某鐵礦管道自流輸送分析及管道磨損研究①

郭沫川，譚玉葉，楚立申，周家祥

（1.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083；2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；3.武鋼資源集團(tuán)大冶鐵礦有限公司，湖北 黃石 435006）

膏體充填料漿具有充填體強(qiáng)度高、用料耗能低、接頂率高等優(yōu)點(diǎn)。采用選鐵尾砂制備膏體充填料漿充填采空區(qū)，礦山尾砂得到利用，減少了占地面積、降低了生產(chǎn)成本，是開展綠色礦山建設(shè)的重要舉措［1-6］。充填系統(tǒng)的有效控制以及合理建設(shè)是實(shí)現(xiàn)采空區(qū)充填的關(guān)鍵一環(huán)，可避免或降低充填管道堵塞、磨損以至爆管等嚴(yán)重后果［7-9］。因此，對(duì)充填管道進(jìn)行料漿自流輸送分析以及管道磨損分析至關(guān)重要［10-13］。本文結(jié)合具體工程實(shí)際，對(duì)某鐵礦漿輸送管道進(jìn)行了管流輸送參數(shù)及管道磨損研究，得出了給定料漿的自流輸送參數(shù)，并運(yùn)用Fluent進(jìn)行數(shù)值模擬分析，找出輸送管道的易磨損部位，在保證生產(chǎn)效率的前提下延長輸送管道使用周期。

1 工程背景

某鐵礦采用分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法進(jìn)行開采，中段高度90 m，分段高度15 m。該礦山地表充填站水平標(biāo)高+168 m，充填料漿從攪拌站附近的充填鉆孔自流到-180 m充填水平，然后充填采空區(qū)。管線總長1 706 m，高差348 m，管道鋪設(shè)路徑如圖1所示。在礦山充填系統(tǒng)中，充填料漿灰砂比1∶4，管道輸送能力

圖1 某鐵礦充填管道鋪設(shè)圖

100 m3／h。

2 充填料漿參數(shù)計(jì)算

2.1 料漿密度

充填料漿密度主要取決于全尾砂、膠骨料及水的密度、灰砂比及砂漿質(zhì)量濃度。已知某鐵礦全尾砂密度2.904 t／m3，膠骨料密度2.931 t／m3，充填能力100 m3／h，充填料漿灰砂比為1∶4。由式（1）計(jì)算得固體干物料密度為2.93 t／m3，代入式（2）計(jì)算各質(zhì)量濃度下的充填料漿密度，結(jié)果見表1。

表1 充填料漿質(zhì)量濃度-料漿密度對(duì)照表

式中δs為固體干物料密度，t／m3；δm為充填料漿密度，t／m3；γc為膠骨料密度，t／m3；γs為全尾砂密度，t／m3；Cw為充填料漿質(zhì)量濃度，%；n為充填料漿灰砂比。

2.2 料漿濃度

保證相同充填體強(qiáng)度的前提下，采用高濃度充填料漿，可以降低水泥耗量，即降低充填成本。因此，選擇充填料漿濃度略高于臨界流態(tài)濃度為好，并按此來確定充填系統(tǒng)的能力。

充填料漿質(zhì)量濃度計(jì)算公式為：

充填料漿體積濃度計(jì)算公式為：

式中Cv為料漿體積濃度，%。

由式（3）～（4）可求得充填料漿質(zhì)量濃度與體積濃度的關(guān)系式（見式（5）），進(jìn)一步計(jì)算得到各質(zhì)量濃度料漿所對(duì)應(yīng)的體積濃度如表2所示。

表2 充填料漿質(zhì)量濃度-體積濃度對(duì)照表

3 料漿輸送參數(shù)研究

3.1 料漿臨界流速計(jì)算

本次研究選取金川有色金屬公司經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)某鐵礦充填料漿自流輸送進(jìn)行計(jì)算［14］：

式中vs為顆粒沉降速度；φ為固體顆粒沉降阻力系數(shù)；VC為臨界流速，m／s；D為管道直徑，m；K＝1.0～3.0，取2.0；λ為清水的阻力系數(shù)；ρs為固體干物料密度，ρs＝2.93 t／m3；d為尾砂直徑，取0.07 mm；ρ0為水的密度，ρ0＝1 t／m3。

由式（6）與式（7）可計(jì)算出固體顆粒沉降阻力系數(shù)，代入式（8）可得出各質(zhì)量濃度下的料漿臨界流速，并進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，隨著料漿質(zhì)量濃度增大，臨界流速也呈增大趨勢。一般情況下，臨界流速要乘以1.1或1.2的安全系數(shù)后才可以作為設(shè)計(jì)流速，因此設(shè)計(jì)充填流速取1.0 m／s。由于在管道自流輸送中還有很多不可控因素，為避免堵管等事故的發(fā)生，本次鐵礦管道輸送設(shè)計(jì)充填料漿實(shí)際流速應(yīng)大于1.0 m／s。

圖2 臨界流速擬合曲線

3.2 管道臨界管徑計(jì)算

將式（9）代入式（10）可計(jì)算得出不同質(zhì)量濃度下的輸送管道臨界管徑［14］，并進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖3所示。

圖3 臨界管徑擬合曲線

式中Qs為充填站每秒充填量，m3／s；DL為臨界管徑，m；vc為料漿臨界流速，m／s。

按照原則，實(shí)際選取某鐵礦充填管道管徑時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)管徑應(yīng)略小于臨界管徑。由圖3可知，隨著料漿質(zhì)量濃度增大，管道臨界管徑呈下降趨勢。對(duì)于該礦山，料漿輸送管道管徑應(yīng)小于0.2 m，可適當(dāng)選取管徑較大的輸送管道。

4 管道磨損數(shù)值模擬分析

4.1 數(shù)值模擬參數(shù)確定

為研究該鐵礦料漿輸送過程中料漿對(duì)充填管道的磨損破壞，找出充填管道磨損較嚴(yán)重的位置，運(yùn)用Fluent對(duì)料漿流動(dòng)過程進(jìn)行模擬。定義邊界條件如表3所示。

表3 數(shù)值分析邊界條件

4.2 管內(nèi)料漿流速研究

料漿在充填管道中各管段的流速分布見圖4。由圖4可知，料漿在最初進(jìn)入輸送管道時(shí)，流速逐漸增大，且管道中心線附近流速增大較為明顯，兩側(cè)管壁處速度增大緩慢，最大流速位于管道中心線附近；出口處料漿最大流速依然位于管道中心線處，流速向兩側(cè)管壁逐漸減??；在各拐點(diǎn)處，出現(xiàn)了流速突增的現(xiàn)象，且拐彎角度越大，流速突增越明顯，最大流速靠近拐點(diǎn)內(nèi)側(cè)管壁，同時(shí)，在拐點(diǎn)后一段管道內(nèi)，流速繼續(xù)增大，最大流速開始靠近外管壁處，經(jīng)過一段管道后又逐漸減小，最大流速靠近中心線。

圖4 料漿流速分布圖

4.3 管內(nèi)料漿壓力研究

在同等條件下對(duì)料漿流動(dòng)過程中壓力分布進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖5所示。由圖5可見，料漿流動(dòng)過程中各管段壓力分布規(guī)律與料漿流速分布規(guī)律相似，總體上在管道中心線附近壓力值最大。在管道入口處壓力較小，流動(dòng)一段距離后，管道中心線處壓力開始逐漸增大，兩側(cè)管壁處壓力變化較?。辉诠艿莱隹谔?，管內(nèi)壓力最大值集中在管道中心線處；料漿每經(jīng)過一個(gè)拐點(diǎn)時(shí)壓力都出現(xiàn)突增現(xiàn)象，拐點(diǎn)處角度越大其壓力變化越大，且都位于拐點(diǎn)的內(nèi)側(cè)管壁，在拐點(diǎn)后會(huì)出現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)壓力增大，且最大值靠近外管壁處，經(jīng)過一段時(shí)間后逐漸減小同時(shí)最大值靠近管道中心線處。

圖5 料漿壓力分布圖

4.4 管道磨損規(guī)律

分析管道內(nèi)料漿流速與壓力分布規(guī)律可知，料漿在流動(dòng)過程中對(duì)輸送管道磨損較大的部位出現(xiàn)在管道各個(gè)拐點(diǎn)處，且拐點(diǎn)處角度越大磨損越嚴(yán)重，同時(shí)，在拐點(diǎn)后的一段管道下管壁處受料漿流動(dòng)磨損也較大。距管道入口越遠(yuǎn)，流速越大，輸送管道受磨損也越嚴(yán)重。

5 結(jié) 論

通過理論計(jì)算以及Fluent數(shù)值模擬，對(duì)該礦山的充填管道自流輸送進(jìn)行分析，所得結(jié)論如下：

1）該礦山充填料漿濃度62%～68%范圍要實(shí)現(xiàn)料漿自流輸送，則料漿流速要達(dá)到0.806～0.831 m／s、輸送管道直徑0.207～0.209 m。同時(shí)，由于管道自流輸送中還有很多不可控因素，為避免堵管等事故發(fā)生，料漿流速大于1 m／s、管徑小于0.2 m為宜。

2）管道內(nèi)料漿最大流速出現(xiàn)在管道中心線附近，在彎管處流速會(huì)突然增大，最大流速靠近拐點(diǎn)內(nèi)側(cè)管壁，在拐點(diǎn)后流速會(huì)出現(xiàn)先增大后減小趨勢，最大流速先靠近下管壁后逐漸靠近中心線。

3）充填管道易磨損部位主要出現(xiàn)在管道各拐點(diǎn)處及拐點(diǎn)后的一段管道，且拐點(diǎn)角度越大，其磨損越嚴(yán)重。