新型根系狀脫水管的構(gòu)造參數(shù)研究及脫水模型構(gòu)建

張愛卿， 吳愛祥， 王貽明， 尹升華， 李金云

(1. 北華航天工業(yè)學(xué)院建筑工程學(xué)院， 河北 廊坊 065000；2. 北京科技大學(xué)膏體充填采礦技術(shù)研究中心， 北京 100083)

0 引言

一種安全、 高效、 低成本的脫水技術(shù)是保證充填效果的關(guān)鍵. 就目前礦業(yè)形勢下， 低品位礦床開采過程中形成的高大采空區(qū)， 若采用膠結(jié)充填， 充填采場穩(wěn)定性可以保證但充填成本高， 若采用非膠結(jié)充填， 脫水效果無法保證， 充填采場穩(wěn)定性亦難以保證， 為礦山開采留下嚴(yán)重的安全隱患[1-5]. 如何解決充填采場快速脫水、 縮短采場的充填周期已成為非膠結(jié)充填系統(tǒng)高效穩(wěn)定運(yùn)行的頭等重要問題.

國內(nèi)外專家學(xué)者對細(xì)顆粒尾砂的脫水技術(shù)進(jìn)行了大量研究， 脫水技術(shù)分為外界作用和無外界作用兩類. 外界作用以電滲法[6-8]、 負(fù)壓法[9]和壓風(fēng)法[10]為代表， 采用上述脫水方式脫水效果好， 但成本較高， 相關(guān)配套技術(shù)復(fù)雜， 且存在安全隱患. 無外界作用以鏈?zhǔn)矫撍苊撍╗11]、 設(shè)置脫水密閉墻和脫水井[12-13]、 增加脫水管安設(shè)間距和管徑[14-15]、 添加一定量的粗顆粒改善顆粒級配[16]為代表， 可以在一定程度上提高脫水速度， 但也會導(dǎo)致脫水成本的增高. 張愛卿等[17]在不考慮外界作用， 不增加脫水管數(shù)量、 縮短脫水管間距的前提下， 對普通脫水管進(jìn)行改進(jìn)， 基于仿生學(xué)設(shè)計(jì)出一種新型根系狀脫水管， 分別開展新型根系狀脫水管和普通脫水管的脫水試驗(yàn)， 得出新型根系狀脫水管相比普通脫水管可以顯著提高脫水速率， 但并未充分考慮新型根系狀脫水管構(gòu)造參數(shù)對其脫水效果的影響.

為此， 作者在已有研究成果的基礎(chǔ)上， 擬定支管布設(shè)方案并確定構(gòu)造參數(shù)取值范圍， 設(shè)計(jì)脫水試驗(yàn)， 分析新型根系狀脫水管脫水速率隨影響因素的變化規(guī)律， 構(gòu)建新型根系狀脫水管的脫水模型， 確定新型根系狀脫水管的最佳構(gòu)造參數(shù). 其研究成果可以實(shí)現(xiàn)充填采場快速脫水， 縮短充填周期， 判別充填采場脫水效果的目的， 也可用于指導(dǎo)企業(yè)制造礦用新型根系狀脫水管.

1 新型根系狀脫水管脫水試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用某鐵礦經(jīng)由選廠排出的尾砂， 通過室內(nèi)試驗(yàn)綜合測定尾砂粒徑分布， 分布曲線如圖1所示.

觀察圖1可知， 尾砂粒徑累計(jì)分布曲線平緩， 不均勻系數(shù)為10.34， 曲率系數(shù)為2.69. 參考土工試驗(yàn)規(guī)程可知， 尾砂粒徑分布范圍較大、 連續(xù)性較好， 其中粒徑小于75 μm尾砂顆粒所占尾砂比例為39.49%, 表明尾砂以細(xì)顆粒為主.

1.2 試驗(yàn)裝置

新型根系狀脫水管的脫水試驗(yàn)裝置選取文獻(xiàn)[16]設(shè)計(jì)的室內(nèi)脫水試驗(yàn)裝置. 新型根系狀脫水管的脫水試驗(yàn)裝置示意圖如圖2所示， 其中新型根系狀脫水管由主脫水管和支管兩部分組成.

圖1 尾砂粒徑累計(jì)分布曲線圖Fig.1 Cumulative distribution curve of total tailing grain size

圖2 脫水試驗(yàn)裝置Fig.2 Dehydration test device

1.3 構(gòu)造參數(shù)取值范圍及支管布設(shè)方案

由文獻(xiàn)[17]可知， 新型根系狀脫水管中主脫水管的直徑為2 cm， 支管的直徑為4 mm， 試驗(yàn)裝置的直徑18 cm， 支管長度、 同一層支管數(shù)量和上下層支管間距是影響新型根系狀脫水管脫水速率的主要因素. 為研究3個影響因素對新型根系狀脫水管脫水速率的影響規(guī)律， 根據(jù)新型根系狀脫水管脫水試驗(yàn)裝置的尺寸和主脫水管與支管的直徑擬定新型根系狀脫水管中支管布設(shè)方案并確定構(gòu)造參數(shù)取值范圍， 具體包括如下3個方面.

1) 試驗(yàn)裝置的直徑扣除主脫水管的直徑后剩余長度為16 cm， 則主脫水管兩側(cè)支管布設(shè)長度最長可取8 cm， 故試驗(yàn)參數(shù)擬定為4、 5、 6、 7和8 cm；

2) 主脫水管周長近似取6 cm， 根據(jù)支管的直徑尺寸， 為了保證脫水效果采用“隔一放一”對稱布設(shè)的方式， 則同一層支管數(shù)量最多為6根， 故試驗(yàn)參數(shù)擬定為2、 3、 4、 5和6根；

表1 脫水管脫水試驗(yàn)方案

3)支管的直徑為4 mm， 為保證脫水效果采用“隔二放一”的布設(shè)方式， 則上下層支管間距最小為1 cm， 故試驗(yàn)參數(shù)擬為1、 2、 3和4 cm.

1.4 試驗(yàn)方案及試驗(yàn)步驟

采用控制變量法分析3個因素對脫水速率的影響規(guī)律， 在文獻(xiàn)[17]已有研究成果的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)脫水試驗(yàn)方案， 如表1所示. 試驗(yàn)步驟嚴(yán)格按照文獻(xiàn)[16]中的要求進(jìn)行， 每一組試驗(yàn)采用兩次平行試驗(yàn)， 當(dāng)兩次試驗(yàn)結(jié)果相差在5%以內(nèi)， 可將兩次平行試驗(yàn)的平均值作為該方案的脫水量和脫水時間， 脫水量隨脫水時間不斷累加得到累計(jì)脫水量. 新型根系狀脫水管的脫水速率表達(dá)式如下：

(1)

式中：v為脫水速率， mL·min-1；m為累計(jì)脫水量最大值， mL；t為達(dá)到累計(jì)脫水量最大值時所對應(yīng)的脫水時間， min.

2 新型根系狀脫水管的脫水規(guī)律

文獻(xiàn)[17]中已闡明了新型根系狀脫水管是從增大過水面積和縮短滲透距離兩個角度提高細(xì)顆粒尾砂脫水速率. 因此， 在分析試驗(yàn)結(jié)果過程中， 主要從過水面積和滲透距離兩個角度出發(fā)， 研究支管長度、 同一層支管數(shù)量和上下層支管間距對脫水速率的影響， 得出新型根系狀脫水管的脫水規(guī)律.

2.1 支管長度對新型根系狀脫水管脫水速率的影響

將第一組試驗(yàn)結(jié)果代入式(1)計(jì)算得出支管長度4、 5、 6、 7和8 cm對應(yīng)的脫水速率， 如圖3所示.

從圖3可看出， 脫水速率隨著支管長度增加不斷增大， 脫水速率最大值出現(xiàn)在支管長度為8 cm處， 最大值為27.17 mL·min-1. 支管長度從4 cm增大到6 cm時， 脫水速率增長很快， 表明過水面積的增加會大大提升脫水速率， 而支管長度從6 cm增大至8 cm時， 脫水速率增加緩慢， 這是由于支管長度增大， 引起了作用于細(xì)顆粒尾砂的動水力增大， 細(xì)顆粒尾砂在動水力和重力共同作用下， 會逐漸向支管聚集， 堵塞支管的濾水孔.

2.2 同一層支管數(shù)量對新型根系狀脫水管脫水速率的影響

將第二組試驗(yàn)結(jié)果代入式(1)， 計(jì)算得出同一層支管根數(shù)為2、 3、 4、 5和6對應(yīng)的脫水速率， 如圖4所示.

圖3 脫水速率隨支管長度的變化曲線Fig.3 Variation curve of dehydration rate with branch length

圖4 脫水速率隨同一層支管數(shù)量的變化曲線 Fig.4 Dewatering rate follows the change curve of the number of branches in one layer

從圖4可看出， 脫水速率隨著同一層支管數(shù)量增加先增大后降低， 呈拋物線變化， 脫水速率最大值出現(xiàn)在同一層支管根數(shù)為4根處， 最大值為34.47 mL·min-1.

同一層支管數(shù)量為2根和3根相比于4根的過水面積小， 所以同一層支管數(shù)量為2根和3根對應(yīng)的脫水速率小于4根對應(yīng)的脫水速率； 同一層支管數(shù)量為5根和6根相比于4根的過水面積大， 但是脫水速率并未增大， 這是由于同一層支管數(shù)量增多， 引起作用于細(xì)顆粒尾砂動水力的增大， 細(xì)顆粒尾砂在動水力和重力的共同作用下， 快速向靠近主脫水管的支管周圍聚集， 并堵塞支管上部的濾水孔.

2.3 上下層支管間距對新型根系狀脫水管脫水速率的影響

圖5 脫水速率隨上下層支管間距的變化曲線 Fig.5 Variation curve of dehydration rate with the distance between upper and lower branches

將第三組試驗(yàn)結(jié)果代入式(1)計(jì)算得出上下層支管間距1、 2、 3和4 cm對應(yīng)的脫水速率， 如圖5所示. 從圖5可看出， 脫水速率隨著上下層支管間距增加先增大后下降， 呈拋物線變化， 脫水速率最大值出現(xiàn)在上下層支管間距為2 cm處， 最大值為29.07 mL·min-1.

上下層支管間距為3和4 cm相對于2 cm滲透距離變大， 所以上下層支管間距為3和4 cm的脫水效率小于2 cm的脫水效率. 上下層支管間距為1 cm相比于2 cm縮短了滲透距離， 但脫水速率并未提升， 這是由于上下層支管間距縮短， 引起作用于細(xì)顆粒尾砂動水力的增大， 細(xì)顆粒尾砂在動水力和重力的共同作用下， 快速向靠近上下層支管間的主脫水管周圍聚集， 并堵塞主脫水管上部的濾水孔.

綜上可知， 新型根系狀脫水管的脫水規(guī)律為： 脫水速率隨著支管長度增加不斷增大， 隨著同一層支管數(shù)量和上下層支管間距的增加先增大后下降. 分析得出， 3個構(gòu)造參數(shù)改變會引起作用于細(xì)顆粒尾砂上動水力的變化， 細(xì)顆粒尾砂在動水力和重力的共同作用下， 向主脫水管或支管聚集， 并不同程度地堵塞主脫水管或支管上的濾水孔.

3 新型根系狀脫水管的脫水模型及最佳構(gòu)造參數(shù)

利用SPSS大型統(tǒng)計(jì)分析軟件對上述試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析， 計(jì)算結(jié)果如表2～4所示.

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)方差分析表

表3 試驗(yàn)因素多重比較表

表4 脫水模型系數(shù)

從表2可分析出，F(xiàn)(3, 10)=19.427>P，P=0<0.05， 表明三個影響因素對脫水速率影響均為顯著. 從表3事后檢驗(yàn)結(jié)果可得出三個影響因素之間的顯著性差異分別為： 支管長度與同一層支管數(shù)量和上下層支管間距有顯著性差異， 同一層支管數(shù)量與上下層支管間距無顯著性差異.

從表4分析得出三個影響因素在脫水模型中對應(yīng)的系數(shù). 由此得到新型根系狀脫水管的脫水模型表達(dá)式為：

Y=18.227+1.007X1+1.66X2-1.231X3

(2)

式中：Y為新型根系狀脫水管脫水速率，X1為支管長度，X2為同一層支管數(shù)量，X3為上層支管間距.根據(jù)擬定的新型根系狀脫水管的構(gòu)造參數(shù)取值范圍， 確定該模型的約束條件為：X1≤8，X2≤6，X3≥1.

當(dāng)X1、X2、X3分別取約束條件的極值， 代入式(2)計(jì)算得出新型根系狀脫水管的最大速率， 該值為34.95 mL·min-1， 上述新型根系狀脫水管脫水試驗(yàn)結(jié)果中的最大速率值為34.47 mL·min-1， 兩者相比差別不大. 因此， 可得出新型根系狀脫水管的最佳構(gòu)造參數(shù)為： 支管長度為8 cm， 同一層脫水管數(shù)量為6根， 上下層支管間距為1 cm.

圖6 支管傘狀布設(shè)方式示意圖Fig.6 Schematic diagram of umbrella-like layout of branch tubes

分析新型根系狀脫水管的最佳構(gòu)造參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)， 同一層支管采用全截面?zhèn)銧畈荚O(shè)方式可以提高新型根系狀脫水管的脫水速率， 新型根系狀脫水管中同一層支管傘狀布設(shè)方式示意圖如圖6所示.

本文試驗(yàn)所采用的尾砂為細(xì)顆粒為主的全尾砂， 若采用分級尾砂， 則需要重新進(jìn)行試驗(yàn). 試驗(yàn)結(jié)果建立在支管均勻分布于試驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)上， 但由于試驗(yàn)過程中尾砂料漿是從試驗(yàn)裝置的一側(cè)流入， 會造成尾砂料漿流入側(cè)的支管出現(xiàn)一定程度彎曲， 特別是對于支管長度在6～8 cm影響較為明顯， 但這并不是引起支管長度在6～8 cm時脫水速率增加趨緩的主要原因.

綜上所述， 在實(shí)際工程中， 可根據(jù)現(xiàn)場已有主脫水管的直徑選擇支管的直徑， 并參照新型根系狀脫水管的構(gòu)造參數(shù)取值方法和支管布設(shè)方案， 確定支管長度、 同一層支管數(shù)量和上下層支管間距的取值. 利用式(2)計(jì)算脫水速率， 進(jìn)而得出充填采場的脫水量， 為評判充填采場的脫水效果提供依據(jù)， 也可用于指導(dǎo)企業(yè)制造礦用新型根系狀脫水管， 具有廣闊的應(yīng)用前景.

4 結(jié)語

1) 根據(jù)新型根系狀脫水管脫水試驗(yàn)裝置的尺寸和主脫水管及支管的直徑擬定新型根系狀脫水管中支管布設(shè)方案并確定構(gòu)造參數(shù)取值范圍， 設(shè)計(jì)脫水試驗(yàn)方案， 研究新型根系狀脫水管的脫水規(guī)律. 試驗(yàn)結(jié)果表明， 脫水速率隨著支管長度增加不斷增大， 隨著同一層支管數(shù)量和上下層支管間距的增加先增大后下降.

2) 經(jīng)對試驗(yàn)結(jié)果回歸分析構(gòu)建新型根系狀脫水管的脫水模型， 對脫水模型的約束條件取極值， 確定新型根系狀脫水管的最佳構(gòu)造參數(shù)為： 支管長度為8 cm， 同一層脫水管數(shù)量為6根， 上下層支管間距為1 cm. 研究發(fā)現(xiàn), 同一層支管采用全截面?zhèn)銧畈荚O(shè)方式可提高新型根系狀脫水管的脫水速率.

3) 在實(shí)際工程中， 可根據(jù)現(xiàn)場已有主脫水管的直徑選擇支管的直徑， 并參照構(gòu)造參數(shù)取值方法和支管布設(shè)方案確定支管的長度、 同一層支管數(shù)量和上下層支管間距的取值， 利用脫水模型求出脫水速率， 進(jìn)而得出充填采場的脫水量， 為評判充填采場的脫水效果提供依據(jù)， 也可用于指導(dǎo)企業(yè)制造礦用新型根系狀脫水管.