高濃度混合骨料充填料漿管道輸送特性試驗(yàn)研究

吳 凡 ，楊志強(qiáng) ,2，高 謙

（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, 甘肅 金昌 737100）

充填采礦由于具有安全、高效、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，被越來(lái)越多的礦業(yè)國(guó)家認(rèn)可并應(yīng)用[1-2]. 管道輸送作為充填采礦的關(guān)鍵技術(shù)之一[3]，國(guó)內(nèi)外對(duì)管道輸送的相關(guān)研究成果越來(lái)越多. Wang等[4]利用Fluent軟件對(duì)深井煤礦膏體管道輸送的水力損失與流動(dòng)速度進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)水力損失小于重力產(chǎn)生的壓力可滿足料漿自流. 吳愛(ài)祥等[5]基于結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)理論，研究了膏體管道輸送阻力與流速、管徑及物料組成的變化規(guī)律. Bharathan等[6]研究了管道輸送中料漿的壓力損失與摩擦系數(shù)的關(guān)系. 劉志祥等[7]通過(guò)環(huán)管試驗(yàn)并結(jié)合Fluent軟件分析得到高倍線強(qiáng)阻力管道輸送系統(tǒng)的最佳技術(shù)參數(shù). 董慧珍等[8]通過(guò)管道輸送試驗(yàn)，對(duì)體積分?jǐn)?shù)為80%和81%的充填料漿的壓力損失進(jìn)行了研究. Kumar等[9]認(rèn)為通過(guò)合理改變顆粒級(jí)配可降低管輸壓降及比能耗. 吳迪等[10]針對(duì)固液兩相流的充填料漿，分析了料漿管道輸送的阻力損失和彎管部分的受力情況.

高濃度料漿由于具有不離析、不沉降、效率高和井下脫水少等優(yōu)點(diǎn)，其管輸特性是充填采礦的重要研究?jī)?nèi)容[11-12]. 以甘肅某鎳礦為工程背景，目前以棒磨砂為主的充填骨料無(wú)法滿足該礦充填需求，必須補(bǔ)充使用充足廉價(jià)的廢石和石灰石粉. 因此，開(kāi)展由廢石、棒磨砂和石灰石粉為主的混合骨料高濃度充填料漿管道自流輸送特征研究，對(duì)礦山充填更具有指導(dǎo)意義. 本文利用該礦充填系統(tǒng)進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)，觀測(cè)得到不同高濃度和不同混合骨料料漿的管道壓力及流量，分析了管輸阻力隨流速、料漿濃度和石粉摻量的變化規(guī)律，提出管輸阻力的數(shù)學(xué)模型，并利用流變?cè)囼?yàn)結(jié)果和機(jī)理分析進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，為高濃度混合骨料充填料漿自流輸送技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供理論依據(jù).

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

以甘肅某鎳礦為工程背景，該礦充填管網(wǎng)布置為：充填料從制漿站下料口出發(fā)，通過(guò)充填鉆孔到達(dá)充填平硐，然后經(jīng)露天老坑鉆孔到達(dá)主充填道，經(jīng)穿脈運(yùn)輸?shù)肋M(jìn)入采場(chǎng)充填；管輸特性測(cè)試系統(tǒng)由1臺(tái)電磁流量計(jì)與4臺(tái)工業(yè)壓力變送器組成，每隔10 min記錄流量數(shù)據(jù)，同時(shí)記錄對(duì)應(yīng)流量下各變送器壓力數(shù)值. 試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示.

圖1 管道輸送試驗(yàn)系統(tǒng)Fig. 1 Experimental system of pipe transportation

1.2 試驗(yàn)材料

選用廢石與棒磨砂作為粗骨料，石灰石粉（簡(jiǎn)稱(chēng)石粉）作為細(xì)骨料. 粗骨料中廢石與棒磨砂質(zhì)量比為3∶7，在粗骨料中添加石粉攪拌均勻制備為混合骨料，骨料級(jí)配曲線如圖2所示. 膠結(jié)料為42.5水泥，充填所需水為工業(yè)用水.

圖2 骨料級(jí)配曲線Fig. 2 Grading curves of aggregates

1.3 試驗(yàn)方案

高濃度料漿在靜置沉降一段時(shí)間后仍能保持固液不分層狀態(tài)，且當(dāng)坍落度在230～275 mm內(nèi)粗骨料充填料漿可自流輸送[13-14]. 室內(nèi)料漿沉降與坍落度試驗(yàn)結(jié)果表明：料漿在79%～82%濃度范圍符合高濃度判定條件，并滿足自流輸送條件. 高濃度料漿添加細(xì)顆?？商岣邼{體輸送能力及降低能耗[15]. 室內(nèi)強(qiáng)度配比試驗(yàn)結(jié)果表明：粗骨料中石粉摻量（c）超過(guò)40%時(shí)，充填體強(qiáng)度不滿足礦山充填要求. 以料漿濃度與石粉摻量為影響因素，研究高濃度混合骨料充填料漿的管道輸送特性，工業(yè)試驗(yàn)方案如表1所示.

表1 工業(yè)試驗(yàn)方案Tab. 1 Industrial test plans

2 結(jié)果與分析

2.1 管道壓力變化規(guī)律

漿體管道輸送壓力試驗(yàn)研究的料漿濃度為80%、石粉摻量為20%（A2）. 試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示.由圖可知：管道壓力隨時(shí)間呈周期波動(dòng)變化，隨料漿輸送距離增長(zhǎng)呈減小趨勢(shì)；測(cè)壓點(diǎn)3壓力波動(dòng)變化幅度較其他測(cè)壓點(diǎn)大，這是由于測(cè)壓點(diǎn)3位于老坑充填鉆孔與主充填道的彎管連接處，彎管處相對(duì)水平管壓力變化大；測(cè)壓點(diǎn)4的壓力范圍為0.11～0.22 MPa，與出料口形成壓力梯度，料漿自流進(jìn)入待充采場(chǎng). 值得一提的是，引起管道壓力波動(dòng)變化的主要原因有3個(gè)：1） 充填骨料的差異性，在連續(xù)攪拌的不同時(shí)刻加入的骨料存在差異，其粒徑級(jí)配并非完全相同，使得料漿密度、屈服應(yīng)力、黏度等各個(gè)特性發(fā)生波動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致壓力波動(dòng)；2） 充填料漿的非均質(zhì)性，高濃度料漿可視為非均質(zhì)流，無(wú)法達(dá)到理想均質(zhì)狀態(tài)，加之混合骨料中的最大顆粒粒徑可達(dá)12 mm，料漿中大顆粒的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)恰好經(jīng)過(guò)壓力傳感器位置，可能引起壓力波動(dòng)；3） 充填系統(tǒng)配比波動(dòng)，如料漿濃度為79%，由于充填系統(tǒng)自身特性使料漿濃度一般在78%～80%波動(dòng)，連續(xù)充填造成測(cè)壓點(diǎn)的壓力波動(dòng)是無(wú)法避免的.

圖3 壓力變化曲線Fig. 3 Pressure variation curves

2.2 料漿濃度影響因素分析

為了研究管道輸送阻力與料漿濃度的關(guān)系，工業(yè)試驗(yàn)采集了充填不同濃度料漿隨時(shí)間變化的管道壓力與流量，管道輸送阻力（H，Pa/m）與管道壓力及流速（v，m/s）與流量（Q，m3/h）的計(jì)算式[16-17]為

式中： ΔP為兩測(cè)壓點(diǎn)壓力差，MPa；L為兩測(cè)壓點(diǎn)距離，m；P1和P2為測(cè)壓點(diǎn)1、2的壓力值，MPa；R為管道直徑，m.

結(jié)合式（1）分析測(cè)壓點(diǎn)1、2之間的管道輸送特性，得到不同料漿濃度（cw）下管輸阻力與流速的關(guān)系如圖4所示.

由圖4可見(jiàn)：在濃度一定時(shí)，隨著流速的增加，不同濃度充填料漿管道輸送阻力呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，與環(huán)管試驗(yàn)[18]及數(shù)值模擬[19]的結(jié)論一致. 在流速一定時(shí)，管道輸送阻力隨料漿濃度變化而變化，濃度越高，阻力越大，與文獻(xiàn)[8]結(jié)果類(lèi)似. 對(duì)于不同濃度料漿，管道輸送阻力與流速的回歸直線幾乎平行，說(shuō)明在相同流速下，管輸阻力與料漿濃度具有函數(shù)關(guān)系.在固定混合骨料時(shí)，管輸阻力是料漿濃度與流速的二元函數(shù)，回歸擬合得到式（2）.

將不同濃度代入式（2）中，與圖4中不同濃度料漿回歸方程進(jìn)行對(duì)比分析，最大相對(duì)誤差為2.8%，平均相對(duì)誤差為1.3%，模擬精度高.

圖4 不同料漿濃度下管輸阻力與流速的關(guān)系Fig. 4 Relationships between transport resistance and flow velocity of slurry pipes for different slurry concentrations

2.3 石粉摻量影響因素分析

為了研究管道輸送阻力與石粉摻量的關(guān)系，按式（1）對(duì)工業(yè)試驗(yàn)中不同石粉摻量料漿的管道壓力與流量作數(shù)據(jù)處理，得到不同石粉摻量料漿管輸阻力與流速的關(guān)系如圖5所示. 由圖可知：在石粉摻量一定時(shí)，隨著流速的增加，不同石粉摻量的充填料漿管道輸送阻力呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)；在流速一定時(shí)，粗骨料未摻石粉時(shí)的管輸阻力達(dá)到最大，粗骨料中石粉摻量達(dá)到30%時(shí)的管輸阻力達(dá)到最小.

圖5 不同石粉摻量料漿管輸阻力與流速的關(guān)系Fig. 5 Relationships between transport resistance and flow velocity of slurry pipes for different stone powder contents

流速為3.2 m/s時(shí)管輸阻力與石粉摻量的關(guān)系如圖6所示. 由圖可知：隨著石粉摻量的增加，管輸阻力先減小后增大. 在固定高濃度時(shí)，管輸阻力是石粉摻量與流速的二元函數(shù)，回歸得到式（3）. 假設(shè)流速一定，由式（3）可知：管輸阻力與石粉摻量符合拋物線變化規(guī)律.

圖6 管輸阻力與石粉摻量的關(guān)系Fig. 6 Relationship between pipeline transportation resistance and contents of stone powder

式中：分母中的20%為石粉中值摻量.

將不同摻量代入方程中，與圖5中不同石粉摻量料漿回歸方程進(jìn)行對(duì)比分析，最大相對(duì)誤差為2.5%，平均相對(duì)誤差為0.8%，模擬效果理想.

2.4 管道輸送阻力數(shù)學(xué)模型

不考慮料漿流速濃度與石粉摻量時(shí)，管道輸送阻力隨流速增大呈直線式增長(zhǎng)，且料漿濃度與石粉摻量為相互獨(dú)立的影響因素，由變量相互獨(dú)立的性質(zhì)有式（4）關(guān)系成立.

式中：H1(cw)為管道輸送阻力與料漿濃度的冪函數(shù)關(guān)系（見(jiàn)式（2））；H2(c)為管道輸送阻力與石粉摻量的二項(xiàng)次函數(shù)關(guān)系（見(jiàn)式（3））；H3(v)為管道輸送阻力與料漿流速的線性函數(shù)關(guān)系.

式（2）是石粉摻量為20%時(shí)H1(cw)與H3(v)的乘積，式（3）是料漿濃度為80%時(shí)H2(c)與H3(v)的乘積. 不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)料漿濃度為80%時(shí)的式（2）即為式（4）中的H3(v)，由此得到高濃度混合骨料充填料漿管道輸送阻力的數(shù)學(xué)模型：

為了進(jìn)一步研究存在交互作用時(shí)三變量對(duì)管輸阻力的影響規(guī)律，控制任意一個(gè)變量為固定值，利用Origin軟件對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行可視化處理，如圖7所示.

由圖7可知：固定石粉摻量為20%時(shí)，料漿濃度與流速交互作用下管輸阻力范圍為2070～6920 Pa/m，管輸阻力在料漿濃度與流速同時(shí)增大的作用下呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)；固定料漿濃度為80%時(shí)，石粉摻量與流速交互作用下管輸阻力范圍為2180～5970 Pa/m，管輸阻力在石粉摻量減小及流速增大共同作用下呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)；固定流速為3.2 m/s時(shí)，石粉摻量與料漿濃度交互作用下管輸阻力范圍為3140～5530 Pa/m，管輸阻力在石粉摻量減小及料漿濃度增大共同作用下呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)；不同交互作用下的管輸阻力變化范圍不同，由其區(qū)間大小得到交互作用對(duì)管輸阻力影響程度從大到小依次為料漿濃度與流速、石粉摻量與流速、石粉摻量與料漿濃度.

圖7 不同因素對(duì)管輸阻力的交互作用Fig. 7 Interaction of different factors on pipeline transportation resistance

3 驗(yàn)證試驗(yàn)

為驗(yàn)證工業(yè)試驗(yàn)管輸特性分析的準(zhǔn)確性，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行料漿流變?cè)囼?yàn)，測(cè)試其流變特性參數(shù).

3.1 不同質(zhì)量濃度料漿流變結(jié)果與分析

選用R/S型軟固體流變測(cè)試儀，并配備V40-20型漿式轉(zhuǎn)子，測(cè)試石粉摻量為20%時(shí)不同質(zhì)量濃度的料漿流變參數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示.

圖8 不同質(zhì)量濃度的料漿流變參數(shù)Fig. 8 Rheological parameters of slurry with different mass concentrations

由圖8可知：在料漿濃度為80%時(shí)，料漿屈服應(yīng)力的增幅達(dá)到最大為13.97 Pa，塑性黏度的增幅達(dá)到最大為0.17 Pa?m；隨著料漿濃度的繼續(xù)增加，增幅雖有所減小，但屈服應(yīng)力與塑性黏度呈現(xiàn)繼續(xù)增加的趨勢(shì)，與料漿濃度對(duì)管輸阻力的影響規(guī)律一致.

3.2 不同石粉摻量料漿流變結(jié)果與分析

在料漿濃度為80%時(shí)，對(duì)不同石粉摻量的料漿進(jìn)行測(cè)試，其屈服應(yīng)力及塑性黏度結(jié)果如圖9所示.由圖9可知：在石粉摻量為30%時(shí)，料漿屈服應(yīng)力達(dá)到最小為87.74 Pa，塑性黏度達(dá)到最小為1.10 Pa?m；石粉摻量為40%時(shí)，屈服應(yīng)力與摻量為20%時(shí)的屈服應(yīng)力近似相等，塑性黏度略高于摻量為30%時(shí)的塑性黏度；隨著石粉摻量的增加，料漿的屈服應(yīng)力與塑性黏度均呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)，符合石粉摻量對(duì)管輸阻力的影響規(guī)律.

圖9 不同石粉摻量的料漿流變參數(shù)Fig. 9 Rheological parameters of slurry with different stone powder contents

4 機(jī)理研究

4.1 流速的振動(dòng)效應(yīng)

料漿在管道輸送中，對(duì)于固定工況點(diǎn)，料漿流動(dòng)速度隨時(shí)間增長(zhǎng)而有所不同，流速的改變引起的速度差會(huì)在漿體內(nèi)固液（骨料（水泥）與水）分界處產(chǎn)生定向作用力. 這種定向作用力使保持平衡狀態(tài)的介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng). 料漿流速越大，介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的機(jī)械振動(dòng)越強(qiáng)烈，增加了固體顆粒間的碰撞次數(shù)以使顆粒發(fā)生聚凝. 同時(shí)，粒的聚凝加強(qiáng)了不同分子及其介質(zhì)之間的結(jié)合力，料漿的屈服應(yīng)力與塑性黏度隨之增加，導(dǎo)致了管輸阻力的增加.

4.2 濃度的黏稠作用

當(dāng)混合骨料中石粉摻量與料漿流速一定時(shí)，隨著料漿濃度增加，直觀表現(xiàn)為固體顆粒含量增加及水含量減少，微觀表現(xiàn)為包裹固體顆粒的水膜變薄且數(shù)量減少. 水膜的變化加大了漿體的黏稠性，增加了屈服應(yīng)力與塑性黏度，流變參數(shù)的增加導(dǎo)致了管輸阻力的增加.

4.3 石粉的絮網(wǎng)理論

細(xì)顆粒在高濃度料漿管道輸送中表現(xiàn)為絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)的作用[15]，如圖10所示. 由圖可知：當(dāng)高濃度料漿的質(zhì)量濃度與流速一定時(shí)，隨著石粉摻量增加，即漿體中的細(xì)顆粒所占比例增加，絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變. 結(jié)合圖2可知：未摻石粉時(shí)，固體顆粒間隙較大，顆粒易發(fā)生碰撞，使顆粒發(fā)生聚凝；添加石粉后，細(xì)顆粒改變了骨料級(jí)配特性，并填充于粗顆粒間的空隙，顆粒間碰撞次數(shù)減少，顆粒間的聚凝變?nèi)?；?dāng)石粉摻量達(dá)到最優(yōu)后繼續(xù)添加石粉，多余細(xì)顆粒無(wú)法繼續(xù)對(duì)空隙填充同時(shí)覆蓋于漿體表面，增加了細(xì)顆粒與漿體間碰撞機(jī)會(huì)，聚凝效果增強(qiáng). 不難發(fā)現(xiàn)，顆粒間的聚凝作用使不同分子及其介質(zhì)之間的結(jié)合力先減弱后增強(qiáng)，改變了料漿的流變特性，從而產(chǎn)生管輸阻力先減小后增大的現(xiàn)象.

圖10 絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化示意Fig. 10 Schematic chart of flocculation network structure change

5 結(jié) 論

1） 通過(guò)工業(yè)試驗(yàn)，得到不同高濃度混合骨料充填料漿連續(xù)充填6 h的管道壓力變化規(guī)律，管道壓力隨充填時(shí)間過(guò)程呈周期性波動(dòng)變化，同時(shí)隨輸送距離變化呈減小趨勢(shì).

2） 基于管輸阻力和流速的計(jì)算方法，得到管輸阻力與流速、料漿濃度和石粉摻量分別呈線性、冪函數(shù)及拋物線關(guān)系.

3） 基于變量相互獨(dú)立的性質(zhì)，構(gòu)建了高濃度混合骨料充填料漿的管輸阻力數(shù)學(xué)模型，并從影響因素的相互作用分析發(fā)現(xiàn)，相互作用對(duì)管輸阻力影響程度從大到小依次為料漿濃度與流速、石粉摻量與流速、石粉摻量與料漿濃度.

4） 結(jié)合驗(yàn)證試驗(yàn)，機(jī)理研究表明，流速的振動(dòng)效應(yīng)、濃度的黏稠作用與石粉的絮網(wǎng)理論是固體顆粒碰撞聚凝、顆粒水膜變薄減少和細(xì)顆粒填充粗顆粒間空隙等原因，導(dǎo)致料漿的屈服應(yīng)力與塑性黏度也隨之發(fā)生變化，從而改變了料漿的管輸特性.