(huì)導(dǎo)致其管輸阻力會(huì)發(fā)生較大變化。特別是在濃度較低時(shí)，隨流量變化水平管和斜管的阻力變化差異越明顯。

圖4 水平管道流量與管輸阻力Fig.4 Relationship between horizontal pipeline flow and pipeline transport resistance

3.3 灰砂比對(duì)管輸阻力的影響

通過(guò)輸送試驗(yàn)研究灰砂比為1∶4、1∶8、1∶12時(shí)不同濃度和流量下水平管(圖6)和斜管(圖7)的管輸沿程阻力變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)：因受水泥添加量影響，分級(jí)尾砂充填料漿管輸沿程阻力隨著水泥添加量增加，呈先減小后增大的變化趨勢(shì)。原因是：其一水泥漿對(duì)充填料在管道起到潤(rùn)滑管壁的作用，其二添加水泥后，水泥漿可以充分填補(bǔ)分級(jí)尾砂骨料間隙，同時(shí)還可包裹骨料表面的作用，使分級(jí)尾砂充填料漿有利于形成一個(gè)整體，從而保證高濃度分級(jí)尾砂充填料漿漿體具有較好的穩(wěn)定性、流動(dòng)性和可泵性，進(jìn)而可有效降低管輸沿程阻力。但水泥添加量過(guò)多會(huì)使充填料漿的黏度增大，會(huì)導(dǎo)致管輸沿程阻力變大；根據(jù)灰砂比1∶12的管輸沿程阻力規(guī)律發(fā)現(xiàn)：若水泥添加量過(guò)少，水泥漿對(duì)管壁的潤(rùn)滑作用和骨料的包裹作用也會(huì)減弱，其管輸沿程阻力也會(huì)增大。

圖6 灰砂比與水平管管輸阻力Fig.6 Relationship between ash-sand ratio and horizontal pipe transport resistance

圖7 灰砂比與斜管管輸阻力Fig.7 Relationship between ash-sand ratio and oblique pipe resistance

4 水平直管管輸阻力的多因素影響分析

統(tǒng)計(jì)分析研究了高濃度分級(jí)尾砂充填料漿的質(zhì)量濃度、流量和灰砂比與管輸沿程阻力的影響和變化規(guī)律，因三個(gè)因素對(duì)水平管和斜管的管輸阻力影響變化規(guī)律基本一致，本次主要根據(jù)工業(yè)輸送試驗(yàn)中水平直管沿程阻力試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行正交試驗(yàn)進(jìn)行研究。

4.1 正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)

通過(guò)研究分析，試驗(yàn)采用3因素、3水平正交試驗(yàn)，試驗(yàn)指標(biāo)為水平管道沿程阻力值；因素為A(濃度%)、B(流量m3/h)、C(灰砂比)，每一個(gè)因素取三個(gè)水平，具體取值如表5所示。

表5 正交試驗(yàn)因素水平表

因?yàn)楸敬卧囼?yàn)有3因素、3水平，根據(jù)正交試驗(yàn)規(guī)律結(jié)合實(shí)際情況，確定選用L9(3)4正交表。根據(jù)無(wú)交互作用的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)試驗(yàn)，每組試驗(yàn)的具體條件和工業(yè)管輸試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 正交試驗(yàn)計(jì)算表

4.2 方差分析

對(duì)每一個(gè)因子在水平的效應(yīng)是否有顯著差異進(jìn)行檢驗(yàn)，則有：

HOA∶α1=α2=α3=0;HOB∶β1=β2=β3=0;HOC∶δ1=δ2=δ3=0

(1)

αj：為A因子在第j個(gè)水平的效應(yīng)；βj為B因子在第j個(gè)水平的效應(yīng)；δj為C因子在第j個(gè)水平的效應(yīng)(j=1,2,3)。

(2)

表7 方差分析表

查F分布位數(shù)表可以得到其顯著性水平:α=0.10，0.05，0.01。

F0.90(2,2)=9.00;F0.95(2,2)=19.00；F0.99(2,2)=99.00

(3)

F(A)=53.42>F0.95(2,2)；F(B)=6.00

通過(guò)正交試驗(yàn)研究的方差顯著性分析研究：因子A(充填料漿質(zhì)量濃度)的作用最顯著，因子B(料漿流量或流速)的作用次之，因子C(灰砂比)作用相對(duì)最小，因此，可得出高濃度分級(jí)尾砂充填料漿對(duì)管輸沿程阻力的影響因素的大小關(guān)系為：充填料漿濃度>充填料漿流量(流速)>灰砂比，表明高濃度分級(jí)尾砂充填料漿重量濃度和流量是影響管輸沿程阻力的主要因素。對(duì)于礦山的充填料漿而言，在保證滿足礦山充填體強(qiáng)度要求下，管道輸送阻力越好越有利于料漿的管道輸送。因此，在礦山的實(shí)際生產(chǎn)中在滿足充填工藝要求的條件下，嚴(yán)格控制充填料漿的質(zhì)量濃度、流量(流速)和灰砂比，可保證礦山充填料漿的安全穩(wěn)定輸送，如：當(dāng)井下充填體強(qiáng)度要求較高時(shí)，可采用A3B1C1(濃度70%、流量40 m3/h、灰砂比1∶4)進(jìn)行充填；當(dāng)井下充填體強(qiáng)度要求較低時(shí)，可采用A1B3C3(濃度66%、流量60 m3/h、灰砂比1∶12)的配比進(jìn)行充填。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)云南某礦山分級(jí)尾砂的物理化學(xué)性質(zhì)分析、工業(yè)管道輸送試驗(yàn)、試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)回歸分析，研究了高濃度分級(jí)尾砂充填料漿的管輸沿程阻力與料漿的重量濃度、流量和灰砂比的關(guān)系，得出以下結(jié)論：

1)分級(jí)尾砂中可回收的金屬含量均比較低，組成礦物物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定；分級(jí)尾砂粒級(jí)比較集中，分級(jí)尾砂細(xì)粒級(jí)含量在35%左右，符合相關(guān)要求，可以制備成具有良好流態(tài)的充填料漿。

2)高濃度分級(jí)尾砂的充填料漿質(zhì)量濃度對(duì)管輸沿程阻力的影響極為敏感；料漿濃度越高，塑性黏度和屈服應(yīng)力就越大，管輸沿程阻力越大，其管道輸送阻力損失也就越大。充填料漿的流量(流速)越大，其管輸沿程阻力基本呈線性增大趨勢(shì)。而管輸沿程阻力隨著水泥添加量的增多，呈先減小后增大的趨勢(shì)。

3)隨著充填料漿濃度、流量(流速)和灰砂比的變化，水平管道和斜管道的管輸沿程阻力變化規(guī)律基本一致；但水平管的管輸阻力大于斜管，而斜管段的管輸阻力隨充填料漿濃度、流量(流速)和灰砂比的變化較明顯。

4)通過(guò)正交試驗(yàn)研究分析得出了影響充填料漿管輸沿程阻力因素的主次關(guān)系為：充填料漿濃度>充填料漿流量(流速)>灰砂比，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出不同井下充填條件下的最優(yōu)參數(shù)。

5)本次工業(yè)管道輸送試驗(yàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)礦山實(shí)際生產(chǎn)有較大的指導(dǎo)意義，為礦山充填系統(tǒng)提供了可靠的技術(shù)支持。多因素的正交試驗(yàn)分析方法則可以為礦山以后的試驗(yàn)提供指導(dǎo)——減少試驗(yàn)量而得到較準(zhǔn)確的試驗(yàn)結(jié)果，為礦山節(jié)約成本，試驗(yàn)思路和方法可為類似礦山提供參考。