廢石尾砂混合料漿管道輸送壓力損失環(huán)管試驗(yàn)

楊志強(qiáng), 王永前, 高 謙, 陳仲杰

(1.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院, 北京 100083; 2.金川集團(tuán)股份有限公司 鎳鈷資源綜合利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 金昌 737100)

廢石尾砂混合料漿管道輸送壓力損失環(huán)管試驗(yàn)

楊志強(qiáng)1, 2, 王永前2, 高 謙1, 陳仲杰1, 2

(1.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院, 北京 100083; 2.金川集團(tuán)股份有限公司 鎳鈷資源綜合利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 金昌 737100)

環(huán)管試驗(yàn)是充填料漿配比設(shè)計(jì)和充填系統(tǒng)優(yōu)化的依據(jù)。文章針對(duì)廢石、尾砂替代棒磨砂在金川充填采礦中的應(yīng)用,開(kāi)展了混合充填料漿環(huán)管試驗(yàn)和管道輸送壓力損失研究。首先進(jìn)行廢石-尾砂料漿環(huán)管試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì),包括試驗(yàn)場(chǎng)地選擇、管路布設(shè)、試驗(yàn)工藝與實(shí)施步驟以及檢測(cè)儀表;然后設(shè)計(jì)5組廢石-尾砂配比混合集料,進(jìn)行了不同料漿質(zhì)量比與流量條件下的環(huán)管試驗(yàn);最后分析環(huán)管試驗(yàn)的直管壓力損失數(shù)據(jù),揭示廢石-尾砂混合料漿管道輸送壓力損失與廢砂比和料漿質(zhì)量比的變化規(guī)律,為廢石尾砂在金川礦山充填采礦中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

充填采礦法;廢石和全尾砂;高料漿質(zhì)量比料漿;環(huán)管試驗(yàn);直管壓力損失

0 引 言

廢石尾砂廢棄物在充填采礦中的利用是充填采礦技術(shù)發(fā)展方向。破碎廢石粗骨料充填采礦技術(shù)是目前研究?jī)?nèi)容之一。由于不同礦山廢石與尾砂的物理化學(xué)特性和顆粒級(jí)配存在差異以及采礦方法不同,對(duì)充填體強(qiáng)度和料漿管道輸送特性要求不盡相同,廢石尾砂在充填采礦中工業(yè)化應(yīng)用的技術(shù)難題也存在差異。目前廣泛采用管道輸送的充填法采礦,廢棄物能否實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用,主要取決于膠結(jié)充填體強(qiáng)度、料漿輸送特性及材料加工成本等3個(gè)方面。由于全尾砂粒度細(xì),含泥量較高,存在充填體強(qiáng)度低和管道輸送阻力大以及采場(chǎng)脫水困難等問(wèn)題,通常采用分級(jí)尾砂進(jìn)行充填法采礦。分級(jí)尾砂利用率低,生產(chǎn)成本高,且分級(jí)尾砂分離出來(lái)的細(xì)泥難以處理,在地表堆放有發(fā)生泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的潛在風(fēng)險(xiǎn),因此全尾砂充填是充填技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。廢石集料破碎成本高且細(xì)顆粒含量少,骨料級(jí)配不良,廢石與全尾砂混合充填技術(shù)是廢棄物資源化利用的有效途徑。

混合充填料漿的流變特性以及管道輸送壓力損失,是實(shí)現(xiàn)安全與可靠管道輸送中的關(guān)鍵技術(shù),國(guó)內(nèi)外研究者已經(jīng)開(kāi)展相關(guān)研究。文獻(xiàn)[1]概述了我國(guó)充填工藝在高料漿質(zhì)量比充填、全尾砂膠結(jié)充填、膏體充填等方面的主要?jiǎng)?chuàng)新性成果,從膏體充填料漿流變性能研究、膏體充填技術(shù)推廣應(yīng)用、深井充填剩余壓頭處理、充填環(huán)管試驗(yàn)與計(jì)算機(jī)仿真、全尾礦脫水技術(shù)和裝置的優(yōu)化以及降低充填采礦成本等方面,提出亟待研究的課題;文獻(xiàn)[2]探討了粗粒級(jí)膏體充填技術(shù)進(jìn)展及存在的問(wèn)題;文獻(xiàn)[3]針對(duì)冬瓜山銅礦大倍線全尾砂充填技術(shù)開(kāi)展環(huán)管試驗(yàn),揭示了管道輸送阻力與料漿質(zhì)量比和流量的關(guān)系;文獻(xiàn)[4-5]探討廢石尾砂在金川礦山充填采礦中的應(yīng)用前景與發(fā)展,揭示了廢石尾砂充填料漿的管道輸送阻力與影響因素的關(guān)系;文獻(xiàn)[6-7]研究了不同組方對(duì)尾砂膏體可泵性的影響,強(qiáng)調(diào)充填料漿環(huán)管試驗(yàn)對(duì)充填礦山設(shè)計(jì)的重要作用,提出環(huán)管試驗(yàn)與計(jì)算機(jī)仿真分析相結(jié)合研究技術(shù)路線;文獻(xiàn)[8]開(kāi)展了建筑垃圾再生骨料膏體環(huán)管試驗(yàn),指出膏體料漿質(zhì)量比、流速和管徑是影響管道壓力損失的主要因素;文獻(xiàn)[9-10]開(kāi)展了結(jié)構(gòu)流充填料漿管道輸送阻力特性研究,通過(guò)建立新型閉路環(huán)管試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái),揭示管徑、流速、料漿中的固相含量和物料粒徑,揭示膏體管道輸送壓力損失規(guī)律,結(jié)果發(fā)現(xiàn),影響高料漿質(zhì)量比料漿流變特性因素復(fù)雜多變,存在諸多不確定因素。因此,實(shí)現(xiàn)高料漿質(zhì)量比充填采礦設(shè)計(jì),環(huán)管試驗(yàn)是必不可少的。目前大多數(shù)充填礦山針對(duì)特定礦山的采礦技術(shù)條件和充填材料開(kāi)展環(huán)管試驗(yàn)研究[11-15]。

因此環(huán)管試驗(yàn)需要投入大量人力、物力,所以環(huán)管試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)方案是環(huán)管試驗(yàn)的重要研究?jī)?nèi)容之一。針對(duì)金川礦山充填系統(tǒng)和采礦技術(shù)條件,本文開(kāi)展了廢石尾砂充填料環(huán)管試驗(yàn)研究,重點(diǎn)探討環(huán)管試驗(yàn)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)方案決策、實(shí)施步驟與工藝,最后給出環(huán)管試驗(yàn)直管壓力損失的研究成果。

1 廢石全尾砂料漿環(huán)管試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 環(huán)管試驗(yàn)?zāi)康呐c設(shè)計(jì)原則

(1) 環(huán)管試驗(yàn)?zāi)康摹U石和尾砂混合充填料漿一般不屬于牛頓流體,因此在泵送或重力管道輸送中的料漿流態(tài)十分復(fù)雜。環(huán)管試驗(yàn)是在室內(nèi)試驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行閉路和開(kāi)路環(huán)管試驗(yàn),檢測(cè)不同配比的廢石尾砂充填料漿在不同輸送參數(shù)條件下,彎管、直管、水平管以及垂直管段內(nèi)的沿程壓力損失,測(cè)定各種不同條件下泵壓管道輸送流動(dòng)參數(shù),驗(yàn)證或修正室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果,揭示充填料漿管道輸送阻力與管路材質(zhì)、管徑、管道連接方式以及彎頭曲率半徑等參數(shù)之間的關(guān)系,建立管道輸送沿程阻力計(jì)算模型,評(píng)價(jià)廢石尾砂混合充填料漿的深井和長(zhǎng)距離管道輸送的可行性與可靠性,為廢石尾砂充填料漿的優(yōu)化設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用提供依據(jù)。

(2) 環(huán)管系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則。在滿足工業(yè)試驗(yàn)要求的前提下,盡可能利用礦山現(xiàn)有充填工藝系統(tǒng);在設(shè)備和材料選擇上,盡量考慮設(shè)備材料的重復(fù)利用,從而降低環(huán)管試驗(yàn)的工程投資。為了檢測(cè)不同條件下廢石尾砂充填料漿的流變參數(shù)和泵壓管道輸送特性,環(huán)管試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括:不同曲率半徑的彎管連接到直管段,以改變管路方向;直管段上安裝壓力傳感器,但在管道變化處(彎管處、變徑管處)的兩端安裝壓力傳感器,以便檢測(cè)該處管道的壓力損失;環(huán)形管道布置應(yīng)考慮連接“S”型管。考慮到工業(yè)應(yīng)用條件,管道間的連接采用快速接頭;管道采用鋼管或耐磨管材。考慮到廢石尾砂充填料漿的充填能力要求(>80 m3/h),盡量選擇管徑為110～150 mm的無(wú)縫鋼管。

1.2 環(huán)管試驗(yàn)場(chǎng)地選擇與工藝流程

(1) 環(huán)管試驗(yàn)場(chǎng)地選擇?？疾旖鸫埵椎V、二礦區(qū)現(xiàn)有充填系統(tǒng),二礦區(qū)膏體充填系統(tǒng)與試驗(yàn)系統(tǒng)類(lèi)似。為了節(jié)約工業(yè)試驗(yàn)系統(tǒng)建設(shè)成本,選擇二礦區(qū)膏體充填系統(tǒng)場(chǎng)地為本次試驗(yàn)的工業(yè)場(chǎng)地。利用膏體充填系統(tǒng)的供料系統(tǒng)和攪拌系統(tǒng),新增加管路和檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)完成廢石尾砂充填料漿的環(huán)管試驗(yàn)。

(2) 環(huán)管試驗(yàn)工藝流程。金川二礦區(qū)廢石尾砂料漿制備工藝流程如圖1所示。選擇二礦區(qū)東部充填站原細(xì)石混凝土制備系統(tǒng)預(yù)留的位置以及周?chē)臻e場(chǎng)地,建設(shè)半工業(yè)試驗(yàn)的膏體制備系統(tǒng)。該制備系統(tǒng)包括2臺(tái)可移動(dòng)式上料皮帶、2臺(tái)臥式連續(xù)攪拌機(jī)和1臺(tái)雙缸液壓活塞泵。每次試驗(yàn)按料漿設(shè)計(jì)配比,將尾砂、廢石、水泥、粉煤灰均勻混合后,采用鏟運(yùn)機(jī)送料,經(jīng)過(guò)2段接力皮帶機(jī),運(yùn)至安裝在充填站二樓的第1段雙軸葉片式攪拌機(jī)進(jìn)料口;同時(shí)定量加入制備料漿所需的水,經(jīng)過(guò)初步攪拌的物料下放到第2段雙軸螺旋式攪拌輸送機(jī)攪拌后,即可制成均勻的可泵送的充填料漿,直接進(jìn)入PM泵的喂料斗,以便進(jìn)行泵壓管道輸送。

圖1 金川二礦區(qū)廢石尾砂料漿制備工藝流程

在充填站進(jìn)行人工稱(chēng)質(zhì)量配料后,將破碎廢石集料和全尾砂干料采用蛇皮袋分裝,每袋25 kg,人工背至充填站二樓分類(lèi)堆放。每次試驗(yàn)時(shí)按預(yù)先計(jì)算的材料采用人工混合,倒入雙軸臥式攪拌機(jī)進(jìn)料口。料漿經(jīng)臥式連續(xù)機(jī)及管道循環(huán)并均勻穩(wěn)定后即可進(jìn)行參數(shù)測(cè)定。廢石尾砂充填料漿環(huán)管試驗(yàn)采用普通硅酸鹽32.5水泥作為膠凝材料,利用細(xì)石充填系統(tǒng)水泥造漿添加系統(tǒng);根據(jù)計(jì)算的用水量,先注入水泥漿攪拌桶,再加入定量水泥進(jìn)行充分?jǐn)嚢?造漿后采用水泥漿泵泵入雙軸臥式攪拌機(jī)。

1.3 廢石尾砂充填料漿的環(huán)管試驗(yàn)系統(tǒng)

根據(jù)金川礦山井下充填系統(tǒng)的管道布置情況,出現(xiàn)的管道主要有水平直管、3°～5°上坡管、“S”管、半徑為15～25 m水平彎管以及45°～90°彎管等,在充填采場(chǎng)附近可能出現(xiàn)垂直上向的管道。上述管道沿程阻力通常采用折算法進(jìn)行近似計(jì)算。由于折算系數(shù)取值范圍較大,設(shè)計(jì)參數(shù)會(huì)存在較大誤差,為了獲得相關(guān)參數(shù),在環(huán)管試驗(yàn)系統(tǒng)中布置了水平直管、3°上坡管、“S”管、半徑為25 m的水平彎管、90°彎管和垂直上向管道。其中試驗(yàn)參數(shù)測(cè)定以水平管道為主,由此獲得各種管道壓力損失的折算長(zhǎng)度,為廢石尾砂充填泵壓管道輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)。

廢石尾砂料漿的地表環(huán)管試驗(yàn)的環(huán)形管路系統(tǒng)及壓力計(jì)布置如圖2所示。

圖2 地表環(huán)管試驗(yàn)環(huán)形管路及壓力計(jì)布置示意圖

地表環(huán)管試驗(yàn)的環(huán)形管路系統(tǒng)管道總長(zhǎng)160.427 m。其中，水平管道長(zhǎng)118.697 m，壓力測(cè)定段管長(zhǎng)108.462 m，3°上坡管長(zhǎng)28.500 m，垂直上升管長(zhǎng)4.000 m；“S”型管1個(gè)，彎管14個(gè)，安裝壓阻式壓力變送器10個(gè)，備用2個(gè)。各壓力計(jì)之間的管道特征與參數(shù)如下：

(1) 壓力計(jì)1～2。管道為S管，采用0.250 m直管—90°彎管(R=1 m)—60°彎管(R=1 m)—0.250 m直管，總長(zhǎng)3.110 m。

(2) 壓力計(jì)2～3。管道為彎管，采用0.250 m直管—弧度為15.764的水平彎管(R=25 m)—0.250 m直管，總長(zhǎng)16.264 m。

(3) 壓力計(jì)3～4。管道為彎管，采用0.250 m直管—弧度為19.238的水平彎管(R=25 m)—0.250 m直管，總長(zhǎng)19.738 m。

(4) 壓力計(jì)4～5。管道為彎管，采用0.250 m直管—90°水平彎管(R=1m)—5.750 m直管，總長(zhǎng)7.570 m。

(5) 壓力計(jì)5～6。管道為水平直管，總長(zhǎng)8.750 m。

(6) 壓力計(jì)6～7。管道為水平直管，總長(zhǎng)7.750 m。

(7) 壓力計(jì)7～8。管道為3°上坡管，采用0.250 m直管—90°水平彎管(R=1 m)—12.000 m的3°上坡管—90°水平彎管(R=1 m)—8.000 m的3°上坡管—90°水平彎管(R=1 m)—8.750 m的3°上坡管，總長(zhǎng)33.710 m。

(8) 壓力計(jì)8～9。管道為3°上坡管，采用7.750 m長(zhǎng)的3°上坡管—90°上彎管(R=1 m)—0.250 m的垂直管，總長(zhǎng)9.570 m。

(9) 壓力計(jì)9～10。管道為垂直管，總長(zhǎng)2.000 m。

1.4 環(huán)管試驗(yàn)泵送系統(tǒng)與檢測(cè)儀表

(1) 泵送系統(tǒng)。金川二礦區(qū)充填工區(qū)現(xiàn)有2種型號(hào)的泵,即KSP140-HDR液壓活塞泵和KOS2170活塞泵,其主要區(qū)別在于輸送活塞直徑和輸送能力。在環(huán)管試驗(yàn)中,由配比試驗(yàn)確定最大固體顆粒粒度和相關(guān)的流變參數(shù)。

KSP140-HDR液壓活塞泵參數(shù)為:液壓缸直徑200 mm、輸送缸直徑300 mm、沖程長(zhǎng)度2 m、工作液壓27.00～29.25 MPa、排出口壓力12～13 MPa、液壓比2.25、油缸容積62.83 L、排料缸容積141.4 L、安裝功率2×250 kW、電機(jī)轉(zhuǎn)速1 500 r/min、裝備供油量950 L/min、理論排料能力128.7 m3/h、有效排料能力80 m3/h、沖程次數(shù)9.4～11.8 次/min、最大沖程次數(shù)(最大油量時(shí))15.1 次/min、每沖程時(shí)間6.4～5.09 s和最短沖程時(shí)間(最大能力時(shí))4 s。

(2) 檢測(cè)儀表。試驗(yàn)過(guò)程中的檢測(cè)參數(shù)主要包括:各種物料的供應(yīng)流量、充填料漿流量、料漿質(zhì)量比和設(shè)計(jì)點(diǎn)位壓力(檢測(cè)沿程管道輸送的壓力損失)。利用二礦區(qū)細(xì)石充填系統(tǒng)的現(xiàn)有檢測(cè)系統(tǒng),進(jìn)行供料系統(tǒng)的檢測(cè)和料漿質(zhì)量比、流量檢測(cè)。選用壓阻式壓力計(jì)檢測(cè)設(shè)計(jì)點(diǎn)位的壓力。采用數(shù)據(jù)記錄儀檢測(cè)管道內(nèi)測(cè)點(diǎn)料漿壓力的瞬間變化,當(dāng)數(shù)字顯示表的值基本穩(wěn)定后再讀數(shù)。環(huán)管試驗(yàn)新購(gòu)壓力變送器12個(gè)、多通道數(shù)據(jù)記錄儀1臺(tái)、鄂式破碎機(jī)1臺(tái)、電纜500 m及格篩1臺(tái)。

2 試驗(yàn)方案與方法

2.1 試驗(yàn)方案

不同的照射數(shù)目，90%等劑量線所覆蓋PTV劑量分布狀況一樣，靶區(qū)劑量的分布受照射野數(shù)目的影響不大，90%體積的PTV接受最低劑量是50 Gy。靶區(qū)以外卷入正常組織的5野布野比9、7野布野多，其中9野布野最少，脊髓保護(hù)5野低于7、9野。

目前礦用充填料漿粗細(xì)骨料分界尚無(wú)統(tǒng)一的規(guī)格和標(biāo)準(zhǔn),主要取決于采礦工藝要求及充填材料的來(lái)源。金川礦山膏體充填的粗骨料選用-20 mm戈壁碎石集料,其含砂率為38%～45%;細(xì)集料為-5 mm棒磨砂、-0.128 mm全尾砂、+0.037 mm脫泥分級(jí)尾砂。

生產(chǎn)中粗、細(xì)骨料配比為:-5 mm棒磨砂與分級(jí)尾砂的質(zhì)量比為5.0∶5.0;-20 mm碎石集料與分級(jí)尾砂的質(zhì)量比為5.0∶5.0。水泥添加量為180～220 kg/m3,粉煤灰與水泥的質(zhì)量比為0.5∶1～1.5∶1。

根據(jù)金川公司現(xiàn)場(chǎng)膠結(jié)充填管道輸送技術(shù)要求,充填料漿中骨料的最大粒度不超過(guò)管徑的1/5。考慮到本次試驗(yàn)采用輸送管徑為110～150 mm的無(wú)縫鋼管,根據(jù)礦山井下鉆孔與管道系統(tǒng)的布置情況,選擇廢石集料的最大粒度不超過(guò)20 mm。室內(nèi)充填體強(qiáng)度和流變特性的試驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)料漿質(zhì)量比在77%～80%范圍變化,水泥添加量為260 kg/m3以及廢石和尾砂配比為6.0∶4.0和6.5∶3.5時(shí),充填料漿可泵性滿足設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果,并考慮到廢石尾砂比以及料漿質(zhì)量比在充填生產(chǎn)中難以精確控制等影響因素,確定環(huán)管試驗(yàn)方案與參數(shù)如下:

(1) 廢石尾砂比與水泥耗量。5組試驗(yàn)的廢石與棒磨砂質(zhì)量比分別為5.0∶5.0、5.5∶4.5、6.0∶4.0、6.5∶3.5、7.0∶3.0;水泥消耗量均為260 kg/m3。

(2) 料漿質(zhì)量比設(shè)計(jì)。料漿質(zhì)量比范圍為75%～81%,試驗(yàn)中采用由稀到濃,即從最低料漿質(zhì)量比75%開(kāi)始依次增大,根據(jù)泵送情況選取1.0%～1.5%的料漿質(zhì)量比增大間距,每組配比獲取3～5組的料漿質(zhì)量比條件。

(3) 料漿流量設(shè)計(jì)。廢石充填料漿流量范圍為80～110 m3/h,通過(guò)改變PM泵活塞沖程頻率實(shí)現(xiàn)流量調(diào)控,每沖程時(shí)間在3～6 s的范圍內(nèi)調(diào)節(jié),每組配比的每種料漿質(zhì)量比獲取5～6組流量條件。

共獲得75～150組試驗(yàn)數(shù)據(jù),包括水平直管、3°坡管、“S”管、R=25 m水平彎管、90°彎管及垂直上向管道的沿程壓力損失數(shù)據(jù)。

2.2 環(huán)管試驗(yàn)方法與步驟

針對(duì)每組廢石尾砂配比,檢測(cè)不同料漿質(zhì)量比和不同流速條件下管道輸送壓力損失。試驗(yàn)中采用循環(huán)方式將管道中物料返回到第2段雙軸雙螺旋式攪拌輸送機(jī)進(jìn)料端。試驗(yàn)結(jié)束后,通過(guò)轉(zhuǎn)換彎管將管道、攪拌機(jī)和PM泵中的料漿排到地表的模擬進(jìn)路內(nèi);最后采用水和壓氣清洗管道。

2.2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

(1) 對(duì)環(huán)管試驗(yàn)系統(tǒng)加清水進(jìn)行調(diào)試,清洗潤(rùn)濕管道。

(2) 按設(shè)計(jì)試驗(yàn)條件配制水泥漿送至臥式雙軸連續(xù)攪拌機(jī)。根據(jù)當(dāng)組試驗(yàn)廢石與尾砂的用量,先加入400～500 kg的尾砂干料并連續(xù)攪拌。攪拌形成均勻料漿在槽內(nèi)達(dá)到超過(guò)1/2裝滿度后,開(kāi)泵輸送細(xì)粒料漿潤(rùn)滑管道。

2.2.2 數(shù)據(jù)測(cè)試

(1) 料漿形成循環(huán)后,繼續(xù)加料至設(shè)計(jì)料漿質(zhì)量比,待料漿質(zhì)量比穩(wěn)定后取樣。

(2) 通過(guò)改變PM泵活塞沖程周期來(lái)調(diào)節(jié)泵壓和流量。根據(jù)試驗(yàn)流量在80～110 m3/h內(nèi)調(diào)節(jié),每沖程時(shí)間調(diào)節(jié)范圍4～6 s。每間隔5 min調(diào)整1次泵的頻率,檢測(cè)廢石尾砂膏體料漿的料漿質(zhì)量比、流量、檢測(cè)點(diǎn)壓力、泵的工作壓力和啟動(dòng)壓力等參數(shù)。

(3) 測(cè)試順序從低料漿質(zhì)量比開(kāi)始,取1.0%～1.5%的料漿質(zhì)量比間距向料漿中添加干混合料來(lái)提高料漿質(zhì)量比,重復(fù)試驗(yàn)步驟(2)。

(4) 測(cè)定當(dāng)次試驗(yàn)料漿的塌落度和料漿密度。每組廢石尾砂配比試驗(yàn)測(cè)試結(jié)束后,將漿料經(jīng)轉(zhuǎn)換彎管排至地表的模擬進(jìn)路內(nèi)觀察料漿的流動(dòng)情況。

(5) 清洗系統(tǒng)。

(6) 重復(fù)步驟(1)～步驟(5)，完成不同廢石尾砂配比環(huán)管試驗(yàn)。

3 環(huán)管試驗(yàn)直管輸送壓力損失分析

3.1 料漿流速對(duì)水平直管內(nèi)壓力損失影響

不同廢石尾砂比的充填料漿直管內(nèi)輸送壓力損失與料漿流速的關(guān)系曲線如圖3所示。由圖3可見(jiàn),不同廢石尾砂比的混合充填料漿直管壓力損失,隨料漿流速的增加而呈線性增加。顯然,在當(dāng)料漿流速小于1.7 m/s的條件下,直管輸送壓力損失與流速呈線性增長(zhǎng)。

圖3 不同料漿質(zhì)量比下水平直管內(nèi)料漿壓力損失與料漿流速的關(guān)系曲線

3.2 料漿質(zhì)量比對(duì)水平直管的壓力損失影響

不同配比的廢石尾砂混合充填料漿的直管壓力損失與料漿質(zhì)量比關(guān)系曲線如圖4所示。圖4a中曲線1～6的料漿流速變化范圍為1.374～1.651 m/s;圖4b中曲線1～5的料漿流速變化范圍為1.388～1.659 m/s;圖4c中曲線1～5的料漿流速變化范圍為1.387～1.630 m/s;圖4d中曲線1～5的料漿流速變化范圍為1.388～1.630 m/s。由圖4可見(jiàn),直管內(nèi)料漿壓力損失均隨著料漿質(zhì)量比的提高而增大。當(dāng)廢石尾砂比為5.0∶5.0時(shí),管道輸送壓力損失隨料漿質(zhì)量比的提高而呈近似于線性速率增加;當(dāng)廢石尾砂比增加到5.5∶4.5時(shí),直管壓力損失隨料漿質(zhì)量比增大呈線性增大;但當(dāng)廢石尾砂比增大到6.0∶4.0和料漿質(zhì)量比提高到77.5%時(shí),直管壓力損失則呈指數(shù)速率增加;對(duì)于6.5∶3.5廢石尾砂比,當(dāng)料漿質(zhì)量比提高到76.5%則呈指數(shù)增長(zhǎng)。由此可見(jiàn),隨著廢石尾砂比增大,直管壓力損失急劇增大。

綜上所述,相同料漿質(zhì)量比,管道輸送壓力損失隨廢石尾砂比增大而增加。當(dāng)廢石尾砂比為5.5∶4.5～6.5∶3.5和料漿質(zhì)量比為77.5%的料漿近似于膏體,廢石尾砂比越小,料漿的穩(wěn)定性越好,越有利于管道輸送。當(dāng)水泥添加量為260 kg/m3時(shí),充填體強(qiáng)度達(dá)到采礦工藝要求。

因?yàn)閷?shí)際充填生產(chǎn)中,提高輸送料漿質(zhì)量比存在堵管和爆管風(fēng)險(xiǎn),所以確定廢石尾砂比為6.0∶4.0和料漿輸送能力為90～105 m3/h。基于該設(shè)計(jì)參數(shù),在盡可能利用井下廢石集料的原則下,能夠降低充填采礦成本,提高采礦經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

圖4 水平直管內(nèi)料漿壓力損失與料漿質(zhì)量比的關(guān)系曲線

4 結(jié) 論

廢石與全尾砂混合充填料與棒磨砂在物理化學(xué)特性和粒徑級(jí)配上存在差異,導(dǎo)致充填體強(qiáng)度和管道輸送阻力也發(fā)生變化。為了實(shí)現(xiàn)廢石尾砂在金川礦山充填采礦中的應(yīng)用,針對(duì)金川礦山采礦技術(shù)條件和充填工藝,開(kāi)展廢石尾砂混合充填料漿環(huán)管試驗(yàn),得到以下結(jié)論:

(1) 廢石尾砂混合料充填料漿的流變特性與管道輸送壓力損失,隨著廢石尾砂比的增大而增大。當(dāng)廢石尾砂比增大到6.0∶4.0以后,直管壓力損失呈現(xiàn)指數(shù)增加趨勢(shì)。

(2) 在廢石尾砂低配比條件下,直管壓力損失隨料漿質(zhì)量比的提高呈線性速率增大;但在廢石尾砂高配比條件下,直管壓力損失隨料漿質(zhì)量比提高呈指數(shù)速率增加。

(3) 根據(jù)直管壓力損失的影響因素分析結(jié)果,并考慮到廢石集料的規(guī)?；?確定金川礦山廢石尾砂比為6.0∶4.0和料漿輸送能力90～105 m3/h作為工業(yè)充填參數(shù)。

(4) 廢石尾砂混合充填料漿的管道壓力損失對(duì)影響因素十分敏感。考慮到實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)充填料漿的配比難以實(shí)現(xiàn)精確控制,因此在充填工程中,應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況逐步調(diào)整充填工藝和料漿配比,從而確保安全生產(chǎn)。

[1] 于潤(rùn)滄.我國(guó)充填工藝創(chuàng)新成就與尚需深入研究的課題[J].采礦技術(shù),2011,11(3):1-3.

[2] 王洪江,吳愛(ài)祥,肖衛(wèi)國(guó),等.粗粒級(jí)膏體充填的技術(shù)進(jìn)展及存在的問(wèn)題[J].金屬礦山,2009(11):1-5.

[3] 黃浩輝.冬瓜山銅礦全尾礦輸送技術(shù)研究[J].有色金屬(礦山部分),2011,63(2):18-19.

[4] 王曉宇,喬登攀.廢石全尾砂高濃度充填料漿管輸阻力影響因素分析[J].有色金屬(礦山部分),2010,62(4):61-65.

[5] 郭慧高,辜大志,鄒龍,等.淺析廢石膠結(jié)充填技術(shù)在金川二礦區(qū)應(yīng)用前景[J].采礦技術(shù),2011,11(4):39-41.

[6] 李國(guó)政.不同組方對(duì)尾砂膏體泵送環(huán)管試驗(yàn)的影響分析[J].黃金,2007,28(1):33-36.

[7] 李國(guó)政,于潤(rùn)滄.充填料漿環(huán)管試驗(yàn)計(jì)算機(jī)仿真應(yīng)用的研究[J].黃金,2008,29(4):21-24.

[8] 張保良,劉音,張浩強(qiáng),等.建筑垃圾再生骨料膏體充填環(huán)管試驗(yàn)[J].金屬礦山,2014(2):176-180.

[9] 吳愛(ài)祥,劉曉輝,王洪江,等.結(jié)構(gòu)流充填料漿管道輸送阻力特性[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014,45(12):4325-4330.

[10] 王少勇,吳愛(ài)祥,尹升華,等.膏體料漿管道輸送壓力損失的影響因素[J].工程科學(xué)學(xué)報(bào),2015,37(1):7-12.

[11] 李夕兵,王麗紅,劉大勇.基于海底開(kāi)采的高倍線強(qiáng)阻力充填技術(shù)[J].科技導(dǎo)報(bào),2014,32(3):39-43.

[12] 鄭伯坤,李向東,盛佳.基于環(huán)管試驗(yàn)的高濃度料漿輸送性研究[J].礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā),2012,32(6):31-34.

[13] 張晉軍.謙比希銅礦膏體充填技術(shù)應(yīng)用研究[J].中國(guó)礦山工程,2015,44(4):1-5,10.

[14] 張聲軍,石永奎,李后蜀,等.礦山尾鹽充填泵送試驗(yàn)研究[J].建筑機(jī)械化,2012(增刊1):122-124.

[15] 林愉,豐慶平,曾洪海.鋁土礦漿體管道輸送可行性試驗(yàn)研究[J].礦山機(jī)械,2009,37(21):42-44.

(責(zé)任編輯 張淑艷)

Research on pressure loss in pipe by conveying mix slurry with waste rock and full tailings based on round pipe test

YANG Zhiqiang1,2, WANG Yongqian2, GAO Qian1, CHEN Zhongjie1,2

(1.School of Civil and Resources Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China; 2.National Key Laboratory of Nickel and Cobalt Resources Comprehensive Utilization, Jinchuan Group Co.， Ltd., Jinchang 737100, China)

Round pipe test is the basis of the design of ratio of filling material and the optimization of filling system. In order to use waste rock and tailings instead of rod milling sands as aggregates, the round pipe test with waste rock and tailings filling materials was carried out in the No.2 Jinchuan Mine and the pressure loss in straight pipe conveying was studied. Firstly, the round pipe test system was explored including the site selection, the piping arrangement, the test process, implementation steps and equipment test. Then the test plans with five kinds of different ratios of waste rock to tailings under different concentration and flow were given. Finally, the changing rule between the pressure loss of slurry in straight pipe and the ratios of waste rock to tailings and slurry concentration was given by analyzing the data of pressure loss with straight pipe in round pipe test. The results can lay a foundation for the industrial test and parameters optimization when waste rock and tailings are used as filling materials in Jinchuan Mine.

filling mining method; waste rock and full tailings; high concentration slurry; round pipe test; pressure loss in straight pipe conveying

2016-04-18；

2016-07-12

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)資助項(xiàng)目(SS2012AA062405);鎳鈷資源綜合利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目(金科礦2015-01)

楊志強(qiáng)(1957-),男,山西萬(wàn)榮人,博士,北京科技大學(xué)兼職教授,博士生導(dǎo)師,金川集團(tuán)股份有限公司教授級(jí)高工; 高 謙(1956-),男,江蘇徐州人,博士,北京科技大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師,通訊作者,E-mail:gaoqian@ces.ustb.edu.cn.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.08.017

TD863

A

1003-5060(2017)08-1092-00