大流量全尾砂膏体料浆管道输送参数计算与分析_杨超.pdf

收稿日期2020-04-15 基金项目国家重点研发计划项目编号 2017YFC0602903。 作者简介杨超1983， 男， 高级工程师。通讯作者郭利杰1980， 男， 教授,博士。 大流量全尾砂膏体料浆管道输送参数计算与分析 杨超 1， 2 郭利杰 1， 2 李文臣 1， 21 （1. 北京矿冶科技集团有限公司， 北京 102628； 2. 国家金属矿绿色开采国际联合研究中心， 北京 102628） 摘要在全尾砂膏体料浆管道输送技术中， 合理输送管道参数的确定是确保其安全、 可靠输送的核心。本 项目以某大型铜矿山为研究对象， 设计采用全尾砂膏体料浆管道输送； 针对其输送流量大、 管道输送阻力大等技术 难题， 以尾矿基础参数测试结果为基础， 开展了全尾砂膏体料浆高效浓缩试验及料浆流变试验， 根据试验结果推荐 输送浓度为60～65； 同时按照刘德忠公式及管道复合流态摩阻损失数学计算模型， 计算分析了全尾砂膏体料浆 管道输送临界流速与摩阻损失等关键工艺技术参数； 最终根据矿山生产参数， 确定了管道输送方案及参数， 即在日 生产尾矿量为58 000 t （干量） 条件下， 推荐全尾砂膏体料浆输送最佳浓度为60～65， 推荐采用单条管线输送， 输 送工作流速为1.85～2.12 m/s， 对应输送管径为650 mm。 关键词全尾砂膏体管道输送阻力计算大流量临界流速 中图分类号TD853.34文献标志码A文章编号1001-1250 （2020） -08-055-06 DOI10.19614/ki.jsks.202008010 Calculation and Analysis of Pipeline Transportation Parameters of Large Flow Whole Tailing Paste Slurry Yang Chao1， 2Guo Lijie1， 2Li Wenchen1， 22 （1. BGRIMM Technology Group， Beijing 102628， China； 2. National Centre for International Research on Green Metal Mining， Beijing 102628， China） AbstractIn the whole tailings paste slurry pipeline transportation technology，the determination of reasonable pipe⁃ line parameters is the core to ensure its safe and reliable transportation． Taking a large-scale copper mine as a case，the whole-tailings paste slurry pipeline transportation was designed． Aiming at the technical problems such as high transportation flow and large pipeline transportation resistance，and based on the test results of basic parameters of tailings，the high-effi⁃ ciency concentration test and slurry rheological test of whole tailings paste slurry are carried out． According to the test re⁃ sults，the transportation concentration is recommended to be 60～65；At the same time，according to Liu Dezhong′s for⁃ mula and the mathematical calculation model of pipeline compound flow friction loss，the critical flow velocity and friction loss and other key technical parameters are calculated and analyzed；Finally，according to the mine production parameters， the pipeline transportation scheme and parameters are determined，that is，under the condition that the daily production of tailings is 58 000 t dry，it is recommended that the optimal transportation concentration of whole tailings slurry paste is 60～65． Single pipeline transportation is proposed，with the transportation flow rate of 1．85～2．12 m/s and the correspond⁃ ing transportation pipe diameter of 650 mm． KeywordsWhole tailings paste， Pipeline transportation， Resistance calculation， Large flow rate， Critical velocity 总第 530 期 2020 年第 8 期 金属矿山 METAL MINE Series No． 530 August2020 采用传统的低浓度尾矿排放工艺， 存在管道 输送量大、 能耗高及尾矿库回水困难、 安全性差等 问题 ［1-2］。全尾砂膏体料浆管道排放技术是近些年 发展起来的尾矿排放新技术， 具有占地面积小、 节 约投资及运行费用、 输送能耗低、 水循环利用效率 高及安全环保的优点 ［3-4］， 因此， 在国内外得到了快 速发展。 本项目以某铜矿大流量全尾膏体料浆管道输送 为研究背景， 针对矿山日生产尾矿量为 58 000 t （干 量） 特点， 通过开展尾矿基础参数测试、 全尾砂膏体 55 ChaoXing 金属矿山2020年第8期总第530期 料浆高效浓缩试验及料浆流变试验， 确定了最佳输 送浓度为60～65； 在此基础上选取适宜的数学计 算模型， 分别计算管道输送临界流速， 确定了工作流 速， 并分别计算其阻力损失； 最终综合分析确定了最 佳的管道输送方案及工艺参数。 1尾砂物化特性 1. 1尾砂化学成分 某铜矿尾矿化学成分测试结果见表1。 表1测试结果表明 SiO2及CaO为此铜尾矿中主 要成份， 两者占比达到62.59； S含量为4.84， 含量 不高； 其余占比较高的金属元素氧化物为TFe、 Al2O3、 MgO， 其总含量占比为17.25。总体来看， 此尾矿符 合一般固体废弃物排放标准， 可按照一般固体废弃 物进行处置。 1. 2尾矿物理参数 物理参数按照 GB/T 501231999 土工试验方 法标准 进行测定， 如表2所示。 1. 3粒径组成 对75 μm粒径采用水析法测定， 对-75 μm粒径 采用激光粒度法进行测试， 测试结果如表3所示。 2全尾砂膏体料浆高效浓缩试验 2. 1最佳絮凝浓缩进料浓度 目前金属矿为了获得较高的选矿回收率， 一般 选矿磨矿细度较细， 得到的尾矿粒度非常细， 且颗粒 形态复杂 ［5］。根据尾矿粒级测试结果， 试验用尾矿属 于细粒级尾矿。因此， 为了保障尾矿能够得到高效 浓缩， 需将尾矿料浆进料稀释到合适的浓度， 此时絮 凝剂才能发挥最佳效果 ［6］， 从而加速尾矿颗粒沉降， 获得较好的絮凝浓缩参数。 试验采用爱森公司的6013S絮凝剂， 按照尾矿干 料的 8 g/t 添加； 进料浓度分别为 10、 12、 14、 16、 18、 20。试验结果如表4所示。 试验结果表明 进料浓度在10至18之间时， 絮凝浓缩处理能力随着浓度的增加而增加， 说明浓 缩效率在不断增加， 当进料浓度大于18时， 处理能 力开始下降， 根据试验结果， 并考虑一定的生产波动 性， 推荐尾矿絮凝浓缩最佳进料质量浓度为 14～ 16。 2. 2最佳絮凝剂添加量 尾矿料浆最佳进料浓度及絮凝剂添加量是影响 絮凝浓缩效果最重要的2个因素 ［7］。最佳絮凝剂添 加量试验进料浓度为14， 采用爱森公司的6013S絮 凝剂， 絮凝剂添加量按照尾矿干料的8 g/t、 10 g/t、 12 g/t、 15 g/t添加。试验结果如表5所示。 试验结果表明 随着絮凝剂添加量的增加， 絮凝 浓缩处理量增加， 当絮凝剂用量为8 g/t时， 就可得到 较为理想的沉降速度及处理量。同时考虑实际生产 中， 由于物料波动等因素， 推荐最佳的絮凝剂添加量 为8～12 g/t。 2. 3底流浓度 底流浓度是考察尾矿料浆浓缩效果的一项重要 指标 ［8］， 按照进料浓度为14、 16， 絮凝剂添加量为 8 g/t、 10 g/t、 12 g/t、 14 g/t进行试验， 共计试验8组， 测 试底流浓度结果如表6所示。 56 ChaoXing 2020年第8期杨超等 大流量全尾砂膏体料浆管道输送参数计算与分析 试验结果表明 在进料浓度一致的条件下， 随着 絮凝剂添加量的增加， 底流浓度逐渐降低； 同时絮凝 剂添加量在 8 g/t至 12 g/t的条件下， 底流浓度均在 60以上， 最高达到65。 3全尾砂膏体料浆流动性及流变参数测试 3. 1流动性测试 采用扩散度法进行料浆流动性能测试， 通过测 定料浆扩散直径表征料浆流动性能 ［9］。本次试验设 计尾矿料浆浓度分别为60、 62、 64、 66、 68、 70， 共计6组。图1为不同浓度料浆流动状态， 试验 结果如表7所示。 试验结果表明 随着浓度的增加料浆扩散直径 逐渐变小， 说明全尾砂膏体料浆的流动性能变差， 采 用管道输送时管道摩阻损失将增大。同时结合浓缩 试验结果， 推荐矿山充填料浆输送浓度为60～65。 3. 2流变参数测试 膏体及似膏体状态的全尾砂浆体属于 Bingham 流体， 即当剪切应力大于屈服应力时， 浆体才能发生 流动， 具有塑性液体性质 ［10］， 其表达式为 ττ0ηγ，（1） 式中， τ0为屈服应力， Pa； η为塑性黏度系数， Pa s； γ 为剪切速率， s-1。 试验采用RST-SST型软固体流变仪进行不同浓 度全尾砂浆体流变参数测定。设计测试浓度为60、 62、 64、 66、 68、 70。图 2 及图 3 为 60 和 62浓度的料浆流变曲线。 对测试的料浆流变曲线进行拟合， 计算流变参 数τ0及η， 结果见表8。 浆体管道输送阻力是管道设计中最重要的一个 参数， 流变参数τ0及η是影响管道输送阻力的主要因 素 ［11］。试验结果表明 全尾砂膏体料浆浓度从60 增加至70，τ0及η均大幅增加， 其中τ0增加约4倍， η 增加约2倍。根据流动性测试及流变参数测试结果， 推荐全尾砂膏体料浆输送浓度为60～65。 57 ChaoXing 金属矿山2020年第8期总第530期 4全尾砂膏体料浆管道输送参数计算与分析 4. 1尾矿管道输送临界流速计算分析 4. 1. 1临界流速数学模型 浆体管道输送的另一个主要参数为管道的工作 流速， 它决定管道输送量及管径。而工作流速在浆 体管道中由于固体颗粒存在， 主要由临界流速决定， 即工作流速必须大于临界流速。 本次试验所用 60～65 的尾矿料浆为复合流 态， 管道输送临界流速采用刘德忠公式与瓦斯普公 式进行计算， 两者对比后取大值作为临界流速。刘 德忠公式见式 （2） ， 瓦斯普公式见式 （3） 。 VC 9．5 ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ gD ρg- ρ1 ρ1 ω 1 3 C1 6 V ωs ω 1 6 ,（2） VC 3．113C0．185 8 V ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ 2gD ρg- ρk ρk 1 2 d85 D 1 6 ,（3） 式中，VC为临界流速， m/s；CV为尾矿浆体体积浓 度， ；ρk为尾矿浆体密度， kg/m3；ρ1为尾矿浆体细颗 粒似均质部分密度， kg/m3；ω为尾矿颗粒在似均质部 分加权平均沉速， m/s， 按表9计算；ωs为尾矿在水中加 权平均沉速， m/s， 按表9计算；g为重力加速度， m/s2；D 为管道内径， m；ρg为尾矿密度， kg/m3；d85为物料尺寸， 表示比该尺寸小的物料占总质量的85， m。 4. 1. 2临界流速计算 根据尾矿密度、 尾矿粒径、 管径及粗糙度等基础 参数， 采用式 （2） 与式 （3） 分别计算出不同浓度， 不同 管径条件下的临界流速。结果表明式 （2） 计算的临 界流速普遍高于式 （3） ， 为了确保输送可靠性， 选择 式 （2） 计算结果作为管道输送临界流速。 采用刘德忠公式 （式 （2） ） 计算的临界流速见表 10， 计算结果表明 临界流速随管径的增大而增大， 随浓度增大而减小。根据计算的临界流速， 可以设 计选择工作流速， 工作流速 V1.1～1.15VC， 其中 V为 管道工作流速， VC为管道临界流速。 4. 2尾矿管道输送摩阻损失计算分析 4. 2. 1摩阻损失数学模型 本次试验所用 60～65 的尾矿料浆为复合流 态， 管道复合流态摩阻损失按下式计算 ik i1 Δi2,（4） 其中，i1用达西韦斯巴赫公式计算 i1 λ V 2 2gD s;（5） Δi2用瓦斯普杜兰德公式计算 Δi2 K ⋅ i1 ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ gD ρg ρ1 - 1 V 2 1．5 ∑ CV i C1D i -0．75， （6） 注 η为塑性黏度系数， Pa s； d为某粒径区间内加权平均粒径， m； ωL为某粒径区间内尾矿在水中沉速， m/s； ωi为某粒径区间尾矿料浆 中沉速， m/s。 58 ChaoXing 2020年第8期杨超等 大流量全尾砂膏体料浆管道输送参数计算与分析 C1D i 4 3 gdi ρg ρ1 - 1 ω2 i ；（7） 式中，ik为复合流态摩阻损失， mH2O/m，1 mH2O9.8 kPa；i1为似均质部分摩阻损失， mH2O/m；Δi2为非均 质部分摩阻损失， mH2O/m；C1D i 为尾矿颗粒在载体 似均质部分沉降阻力系数；ωi为某粒级尾矿在载体 似均质部分沉速， m/s， 见表9 ；K为系数， 复合流态可 根据似均质部分占的比重多少酌量选取， 若似均质 部分占的比重多可取K 150， 若非均质部分占的比 重多可取K 82；λ为达西摩阻系数，λ 4f，f为范宁 摩阻系数；s为相对密度， 计算公式为 s ρ1 ρg .（8） 4. 2. 2摩阻损失计算 根据式 （4） ～式 （8） 计算不同浓度、 不同流速条件 下管道输送摩阻损失， 结果如表11～表13所示。根据 计算摩阻值绘制的摩阻损失与流速关系图， 如图4～ 图6所示。 图4～图6结果表明 在浓度一定的条件下， 摩阻 损失随着流速增大而增大； 在流速一定的条件下随 着输送浓度的增大而增大。因此， 为了保障安全输 59 ChaoXing 送， 在保证大于临界流速条件下， 输送流速不宜过 大。推荐输送流速为1.7～2.2 m/s。 4. 3输送管径确定 某铜矿尾矿产量为58 000 t/d， 不同浓度、 不同管 径对应的工作流速见表14。 输送工作流速一般为临界流速的1.1倍， 对比临 界流速计算表10。输送浓度为60～65时， 输送工 作流速为1.85～2.12 m/s， 对应管径为650 mm， 满足安 全稳定输送条件。 5结论 （1） 针对某铜矿开展全尾砂膏体料浆高效浓缩 试验， 确定了最佳进料浓度在14～16之间， 最佳絮 凝剂添加量在 8～12 g/t， 其最终底流浓度最高达到 65。 （2） 根据高效浓缩试验结果， 结合流动性及流变 试验结果， 综合分析确定全尾砂膏体料浆最佳输送 浓度为60～65。 （3） 经临界流速计算、 输送摩阻计算， 最终推荐 输送流速在1.7～2.2 m/s之间较为事宜。 （4） 输送浓度为 60～65 时， 推荐输送管径为 650 mm， 此时输送工作流速为1.85～2.12 m/s， 满足安 全稳定输送条件。 参 考 文 献 杨超．金属矿山尾矿高浓度管道输送技术研究 ［D］ ．淄博山东 理工大学， 2011． Yang Chao．Technical Research in High Concentrations of Tailings Pipeline for Metal Mines ［D］ ．Zibo Shandong University of Technol⁃ ogy， 2011． 杨小聪， 郭利杰． 尾矿和废石综合利用技术 ［M］ ．北京 冶金工业 出版社， 2018． Yang Xiaocong， Guo Lijie． Comprehensive Utilization Technology of Tailings and Waste Rock［M］ ． Beijing Metallurgical Industry Press， 2018 刘超， 王洪江， 吴爱祥， 等．铜钼矿细粒全尾膏体浓度范围确 定 ［J］ ．岩石力学与工程学报， 2015， 34 （S1） 3432-3438． Liu Chao， Wang Hongjiang， Wu Aixiang et al．Determination of con⁃ centration rang of fine unclassified tailngs paste in copper-molyb⁃ denum mine ［J］ ． Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineer⁃ ing， 2015， 34 （S1） 3432-3438． 杨超， 郭利杰， 侯国权等．细粒级尾矿膏体最佳排放浓度确定 方法 ［J］ ．金属矿山， 2017 （5） 29-32． Yang Chao， Guo Lijie， Hou Guoquan， et al．Determination of the best discharge concentration for fine tailing paste［J］ ． Metal Mine， 2017 （5） 29-32． 孙德民， 任建华， 焦华喆， 等．某矿全尾砂胶结充填物料性能研 究 ［J］ ． 金属矿山， 2012 （3） 6-9． Sun Deming， Ren Jianhua， Jiao Huazhe et al． Study on the proper⁃ ties of the unclassified tailings cemented backfill materials in a mine ［J］ ． Metal Mine， 2012 （3） 6-9． 曹三六， 李宗楠， 余小明， 等．细尾砂浆自然浓缩规律试验研究 ［J］ ． 中国矿业， 2018， 27 （7） 90-93． Cao Sanliu， Li Zongnan， Yu Xiaoming， et al． Experimental study on the laws of natural concentration of fine tailings ［J］ ． China Mining Magazine， 2018， 27 （7） 90-93． 刘春琦， 温军锁， 宋士生， 等．金厂峪金矿充填尾砂基本性能试 验研究 ［J］ ．黄金， 2014， 7 （35） 41-44． Liu Chunqi， Wen Junsuo， Song Shisheng， et al．Experimental study on basic perance of Jinchangyu filling tailings ［J］ ．Gold， 2014， 7 （35） 41-44． 李安， 曹书荣， 刘宏波，等 ．浆体管道输送临界流速的研究 ［J］ ．矿冶工程， 2016， 36 （1） 26-29． Li An， Cao Shurong，Liu Hongbo，et al． Critical flow rate for slurry pipeline transportation ［J］ ． Mining and Metallurgical Engineering， 2016， 36 （1） 26-29． 王新民， 古德生， 张钦礼 ．深井矿山充填理论与管道输送技术 ［M］ ．长沙中南大学出版社， 20101-6． Wang Xinmin， Gu Desheng， Zhang Qinli．Filling Theory and Pipe⁃ line Transportation Technology in Deep Mine［M］ ．ChangshaCen⁃ tral South University Press， 20101-6． Cooke R． Design procedure for hydraulic backfill distribution sys⁃ tems ［J］ ． Journal-South African Institute of Mining and Metallurgy， 2001， 101 （2） 97-102． 吴爱祥， 刘晓辉， 王洪江， 等．考虑时变性的全尾膏体管输阻力 计算 ［J］ ． 中国矿业大学学报， 2013， 42 （5） 736-740． Wu Aixiang，Liu Xiaohui，Wang Hongjiang， et al． Calculation of resistance in total tailings paste piping transportation based on time-varying behavior ［J］ ． Journal of China University of Mining Technology， 2013， 42 （5） 736-740． ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ ［9］ ［10］ ［11］ 金属矿山2020年第8期总第530期 60 ChaoXing