康金箭

（湖南有色金屬職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南株洲 412006）

·采 選·

礦山膏體充填輸送方式的選擇

康金箭

（湖南有色金屬職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南株洲 412006）

初始剪切應(yīng)力和粘性系數(shù)稱為膏體充填料的流變參數(shù)，是決定充填料輸送性能的重要參數(shù)。文章通過(guò)對(duì)膏體充填料流變模型的分析，結(jié)合L管輸送試驗(yàn)，建立了流變參數(shù)－沿程阻力系數(shù)－充填倍線的關(guān)系，用于指導(dǎo)膏體充填料輸送方式的選擇，以解決經(jīng)驗(yàn)類比法計(jì)算誤差大導(dǎo)致的輸送方式選擇不合理問(wèn)題。

膏體充填；流變參數(shù)；充填倍線

管道輸送方式的選擇作為充填料管輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，需考慮多方面的因素，但總體而言，主要就是在自流輸送和泵壓輸送之間進(jìn)行論證和取舍。自流輸送方式能耗低，工藝簡(jiǎn)單，設(shè)備投入小，是礦山充填應(yīng)優(yōu)先選用的方案，泵壓輸送方式不受充填倍線的限制，在長(zhǎng)距離輸送方面具有優(yōu)勢(shì)［1］。輸送方式的選擇，應(yīng)以充填料管道輸送沿程阻力的計(jì)算作為依據(jù)。

充填料的管道輸送是膏體充填的關(guān)鍵技術(shù)之一，目前充填料輸送的基本理論與計(jì)算方法已有較多成果［2］，由于不同礦山充填料的物理性質(zhì)的差異，這些成果的普適性較差。對(duì)于具體礦山的充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)，鑒于對(duì)研發(fā)成本的考慮，設(shè)計(jì)人員往往直接引用已有的成果和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行充填料管輸阻力計(jì)算，計(jì)算結(jié)果誤差較大。本文從膏體充填料流變力學(xué)的角度出發(fā)，介紹了一種簡(jiǎn)單可行的計(jì)算方法，并闡述其原理。

1 膏體充填料管道輸送特性

1.1 膏體充填料的流變力學(xué)模型

通常把由細(xì)粒級(jí)物料組成的膏體充填料視為塑性結(jié)構(gòu)體，并應(yīng)用賓漢（Bingham）流變模型來(lái)研究［3］，流變方程為：式中：τ為管壁剪切應(yīng)力／Pa；τ0為初始剪切應(yīng)力（或屈服剪切應(yīng)力）／Pa；η為粘性系數(shù)／Pa·s；du／dy剪切速率／s－1。

膏體充填料在管道輸送過(guò)程中的流態(tài)為層流，固體顆粒不發(fā)生沉降，管道內(nèi)膏體充填料內(nèi)層與層也不出現(xiàn)交流，呈“柱塞”狀［4］，橫斷面上的速度變化為常數(shù)。根據(jù)式（1），并考慮管道全斷面具有流速，根據(jù)伯努利方程可得出方程式：

式中：v為流速／m·s－1；D為管道直徑／m。

實(shí)際生產(chǎn)中，膏體充填料的輸送管徑是固定的，而流速通常根據(jù)充填系統(tǒng)的生產(chǎn)能力將充填料設(shè)定為某一固定值，管壁切應(yīng)力實(shí)際上取決于膏體自身的兩個(gè)參數(shù)，即初始剪切應(yīng)力（或屈服剪切應(yīng)力）τ0和粘性系數(shù)η，這兩個(gè)參數(shù)稱為流體的流變參數(shù)。

1.2 膏體流變參數(shù)及測(cè)量方法

根據(jù)管流靜力學(xué)平衡理論，結(jié)合式（3）可知，管道單位長(zhǎng)度流動(dòng)阻力i（Pa／m）：

τ0／τ高次冪很小，可以忽略，故可得出近似的管壁剪切應(yīng)力：

在管徑、流速確定的條件下，流變參數(shù)決定膏體的輸送阻力，因此，在充填系統(tǒng)輸送方式選擇時(shí)，應(yīng)以流變參數(shù)的測(cè)量為基礎(chǔ)。膏體流變參數(shù)的測(cè)量主要有兩類方法，即儀器直接測(cè)量（槳葉測(cè)量法、平行板黏度測(cè)量法、旋轉(zhuǎn)圓筒式黏度測(cè)量法等）和半工業(yè)、工業(yè)規(guī)模的環(huán)管試驗(yàn)測(cè)算。從實(shí)際應(yīng)用的情況看，儀器測(cè)量雖然簡(jiǎn)單快捷，但結(jié)果往往不準(zhǔn)確。通過(guò)環(huán)管試驗(yàn)測(cè)算膏體充填料流變參數(shù)是最符合工程實(shí)際的方法，但試驗(yàn)系統(tǒng)復(fù)雜，成本較高，且試驗(yàn)周期長(zhǎng)［5］。

根據(jù)流變學(xué)理論及流體的管道輸送能量方程，使用L管輸送試驗(yàn)方式獲得膏體充填料流變參數(shù)是較為經(jīng)濟(jì)合理的方法。

實(shí)驗(yàn)室L管輸送試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。充填料漿在流動(dòng)時(shí)的受力狀態(tài)如圖2所示。根據(jù)流體管道輸送的能量守恒定律，可得出如下公式：

圖1 L管輸送試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖

圖2 管內(nèi)流體受力分析圖

式中：P0為進(jìn)口處壓力，由下式計(jì)算：

Pg為料漿自重壓力，由下式計(jì)算：

局部損失P局包括彎管損失、接頭損失等，計(jì)算較為繁雜，通常取其為直管損失的15%，以簡(jiǎn)化計(jì)算。

P′為出口壓力損失，由下式計(jì)算：

Pl為沿程阻力損失，由下式計(jì)算：

以上各式中：γ為料漿比重／N·m－3；v為料漿流速／m·s－1；g為自重加速度／9.8 m·s－2；ξi為局部阻力損失系數(shù)。

則將上述各項(xiàng)代入（5）式，化簡(jiǎn)后得：

隨著試驗(yàn)過(guò)程的進(jìn)行，料斗內(nèi)料漿料面下降，流速逐漸降低，最終停止流動(dòng)時(shí)，豎管內(nèi)料柱高度為h0，根據(jù)管流靜力學(xué)平衡，可推導(dǎo)出屈服剪切應(yīng)力：

1.3 充填倍線與輸送方式的選擇

對(duì)于礦山充填管網(wǎng)而言，在自流輸送的條件下，若垂直管道高度為H，水平管道長(zhǎng)度為L(zhǎng)，則根據(jù)能量守恒原理，可得出：

在試驗(yàn)過(guò)程中，分別配制不同濃度的全尾砂充填料漿，測(cè)定其坍落度與料漿容重，同時(shí)測(cè)定計(jì)算充填料漿在管道中的流速v，則根據(jù)式（10）、（11）即可分別計(jì)算相應(yīng)的τ0、τ，同時(shí)根據(jù)式（3）可計(jì)算出料漿的粘性系數(shù)η，即：

取局部阻力及出口損失之和為管道沿程阻力的15%，則上式變?yōu)椋?/p>

（H＋L）／H為管道總長(zhǎng)與垂直管道高度之比，即充填倍線。將式（4）代入式（15），即可計(jì)算出礦山膏體充填料在不同流量及管道直徑時(shí)，可實(shí)現(xiàn)自流輸送的允許充填倍線，作為輸送方式選擇的依據(jù)。

2 工程實(shí)例

某鉛鋅礦設(shè)計(jì)采用全尾砂膏體充填，設(shè)計(jì)充填生產(chǎn)能力60～80 m3／s，礦山最大開(kāi)采深度678 m，實(shí)測(cè)的最遠(yuǎn)水平輸送距離800 m，充填倍線為1.1～3.3，設(shè)計(jì)輸送管道內(nèi)徑125 mm。根據(jù)材料配比實(shí)驗(yàn)，確定充填濃度為76%～79%，對(duì)應(yīng)的膏體充填料容重見(jiàn)表1。

為節(jié)省成本，縮短項(xiàng)目周期，礦山未進(jìn)行膏體充填料的環(huán)管輸送試驗(yàn)，其充填料輸送參數(shù)與充填方式的選擇按下述進(jìn)行。

表1 礦山膏體充填料濃度－容重對(duì)照

2.1 測(cè)定流變參數(shù)

使用圖1所示的裝置測(cè)定膏體充填料流變參數(shù)，其中，h＝1.2 m，h′＝0.24 m，D＝0.06 m，L＝2.06 m。結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同濃度全尾砂料漿的流變參數(shù)

2.2 計(jì)算管道單位長(zhǎng)度流動(dòng)阻力i

將表1中的計(jì)算結(jié)果代入式（4），分別計(jì)算不同流速（流量）下的管道單位長(zhǎng)度流動(dòng)阻力i，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 充填料管道單位長(zhǎng)度流動(dòng)阻力 Pa／m

2.3 可實(shí)現(xiàn)自流輸送的充填倍線計(jì)算

將不同流速（流量）下的管道單位長(zhǎng)度流動(dòng)阻力i代入式（15），分別計(jì)算不同輸送參數(shù)下可實(shí)現(xiàn)的自流輸送倍線，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

2.4 輸送方式選擇

由表4可知，選用內(nèi)徑125 mm的輸送管道，當(dāng)充填料質(zhì)量濃度為76%～79%、充填流量為60～80 m3／h時(shí)，該礦山可實(shí)現(xiàn)自流輸送的充填倍線為3.7～8.5，大于實(shí)際工程的充填倍線（1.1～3.3），因此，礦山可實(shí)現(xiàn)自流輸送。

表4 不同輸送參數(shù)下可實(shí)現(xiàn)的自流輸送倍線

3 結(jié) 論

1.根據(jù)膏體充填料的流變參數(shù)，結(jié)合流體管道輸送能量方程，可計(jì)算膏體充填料管道輸送的沿程阻力系數(shù)，進(jìn)而計(jì)算可實(shí)現(xiàn)自流輸送的充填倍線，用以指導(dǎo)礦山膏體充填料輸送方式的選擇。

2.膏體充填料作為非牛頓流體中的賓漢體，可通過(guò)室內(nèi)L管輸送試驗(yàn)獲得其初始剪切應(yīng)力和粘性系數(shù)，L管輸送試驗(yàn)獲取膏體充填料流變參數(shù)的方式，較儀器測(cè)量法更為接近工程實(shí)際，成本遠(yuǎn)低于大規(guī)模的環(huán)管實(shí)驗(yàn)。

［1］ 蔡嗣經(jīng)，王洪江.現(xiàn)代充填理論與技術(shù)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2012.

［2］ 王洪武.多相復(fù)合膏體充填料配比與輸送參數(shù)優(yōu)化［D］.長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2010.

［3］ 劉同友.充填采礦技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2001.

［4］ 陳廣文，古德生，高泉.高濃度漿體的濃度判據(jù)及其層流輸送特性［J］.中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，1995，5（4）：35－38.

［5］ 周愛(ài)民.礦山廢料膠結(jié)充填［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2007.

The Choice of M ethod of Paste Filling Transportation in a M ine

KANG Jin-jian
（Hunan Nonferrous Metals Vocational and Technical College，Zhuzhou 412006，China）

The initial shear stress and viscous coefficient is called the rheological parameters of paste filling，and is an important parameter to decide transmission performance of fillingmaterial.This article through the analysis of the fillingmaterial paste rheologicalmodel and the pipe experiment，established the relationship between rheological parameters，the frictional resistance coefficient and the times filling line.It is used to choose paste fillingmaterial transportation，in order to solve the unreasonable transportation mode choice problem caused by large calculation error.

the paste filling；the rheological parameters；times filling line

TD52

：A

：1003－5540（2014）05－0001－03

2014－06－20

康金箭（1973－），男，高級(jí)工程師，主要從事金屬礦開(kāi)采技術(shù)研究工作。