劉志祥，肖思友，王衛(wèi)華，李夕兵，蘭 明

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海底開采高倍線強(qiáng)阻力充填料漿的輸送

劉志祥，肖思友，王衛(wèi)華，李夕兵，蘭 明

(中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，長沙 410083)

為解決三山島金礦充填料漿管道輸送過程中存在的高濃度、高倍線、強(qiáng)阻力等技術(shù)難題，對三山島金礦充填料漿展開環(huán)管試驗(yàn)，研究高倍線強(qiáng)阻力條件下高濃度充填料漿的管道輸送特性。通過測出不同灰沙比條件下不同質(zhì)量濃度的充填料漿在不同輸送速度下的壓力損失以及不同停頓時間再次泵送時的啟動阻力，得到充填料漿的流變特性。在充填料漿沉降實(shí)驗(yàn)和環(huán)管試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合非線性牛頓體管道輸送理論和計算機(jī)流體動態(tài)數(shù)值分析方法對充填料漿的輸送阻力和速度分布進(jìn)行計算。結(jié)果表明：三山島金礦充填系統(tǒng)采用內(nèi)徑為125 mm的陶瓷復(fù)合鋼管作為輸送管道，灰砂比1:4，質(zhì)量濃度為72%~78%的充填料漿輸送阻力低于5 MPa；隨著料漿濃度的提高，其流變模型由屈服偽塑性體逐漸向賓漢體轉(zhuǎn)變；灰砂比為1:10、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為72%的充填料漿輸送阻力大于9 MPa，料漿具有典型的固液二相流特征。

強(qiáng)阻力；泵送；環(huán)管實(shí)驗(yàn)；海底開采；流變特征；計算機(jī)流體動態(tài)

三山島金礦是我國第一座大型濱海硬巖金屬礦山。其礦體厚大、成因復(fù)雜、遠(yuǎn)離陸岸、開采時間長且位于海底，控制巖層的變形和移動是海底安全開采的關(guān)鍵[1]。充填采礦法因其高采出率、環(huán)保、安全等技術(shù)特征而成為海底金屬礦山開采的首選方法[2]。但海底開采對充填質(zhì)量要求較高，在充填料漿輸送過程中，存在著充填料漿濃度高、輸送距離長、充填倍線高、輸送阻力大等技術(shù)難題。

大量工程實(shí)踐表明[3?7]，濃度為70%~78%、灰砂比為1:4~1:10的充填料漿在管徑為108~133 mm、流量為(100±10) m3/h的輸送條件下，適宜的自流輸送倍線值為4~6，極限充填倍線值為9~10，此時料漿壓力難以克服輸送總阻力，依靠自身質(zhì)量無法實(shí)現(xiàn)自流輸送，須在輸送系統(tǒng)設(shè)置增壓泵進(jìn)行輸送。WHITE[8]對粘性流體在管道中的輸送規(guī)律進(jìn)行了詳細(xì)的探討，并給出了多重管道輸送管網(wǎng)參數(shù)設(shè)計的實(shí)驗(yàn)和理論分析方法。董慧珍等[9]通過環(huán)管實(shí)驗(yàn)對質(zhì)量濃度為80%、81%的充填料槳的管道輸送阻力進(jìn)行了研究。WANG等[10]利用Fluent軟件對深井煤礦自流輸送充填系統(tǒng)中料漿的流動速度進(jìn)行了優(yōu)化研究。吳迪等[11]基于CFD對固液二相流管道輸送的壓力損失和彎管部分的受力情況進(jìn)行了分析，獲得料漿輸送的最佳濃度和流量。楊建等[12]利用Fluent軟件計算了三相流態(tài)充填體管道輸送速度和壓力分布。張修香等[13]利用Fluent軟件計算了高濃度料槳管道輸送壓力損失和彎管處壓力分布。

在實(shí)際工程中，由于采礦工藝的需要，同一套充填管道往往需要輸送不同強(qiáng)度要求的充填料槳，而充填體強(qiáng)度受到灰沙比和料槳濃度的共同影響，因此，研究不同灰沙比條件下不同濃度料槳的管道輸送特征對充填系統(tǒng)優(yōu)化更具有指導(dǎo)意義。本文作者通過三山島金礦尾砂充填料漿環(huán)管試驗(yàn)，測得不同配比料槳管道輸送壓力損失以及不同停頓時間再次泵送時的啟動阻力，結(jié)合Fluent軟件為高倍線強(qiáng)阻力管道輸送系統(tǒng)最佳技術(shù)參數(shù)提供設(shè)計依據(jù)，并為同類型礦山充填管網(wǎng)設(shè)計提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與材料

環(huán)管實(shí)驗(yàn)管路布置系統(tǒng)如圖1所示，試驗(yàn)系統(tǒng)管路總長約150 m。根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)場的攪拌機(jī)的工作能力，選用一臺攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，設(shè)計要求制備充填料漿的攪拌時間為8~10 min，為制備均勻、合格的充填料漿，適當(dāng)延長攪拌時間。尾砂環(huán)管試驗(yàn)輸送泵選用1臺HBT90.21.200S型混凝土泵，最大理論輸送量為90 m3/h，最大泵送壓力為18 MPa。環(huán)管泵送試驗(yàn)平臺選用內(nèi)徑為125 mm、管壁厚度為8 mm的普通無縫鋼管，以及彎頭若干，配套管卡及膠圈若干。液壓測試采用德國Hydrotechnik公司生產(chǎn)的MultiSystem 5060便攜式測試儀，如圖2所示。

圖1 水平管道和垂直管道架設(shè)圖

圖2 MultiSystem 5060便攜式測試儀

實(shí)驗(yàn)采用的充填骨料為三山島金礦選廠經(jīng)水力旋流器脫泥的分級尾砂，尾砂不均勻系數(shù)為5.9，尾砂充填料顆粒較粗，其粒徑組成如表1所列。膠結(jié)料為散裝425號水泥，充填所需的水直接利用海水。泵送實(shí)驗(yàn)采用的料漿為灰砂比1:4、濃度78%和灰砂比1:10、濃度72%的分級尾砂充填料漿。

表1 三山島新立礦區(qū)尾砂粒徑組成

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

考慮到充填骨料的粒徑較粗，在環(huán)管實(shí)驗(yàn)之前設(shè)計一組沉降實(shí)驗(yàn)以測得充填材料在靜止時的沉降速率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所列。由表2可知，由于分級尾砂充填料粒徑較粗，濃度為72%的料漿在5 min之內(nèi)發(fā)生很大的沉降，沉降量在10%以上，說明粗尾砂顆粒容易在管道內(nèi)沉降堆積，導(dǎo)致堵管。為保證環(huán)管實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行，通過適當(dāng)增加水泥的含量來改善充填料顆粒級配，降低充填料漿的沉降量[14]。基于上述分析設(shè)計兩組環(huán)管實(shí)驗(yàn)：

1) 該組試驗(yàn)主要通過提高灰沙比來改善級配，提高充填料漿的濃度，使得充填料漿達(dá)到似膏體。首先制備灰沙比1:4，料槳濃度為78%的充填料槳，當(dāng)充填料槳充滿整個環(huán)管管道且保持混凝土泵料斗內(nèi)料漿裝滿度在70%以上時，即停止制備充填料漿。待泵送穩(wěn)定后，先將輸送速度調(diào)至1.2 m/s，測量各段的壓力損失，每次測量時間5 min，然后依次將輸送速度調(diào)至1.4、1.6、1.8、2.0和2.2 m/s。測完所需數(shù)據(jù)后，進(jìn)行停泵試驗(yàn)，分別停泵15、30 min，然后重新啟動，測定啟動時的阻力。測完所有數(shù)據(jù)后，往泵料斗中加水將料槳濃度稀釋至72%后重新進(jìn)行上述測量，測完后清洗管道及設(shè)備。

2) 采用灰砂比1:10，質(zhì)量濃度72%的分級尾砂充填料漿來完成環(huán)管試驗(yàn)，料槳輸送速度為2.0 m/s。由于料漿中水泥細(xì)顆粒含量較少，容易沉降，在進(jìn)行第二組試驗(yàn)時只測量沿程阻力，中間不再停泵，以免造成堵管。

表2 不同濃度料漿的平均沉降量表(1 L)

2 結(jié)果和分析

料槳灰沙比為1:4、流速為2.0 m/s的輸送壓差圖如圖3所示。由圖3可知，灰沙比為1:4的試驗(yàn)料漿在輸送過程中，沿程阻力很小，可輕易輸送，濃度為78%的充填料槳的輸送阻力明顯大于72%濃度的輸送阻力，說明在相同灰沙比條件下，料槳的黏度隨著質(zhì)量濃度的增大而增大。

圖3 灰砂比為1:4、輸送速度為2.0 m/s不同濃度下充填漿料的壓差圖

圖4所示為停泵15 min之后的輸送壓差圖。由圖4可知，停泵15 min之后，實(shí)驗(yàn)料槳仍能穩(wěn)定輸送，但輸送阻力分別增大了2.67倍和3.24倍，其中濃度為78%的充填料槳的壓力損失明顯大于濃度為72%的充填料槳的。隨著停泵時間延長至30 min，72%濃度和78%濃度的充填料槳的輸送阻力分別增大5.23倍和7.28倍，說明濃度越高的充填料槳隨著停泵時間的延長壓力損失增大的趨勢越明顯。

圖4 灰砂比為1:4、輸送速度為2.0 m/s不同濃度下停泵15 min后充填漿料的壓差圖

第二組試驗(yàn)過程中，儀表顯示阻力變化較大，經(jīng)過較長的時間才達(dá)到一個相對較穩(wěn)定的變化范圍，測得的壓力損失如圖5所示。對第二組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知環(huán)管30 m水平管的平均壓力損失為0.13 MPa，按此折算2000 m管道的壓力損失為8.6 MPa，且不考慮在輸送料漿過程中停泵之后能否再次啟動的問題。說明灰砂比1:10、質(zhì)量濃度為72%的充填料漿中由于水泥含量較少，粗顆粒較多，在輸送過程中易出現(xiàn)沉降，輸送不穩(wěn)定等問題，料漿具有典型的二相流特征。

圖5 灰砂比1:10、濃度72%、輸送速度2.0 m/s時充填漿料的壓差圖

將所測得的數(shù)據(jù)整理如表3和4所示。由表3和4結(jié)合尾砂充填料漿流變實(shí)驗(yàn)結(jié)果[15]可知，灰沙比為1:4，質(zhì)量濃度為78%的料槳，隨著流速的增加，每100 m壓力損失有所增加，但增加的幅度很小，料漿呈現(xiàn)賓漢體的流動特征；質(zhì)量濃度降低至72%后，每100 m的壓力損失降低很大，且輸送速度越快，壓力損失越小，出現(xiàn)剪切變稀現(xiàn)象，料漿呈現(xiàn)屈服偽塑性體的流動特征。

表3 灰砂比1:4、濃度為72%、78%的充填料漿在不同輸送速度下的平均壓差表

表4 灰砂比1:4、濃度為72%、78%的充填料漿單位距離平均壓差

由表4停泵實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，灰沙比1:4的充填料槳停泵15 min最小的壓力損失為4.04 kPa/m，停泵30 min最小的壓力損失為6.86 kPa/m，最大的壓力損失達(dá)到12.51 kPa/m，說明料槳在長距離泵送過程中，一旦輸送泵停泵超過30 min，依靠輸送泵自身壓力很難實(shí)現(xiàn)重啟穩(wěn)定泵送。

對比兩組實(shí)驗(yàn)說明通過增加水泥含量能有效改善分級尾砂中細(xì)顆粒含量少、粗顆粒多、易沉降等問題，顯著減少充填料漿的輸送阻力。同時，也說明相同質(zhì)量濃度條件下不同灰沙比的充填料槳呈現(xiàn)出不同的流變模型。

3 工程應(yīng)用

三山島金礦目前開采的西南翼采場與充填站的垂直高差僅165 m，而輸送距離達(dá)到2200 m，最大充填陪線將達(dá)到14.3。礦體主要賦存在黃鐵絹英化花崗質(zhì)碎裂巖中，礦體中裂隙較發(fā)育，礦區(qū)主要采用機(jī)械化盤區(qū)房柱交替上升充填采礦法回采礦石，根據(jù)充填體力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果采用灰沙比1:4~1:6，質(zhì)量濃度為72%的充填料槳作為一步采充填材料，采用灰沙比1:8~1:10，質(zhì)量濃度72%的充填料槳作為二步采充填材料，采用灰沙比1:4，質(zhì)量濃度為72%的充填料槳作為人工假底充填材料，如圖6所示。

圖6 機(jī)械化盤區(qū)房柱交替上升充填采礦法

三山島新立礦區(qū)管網(wǎng)布置為：充填料從充填站下料口出發(fā)，通過充填鉆孔到達(dá)?135 m水平，然后經(jīng)充填鉆井到達(dá)?165 m、?200 m中段大巷，經(jīng)中段運(yùn)輸巷進(jìn)入采場充填。充填管道由?165 m反上達(dá)到?155 m水平，出現(xiàn)10 m高差的垂直管段。三山島新立礦區(qū)充填站至西南礦區(qū)管網(wǎng)布置如圖7所示。由環(huán)管實(shí)驗(yàn)可知，料漿的適宜工作流速為1.8~2.0 m/s，綜合料漿濃度和工作流速的影響，需要的充填管道內(nèi)徑為125~130 mm，考慮海水的腐蝕性，選用的充填管道材質(zhì)為陶瓷復(fù)合鋼管。

圖7 三山島新立礦區(qū)充填站至西南礦區(qū)充填管道布置圖

3.1 依據(jù)環(huán)管實(shí)驗(yàn)計算總阻力

管道總阻力用下面公式進(jìn)行計算：

式中：t為管道總阻力，MPa；l水平直管總阻力，MPa；h垂直直管總阻力，MPa；p為局部阻力，MPa?？紤]局部壓力損失的影響將模型簡化為t= 1.08(其中，為單位長度管壓損失，MPa/m；為管道總長，2365 m)。結(jié)合表4可以得出不同輸送濃度和工作流速下的總阻力如表5所列?；疑氨?:10，質(zhì)量濃度為72%的充填料漿，折合的總阻力為11.07 MPa。

表5 灰沙比為1:4，不同質(zhì)量濃度和工作流速下的總阻力

3.2 CFD數(shù)值計算

在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和環(huán)管實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用Fluent流體模塊對灰砂比1:4和灰沙比1:10的充填料漿管道阻力和和速度分布情況進(jìn)行分析。針對西南礦區(qū)充填管網(wǎng)系統(tǒng)建立二維管道模型，垂直管道長為165 m，水平管道為2200 m，彎管半徑為0.38 m。模型分為5部分，分別為進(jìn)口、垂直管道、彎管連接、水平管道和出口，其中垂直管道和水平管道分為3300和44000等分，彎管部分分為20等分，網(wǎng)格數(shù)量為567972個，入口采用2 m/s的速度邊界，出口采用outflow邊界。根據(jù)環(huán)管實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對灰沙比1:4，質(zhì)量濃度為72%的充填料漿采用Herschel-Bulkley黏度模型，料漿的流變通式為[16]

充填料漿在圓管內(nèi)的雷諾數(shù)為

圖8 管道不同部位的速度分布

圖9 出料口速度分布

由環(huán)管實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，灰砂比1:10、濃度72%的充填料漿不具有賓漢體和屈服偽塑性體的流動特征，料漿是一種水和固體顆粒相混合的二相非牛頓流體，因此對于灰砂比1:10，濃度72%的充填料漿需要利用兩相流體力學(xué)研究料漿的流動特性。在建立的二維模型上，采用歐拉模型和標(biāo)準(zhǔn)的?湍流模型作為求解模型。定義第一象為水泥漿材料，黏度為1.24 Pa?s，第二象為固體顆粒，顆粒半徑為尾砂平均顆粒半徑0.038 mm。邊界條件定義管壁粗糙系數(shù)為0.12，湍流強(qiáng)度為10%，進(jìn)口速度為2 m/s，出口為Outflow出口。計算結(jié)果表明，最大靜壓為0.64 MPa，最小靜壓為?8.45 MPa，總阻力為9.09 MPa，最大流速為2.58 m/s，位于彎管部分。由于未考慮停泵時間對壓力損失的影響，在實(shí)際輸送過程中，為防止管道堵塞，取安全系數(shù)1.5，除去重力產(chǎn)生的壓力以外還需要輸送泵提供11 MPa以上的壓力。計算結(jié)果表明，在不發(fā)生堵管事故的情況下，選用的輸送泵的泵送壓力能滿足輸送要求。

4 結(jié)論

1) 在料漿輸送過程中，灰砂比和料漿濃度共同影響充填料漿的流變特性?；疑氨葹?:4，不同濃度的充填料漿呈現(xiàn)出不同的流動特性，隨著濃度的提高，料漿流變模型由屈服偽塑性體逐漸向賓漢體轉(zhuǎn)變。灰砂比1:10的充填料漿，由于料漿中水泥含量少，粗顆粒較多，易出現(xiàn)沉降，輸送不穩(wěn)定等問題，料漿具有典型的二相流特征。

2) 灰砂比相同的充填料漿，壓力損失隨著料漿濃度增大而增大。對于粗顆粒充填料槳，提高灰砂比可以有效改善充填料槳級配，降低沿程壓力損失。

3) 遠(yuǎn)距離泵送料漿，灰沙比相同的充填料漿質(zhì)量濃度越高，停泵重啟所需要的啟動壓力越大，充填系統(tǒng)運(yùn)行時要求在泵送過程中輸送泵能一直處于正常工作狀態(tài)。

4) 根據(jù)環(huán)管實(shí)驗(yàn)結(jié)果，利用Fluent軟件對灰砂比1:4和1:10的充填料漿管道輸送阻力進(jìn)行了分析，模擬結(jié)果說明充分的充填料漿流動特性實(shí)驗(yàn)是Fluent數(shù)值計算的基礎(chǔ)。在料漿材料流變特性試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用Fluent可為高倍線強(qiáng)阻力尾砂膠結(jié)充填系統(tǒng)的最佳運(yùn)行參數(shù)提供設(shè)計依據(jù)。

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Pipeline transportation of backfilling slurry with high filling times line and strong resistance in undersea mining

LIU Zhi-xiang, XIAO Si-you, WANG Wei-hua, LI Xi-bing, LAN Ming

(School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

In order to solve the existed technical problems in the filling slurry pipeline transportation, such as high mass concentration, high filling times line, strong resistance, the flowing characteristics were studied by pumping looping pipe experiment. The rheological characteristics were analyzed by measuring the date of hydraulic loss and pumping resistance of restarting the pump after different pause times during transporting backfilling slurry with different matching, flux and mass fraction. Combining the results of physical properties experiment and pumping looping pipe experiment with non-Newtonian fluid mechanics, the flow and rheological characteristics of cement classified tailings backfilling slurry with different matching and mass fraction in pipeline transportation were concluded. Fluent was used to calculate the pressure loss and velocity distribution in pipeline. The simulation results show that, when the slurry is transported by ceramic compound steel pipe with inner diameter of 125 mm, the pressure loss of transporting the filling slurry with mass fractions of 72% and 78% and cement-sand ratio of 1:4 are below 5 MPa. The rheological model transforms yield-pseudoplastic model to Bingham model with the improvement of mass fraction. Moreover, the pipeline pressure loss of transporting the filling slurry with mass fractions of 72% and cement-sand ratio of 1:10 is greater than 9 MPa. The flow characteristic of this filling slurry presents typical solid-liquid mixing two phase liquid character. The results provide the theoretical basis and a new design idea for the parameter optimizing in pipeline transportation system to meet the requirements of safety and efficiency mining.

strong resistance; pipe pumping; pumping looping pipe experiment; undersea mining; rheological characteristic; computational fluid dynamics

Project(41372278) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (2013BAB02B05)supported by Key Projects in the National Science and Technology Pillar Program during the Twelfth Five-year Plan Period

2015-07-22; Accepted date:2016-05-17

LIU Zhi-xiang; Tel: +86-13207475458; E-mail: Liulzx@csu.edu.cn

1004-0609(2016)-08-1802-09

X753

A

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41372278)；國家“十二五”科技支撐計劃項(xiàng)目(2013BAB02B05)

2015-07-22；

2016-05-17

劉志祥，教授，博士，電話：13207475458；E-mail: Liulzx@csu.edu.cn

(編輯 李艷紅)