自流充填管道局部變徑滿管輸送的環管試驗①

劉偉濤， 王瑩瑩， 楊 瑩， 王國立， 董立波

（北京金誠信礦山技術研究院有限公司，北京 101500）

管道自流輸送具有工藝簡單、輸送成本低的優勢，是礦山充填的首選方式［1］。 工程應用表明，自流非滿管輸送時充填料漿自由下落會導致垂直管道中上部易被磨穿而破漏，而滿管流輸送可以大大降低料漿對管道的沖擊磨損［2-3］。 采用變徑管輸送是獲得滿管流的有效方式之一［4-6］，目前在實驗室研究變徑滿管流的報道很少。 本文自主設計研發了一套小型變徑環管試驗裝置，研究變徑管管徑、長度、安裝位置等因素對充填豎管滿管率的影響，研究結果可為充填料漿自流輸送管網設計及優化提供理論支撐。

1 滿管流輸送理論

充填輸送系統實現自流的條件是系統高差提供的勢能可以克服管道輸送阻力［7］。 當料漿重力勢能過剩時，剩余勢能會轉化為動能，料漿加速流動，在垂直管道上部形成自由下落區域，系統處于非滿管流動狀態，如圖1 所示。 在自由降落段內，料漿在重力作用下加速下落，高速流動的砂漿對管壁沖刷形成溝壑式磨損，特別是在空氣與料漿交界面處發生碰撞產生巨大的沖擊力，可導致管道破裂。 進入滿管流段后料漿保持勻速穩定流動，管道磨損率較低［8-9］。 因此，提高系統滿管率是降低管道磨損的有效途徑。

圖1 中垂直管道高度為H0，自由降落段高度為H1，垂直滿管流段高度為H2，水平管道長度為L，設料漿密度為ρ，料漿水力坡度為im，重力加速度為g，由能量守恒定律可知：

由式（3）可知，滿管率大小取決于料漿密度、水力坡度以及垂直和水平管道長度。 對于礦山充填系統，垂直管道長度由開采深度決定，水平管道長度由采場位置決定，兩者均不易改變，料漿密度受充填配比參數限制，變化程度有限，因此，增加料漿水力坡度是提高滿管率的實用手段［10］。 研究表明，料漿水力坡度隨著管徑減小而顯著增加［11］，考慮到水平管道更換相對容易，在系統水平管段采取局部變徑措施來消耗垂直管段過剩勢能是提高系統滿管率的有效途徑。

2 變徑環管試驗

2.1 試驗材料

變徑環管試驗材料由某鉛鋅礦全尾砂和42.5 普通硅酸鹽水泥組成，全尾砂粒度分布曲線見圖2。

圖2 全尾砂粒度分布曲線

全尾砂基本物理參數測試結果見表1。 級配參數滿足“不均勻系數大于5 且曲率系數在1 ～3 之間”的條件，全尾砂級配良好。－74 μm 顆粒累計占比低于80%，屬于細粒級尾砂［12］，－20 μm 超細顆粒占比較大，有利于保持充填料漿的穩定性，適宜作為環管試驗材料。

表1 全尾砂基本物理參數

2.2 試驗裝置

自主設計研發并搭建了一套小型變徑環管試驗裝置，如圖3 所示，它主要由攪拌桶、變頻渣漿泵（流量60 m3／h、揚程15 m）、壓力表、電磁流量計、氣動閘閥、計量槽和內徑100 mm 的鋼制管道組成，其中垂直管段高度7 m，A、B、C 水平管段長度均為3 m，水平管道末端有1 m 豎直管，供充填料漿回流入攪拌桶實現循環流動。 試驗裝置模擬自流輸送的充填倍線為3，滿足礦山自流輸送對充填倍線的要求［13］。

該試驗裝置中，在垂直管道的頂端布置有正四棱錐狀料斗，與渣漿泵出口管段形成開路連接，符合礦山充填系統中攪拌設備下料口與鉆孔口之間常見的斷開式連接［14］，能有效模擬自流輸送的供料環節。 在氣動閘閥前方10 cm 處的水平管道底部開有卸料口，閘閥關閉后，可通過該卸料口將自流垂直管道中的料漿放出到計量槽中，測量料漿體積。

2.3 試驗設計

分別在試驗裝置的A、B、C 水平管段的中間部位安裝變徑管，記錄不同位置壓力表數據，測量卸料口流出的料漿體積，研究變徑管的安裝位置對滿管率的影響；通過在B 水平管段中間部位安裝不同管徑及長度的變徑管，研究變徑管管徑和長度對滿管率的影響。變徑管尺寸和安裝位置見表2。

表2 變徑管的尺寸和安裝位置

試驗中用到的變徑管如圖4 所示。 變徑管兩端通過快速溝槽卡箍與水平管道連接。

圖4 不同尺寸變徑管

2.4 試驗步驟

2.4.1 料漿制備

高濃度膠結充填料漿以其不離析、采場脫水量少、充填質量好等諸多優點，被礦山自流充填廣泛采用［15］。本次試驗采用全尾砂、水泥和水攪拌制備質量濃度70%的高濃度料漿，灰砂比1 ∶8，測得料漿屈服應力為73 Pa、塌落度為26.4 cm，流動性滿足管道輸送要求。

2.4.2 數據采集

料漿攪拌均勻后開啟渣漿泵，調整系統流量穩定在48 m3／h 左右（料漿流速1.7 m／s），待系統運行平穩后，快速關閉氣動閥門，打開卸料口，將料漿放入計量槽中，體積測量結束后將料漿倒入攪拌桶內開展下一組測試。 壓力表可以監測管道不同位置的壓力，由相鄰壓力表數據的差值除以其間隔距離可得到料漿管輸水力坡度im。 共計開展8 組試驗，測試結果見表3。

表3 變徑環管試驗測試結果

2.4.3 數據分析

根據計量槽測出的料漿體積計算滿管率，然后繪制變徑管的不同管徑、長度和安裝位置與料漿自流輸送滿管率及變徑管段水力坡度的關系曲線。

式中Vm為計量槽測得的料漿體積，L；Vh為試驗裝置的自流垂直管段體積，取45 L。

3 滿管率的影響因素分析

3.1 變徑管管徑對滿管率的影響

變徑管安裝在B 水平管段中間部位、長度為1 m時，料漿自流輸送滿管率及水力坡度與變徑管管徑的關系曲線如圖5 所示，滿管率和水力坡度受管徑的影響極為顯著，均隨著管徑減小呈指數型增長趨勢，在較粗管徑下滿管率和水力坡度增長緩慢，當管徑小于一定尺寸時急劇增長。 采用管徑50 mm 的局部變徑管時，滿管率由34.4%增長至47.3%；管徑由50 mm 縮小至30 mm 時，滿管率快速增長至72.9%。 這是因為在流量相同的情況下，流速與管徑的平方成反比，小管徑管道內的料漿流速高于大管徑，且料漿與小管徑內壁的接觸面積大于大管徑，變徑管段的水力坡度隨著管徑減小而急劇增大，迫使充填豎管中料漿液位升高來補充勢能，滿管率隨之增加。

圖5 變徑管管徑對滿管率及水力坡度的影響

3.2 變徑管長度對滿管率的影響

變徑管安裝在B 水平管段中間部位、管徑為30 mm時，料漿自流輸送滿管率及水力坡度與變徑管長度的關系曲線見圖6。 隨著變徑管長度增加，滿管率呈線性增長，而水力坡度在12 kPa／m 附近小范圍波動，考慮到測量誤差，可以認為水力坡度保持不變。 變徑管長度由1.0 m 增長至2.0 m 時，其占裝置水平管道的長度比例由11%上升至22%，滿管率達到了87.8%。 由此可見，在礦山實際應用中，可以通過改變局部變徑管長度方便地調節滿管率。

圖6 變徑管長度對滿管率及水力坡度的影響

3.3 變徑管安裝位置對滿管率的影響

變徑管管徑為30 mm、長度為1.5 m 時，料漿自流輸送滿管率及水力坡度與變徑管安裝位置的關系曲線如圖7 所示。 以安裝位置A 為基準，變徑管安裝位置更換到B 處和C 處時，滿管率變化值分別為0.4%和－0.9%，水力坡度在12 kPa／m 附近小范圍波動，表明變徑管在水平管道的安裝位置變化對滿管率及水力坡度影響很小，可忽略。 建議礦山充填管網中的變徑管安置于容易更換的地方。

圖7 變徑管安裝位置對滿管率及水力坡度的影響

3.4 相關性分析

通過皮爾森相關分析法探究變徑管管徑、長度和安裝位置與料漿自流輸送滿管率之間的相關性，將8 組試驗數據導入SPSS 分析軟件，計算結果見表4，其中??表示Sig＜0.01，為極顯著相關性；?表示0.01＜Sig＜0.05，為顯著相關性。 相關系數的絕對值越接近1，相關性越強，相關系數越接近于0，相關性越弱［16］。

表4 相關性分析結果

由表4 可以得出，變徑管管徑與滿管率呈極顯著負相關關系，變徑管長度與滿管率呈顯著正相關關系，變徑管安裝位置與滿管率缺乏相關性。 可見，變徑管管徑和長度是影響滿管率的主要因素，該結論可為充填管網設計提供依據。

4 結 論

1） 變徑管管徑和長度是影響充填系統滿管率的主要因素。 其中，滿管率與變徑管管徑存在極顯著負相關關系，隨著管徑減小呈指數型增長趨勢，管徑小于50 mm 時滿管率急劇增長；滿管率與變徑管長度存在顯著正相關關系，隨著長度增加呈線性增長，變徑管管徑為30 mm、長度為2 m 時，滿管率可達87.8%。 在充填料漿自流輸送管網設計中，可通過改變局部變徑管管徑和長度達到調節滿管率的目的。

2） 變徑管在水平管道的安裝位置變化對滿管率影響很小，可忽略，建議變徑管安裝在充填管網中容易更換的位置。

3） 本次小型變徑環管試驗測試結果符合工程實際，可為礦山充填管網設計以及工程應用提供可靠的技術支持，對降低自流輸送管道磨損具有非常重要的工程意義。