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有限責任公司,四川 甘孜藏族自治州 626201;2.長沙礦山研究院有限責任公司,湖南 長沙 410012;3.國家金屬采礦工程技術研究中心,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、充填倍線及管網系統布置參數等[1]。國內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]系統地分析研究了廢石-風砂高濃度充填料漿的自流輸送管道輸送特性,應用Fluent軟件對該系統進行了流動及輸送特性的模擬研究,結果與試驗分析表明,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、質量濃度的料漿,充填倍線及輸送阻力間存在的復雜關系,建立了一個具有多種配比情況下充填倍線與輸送阻力間轉化的回歸模型?？抵緩姷萚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因素,并據此進行了結構優化分析研究。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行了數值分析,得到了管道直徑長度和料漿質量濃度的最優取值。

為了確定充填料漿試樣的輸送性能,為充填管網系統設計選型提供理論計算依據,本次試驗方案系統進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,并對影響其輸送阻力的主要因素進行了綜合分析研究,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,從而最終實現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,使得管內流體為低流速流體乃至停滯狀流體狀態下,充填料漿中的粗顆粒一般也不會產生沉降、離析等其他不利現象,具有較低的堵管風險,且穩定性較好[8]。

1.2 實驗過程

試驗取該銅礦尾礦庫尾砂和普通硅酸鹽水泥作膠結充填試驗材料,分別按1∶4、1∶8、1∶12、1∶20四組灰砂比,70%、68%、66%三組料漿質量濃度,進行L型管道輸送模擬試驗,試驗裝置結構如圖1所示。

圖1 L管試驗裝置

將上述各種充填料漿試樣充分攪拌后倒入裝置上部的漏斗中,料漿借助自重通過L型管道,并從管道的下端流出。相關參數可以通過料漿流量、靜止的料柱高度等具體數值來確定?；疑氨葹?∶4、料漿質量濃度為68%時的室內L 型管道輸送模擬試驗照片見圖2。

圖2 灰砂比1∶4、料漿質量濃度68%時的流態

2 實驗結果分析

2.1 流變參數試驗結果

根據料漿的參數測定可計算出不同配比及質量濃度的料漿的屈服剪切應力τ0與黏滯系數η,表1列出了實驗室內針對該銅礦未選硫尾砂試樣的幾組充填料漿流動性試驗參數結果。

表1 各組料漿流動性試驗參數結果

分析表1的模擬試驗結果可知,當水泥∶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,料漿質量濃度為66%～70%時,無論料漿在管道內還是在料漿箱中均很穩定,流動性亦比較良好,未出現明顯的漿液離析和分層現象,也未發生管道堵塞現象。

2.2 輸送阻力及充填倍線計算

2.2.1 輸送阻力計算

不同料漿流量、管道內徑時的料漿流速計算結果見表2。

表2 不同料漿流量、管道內徑時的料漿流速

管道單位長度流動阻力i可根據下式計算:

式中,V為充填料漿輸送流速,m/s;D為輸送管道內徑,mm。

鑒于篇幅,本文僅展示灰砂比為1∶4、質量濃度為70%的充填料漿和灰砂比為1∶8、質量濃度為68%的充填料漿的流動阻力計算結果,分別見表3、表4。

表3 灰砂比為1∶4、質量濃度為70%的充填料漿流動阻力

表4 灰砂比為1∶8、質量濃度為68%的充填料漿流動阻力

根據表3、表4中的數據,繪制不同料漿流量下的管徑與流動阻力的關系曲線,如圖3所示。

圖3 管徑與流動阻力關系

2.2.2 充填倍線計算

考慮充填管網在鋪設工程時產生的不平整以及一些不可預見性因素,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)計算:式中,γ為料漿容重,N/m3;i為管道單位長度流動阻力,kPa/m;H為垂直管道高度,m;L為水平管道長度,m。

根據公式(1)計算得到允許充填倍線部分結果分別見表5、表6。

表5 灰砂比為1∶4、質量濃度70%的充填料漿可實現的自流輸送倍線

表6 灰砂比為1∶8、質量濃度為68%的充填料漿可實現的自流輸送倍線

由表5、表6中的數據繪制不同料漿流量下管徑與充填倍線的關系,如圖4所示。

圖4 管徑與充填倍線關系

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τ0、黏滯系數η、充填料漿輸送流速V及輸送管道內徑D[9-10],對充填料漿輸送性能的影響如下。

(1) 屈服剪切應力τ0和黏滯系數η。從計算結果可知,水泥+未選硫尾砂充填料漿黏滯系數η數值較小,灰砂比為1∶4時,充填料漿黏滯系數η最大為0.330 Pa·s,質量濃度自70%降到66%時,τ0從2.140 Pa降至2.018 Pa;灰砂比為1∶8時,充填料漿黏滯系數η最大為0.387 Pa·s,質量濃度自70%降到66%時,τ0從2.090 Pa降至1.946 Pa;灰砂比為1∶12 時,充填料漿黏滯系數η最大為0.352 Pa·s,質量濃度自70%降到66%時,τ0從2.130 Pa降至1.922 Pa;灰砂比為1∶20時,充填料漿黏滯系數η最大為0.374 Pa·s,質量濃度自70%降到66%時,τ0從2.112 Pa降至1.907 Pa。分析結果表明,當τ0值過大時,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骨料含量等方法來降低τ0[11]。

(2) 管內流速V。從計算結果可知,如水泥∶尾砂試樣配比為1∶4 的充填料漿,質量濃度為70%、管徑為Ф100 mm 時,當料漿流量從40 m3/h提高至80 m3/h 時,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,可順利實現自流輸送的充填倍線從10 降至5.2。

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

4 結論

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

(2) 當τ0值增大時,管道輸送阻力增大,實際生產過程中應盡量降低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+全尾砂結構流可實現低理論流速管道輸送,所以為了進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。適當加大輸送管道內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、流速大會產生與礦山生產能力不符的現象,因此,確定管徑的同時要和礦山的生產能力、充填能力、料漿流動速度相匹配,以保證滿管流。

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