某銅礦充填料漿L型管道自流輸送研究*

劉勛,歐任澤,鄒山康,曹港,劉帥冬,葛建平

(1.九龍縣雅礱江礦業(yè)有限責(zé)任公司,四川 甘孜藏族自治州 626201;2.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司,湖南 長沙 410012;3.國家金屬采礦工程技術(shù)研究中心,湖南 長沙 410012)

0 引言

影響充填料漿管道輸送的因素一般包括充填料漿組成要素的合理性、充填料漿的濃度、充填料漿的輸送量、管道直徑、管道材質(zhì)、充填倍線及管網(wǎng)系統(tǒng)布置參數(shù)等[1]。國內(nèi)外科研工作者在管道輸送方面做了大量的研究。楊天雨等[2]系統(tǒng)地分析研究了廢石-風(fēng)砂高濃度充填料漿的自流輸送管道輸送特性,應(yīng)用Fluent軟件對該系統(tǒng)進(jìn)行了流動(dòng)及輸送特性的模擬研究,結(jié)果與試驗(yàn)分析表明,隨著充填料漿流速值的逐步增大,料漿流體輸送壓力及管道沿程阻力損失也呈線性增大。劉杰等[3]采用L 型管道,研究分析了采用多種不同混合配比、質(zhì)量濃度的料漿,充填倍線及輸送阻力間存在的復(fù)雜關(guān)系,建立了一個(gè)具有多種配比情況下充填倍線與輸送阻力間轉(zhuǎn)化的回歸模型?？抵緩?qiáng)等[4]以唐山某鐵礦全尾砂料漿L型管道輸送壓力損失最小為研究原則,分析比較了影響管道壓力損失的幾個(gè)因素,并據(jù)此進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析研究。甘德清等[5-6]利用Fluent軟件,對不同條件下L型彎管的阻力損失進(jìn)行了數(shù)值分析,得到了管道直徑長度和料漿質(zhì)量濃度的最優(yōu)取值。

為了確定充填料漿試樣的輸送性能,為充填管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型提供理論計(jì)算依據(jù),本次試驗(yàn)方案系統(tǒng)進(jìn)行了四川某銅礦模擬試樣充填料漿的L 型管道自流輸送試驗(yàn),并對影響其輸送阻力的主要因素進(jìn)行了綜合分析研究,確定了最佳充填倍線及合理流速。

1 L型管道自流輸送測試

1.1 試驗(yàn)原理

依靠漿體自身在垂直管道輸送中的勢能克服輸送阻力,從而最終實(shí)現(xiàn)漿體輸送的方式稱之為料漿管道自流輸送[7]。賓漢流體模型可用來描述漿體流變性能,由于流體自身具有一定的初始抗剪切變形的能力,使得管內(nèi)流體為低流速流體乃至停滯狀流體狀態(tài)下,充填料漿中的粗顆粒一般也不會產(chǎn)生沉降、離析等其他不利現(xiàn)象,具有較低的堵管風(fēng)險(xiǎn),且穩(wěn)定性較好[8]。

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

試驗(yàn)取該銅礦尾礦庫尾砂和普通硅酸鹽水泥作膠結(jié)充填試驗(yàn)材料,分別按1∶4、1∶8、1∶12、1∶20四組灰砂比,70%、68%、66%三組料漿質(zhì)量濃度,進(jìn)行L型管道輸送模擬試驗(yàn),試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 L管試驗(yàn)裝置

將上述各種充填料漿試樣充分?jǐn)嚢韬蟮谷胙b置上部的漏斗中,料漿借助自重通過L型管道,并從管道的下端流出。相關(guān)參數(shù)可以通過料漿流量、靜止的料柱高度等具體數(shù)值來確定。灰砂比為1∶4、料漿質(zhì)量濃度為68%時(shí)的室內(nèi)L 型管道輸送模擬試驗(yàn)照片見圖2。

圖2 灰砂比1∶4、料漿質(zhì)量濃度68%時(shí)的流態(tài)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 流變參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)料漿的參數(shù)測定可計(jì)算出不同配比及質(zhì)量濃度的料漿的屈服剪切應(yīng)力τ0與黏滯系數(shù)η,表1列出了實(shí)驗(yàn)室內(nèi)針對該銅礦未選硫尾砂試樣的幾組充填料漿流動(dòng)性試驗(yàn)參數(shù)結(jié)果。

表1 各組料漿流動(dòng)性試驗(yàn)參數(shù)結(jié)果

分析表1的模擬試驗(yàn)結(jié)果可知,當(dāng)水泥∶尾砂試樣配比為1∶4、水泥∶尾砂試樣配比為1∶8、水泥∶尾砂試樣配比為1∶12、水泥∶尾砂試樣配比為1∶20,料漿質(zhì)量濃度為66%～70%時(shí),無論料漿在管道內(nèi)還是在料漿箱中均很穩(wěn)定,流動(dòng)性亦比較良好,未出現(xiàn)明顯的漿液離析和分層現(xiàn)象,也未發(fā)生管道堵塞現(xiàn)象。

2.2 輸送阻力及充填倍線計(jì)算

2.2.1 輸送阻力計(jì)算

不同料漿流量、管道內(nèi)徑時(shí)的料漿流速計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 不同料漿流量、管道內(nèi)徑時(shí)的料漿流速

管道單位長度流動(dòng)阻力i可根據(jù)下式計(jì)算:

式中,V為充填料漿輸送流速,m/s;D為輸送管道內(nèi)徑,mm。

鑒于篇幅,本文僅展示灰砂比為1∶4、質(zhì)量濃度為70%的充填料漿和灰砂比為1∶8、質(zhì)量濃度為68%的充填料漿的流動(dòng)阻力計(jì)算結(jié)果,分別見表3、表4。

表3 灰砂比為1∶4、質(zhì)量濃度為70%的充填料漿流動(dòng)阻力

表4 灰砂比為1∶8、質(zhì)量濃度為68%的充填料漿流動(dòng)阻力

根據(jù)表3、表4中的數(shù)據(jù),繪制不同料漿流量下的管徑與流動(dòng)阻力的關(guān)系曲線,如圖3所示。

圖3 管徑與流動(dòng)阻力關(guān)系

2.2.2 充填倍線計(jì)算

考慮充填管網(wǎng)在鋪設(shè)工程時(shí)產(chǎn)生的不平整以及一些不可預(yù)見性因素,取局部阻力及出口損失之和為管道沿程阻力的1.15倍,充填倍線N可由公式(2)計(jì)算:式中,γ為料漿容重,N/m3;i為管道單位長度流動(dòng)阻力,kPa/m;H為垂直管道高度,m;L為水平管道長度,m。

根據(jù)公式(1)計(jì)算得到允許充填倍線部分結(jié)果分別見表5、表6。

表5 灰砂比為1∶4、質(zhì)量濃度70%的充填料漿可實(shí)現(xiàn)的自流輸送倍線

表6 灰砂比為1∶8、質(zhì)量濃度為68%的充填料漿可實(shí)現(xiàn)的自流輸送倍線

由表5、表6中的數(shù)據(jù)繪制不同料漿流量下管徑與充填倍線的關(guān)系,如圖4所示。

圖4 管徑與充填倍線關(guān)系

3 料漿輸送性能影響因素分析

綜合分析充填料漿自身的流變參數(shù)τ0、黏滯系數(shù)η、充填料漿輸送流速V及輸送管道內(nèi)徑D[9-10],對充填料漿輸送性能的影響如下。

(1) 屈服剪切應(yīng)力τ0和黏滯系數(shù)η。從計(jì)算結(jié)果可知,水泥+未選硫尾砂充填料漿黏滯系數(shù)η數(shù)值較小,灰砂比為1∶4時(shí),充填料漿黏滯系數(shù)η最大為0.330 Pa·s,質(zhì)量濃度自70%降到66%時(shí),τ0從2.140 Pa降至2.018 Pa;灰砂比為1∶8時(shí),充填料漿黏滯系數(shù)η最大為0.387 Pa·s,質(zhì)量濃度自70%降到66%時(shí),τ0從2.090 Pa降至1.946 Pa;灰砂比為1∶12 時(shí),充填料漿黏滯系數(shù)η最大為0.352 Pa·s,質(zhì)量濃度自70%降到66%時(shí),τ0從2.130 Pa降至1.922 Pa;灰砂比為1∶20時(shí),充填料漿黏滯系數(shù)η最大為0.374 Pa·s,質(zhì)量濃度自70%降到66%時(shí),τ0從2.112 Pa降至1.907 Pa。分析結(jié)果表明,當(dāng)τ0值過大時(shí),管道輸送靜摩擦力增大,輸送阻力增大,可通過在充填料漿中增加細(xì)骨料含量等方法來降低τ0[11]。

(2) 管內(nèi)流速V。從計(jì)算結(jié)果可知,如水泥∶尾砂試樣配比為1∶4 的充填料漿,質(zhì)量濃度為70%、管徑為Ф100 mm 時(shí),當(dāng)料漿流量從40 m3/h提高至80 m3/h 時(shí),流速從1.415 m/s 提高到2.831 m/s,輸送阻力從1.61 kPa/m 增大至3.1 kPa/m,可順利實(shí)現(xiàn)自流輸送的充填倍線從10 降至5.2。

(3) 輸送管道內(nèi)徑D。由輸送阻力計(jì)算公式可知,可通過逐漸加大管徑來有效降低管道內(nèi)的輸送阻力,如水泥∶尾砂試樣配比為1∶8的充填料漿,當(dāng)質(zhì)量濃度為68%,流量為70 m3/h,管道內(nèi)徑從80 mm 增大至150 mm 時(shí),輸送阻力可從7.62 kPa/m 降至0.68 kPa/m,對應(yīng)的充填倍線可從2.2增大至18.9。

4 結(jié)論

(1) 充填料漿L 型管道自流輸送試驗(yàn)表明:當(dāng)水泥∶尾砂試樣配比分別為1∶4、1∶8、1∶12、1∶20,料漿質(zhì)量濃度為66%～70%時(shí),無論料漿在管道內(nèi)還是在料漿箱中均很穩(wěn)定且流動(dòng)性亦比較良好,未出現(xiàn)明顯的漿液離析和分層現(xiàn)象,也未發(fā)生管道堵塞現(xiàn)象。

(2) 當(dāng)τ0值增大時(shí),管道輸送阻力增大,實(shí)際生產(chǎn)過程中應(yīng)盡量降低τ0;另一方面,提高流速理論上會增大管道輸送阻力、降低充填倍線。由于水泥+全尾砂結(jié)構(gòu)流可實(shí)現(xiàn)低理論流速管道輸送,所以為了進(jìn)一步降低管道輸送阻力,要控制好充填料漿流量,以控制流速。適當(dāng)加大輸送管道內(nèi)徑也可以降低輸送阻力,并顯著增大充填倍線。但由于管徑大、流速大會產(chǎn)生與礦山生產(chǎn)能力不符的現(xiàn)象,因此,確定管徑的同時(shí)要和礦山的生產(chǎn)能力、充填能力、料漿流動(dòng)速度相匹配,以保證滿管流。

(3) 該銅礦灰砂比為1∶4～1∶20、質(zhì)量濃度為66%～70%的充填料漿能夠順利實(shí)現(xiàn)自流輸送,最佳充填倍線為3～6,其合理流速為1.5～2.2 m/s。