高濃度全尾砂充填料漿臨界輸送流速研究

甘德清 高 鋒 陳 超 盧宏建 張亞賓

(1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,河北 唐山 063009；2.河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 唐山 063009)

高濃度全尾砂充填料漿臨界輸送流速研究

甘德清1,2高 鋒1,2陳 超1,2盧宏建1,2張亞賓1,2

(1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,河北 唐山 063009；2.河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 唐山 063009)

以某地下礦山超大規(guī)模充填開采發(fā)展趨勢(shì)為背景，結(jié)合礦山環(huán)境保護(hù)的迫切需要，充分考慮粒級(jí)組成、料漿黏度、料漿與載體密度、物料密度、管徑、管壁粗糙度、管道安裝質(zhì)量、物料加權(quán)平均沉降速率等復(fù)雜因素，以管道輸送阻力損失最小為原則研究高濃度全尾砂充填料漿在不同直徑管道內(nèi)的臨界流速，構(gòu)建高濃度全尾砂充填料漿臨界輸送流速模型，分析管徑和濃度對(duì)臨界輸送流速的影響規(guī)律。經(jīng)驗(yàn)證，高濃度全尾砂充填料漿臨界輸送流速模型的計(jì)算結(jié)果可靠，模型計(jì)算得出的臨界輸送流速隨管徑、濃度等因素的變化表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性。研究結(jié)果表明：隨著管徑的增大，高濃度全尾砂充填料漿臨界輸送流速呈按冪函數(shù)增大的變化特征；隨著濃度的增大，高濃度全尾砂充填料漿臨界輸送流速呈按三次多項(xiàng)式減小的變化特征。

高濃度全尾砂充填料漿 臨界流速 充填管道 管徑 濃度

隨著充填采礦技術(shù)裝備的進(jìn)步與國(guó)內(nèi)外工業(yè)化水平的提高以及社會(huì)對(duì)環(huán)境保護(hù)的日益關(guān)注，國(guó)內(nèi)外充填開采的地下礦山生產(chǎn)規(guī)模不斷增大。目前，我國(guó)已經(jīng)開始建設(shè)年產(chǎn)2 000萬t級(jí)左右的超大能力充填開采的地下礦山，如司家營(yíng)田興鐵礦、思山嶺鐵礦等。采礦規(guī)模的不斷增大，導(dǎo)致尾礦的產(chǎn)出量也在急劇增加，占用了大量的土地，造成礦區(qū)生態(tài)的嚴(yán)重破壞[1-2]。高濃度全尾砂膠結(jié)充填具有尾砂利用率高、充填體強(qiáng)度大的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模地下礦山的安全綠色開采[2]。增大充填開采規(guī)模要求提高單系統(tǒng)全尾砂充填管道輸送能力與穩(wěn)定性，增大充填管徑，勢(shì)必改變?nèi)采俺涮盍蠞{管道輸送機(jī)理。臨界流速是研究充填料漿管道輸送理論與技術(shù)的重要參數(shù)，因此，有必要探明管徑對(duì)全尾砂充填料漿臨界流速的影響規(guī)律。

臨界流速是料漿輸送過程中的理想流速，其定義尚不統(tǒng)一，如管道內(nèi)流體不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換時(shí)的過渡流速、固體顆粒在輸送中保持懸浮狀態(tài)而不產(chǎn)生滑動(dòng)層和淤積層的流速、管道斷面上出現(xiàn)均質(zhì)流和偽均質(zhì)流狀態(tài)的流速等[3-5]。王新民、蔡嗣經(jīng)等研究充填料漿管道輸送阻力損失時(shí)認(rèn)為臨界流速是使料漿阻力損失最小的流速[6-7]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者分析了臨界流速的影響因素，建立了多個(gè)臨界流速的計(jì)算模型[8-12]。受實(shí)驗(yàn)條件的限制，使用這些公式計(jì)算管道輸送高濃度全尾砂充填料漿臨界流速具有一定的片面性。本研究從全尾砂充填料漿物理力學(xué)性質(zhì)的復(fù)雜性以及輸送工藝的復(fù)雜性出發(fā)，構(gòu)建了適用于高濃度全尾砂充填料漿輸送的臨界流速模型，分析了管徑和濃度對(duì)臨界流速的影響規(guī)律。

1 全尾砂充填料漿物理力學(xué)性質(zhì)分析

1.1 全尾砂性質(zhì)

以河北省司家營(yíng)鐵礦區(qū)選礦廠的全尾砂為實(shí)驗(yàn)材料，將全尾砂烘干，用定容稱重多次取平均值的方法測(cè)定全尾砂的松散密度為1.291 kg/m3；按照土工實(shí)驗(yàn)規(guī)程，測(cè)定全尾砂的密度為2.672 t/m3，計(jì)算全尾砂孔隙率為51.68%。用Mastersizer2000激光粒度儀測(cè)定全尾砂的粒級(jí)組成，測(cè)定結(jié)果如圖1所示，同時(shí)得出3種尾砂的特征粒徑d10、d50、d90、d97、d100如表1所示。

圖1 全尾砂粒級(jí)組成Fig.1 Grain size composition of full tailings表1 尾砂特征粒徑Table 1 Feature grain sizes of tailings

特征粒徑d10d50d60d90d97d100數(shù)值/μm1148213803823988310964781562212000

1.2 充填料漿性質(zhì)

按灰砂比1∶6，分別配制濃度為68%～78%的充填料漿。測(cè)定不同灰砂比、不同濃度充填料漿的密度、輸送載體密度，測(cè)定濃度為78%、76%、74%、72%、70%、68%的充填料漿的塌落度，測(cè)定結(jié)果如表2所示。

表2 充填料漿流動(dòng)參數(shù)的測(cè)定結(jié)果Table 2 Test results of flow parameters of backfilling slurry

由表2可知，灰砂比為1∶6和1∶12的充填料漿具有初始屈服應(yīng)力的濃度范圍是70%～78%，濃度大于76%的料漿可塑性和流動(dòng)性差，小于70%濃度的料漿流動(dòng)性很好，但有一定的析水率，認(rèn)為70%～78%濃度的料漿為高濃度全尾砂料漿。

采用NXS-11A型旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)試高濃度充填料漿的流變特性，得到灰砂比為1∶6、濃度為70%～78%的全尾砂膠結(jié)充填料漿的表觀黏度，如表3所示。

表3 灰砂比為1∶6的高濃度充填料漿表觀黏度Table 3 Apparent viscosity of high density backfillingslurry with cement-sand ratio 1∶6

2 臨界輸送流速模型構(gòu)建

2.1 臨界輸送流速模型

以管道輸送阻力損失最小的流速作為臨界流速，采用阻力損失計(jì)算模型對(duì)流速求極值的方法，得到充填料漿臨界輸送速度的計(jì)算公式。在礦山料漿管道輸送阻力損失研究方面，應(yīng)用較為廣泛的有前蘇聯(lián)煤炭科學(xué)研究院公式、尤芬公式、長(zhǎng)沙礦冶研究院公式、鞍山黑色金屬礦山設(shè)計(jì)院公式等，其中，比較適合于高濃度料漿輸送阻力計(jì)算的是鞍山黑色金屬礦山設(shè)計(jì)院公式

(1)

管道輸送清水時(shí)，水力坡度的計(jì)算公式為

(2)

式中，λ為阻力損失系數(shù)；K1為管道敷設(shè)系數(shù)，1～1.5；K2為管道接頭系數(shù)，1～1.8；g為重力加速度，9.8m/s2；Δ為管壁粗糙度，m。

將式(2)代入式(1)，令dip/dv=0，得到臨界流速vc的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算模型

(3)

礦山管道輸送充填料漿時(shí)，骨料中固體顆粒的粒徑分布范圍較廣，計(jì)算固體顆粒的沉降速度不能單純使用1個(gè)公式，若忽略載體黏度對(duì)固體顆粒沉降的影響，可以使用以下簡(jiǎn)化公式計(jì)算全尾砂顆粒的沉降速度vs。

(1)當(dāng)di≤0.3a時(shí)，用簡(jiǎn)化的斯托克斯公式

(2)當(dāng)0.3a

(3)當(dāng)a

(4)當(dāng)0.45a

其中，

di為第i級(jí)骨料的平均粒徑，mm。

全尾砂固體顆粒的加權(quán)平均沉降速度的計(jì)算公式可為

(4)

式中，vsi為第i級(jí)骨料的沉降速度,m/s；mi為第i級(jí)骨料的體積百分比,%。

2.2 臨界輸送流速公式驗(yàn)證

根據(jù)全尾砂粒級(jí)組成的測(cè)定結(jié)果，由式(4)計(jì)算全尾砂在輸送過程中的加權(quán)平均沉降速度。在尾砂與充填料漿物理性質(zhì)測(cè)定的基礎(chǔ)上，使用式(3)以及常用的杜蘭德公式和費(fèi)祥俊臨界不淤流速經(jīng)驗(yàn)公式，分別計(jì)算全尾砂充填料漿在內(nèi)徑為100、150和200mm的管道中的臨界流速，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 全尾砂充填料漿臨界流速計(jì)算結(jié)果

Table 4 Calculation results of critical velocity of backfilling slurry with full tailings m/s

由表4可知:與杜蘭德公式和費(fèi)祥俊公式計(jì)算結(jié)果相比，式(3)的計(jì)算結(jié)果表現(xiàn)出較強(qiáng)的規(guī)律性，臨界流速隨著濃度的增大而減小，隨著管徑的增大而增大；在濃度為72%～78%時(shí)，式(3)計(jì)算結(jié)果可靠性更高，推導(dǎo)的臨界輸送流速數(shù)學(xué)模型適用于計(jì)算高濃度全尾砂膠結(jié)充填料漿管道輸送的臨界流速；杜蘭德公式和費(fèi)祥俊公式的計(jì)算結(jié)果變化顯著，杜蘭德公式僅僅考慮了管徑、料漿密度和載體密度3個(gè)因素，計(jì)算結(jié)果偏??；費(fèi)祥俊公式?jīng)]有考慮骨料加權(quán)平均沉降速度、管道安裝質(zhì)量等因素，計(jì)算結(jié)果偏大；本次推導(dǎo)的高濃度全尾砂充填料漿臨界流速模型綜合考慮了物料粒級(jí)組成、料漿黏度、料漿與載體密度、物料密度、管徑、管壁粗糙度、管道安裝質(zhì)量等因素，計(jì)算結(jié)果可靠性更高，使用該模型計(jì)算得出的流速輸送充填料漿可使充填骨料恰好全部懸浮，使輸送阻力最小。

3 臨界輸送流速變化特征分析

3.1 臨界輸送流速隨管徑的變化

影響料漿在管道內(nèi)臨界輸送流速大小的因素有很多，但是研究管道內(nèi)料漿的臨界流速時(shí)，有些研究人員認(rèn)為管徑對(duì)臨界流速的影響不大，或者忽略管徑對(duì)臨界流速的影響。實(shí)際上，管徑對(duì)管道內(nèi)料漿流動(dòng)的臨界流速有重要的影響作用。在杜蘭德臨界流速計(jì)算公式、C A shook公式和特里恩與袁氏公式中，臨界流速與D1/2成正比關(guān)系；克羅諾茲提出臨界流速與D1/4成正比；劉德忠提出臨界流速與D1/6成反比；瓦斯普臨界流速經(jīng)驗(yàn)公式表明，臨界流速與管徑的相關(guān)關(guān)系為

凱夫公式顯示，管徑對(duì)臨界流速的影響關(guān)系為

費(fèi)祥俊提出管徑對(duì)料漿在管道內(nèi)臨界不淤流速的影響很大，如圖2所示。

圖2 費(fèi)祥俊臨界不淤流速隨管徑的變化關(guān)系Fig.2 Variation of non-depositing critical velocityof Fei Xiangjun along with pipe diameter ◆—76%濃度；■—74%濃度；▲—72%濃度

這些經(jīng)驗(yàn)公式雖然都反映了管徑對(duì)臨界輸送流速的影響，但得出這些臨界流速經(jīng)驗(yàn)公式的實(shí)驗(yàn)條件不同，用于計(jì)算高濃度全尾砂膠結(jié)充填料漿管道中臨界輸送流速時(shí)均有一定的局限性?；诟邼舛瘸涮盍蠞{管道輸送阻力損失模型推導(dǎo)的臨界輸送流速數(shù)學(xué)模型充分反映了管道輸送高濃度充填料漿條件下管徑對(duì)臨界輸送流速的影響。使用推導(dǎo)的臨界輸送流速模型計(jì)算高濃度全尾砂充填料漿在不同直徑管道中臨界輸送流速，得出管徑對(duì)高濃度全尾砂膠結(jié)充填料漿臨界輸送流速的影響如圖3所示。

圖3 管徑對(duì)高濃度料漿臨界輸送流速的影響Fig.3 Affection of pipe diameter on critical conveyingvelocity of high concentration slurry ◆—濃度78%；■—濃度76%；▲—濃度74%；●—濃度72%

由圖3可知，管徑對(duì)高濃度全尾砂膠結(jié)充填料漿管道輸送臨界流速的影響很大，使輸送阻力損失最小的臨界流速與管徑呈冪函數(shù)關(guān)系。

對(duì)圖3中的曲線進(jìn)行擬合，得出管徑對(duì)高濃度全尾砂膠結(jié)充填料漿管道輸送臨界流速的影響關(guān)系式為

(5)

式中，A為系數(shù)，A?[0.26,0.42]。

3.2 臨界輸送流速隨濃度的變化

使用推導(dǎo)的臨界輸送流速模型計(jì)算高濃度范圍內(nèi)不同濃度料漿在管道中的臨界輸送流速，得出濃度對(duì)高濃度全尾砂膠結(jié)充填料漿臨界輸送流速的影響如圖4所示。

圖4 濃度對(duì)高濃度料漿臨界輸送流速的影響關(guān)系Fig.4 Affection of concentration on critical conveyingvelocity of high concentration slurry ◆—100 mm管道；■—150 mm管道；▲—200 mm管道

由圖4可知:臨界輸送流速隨濃度的增大而減小，在70%～72%的濃度范圍內(nèi)，充填料漿黏度變化范圍為0.242 Pa·s，臨界流速的變化率較大；在72%～75%的濃度范圍內(nèi)，充填料漿黏度變化僅為0.127 Pa·s，臨界流速的變化較為平緩，變化率減??；在75%～78%的濃度范圍內(nèi)，充填料漿黏度變化范圍為0.422 Pa·s，臨界流速度變化率再次增大。對(duì)圖4中的曲線進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)臨界流速隨濃度呈三次多項(xiàng)式減小的變化趨勢(shì)。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)大規(guī)模全尾砂膠結(jié)充填開采是地下礦山開采的發(fā)展趨勢(shì)，需要建立大直徑管道輸送高濃度全尾砂膠結(jié)充填料漿系統(tǒng)，管道直徑的增大、料漿濃度的提高會(huì)改變?nèi)采俺涮盍蠞{臨界流速等管道輸送特性。

(2)以管道輸送阻力損失最小為原則，建立了適用于高濃度全尾砂充填料漿管道輸送的臨界流速計(jì)算模型，全面考慮了物料粒級(jí)組成、料漿黏度、料漿與載體密度、物料密度、管徑、管壁粗糙度、管道安裝質(zhì)量等因素，計(jì)算結(jié)果可靠性更高，反映臨界流速變化特性明顯。

(3)隨著管徑的增大，高濃度全尾砂充填料漿臨界輸送流速的變化特征為按冪函數(shù)增大；隨著濃度的增大，高濃度全尾砂充填料漿臨界輸送流速呈按三次多項(xiàng)式減小的變化特征。

[1] 彭 康,李夕兵,王世鳴,等.基于未確知測(cè)度模型的尾礦庫(kù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2012(4):1447-1452. Peng Kang,Li Xibing,Wang Shiming,et al.Optimization model of unascertained measurement for dam-brick risk evaluation in tailings dams[J].Journal of Central South University:Science and Technolofy,2012(4):1447-1452.

[2] 劉同有.充填采礦技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:冶金工業(yè)出版社，2011. Liu Tongyou.Technology and Application of Backfilling Stopes[M].Beijing：Metallurgical Industry Press,2011.

[3] 費(fèi)祥俊.懸移質(zhì)水流挾沙能力與輸沙特性[J].泥沙研究,2003(3):30-34. Fei Xiangjun.Sediment-carrying capacity and characteristics of flow with suspended load[J].Journal of Sediment Research,2003(3):30-34.

[4] 許振良,李 偉.水平管道中浮游界限速度研究[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),2006(6):839-841. Xu Zhenliang,Li Wei.Study on velocity for heterogeneous flow in horizontal pipe[J].Journal of Liaoning Technical University,2006(6):839-841.

[5] 喬建廷.水平管道中均質(zhì)流界限速度的研究[D].阜新:遼寧工程技術(shù)大學(xué),2005. Qiao Jianting.Boundary Velocity of Homogeneous Flow in Horizontal Pipe[D].Fuxin：Liaoning Technical University,2005.

[6] 王新民.基于深井開采的充填材料與管輸系統(tǒng)的研究[D].長(zhǎng)沙:中南大學(xué)，2005. Wang Xinmin.Study of Filling Materials and Pipeline Transportation Systems in Deep Mines[D].Changsha:Central South University,2005.

[7] Wu Di,CaiSijing.Coupled effect of cement hydration and temperature on hydraulic behavior of cemented tailings backfill[J].Journal of Central South University,2015(5):1956-1964.

[8] 趙利安.大顆粒漿體管內(nèi)流動(dòng)規(guī)律研究[D].阜新:遼寧工程技術(shù)大學(xué),2011:31-50,73-84. Zhao Li’an.Study on Flow Law of Large Particle Slurry in Pipeline[D].Fuxin:Liaoning Technical University,2011:31-50，73-84.

[9] Wasp E J.Deposition velocities,transition velocities and spatial distribution of solids in slurry pipelines[C]∥1st Int Conf on Hyd Transport of Solids in Pipes.Cranfield:BHRA Fluid Engineering,1970:66-79.

[10] Jacobs B E A.Design of Slurry Transport Systems[M].London:Elsevier Science Publishers Ltd.,1991:14-36.

[11] 孫衛(wèi)東.非均質(zhì)固液混合料漿在輸送管中的臨界速度[J].硫磷設(shè)計(jì)與粉體工程，2003(4):31-41. Sun Weidong.Critical velocity of non homogeneous solid liquid mixed slurry in conveying pipe[J].S P & BMH Related Engineering,2003(4):31-41.

[12] 費(fèi)祥俊.漿體管道的臨界不淤流速研究[J].煤炭學(xué)報(bào),1997,22(5):532-536. Fei Xiangjun.Study of non-deposit velocity in slurry pipeline[J].Journal of China Coal Society,1997,22(5):532-536.

(責(zé)任編輯 徐志宏)

Study on Critical Conveying Velocity of Full-tailings Filling Slurry of High Concentration

Gan Deqing1,2Gao Feng1,2Chen Chao1,2Lu HongJian1,2Zhang YaBin1,2

(1.CollegeofMiningEngineeringinNorthChinaUniversityofScienceandTechnology，Tangshan063009，China;2.MiningDevelopmentandSafetyTechnologyKeyLabofHebeiProvince，Tangshan063009，China)

Taking the developing trend of large-scale filled stopes in an underground mine as background，combining the urgent requirement of environmental protection in mines，taking many complex factors into full consideration，such as grain size composition，slurry viscosity，densities of slurry and carrier，material proportion，pipe diameter，roughness of pipe wall，installation quality of pipes，weighted average setting rate and so on，the critical conveying velocity inner pipes of different diameters was researched，based on the smallest resistance loss.The model of critical conveying velocity of full-tailings filling slurry of high concentration was established，and the affection laws of pipe diameter and concentration on critical conveying velocity were analyzed.The verification indicated that the calculation results of the model were reliable.In conclusion，the critical transport velocity regularly varies with pipe diameter，concentration and other factors.The results showed that with the increase of the diameter，the critical transport velocity of high concentration of the whole tailings backfill slurry increased by power function；with the concentration increasing，the critical transport velocity of high concentration of slurry tailing filling variation was reduced by cubic polynomial function.

Full-tailings filling slurry of high concentration，Critical conveying velocity，F(xiàn)illing pipe，Pipe diameter，Concentration

2015-08-12

湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：E2014209093)。

甘德清(1962—)，男，教授，博士，博士研究生導(dǎo)師

TD851

A

1001-1250(2015)-11-022-05