黄沙坪深部胶结充填管输系统优化研究.pdf

分类号 U DC 中南大学 密级 编号 C E N T R A I 。S o U T HI 小m R S I T Y 硕士学位论文 论文题目⋯⋯．蕙沙援添部膝绩褒壕⋯⋯⋯ ⋯⋯⋯篱输系统优化研究⋯⋯⋯。 学科、专业⋯⋯⋯⋯采。矿⋯王⋯程⋯⋯⋯⋯⋯ 研究生姓名⋯⋯⋯⋯。呈⋯鍪。朋⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 导师姓名及 专业技术职务⋯⋯⋯。奎多．暴⋯熬攮⋯⋯⋯⋯． 分类号V D C 硕士学位论文 密级 黄沙坪深部胶结充填管输系统优化研究 S t u d ya n dO p t i m i z a t i o no f C e m e n t e d F i l l i n g P i p e - c o n v e y i n gS y s t e m u s e df o rt h ed e e pd e p o s i ti n H u a n g s h a p i n gM i n e 作者姓名 学科专业 学院 系、所 指导教师 马黎明 采矿工程 资源与安全工程学院 李夕兵教授 论文答辩日期2 里 兰竺圣以答辩委员会主席 中南大学 二O 一二年三月 原创性声明 I l I I I I I I I I I I I I I l I I I I l U l I I I I I I I I I I Y 2 19 9 9 3 2 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名曼望盟日期二型三年兰月三日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名 琴韶日月导师 中南大学硕士学位论文摘要摘要随着黄沙坪矿开采深度的延伸，充填倍线缩短，给矿山的充填系统带来了巨大的考验。本文基于固液两相流相关理论，结合湖南省黄沙坪矿现有尾砂胶结自流充填管输系统实际情况，运用A N S Y S 有限元软件中的F L O T R A N 流体动力学模块，进行模拟优化，最终给出优化管输特性的具体措施，可供黄沙坪矿日后深部充填管输系统设计提供参考，本文主要研究内容如下 1 总结国内外学者在管道输送固一液两相流基本理论的研究成果，分析两相流阻力损失的影响因素，对比国内外矿山常用的水力坡度计算公式，选择适合黄沙坪矿管输实际的水力坡度。 2 研究总结深井充填系统降低管道压力，减少管道磨损和保证满管措施的工艺技术，给出变径满管输送典型方案，为日后黄沙坪深部充填系统提供参考。 3 通过室内试验和现场调查，研究黄沙坪矿充填材料基本性质，摸清井下管路的布置情况，对现有充填系统能力及自流管输参数进行计算校核。 4 运用A N S Y S 中的F L O T R A N 流体动力学模块，对矿山原有管路系统进行模拟，分别从料浆浓度、输送流速、管径及其组合、管道布置四个方面，进行模拟优化，提出优化管流特性的相关参数和措施。关键词深井充填两相流、管道输送、优化模拟 A B S T R A C TT hf i l l i n g。c o n f ntw i t ha b l e s ,c h a l hg , h et i l l i n gs y s t e mI Sc o n t r o n t e dw i t ht r o u b l e s o m ec h a l l e n g e sw i t ht h ei n c r e a s i n gm i n i n gd e p t ha n ds h o r t e n i n gf i l l i n gt i m e s l i n e ．E n l i g h t e n e db yt h es o l i d l i q u i dt w op h a s et h e o r y , t h eg r a v i t yp i p e l i n es y s t e mw a ss i m u l a t e db yA N S Y S ／F L O T R A Nf o ro p t i m i z a t i o nt ot h ef i l l i n gi n’7‘●‘m ‘一一一H u a n g s h 叩l n gm i n e ．1h ep a r a m e t e r sa n dm e a s u r e sf o ro p t i m i z i n gt h ep i p ef l o wc h a r a c t e r i s t i c sw e r ep r o p o s e d ，w h i c hw o u l dp r o v i d er e f e r e n c e sf o rt h es l u r r yp i p e l i n et r a n s p o r t a t i o ni nH u a n g s h a p i n gm i n ei nf u t u r e ．1 1 1 er e s e a r c hc o n t e n t sa n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w s 1 T h es o l i d - l i q u i dt w op h a s et h e o r yo ns l u r r yt r a n s p o r t a t i o nh o m ea n da b r o a dw a ss u m m a r i z e d ．T h ei n f l u e n c i n gf a c t o r sc a u s i n gt w op h a s ef l o wr e s i s t a n c el O S Sw e r ea n a l a s e d ．Af e a s i b l ea n ds u i t a b l eh y d r a u l i cg r a d i e n tw a sd e t e r m i n e df o ru s i n gi nH u a n g s h a p i n gs l u r r yp i p e l i n et r a n s p o r t a t i o nb yc o m p a r i n ga n dc o n t r a s t i n gt h er e l e v a n tp r a c t i c e sa n de x p e r i e n c e s ． 2 S t u d yo nt h et e c h n i q u e so fr e d u c i n gt h ep r e s s u r et op i p e l i n e s ，c u t t i n gd o w np i p e l i n ew e a ra n de n s u r i n gf u l lp a c k a g ew a sp e r f o r m e d ． 3 B yl a b o r a t o r yt e s ta n df i e l di n v e s t i g a t i o n ，t h ep h y s i c a lp r o p e r t i e so ff i l l i n gm a t e r i a l su s e di nH u a n g s h a p i n gm i n ew e r eo b t a i n e d ．I na d d i t i o n ，t h ec u r r e n tw o r k i n gf i l l i n gs y s t e mw a sc a l c u l a t e da n dv e r i f i e dt om a k et h ea r r a n g e m e n to ft r a n s p o r t i n gp i p e l i n e sb ev i s i b l e ． 4 A N S Y S ／F L o R T R A Ns i m u l a t i o nw a sc a r r i e do u tt oe x p l o r et h ep r e e x i s t i n gp i p e l i n et r a n s p o r t i n gs y s t e m ．T h eo p t i m a lp a r a m e t e r sa n dm e a s u r e sg u a r a n t e e i n gi d e a ls l u r r yt r a n s p o r t a t i o nw e r ed e v e l o p e df r o ms u c ha s p e c t so fs i m u l a t i n go p t i m i z a t i o na ss l u r r yc o n c e n t r a t i o n ，t r a n s p o r t i n gs p e e d ，p i p e l i n ed i a m e t e r sa n dt h e i rc o m b i n a t i o n sa n dp i p e l i n ea r r a n g e m e n t se t c ．K e yw o r d s d e 印m i n ef i l i n g ；t w op h a s ef l o w ；p i p e l i n et r a n s p o r t a t i o n ；o p t i m i z a t i o ns i m u l a t i o n 中南大学硕士学位论文目录目录摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．IA B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I I目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．i第一章序论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11 ．1 研究的背景及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l1 ．2 国内外研究现状及发展趋势⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．21 ．2 ．1 矿山充填技术研究进展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．21 ．2 ．2 管道输送技术国内外应用现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．31 ．2 ．3 管道输送两相流理论研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．51 ．3 本文研究的内容及技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯61 ．3 ．1 本文研究的内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．61 ．3 ．2 本文研究的技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7第二章管道输送基础理论及工程特性研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯82 ．1 管道输送两相流基本理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯82 ．1 ．1 管输料浆流型及其流变特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．82 ．1 ．2 管输料浆固体颗粒沉降机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．92 ．1 ．3 充填骨料悬浮条件和临界流速⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l32 ．2 管道输送阻力损失基本理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 42 ．2 ．1 扩散理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l52 ．2 ．2 重力理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 52 ．2 ．3 能量理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 62 ．3 管道输送阻力损失计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 62 ．3 ．1 沿程水头损失计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 62 ．3 ．2 局部水头损失计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯172 ．3 ．3 水头损失计算各经验公式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 72 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 9第三章管道输送低压满管及降低磨损技术研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 13 ．1 变径满管输送技术研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．3 ．1 ．1 充填料浆输送系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 13 ．1 ．2 不满管流的危害及预防措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 43 ．1 ．3 变径满管流输送技术研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 63 ．2 管道降压技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 73 ．2 ．1 减压池分段减压系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 73 ．2 ．2 管道折返式减压系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 83 ．2 ．3 缓冲盒弯头减压技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 93 ．2 ．4 管道增阻减压及其他减压技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 93 ．3 管道磨损计算及减损技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．31 中南大学硕士学位论文目录 3 ．3 ．1 管道磨损原因⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 3 ．3 ．2 管道磨损计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 3 ．3 ．3 降低管道磨损措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 4 第四章黄沙坪矿充填系统研究及管输参数计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 6 4 ．1 黄沙坪矿开采及充填系统现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 6 4 ．1 ．1 黄沙坪矿开采现状简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 4 ．1 ．2 黄沙坪充填系统历史沿革⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 4 ．1 ．3 黄沙坪全尾砂自流胶结充填系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 4 ．2 充填材料及料浆特性研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 9 4 ．2 ．1 尾砂材料的粒级组成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 4 ．2 ．2 充填材料其他基本性质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 4 ．2 ．3 尾砂胶结充填体强度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 4 ．3 充填能力计算及校核⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 5 4 ．3 ．1 矿山充填量计算及校核⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．3 ．2 充填倍线计算及校核⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 4 ．4 其他管输参数计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 8 4 ．4 ．1 浆体流型的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 4 ．4 ．2 临界流速v 。⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 4 ．4 ．3 管道输送总水压头计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 4 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 3 第五章基于A N S Y SI m O T R A N 的模拟优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 5 5 ．1A N S Y SF L O T R A N 简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 5 5 ．2 管道模型的建立及求解设置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 7 5 ．2 ．1 管道建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 5 ．2 ．2 求解设置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 5 ．3 黄沙坪现有全尾砂自流胶结充填系统验证⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 0 5 ．4 料浆浓度对管道输送的模拟优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 2 5 ．5 料浆流速对管道输送的模拟优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 5 5 ．6 管道直径对管道输送的模拟优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 8 5 ．7 管路布置对管道输送的模拟优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一7 0 5 ．8 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 1 第六章结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 6 ．1 本文得出的几个主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一7 3 6 ．2 本文存在的问题及展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 4 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。7 5 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 I 攻读硕士学位期间主要研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 中南大学硕士学位论文第一章绪论1 ．1 研究的背景及意义第一章序论在人类现代文明的发展进程中，采矿是最早兴起的工业之一。充填采矿法不仅能最大限度地确保生产的安全性，起到保护环境的作用，同时还可以提高矿石回收率，因此，在有色、黑色和各类贵金属矿山被应用的越来越广泛。随着科学技术的进一步发展，国内外浅部矿床资源被大量消耗，矿山开采深度越来越大，世界上最深的矿井开采深度已经达到5 0 0 0 m ，而国内部分矿山开采深度也早已超过1 0 0 0 m [ 1 1 。与浅井或中深井开采相比，深井或超深井开采这种特殊的开采环境将带来各种各样的安全问题，主要包括岩爆、高地应力、高水压、高地温以及因此带来的采场闭合和地震活动等，其中尤以岩爆为主要危害【2 ，3 1 。采用充填法进行深井开采，工作效率高，并且可以有效的预防控制岩爆，降低工作面的温度，正逐渐发展成为深井矿山采矿方法的首选【4 】。但是充填采矿法应用于深井开采和浅井开采有很多不同，其管输系统的技术难点主要包括【5 - 8 】 1 研究深井管输系统的工程特性和两相流基本理论，尽可能实现系统自流输送。弄清楚砂浆特性、砂浆配合比、砂浆密度、砂浆粘度等对临界流速的影响，再根据不同的矿山实际，选择保证系统的可靠运行的最佳浓度、管径、流速等管输参数； 2 研究如何利用深井开采的倍线小的优势，实现低成本高浓度甚至膏体输送。在浅井开采中，矿山充填倍线在4 ～8 之间，充填料一般采用泵送加压充填系统，因此充填浆体的输送质量浓度一般都低于7 0 ％，充填后期脱水工作量巨大，固结速度缓慢，水泥严重离析，充填体强度偏低，最终导致充填质量不高；与之相反，深井充填倍线一般仅有1 ～3 ，对提高浆体输送浓度和保证采场充填体质量极为有利； 3 研究如何解决深井管输系统中高差引起的高压以及高磨损问题。深井矿山管输系统的大高差，必然造成浆体的高流速，进而增大管道所受压力和管道受到的冲击磨损。因此迫切需要开展低压减损技术研究，以保证系统低压低耗的安全运行，同时还需要对这种高压流动浆体的工程特性展开调研，摸清其对管道的磨损机制，从而制定出有效的减轻磨损措施。我国才刚刚开始深井充填系统【9 】的研究，现阶段的理论与技术都相对匮乏， 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 其设计、施工通常还是参照浅井系统进行，随着我国矿山开采深度的逐渐加深， 越来越多的矿山开始采用深井充填工艺，因此开展深井管输系统的优化研究成为 了当务之急。仔细研究国内外矿山充填料的运送方式，不难看出，采用管道输送 充填料浆是一种建设速度快、工作效率高、生产成本低、劳动强度小的工艺技术。 矿山充填料采用管道运输具有明显特色n 0 。1 2 1 输送的物料种类繁杂，不仅有 单一种类物料，也有多种材料的混合料；充填骨料粒径变化大，砂浆充填有时仅 有0 ～0 ．1 m m ，而水砂充填通常却为0 ～8 0 m m ；管输浓度不一，水砂充填较低，一 般为3 0 ％～5 0 ％，而膏体输送浓度最高，甚至可达到近9 0 9 6 ；输送管线距离长且 高差大，南非已有超过4 0 0 0 m 高差的深并管输系统；深井充填一般均能实现重力 自流输送，极少加泵充填管常因混入空气，而形成复杂、不稳定的固液气多相 流；全程满管流输送难以实现，管道磨损现象严重，尤其是充填钻孔垂直管段与 水平管段的转弯部位最易磨损。 黄沙坪矿自1 9 5 7 年建矿以来，历经五十余年，采矿方法也几经变迁，先后 使用过分层崩落法、浅孔留矿法、水平分层干式充填法等，到后期才采用尾砂胶 结充填采矿法。其充填系统由地表尾砂输送系统，胶结充填制备站，井下管道 输送系统三大部分组成。充填料浆以管道自流方式输送到采场。充填系统在设 计之初只考虑服务于 2 0 0 m 以上水平铅锌富矿的采场充填。随着矿山的连年开 采，生产中段的不断下延，现已开采到 2 0 m 水平，而且还要向深扩张，远远超 过了预期的充填开采水平。相应的充填管道越来越长，充填倍线变小，管道磨损 加剧，这给矿山的充填系统带来了巨大的考验，因此迫切的要求对黄沙坪矿深部 胶结充填的管输系统做一个远景规划，在充分利用现有充填管输系统的前提下， 对现有充填管输系统进行优化研究，达到降低磨损、降低压力、提高满管率的情 况下，进一步提高矿山充填系统的输送能力。 1 ．2 国内外研究现状及发展趋势 1 ．2 ．1 矿山充填技术研究进展 我国充填采矿法的研究和发展起步较晚，站在充填工艺和技术成长的角度， 我国的充填技术发展可以大概划分为以下四个阶段 1 1 9 5 0 - 1 9 6 0 年，充填工艺以干式充填为代表【1 3 ，1 4 】。根据1 9 5 5 年的统计， 在国内使用地采的金属矿山中，干式充填采矿法所占比例约为9 3 ％，其中有色矿 山约3 8 ．2 ％，黑色矿山约5 4 ．8 ％。但受到当时落后的工业技术水平的限制，充填 采矿技术的发展极其缓慢。由于其工班效率低下、生产能力提不高，并且采矿成 本相对较高，最终导致6 0 年代初期，我国有色矿山普遍放弃使用此法，继续使 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论用充填采矿法的矿山不到l ％。 2 1 9 6 0 - 1 9 8 0 年，开始大规模发展水砂充填和胶结充填【1 5 - 1 7 】，充填材料主要采用分级尾砂、河砂以及碎石等。1 9 6 0 年，湘潭锰矿为了减少采场火灾，开始使用碎石水力充填；1 9 6 5 年，锡矿山南矿为了控制地压，减少采场暴露面积，开始尝试尾砂水力充填；1 9 6 8 年，为了提高和改进充填工艺，凡口铅锌矿首次使用分级尾砂和水泥胶结充填。 3 1 9 8 0 - 1 9 9 0 年，这阶段全尾砂高浓度胶结充填和块石胶结充填得到极大发展I l 酗2 1 J 。1 9 7 5 年，通过对高浓度料浆管流特性的实验研究，金川公司首次提出了“临界流态浓度“ 概念，沿用至今的计算管输砂浆水力坡度的“金川公式”也是在此时提出的；1 9 8 2 年，金 l l _ - 矿开始试验以．3 m m 棒磨砂为充填骨料的高浓度自流管输胶结充填；1 9 8 8 年，大厂铜矿成功使用块石胶结充填工艺。 4 1 9 9 0 ～2 0 0 0 年，代表工艺为膏体泵送充填【2 2 。2 4 】。1 9 9 1 年，长沙矿山院与长沙有色设计院合作，在凡口铅锌矿试验高浓度全尾砂胶结充填工艺，成功实现管道自流输送；1 9 9 1 年，德兴铜矿铜精矿远距离自流输送系统建成并成功使用；1 9 9 7 年，金川二矿建成投产膏体泵送充填系统；1 9 9 9 年，大冶有色也成功使用膏体泵送充填。2 0 0 8 年，中南大学在贵州开阳磷矿试验成功似膏体管道自流充填，采用磷石膏作为充填骨料。此后，各种新型充填工艺和胶结材料获得进一步发展，在国内各大矿山相继试验成功，我国充填采矿技术取得了长足进展。1 ．2 ．2 管道输送技术国内外应用现状管道输送的历史【2 5 ．2 8 】可以追溯到一百多年以前，一位名叫W a l a t h ．C ．A n d l u s的美国人率先在实验室成功进行了管道试验先将煤炭弄碎，再通过管道用水运走，他将此方法申请了专利。直到t 9 1 4 年管道输送才真正开始用于工业生产，一家英国电厂，为运煤方便，采用管径为2 0 0 m m ，长度为6 0 4 m 的管道进行水力输送。在此期间，管道输送仍然停留在探索阶段，理论研究和工艺技术都不够完善，而且普遍表现为管径尺寸小，输送距离短，物料浓度低，系统流速慢。到了2 0 世纪五十年代，随着工业发展和各种机械泵性能的提升，世界各国纷纷开始研究长距离，粗管径和高流速的管输技术，世界上第一条工业运输管道是美国弗吉尼亚岛在1 9 5 7 年建成的加的斯管输系统，年输送煤粉能力1 3 0 万t ，全长1 7 3 k m ，管径2 5 4 m m 。当今世界最著名的输气管道是横跨加拿大全境的输气管道，全长8 5 0 0 k m ，管径5 0 0 ～1 0 0 0 m m ，年输送气体总量3 0 0 亿m 3 。世界上煤炭管输量最大的为黑迈萨管道，年输送煤粉4 8 0 万t ，输送浓度为4 5 ～5 0 ％，该管道1 9 7 0 年建成，起始于亚利桑那州卡因塔煤矿，终结于内华达州莫哈夫电厂，全长4 3 9 k m ，有3 0 5 m m 和4 5 7 m m 两种管径。世界上规模最大的铁精矿运输管道， 中南大学硕士学位论文第一章绪论是巴西萨马柯管道，1 9 7 7 年建成，年输送1 5 0 0 万t 铁精矿，浓度6 0 ～6 2 ％，全长3 9 7 k m ，管径5 0 8 m m 。阿根廷的A l u m b r e r a 管输系统是世界上最长的铜精矿管道，全长3 1 3 k m ，年输送量8 7 ．5 万t 。相比于西方发达国家而言，我国的管道技术起步晚，发展慢1 1o ，2 9 ，3 0 1 。建国之前，国家饱经战乱，国家经济基础建设无法顺利开展，所以直至新中国成立，我国的管道输送技术是直到建国后才逐步开展。1 9 5 0 ～1 9 7 0 年间，矿浆管道输送主要学习前苏联的设计模式，工程设计中一直照搬前苏联的计算方法。此阶段虽然也建成了大量的管道工程，但还局限于冶金矿山的尾矿排放，运距段、浓度低，工业成本较高。到了1 9 8 0 年，为了节约用水，同时也为了提高生产效率，国内逐渐开始采用高浓度输送尾矿，同时在充分学习国外长距离浆体管道输送经验的背景下，人们也开始逐渐研究延长精矿管道输送距离的技术【1 1 ，3 1 1 。在国内，各大冶金设计研究单位纷纷开始与国内一些高校、科研院所合作，浆体管道输送技术开始步入蓬勃发展阶段。在这段时期一批较完善的实验室和试验系统纷纷建成，且都通过了国家省、部级鉴定，极大推动了国内长距离、高浓度矿浆管输技术的发展。表卜1 国内外著名管道项目19 9 0 - 2 0 0 0 年，我国的矿浆管输技术又有了巨大进步，在逐步经过可行性研究阶段、试验阶段和初步设计阶段之后，进入了大规模工业应用阶段。1 9 9 7 年4 中南大学硕士学位论文第一章绪论太原钢铁集团旗下的尖山铁矿铁精矿管道工程【3 2 】建成，开创了我国铁精矿长距离输送的先河，终结了我国铁精矿只能通过铁路、公路和水路运送的历史。紧随其后，1 9 9 8 年鞍钢调军台选矿厂也建成投产铁精矿管道【3 3 】，长沙有色与美国P S I 公司也完成了昆钢大红山铁矿铁精矿管道1 3 4 】初步设计。1 9 9 8 年3 月在集合众多专家和技术人员经验基础上，由长沙有色冶金设计研究院编著的浆体长距离管道工程设计规程通过评审，从此我国浆体长距离管道输送工程设计有了自己的规范。而近1 0 年来，随着管道输送及充填技术的日趋成熟，以及对自然环境保护要求的提高，同时为了处理矿山采选的废弃物，越来越多的矿山开始采用充填采矿法，并用管道输送。如甘肃金川龙首矿【3 5 】、江西东乡铜矿【3 6 1 、湖南锡矿山南矿与北矿【3 7 】、湖南黄沙坪铅锌矿【3 8 】、山东三山岛金矿【3 9 】、贵州开阳磷矿㈣等都采用管道自流输送或是管道泵送。以下是国内外一些著名的管道项引2 5 1 ，见上表1 ．1 所示。1 ．2 ．3 管道输送两相流理论研究现状随着固体物料管道输送的发展，作为此项技术的理论支撑，固．液两相流理论也被研究的相当深入，自五十年代始，各发达国家做了大量的试验，召开了多次国际学术会议，交流研讨有关固．液两相流的理论及应用设计方面的技术问题。美国是最早建设并拥有最多固体物料输送管道的国家，积累了丰富的工程经验，形成了比较完善的固体物料输送的技术经济研究体系，学科内众多的公式、方法、甚至定义都是美国学者提出的，其中有些经典公式和方法已经沿用了几十年，至今仍被广泛使用，其在理论研究和实践应用上长期处于世界领先水平，世界上有许多重要的矿山输送管道都是美国工程师设计的1 4 。我国对两相流理论研究发展较晚，上世纪7 0 年代后期水利部西北水科所首先建成了固．液两相流实验室。此后，清华大学、唐山煤炭科学院、北京有色冶金设计研究总院、长沙矿冶研究院等高校和科研设计单位相继建成了规模较大的固体物料管道输送实验室，进行了煤炭、精矿、尾矿、粉煤灰、石灰石等物料的实验研究，研究的内容包括固．液两相流的物理特性、沉降特性、流变特性、稳定流状态管道输送参数摩阻损失、临界流速等。通过科研人员多年努力，无论是实验研究、还是理论研究都取得了长足进展、成果颇丰。目前，虽然国内已经有很多矿山设计院可以独立地进行固一液两相流长距离管线设计【4 2 1 。但在技术装备等方面，与美国等发达国家相比还存在差距，一些重要的输送管线仍需要有外方参与，并且在一些关键问题上仍然存在技术壁垒。但随着我国固体物料输送管道的不断建设与发展，我国科研人员工程经验日 中南大学硕士学位论文第一章绪论益丰富，正逐步缩小与发达国家在这类问题上的差距。固液两相流作为流体力学的一个分支，与单相液体的流动机理有着显著的不同。两相流不仅要研究液体部分的流动性质，同时还要研究固体颗粒对流动的影响。国内外的学者们在这一领域做了大量深入的理论研究，为从事实践工作的工程设计人员提供了详实的理论基础，为了更清楚的说明固体物料管道输送的设计原理，需要对两相流的基本理论进行简要的说明【4 3 4 5 1 。1 ．3 本文研究的内容及技术路线1 ．3 ．1 本文研究的内容本文以黄沙坪矿的充填管输系统为研究对象，以其深部管输系统的参数优化为研究目的，以 2 0 米中段某一正在充填作业的采场为载体，将着重从以下几个方面开展研究 1 管输两相流基本理论研究。通过对充填管输两相流基本理论进行研究，判断黄沙坪矿管道输送的砂浆流型，找出全尾砂骨料在管道输送中的运动形式和沉降机理，总结对比管道输送水力坡度、临界流速的经验公式，选择适合黄沙坪矿的计算公式，为自流输送系统相关参数的确定做好准备。 2 低压满管及减磨技术研究。对比分析充填砂浆自由下落输送系统和满管流输送系统，总结变径满管流的关键技术；深入研究管道磨损机理和深井充填破关机制，得出造成管道磨损的主要原因，提出减低管道磨损的措施；在此基础上，给出了几种行之有效的管道减压输送技术和措施。 3 管输系统分析计算。对黄沙坪矿充填系统展开调研，深入了解矿山充填系统基本情况；对充填材料的基本性质展开调查和实验，包括充填骨料粒级组成、料浆基本性质、充填料浆的配比和充填体力学实验等；调查井下充填管路的铺设路线和现状，优化充填管线的布置；从充填量和充填倍线两方面对现有充填系统的能力进行校核；计算其他管输参数，选择浆体流型、计算临界流速、校核管道压头，为数值模拟创造条件。 4 基于A N S Y SF L O T R A N 的数值模拟优化。在对全尾砂胶结充填自流输送系统参数深入研究的基础上，运用A N S Y S 有限元软件中的F L O T R A N 流体动力学模块，进行数值模拟和优化。分析原有管路系统，与矿山实际管输参数对比，验证模拟的正确性；在此基础上，分别从料浆浓度、输送流速、管径及其组合、管道布置四个方面，建立不同模型，从管道压力的角度，对管输系统的优化效果进行评判总结，最终提出优化管流特性的相关参数和措施。6 中南大学硕士学位论文第一章绪论1 ．3 ．2 本文研究的技术路线根据管道自流输送的理论和黄沙坪矿充填系统的具体情况，通过管输两相流及相关工程特性的分析，总结黄沙坪深部管输减压减损满管输送技术，通过现场调查、室内试验以及数值计算等手段，并按照管道输送的相关计算公式，计算出充填砂浆的物理特性参数和其他管输参数，然后应用有限元分析软件A N S Y S 建立模型，通过其流体动力学F L O T R A NC F D 模块，分别从料浆浓度、输送流速、管径及其组合、管道布置四个方面提出优化管流特性的相关参数和措施。本文技术路线如下所示 中南大学硕士学位论文第二章管道输送基础理论及‘丁程特性研究第二章管道输送基础理论及工程特性研究2 ．1 管道输送两相流基本理论2 ．1 ．1 管输料浆流型及其流变特性水中的固体颗粒呈悬浮状态时的两相流称为悬液[ 4 6 - 4 9 】。尾砂颗粒与水搅拌形成的砂浆粘性要比清水的粘性大。孙恒虎等[ 5 0 】把流变模型称为悬液在剪切力的作用下，其切应变率与切应力问的关系。悬液划分的准则是切应力与切应变率是否呈线性关系。牛顿体砂浆指切应力与切应变率呈线性关系的悬液，非牛顿体砂浆指切应力与切应变率呈非线性关系的悬液。悬液的流型从大的方面分为牛顿体和非牛顿体两种，而非牛顿体又有以下几种类型宾汉塑性体，伪塑性体，膨胀体，以及具有屈服应力的伪塑性体【5 l ，5 2 1 。图2 1显示了五种管道中砂浆的经典流型。切变率d v ／d y图2 - 1 管道中砂浆的常见流型图1 、尾砂砂浆悬液牛顿体流变模型当砂浆悬液浓度比较低时，其切应变率与切应力呈线性关系，即上图中经坐标轴原点的直虚线，这种砂浆流变模型即为牛顿体。该直虚线的斜率即为粘性系数，代表其流变特性。牛顿体流变关系方程式可用下式 2 ．1 表示T ．_ d v l ．t 2 一．1 T ．1 中南大学硕士学位论文第二章管道输送基础理论及工程特性研究式中t 悬液切应力，P a ；u 动力粘性系数，P a ．S ；譬剪切速率，s ～。哕2 、尾砂砂浆悬液非牛顿体流变模型当尾砂砂浆悬液浓度较高，尤其是其中细颗粒占有比例较高时，切应变率和切应力所呈现的关系就不再是线性的。这种流型的悬液即是非牛顿体，因为流变特性的区别，非牛顿体分为宾汉塑性体，伪塑性体，膨胀体，以及具有屈服应力的伪塑性体几种。 1 宾汉塑性体的流变曲线如图2 ．1 中的 a 线所示，是在切应力轴上有一段截距t