自流充填管道局部變徑滿管輸送的環(huán)管試驗(yàn)①

劉偉濤， 王瑩瑩， 楊 瑩， 王國(guó)立， 董立波

（北京金誠(chéng)信礦山技術(shù)研究院有限公司，北京 101500）

管道自流輸送具有工藝簡(jiǎn)單、輸送成本低的優(yōu)勢(shì)，是礦山充填的首選方式［1］。 工程應(yīng)用表明，自流非滿管輸送時(shí)充填料漿自由下落會(huì)導(dǎo)致垂直管道中上部易被磨穿而破漏，而滿管流輸送可以大大降低料漿對(duì)管道的沖擊磨損［2-3］。 采用變徑管輸送是獲得滿管流的有效方式之一［4-6］，目前在實(shí)驗(yàn)室研究變徑滿管流的報(bào)道很少。 本文自主設(shè)計(jì)研發(fā)了一套小型變徑環(huán)管試驗(yàn)裝置，研究變徑管管徑、長(zhǎng)度、安裝位置等因素對(duì)充填豎管滿管率的影響，研究結(jié)果可為充填料漿自流輸送管網(wǎng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供理論支撐。

1 滿管流輸送理論

充填輸送系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自流的條件是系統(tǒng)高差提供的勢(shì)能可以克服管道輸送阻力［7］。 當(dāng)料漿重力勢(shì)能過剩時(shí)，剩余勢(shì)能會(huì)轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，料漿加速流動(dòng)，在垂直管道上部形成自由下落區(qū)域，系統(tǒng)處于非滿管流動(dòng)狀態(tài)，如圖1 所示。 在自由降落段內(nèi)，料漿在重力作用下加速下落，高速流動(dòng)的砂漿對(duì)管壁沖刷形成溝壑式磨損，特別是在空氣與料漿交界面處發(fā)生碰撞產(chǎn)生巨大的沖擊力，可導(dǎo)致管道破裂。 進(jìn)入滿管流段后料漿保持勻速穩(wěn)定流動(dòng)，管道磨損率較低［8-9］。 因此，提高系統(tǒng)滿管率是降低管道磨損的有效途徑。

圖1 中垂直管道高度為H0，自由降落段高度為H1，垂直滿管流段高度為H2，水平管道長(zhǎng)度為L(zhǎng)，設(shè)料漿密度為ρ，料漿水力坡度為im，重力加速度為g，由能量守恒定律可知：

由式（3）可知，滿管率大小取決于料漿密度、水力坡度以及垂直和水平管道長(zhǎng)度。 對(duì)于礦山充填系統(tǒng)，垂直管道長(zhǎng)度由開采深度決定，水平管道長(zhǎng)度由采場(chǎng)位置決定，兩者均不易改變，料漿密度受充填配比參數(shù)限制，變化程度有限，因此，增加料漿水力坡度是提高滿管率的實(shí)用手段［10］。 研究表明，料漿水力坡度隨著管徑減小而顯著增加［11］，考慮到水平管道更換相對(duì)容易，在系統(tǒng)水平管段采取局部變徑措施來消耗垂直管段過剩勢(shì)能是提高系統(tǒng)滿管率的有效途徑。

2 變徑環(huán)管試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

變徑環(huán)管試驗(yàn)材料由某鉛鋅礦全尾砂和42.5 普通硅酸鹽水泥組成，全尾砂粒度分布曲線見圖2。

圖2 全尾砂粒度分布曲線

全尾砂基本物理參數(shù)測(cè)試結(jié)果見表1。 級(jí)配參數(shù)滿足“不均勻系數(shù)大于5 且曲率系數(shù)在1 ～3 之間”的條件，全尾砂級(jí)配良好。－74 μm 顆粒累計(jì)占比低于80%，屬于細(xì)粒級(jí)尾砂［12］，－20 μm 超細(xì)顆粒占比較大，有利于保持充填料漿的穩(wěn)定性，適宜作為環(huán)管試驗(yàn)材料。

表1 全尾砂基本物理參數(shù)

2.2 試驗(yàn)裝置

自主設(shè)計(jì)研發(fā)并搭建了一套小型變徑環(huán)管試驗(yàn)裝置，如圖3 所示，它主要由攪拌桶、變頻渣漿泵（流量60 m3／h、揚(yáng)程15 m）、壓力表、電磁流量計(jì)、氣動(dòng)閘閥、計(jì)量槽和內(nèi)徑100 mm 的鋼制管道組成，其中垂直管段高度7 m，A、B、C 水平管段長(zhǎng)度均為3 m，水平管道末端有1 m 豎直管，供充填料漿回流入攪拌桶實(shí)現(xiàn)循環(huán)流動(dòng)。 試驗(yàn)裝置模擬自流輸送的充填倍線為3，滿足礦山自流輸送對(duì)充填倍線的要求［13］。

該試驗(yàn)裝置中，在垂直管道的頂端布置有正四棱錐狀料斗，與渣漿泵出口管段形成開路連接，符合礦山充填系統(tǒng)中攪拌設(shè)備下料口與鉆孔口之間常見的斷開式連接［14］，能有效模擬自流輸送的供料環(huán)節(jié)。 在氣動(dòng)閘閥前方10 cm 處的水平管道底部開有卸料口，閘閥關(guān)閉后，可通過該卸料口將自流垂直管道中的料漿放出到計(jì)量槽中，測(cè)量料漿體積。

2.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

分別在試驗(yàn)裝置的A、B、C 水平管段的中間部位安裝變徑管，記錄不同位置壓力表數(shù)據(jù)，測(cè)量卸料口流出的料漿體積，研究變徑管的安裝位置對(duì)滿管率的影響；通過在B 水平管段中間部位安裝不同管徑及長(zhǎng)度的變徑管，研究變徑管管徑和長(zhǎng)度對(duì)滿管率的影響。變徑管尺寸和安裝位置見表2。

表2 變徑管的尺寸和安裝位置

試驗(yàn)中用到的變徑管如圖4 所示。 變徑管兩端通過快速溝槽卡箍與水平管道連接。

圖4 不同尺寸變徑管

2.4 試驗(yàn)步驟

2.4.1 料漿制備

高濃度膠結(jié)充填料漿以其不離析、采場(chǎng)脫水量少、充填質(zhì)量好等諸多優(yōu)點(diǎn)，被礦山自流充填廣泛采用［15］。本次試驗(yàn)采用全尾砂、水泥和水?dāng)嚢柚苽滟|(zhì)量濃度70%的高濃度料漿，灰砂比1 ∶8，測(cè)得料漿屈服應(yīng)力為73 Pa、塌落度為26.4 cm，流動(dòng)性滿足管道輸送要求。

2.4.2 數(shù)據(jù)采集

料漿攪拌均勻后開啟渣漿泵，調(diào)整系統(tǒng)流量穩(wěn)定在48 m3／h 左右（料漿流速1.7 m／s），待系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)后，快速關(guān)閉氣動(dòng)閥門，打開卸料口，將料漿放入計(jì)量槽中，體積測(cè)量結(jié)束后將料漿倒入攪拌桶內(nèi)開展下一組測(cè)試。 壓力表可以監(jiān)測(cè)管道不同位置的壓力，由相鄰壓力表數(shù)據(jù)的差值除以其間隔距離可得到料漿管輸水力坡度im。 共計(jì)開展8 組試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果見表3。

表3 變徑環(huán)管試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

2.4.3 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)計(jì)量槽測(cè)出的料漿體積計(jì)算滿管率，然后繪制變徑管的不同管徑、長(zhǎng)度和安裝位置與料漿自流輸送滿管率及變徑管段水力坡度的關(guān)系曲線。

式中Vm為計(jì)量槽測(cè)得的料漿體積，L；Vh為試驗(yàn)裝置的自流垂直管段體積，取45 L。

3 滿管率的影響因素分析

3.1 變徑管管徑對(duì)滿管率的影響

變徑管安裝在B 水平管段中間部位、長(zhǎng)度為1 m時(shí)，料漿自流輸送滿管率及水力坡度與變徑管管徑的關(guān)系曲線如圖5 所示，滿管率和水力坡度受管徑的影響極為顯著，均隨著管徑減小呈指數(shù)型增長(zhǎng)趨勢(shì)，在較粗管徑下滿管率和水力坡度增長(zhǎng)緩慢，當(dāng)管徑小于一定尺寸時(shí)急劇增長(zhǎng)。 采用管徑50 mm 的局部變徑管時(shí)，滿管率由34.4%增長(zhǎng)至47.3%；管徑由50 mm 縮小至30 mm 時(shí)，滿管率快速增長(zhǎng)至72.9%。 這是因?yàn)樵诹髁肯嗤那闆r下，流速與管徑的平方成反比，小管徑管道內(nèi)的料漿流速高于大管徑，且料漿與小管徑內(nèi)壁的接觸面積大于大管徑，變徑管段的水力坡度隨著管徑減小而急劇增大，迫使充填豎管中料漿液位升高來補(bǔ)充勢(shì)能，滿管率隨之增加。

圖5 變徑管管徑對(duì)滿管率及水力坡度的影響

3.2 變徑管長(zhǎng)度對(duì)滿管率的影響

變徑管安裝在B 水平管段中間部位、管徑為30 mm時(shí)，料漿自流輸送滿管率及水力坡度與變徑管長(zhǎng)度的關(guān)系曲線見圖6。 隨著變徑管長(zhǎng)度增加，滿管率呈線性增長(zhǎng)，而水力坡度在12 kPa／m 附近小范圍波動(dòng)，考慮到測(cè)量誤差，可以認(rèn)為水力坡度保持不變。 變徑管長(zhǎng)度由1.0 m 增長(zhǎng)至2.0 m 時(shí)，其占裝置水平管道的長(zhǎng)度比例由11%上升至22%，滿管率達(dá)到了87.8%。 由此可見，在礦山實(shí)際應(yīng)用中，可以通過改變局部變徑管長(zhǎng)度方便地調(diào)節(jié)滿管率。

圖6 變徑管長(zhǎng)度對(duì)滿管率及水力坡度的影響

3.3 變徑管安裝位置對(duì)滿管率的影響

變徑管管徑為30 mm、長(zhǎng)度為1.5 m 時(shí)，料漿自流輸送滿管率及水力坡度與變徑管安裝位置的關(guān)系曲線如圖7 所示。 以安裝位置A 為基準(zhǔn)，變徑管安裝位置更換到B 處和C 處時(shí)，滿管率變化值分別為0.4%和－0.9%，水力坡度在12 kPa／m 附近小范圍波動(dòng)，表明變徑管在水平管道的安裝位置變化對(duì)滿管率及水力坡度影響很小，可忽略。 建議礦山充填管網(wǎng)中的變徑管安置于容易更換的地方。

圖7 變徑管安裝位置對(duì)滿管率及水力坡度的影響

3.4 相關(guān)性分析

通過皮爾森相關(guān)分析法探究變徑管管徑、長(zhǎng)度和安裝位置與料漿自流輸送滿管率之間的相關(guān)性，將8 組試驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入SPSS 分析軟件，計(jì)算結(jié)果見表4，其中??表示Sig＜0.01，為極顯著相關(guān)性；?表示0.01＜Sig＜0.05，為顯著相關(guān)性。 相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值越接近1，相關(guān)性越強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)越接近于0，相關(guān)性越弱［16］。

表4 相關(guān)性分析結(jié)果

由表4 可以得出，變徑管管徑與滿管率呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，變徑管長(zhǎng)度與滿管率呈顯著正相關(guān)關(guān)系，變徑管安裝位置與滿管率缺乏相關(guān)性。 可見，變徑管管徑和長(zhǎng)度是影響滿管率的主要因素，該結(jié)論可為充填管網(wǎng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

4 結(jié) 論

1） 變徑管管徑和長(zhǎng)度是影響充填系統(tǒng)滿管率的主要因素。 其中，滿管率與變徑管管徑存在極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著管徑減小呈指數(shù)型增長(zhǎng)趨勢(shì)，管徑小于50 mm 時(shí)滿管率急劇增長(zhǎng)；滿管率與變徑管長(zhǎng)度存在顯著正相關(guān)關(guān)系，隨著長(zhǎng)度增加呈線性增長(zhǎng)，變徑管管徑為30 mm、長(zhǎng)度為2 m 時(shí)，滿管率可達(dá)87.8%。 在充填料漿自流輸送管網(wǎng)設(shè)計(jì)中，可通過改變局部變徑管管徑和長(zhǎng)度達(dá)到調(diào)節(jié)滿管率的目的。

2） 變徑管在水平管道的安裝位置變化對(duì)滿管率影響很小，可忽略，建議變徑管安裝在充填管網(wǎng)中容易更換的位置。

3） 本次小型變徑環(huán)管試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果符合工程實(shí)際，可為礦山充填管網(wǎng)設(shè)計(jì)以及工程應(yīng)用提供可靠的技術(shù)支持，對(duì)降低自流輸送管道磨損具有非常重要的工程意義。