膏体充填管道自流输送系统分析.pdf

第 H 卷弟 l 捌 2 0 D 2 年 2 { 有色金属 0 NF ERROUS M ED u S Vo l 5 4 u 1 F e h r L mr Y 2 t l 0 2 膏体充填管道 自流输送系统分析 陈小 星 北京矿冶研究总腕， 北京 1 0 0 0 4 4 摘 要 论述膏体的流变特性、 管流性志和参数测定， 分析管道自流输送系统的工作状态， 指出系统的工作倍线、 膏体的流变 特性和营径是表征 白音 ic 输进系统的特征参数。提出管道磕 压的苘便方法 ， 介绍表达管道磨损的经验警式 以及降低磨损的措施 。 关 键词 膏悻； 自流辅进； 流变； 剪切应力； 宾旺流件 中国分类号 T D 8 5 3 3 4 3 文献标 识码 A文章编号 1 0 J l 0 2 1 1 2 0 0 2 0 1 0 0 8 8 0 4 膏体是一种由选矿尾砂脱水浓缩 ， 或 由尾砂与 天然细砂混拌而成， 形似牙膏的浆体。由于浓度高 ， 并含有一定数量的胶态颗粒 ， 它具有宾汉塑性流体 的流变特性 ， 在管内呈柱塞状流动。膏体流动遵守 流体力学的普遍原则， 自流输送系统的工作状态 由 矿山充填系统 的工作倍线 、 膏体的流动性态 和管径 决定 。 1 膏体 的流 动性 态 1 ． 1 膏体定义 膏体是一种细颗粒固体物料 如选矿尾砂 脱水 浓缩或细颗粒物料 如天然砂 与水混拌 而成 ， 含水 量低 ， 形 似牙膏 的浆体。在 固体物料中 ， 胶态粒子 小于 2 0 h e m 占 1 5 ％以上。膏体的浓度范围取决于 细砂类型 。有些采矿工作者用塌落度来定义膏体和 描述膏体的流动性 ， 膏体被定义为塌落度在 1 7 8 mm 至 2 5 4 m m 之间的一种浆体；塌落度高则标志膏体 的流动性 良好 ， 反之 ， 则流动性差 ， 或不能流动 。 1 ． 2 膏体的流动特性 众所周知 ， 砂浆在管 中流动时可能呈现各种不 同的性态， 砂浆的浓度和流速， 固体颗粒的粒度和密 度等是影响砂浆流动状态的决定因素。在输送细颗 粒 固体物料时， 即使砂浆浓度很低， 其流动一般呈均 匀流。然而对于粗颗粒固体物料， 其 流动往往呈非 均匀流 ， 在这种情况下 ， 必须提高流速 ， 使颗粒在紊 流条件下 处 于悬 浮状 态 ， 否 则 出现 跳跃 式 或沉 淀 层 流动。对 于膏体来说 ． 流动性态则完全不同 ， 当浆体 的体积浓度超过 5 0 ％时， 成为一种似均质的固液混 收稿 日期 2 1 0 1 0 51 Ⅱ 作者简介 陈小星 爿， 高级3 1 0 r g 合物 ， 由于浓度和黏度的影响， 浆体中的固体颗粒紧 紧地粘在一起 ， 不能自由沉降离析， 在没有外力作用 时， 这种浆体保持固定的形状和体积， 它的静止状态 只有当作用其 上的外力 大于屈服应 力时才会 被破 坏， 这种浆体的流动具有宾汉塑性流体的流变特征 ， 作用在浆体上的外力与切变率有如下关系。 r一 1 式中r一剪切应力 ； 一屈服应力 ； 一塑性黏度； d z , 一 切 变率 n 作用在膏体上 的剪应力 以管壁处最大 ， 由管壁 至管轴中心逐渐减小到零。剪应力的变化如图 1所 示 ， 在管壁处由于剪应力大于浆体的屈服应力 ， 膏体 就像牛顿流体一样流动， 流速分布和牛顿流体的流 速分布相 同 ． 这个 区域称剪切 流动 区。 自此 向内 ， 至 管轴中心 ， 当剪切外力小于屈服应力时， 膏体内不发 生剪切， 没有相对运动 ， 在这个核心区内膏体以同一 流速整体呈柱塞状流动。由此可见 ， 作用在膏体上 的外力是膏体的屈服应力 、 黏度和流速的函数。因 而使膏体流动所要克服的阻力和消耗的能量要高于 一 般砂浆流动 时所要克服的运动阻力和消耗 的能 量。膏体流动的另一个特征是不受临界流速 的限 磋 Ty S h e a r s t r e s s Ve l o c i t y 【 图 1 膏体的流动特性 Fi g 1 F L o w f e a t u r e o f p a s t e 维普资讯 第 1期 陈小星 膏体充填管道 自流输送系统分析 制， 可以低速流动， 甚至在静止一段时间之后仍可重 新流动， 基于这种特性 ， 流速在层流范围内膏体便能 实现安全 、 稳定地输送。 1 ． 3 膏体的流变特性 膏体是一种非牛顿流体， 流变参数是管路计算 和设计的基础数据。 目前 ， 比较简便而实用的方法 是用环管试验确定流变参数。在试验中测定浆体流 过管道的压力损失和与之相应的流速， 根据浆体管 流的水力学原理 ， 即可确 定管壁剪切应力 r ， 如 2 式所示， 然后确定管壁剪切应力 r与切变率8 吉之 间的函数 关 系 。 ， L r ， 、 。4 ⋯ 式中 J一压力损失 ； D 一管径。 试验结果证实 ， 它们呈直线关系， 如 图 2所示 ， 于是膏体的流变方程为 3 式中 一膏体的断面平均流速 ； D 一管径。 一 ． ． ／ [二二 i 『，． 一 } f ． ， 图 2 剪切 应 力与切变 率之 间的关 系 Fi g 2 Re l a t i o n s hi p o f s h e a r s ne s s t o s he a r r a t e 由试验得知 ， 由不同固体物料制成的膏体具有 不同的流变参数 ， 同时这些参数随着膏体浓度升高 而急剧变化 ， 对于不同类型膏体研究 的结果表明， 膏 体浓度的微小变化， 将使流变参数大幅度增高 ， 呈指 数函数关系 ， 由此可见， 膏体浓度是决定流动性态和 管流阻力的关键 因素。 1 ． 4 压 力损 失 膏体在管 中流动的压力损失由公式 4 确定 ， 由 于膏体具有屈服应力和黏度， 因此压力损失要高于 一 般砂浆管流时的压力损失。影响膏体管流压力损 失的因素是浓度、 流速和管径。综台考虑这些影响 因素， 将压力损失控制在台理范围内， 保证稳定的管 流输送是设计的重要任务。 ， 4 一 ] 4 2 膏体 自流输送 系统 自流管道输送是充填料排放 的最经济措施 ， 是 矿山充填系统的重要组成部分。输送系统由经过竖 井的垂直管道和通往充填采区的水平管道组成 。 2 ． 1 自流输送 的 必要条 件 膏体 自流输送是以 自身的势能为动力克服管道 沿程阻力而流动 ， 实现 自流的条件是在 系统中具备 的势能必须大于流径管道系统时克服沿程阻力所须 消耗 的能量 根据能量守恒的基本原则 ， 自流的必 要条件可用公式 5 表示。管道 的长度 L 和管道 进 出口之间的高差 H是决定 膏体能 否 自流的关 键因素。 人们往往用倍线N告来描绘系统自 流输 送的难易程度。 如果倍线大， 则表示 系统输送 困难 ， 自流输送能力低 ， 甚至不能实行 自流输送。 对 于矿 山 充填来说， 随着采区延伸， 管线不断加长 ， 倍线 N 相 应增大， 输送能力逐渐降低， 当倍线 Ⅳ 增大到极 限 值时， 膏体停止 自流。 由公式 5 可知 ， 倍线 N 必须 小于比 值} 即吾≤ 。 在实际运行中， 随着输送 管道的延伸 ， 垂直管道 中膏体高度都在 自行调整 ， 以 提供相应的压头 ， 满足公式 5 中的条件。公式 5 表示 的自流条件既适用 于整个管道输送系统 ， 也适 用于管线的每个 区段 自流系统， 这是判断整个输送 系统能否实现连续 自流的基本原则 。 H ≥ J，L 5 式 中 H一 膏体注入点和排出点之 间的高差； L 一 膏体流经的管长； 一 膏体 的密度； 卜一压 力损失。 2 ． 2 水力压头 自流输送系统中管内压力及其} 凸 程分布是管道 设计 的基础数据 ， 膏体 自流时的压力损失和能量转 换可以用水力剖面分析方法表示。水力剖面提供 了 简便的办法来分析和判断管内的流动状态。 2 ． 3输送能力 输送能力是反映自流输送系统工作特征的重要 指标， 它取决于工作倍线 、 管径、 膏体 的密度和流变 参数等因素。自流系统的输送流量 Q用下式确定 Q 6 式 中 Q一 流量； N 一 倍线。 例如某矿全尾砂膏体 分别用管径为 1 0 0 mm， 1 2 5 mm和 1 5 0 mm的管道输送时， 其输送流量 0 与 维普资讯 有色金属 第 5 4卷 工作倍线‘ N之间的函数关系如图 3所示。 l 一 I ＼ 二 ＼ 、 ＼ ＼ ＼ 、＼ 、＼二 ～ L／ 圈 3输送流 量与倍线 的关 系 Fi g 3 Re l a t i o n s h i p o {0 t ON 理想 的充填是实行满管输送 ， 此时可达到最大 的输送能力 。一般来说 ， 矿山开采初期 ， 输送系统可 提供的输送能力最大 ， 随着采矿延伸 ， 这种输送能力 将逐渐降低 。 3 膏体 自流输送 系统 中的几个问题 3 ． 1 管内压力调节与控制 自流系统 中， 管内高压 区往往出现在 由垂直管 段向水平管段的拐弯联结处 ， 例如由竖井 向采矿 中 段的拐弯处 ， 此处管道承受两种作用力 ， 一是静水压 力 ； 二是膏体 自由落体 的动能冲击力。静水 压力随 着管线延长而升高 ， 在高压和快速冲刷下 ， 拐弯处的 管道极易破裂和磨损。因此， 采取措施 降低管 内压 力至关重要 ， 常见的减压方法有 ①采取多中段串联 布置输送管线 ； ② 在系统 中增设降压管线或特殊减 压系统 ； ③增大输送管径。在上述方法中， 以增大管 径晟为简单 ， 当输送流量不变时， 管径增 大后 ， 压力 损失明显降低 ， 因而拐弯处 的静水压力也就相应降 低。同时可以观测到， 当管径变大之后 ， 流量的变化 对压力损失的影响也变小。压力降低的幅度与水平 管线 的长度有关 ， 输送管线 愈长， 其降压幅度愈大， 如图 4所示 ， 这种降压方式对于水平延伸很长的采 圈 4降压与管径 ， 管长之间的关系 Fi g． 4 Re l a t i on s hi p o f pr e ． u r e d r o p t o d i a me t e r a n d l e n g t h o f p i p e 区来讲作用最为显著。管径增大后 ， 膏体流速降低 ， 同样有利于减少管道磨损 。 3． 2 管道磨损 管道的服务年限和能输送的固体物料总量取决 于管道的磨损程度。众 所周知 ， 管壁在浆体的冲刷 下受到不同程度的磨损 ， 其影响因素有 固体颗粒大 小和磨蚀特性 ； 浆体的浓度和流速 ； 管径大小和管材 的耐磨性能等等。近年来， 许 多采矿工作者对管道 磨损进行了跟踪测试 ， 根据测试结果提出了描述管 道 工 作 寿 命 的 经 验 公 式。 南 非 的 格 瑞 克 D G e r i c k e 提出了用管壁磨损每 l mm时所输送 的 固体物料表示管道的磨损程度 ， 如公式 7 所示 。 w C 7 式中 ～ 管壁磨 损 1 mm 时所 输送 的固体量 ， t ／ ram；V～ 浆 体流速；c， 一 常数 ， 与固体物料和 浆体浓度有关 ， 由试验确定。 法帝克 F a d d i c k 指 出， 管壁磨损与断面有关 ， 提出了描述不同管径的管道磨损的通用公式 ， 如公 式 8 所示 ， 当输送流量恒定 时、 公式 8 可用公式 9 表示 ， 即 W C L R 8 V r 、～ W AR r 9、 式中 A 与 击 。 r ‘ 根据公式 9 ， 管壁磨损 1 r n m 的输送 固体量与 管径呈指数函数关 系， 管径变大将大幅度提高管道 输送量 Ⅳ 和服务能力捂瑞克通 过试验测得常 数 n的数值在 0 ． 8 5和 4 ． 5之间。从公式 9 得知 ， 即使 n为0 ． 8 5时， R的指数 即为3 ． 7 。 可见 ， 管径 R 的微小变化， 其输送量将急剧增加 ， 因此， 增大管径 是改善管道磨损状况 ， 提高输送能力的重要因素。 理论分析和实测结果表明 ， 管道磨损最严重的 地区是在垂直管段内， 自砂浆注人 口至满水点之间 的区域内， 砂浆在注人管 口之后下降速度急速增高 然后以 自由落体速度下沉 ， 管壁在 如此高的速度冲 刷下 ， 严重磨蚀。当然 ， 这种磨损与砂浆浓度、 固体 颗粒大小及磨蚀特性等因素有关。由此可见 ， 实行 满管输送具有极为重要的意义 。浆柱在垂直管道中 越高， 垂直管道被砂浆散射 自由落体高速 冲刷的范 围就越小 ， 因而 ， 管道的磨损范围也就相应减小。而 浆柱在垂直管段中的高度取决于输送流量 、 管径和 浆体流经的管道长度等因素． 因此 ， 在输送系统设计 和操作时要全面分析考虑。 帆 缃 维普资讯 第 1 期 陈小 星 膏体充填管道 自流输送系统分析 9 1 4结 论 茗 耋 喜 损 1 表征膏体 自流输送系统工作状 态特征 的参 提高管道输送能力的简便而有效的措施 。 参 考 文 献 [ 1 ]北京矿 冶研 究总院采矿室招远金矿 高浓度 、 垒尾砂远距离输送系统 室内试验报 告[ R] 北京 北京矿冶研究总院 ， 1 9 8 8 [ 2 ]播健 ． 采 矿手册 M] 北京 中国建筑工业 出版社 ， 1 9 8 6 [ 3 ]刘可任 充填理论基础 M] 北京 抬金 工业 出版社 ， 1 9 7 8 [ 4 ]姜渭中， 周成浦 ， 王爵鹤 ． 高浓度胶结充填料管道水力输送的试验研究 [ A ] ／ ／ 中国金 属学 会第 一届采矿学 术会议论文[ C 1 9 8 0 [ 5 ]B a i n A G， B o n n i n g mn S T． T h e h y d r a u l i c t r a n s p o r t o f s o l i d s b y p [ p e [ i n e [ M] ． P e r g a mo n P r e s s 1 9 7 1 ， O x f o r d [ 6 ]Z a n d i I A d v a n c e s i n S o l i d L i q u i d F l o w i n P i p e s a n d i t s却 p l i c a t i o n [ M] ． P e r g a mo n P r e s s 1 9 7 1 ， Ox f o r d 7 ]B a r r e t t J R， F u l l e r P G， Mi L Le r D R Hig h p u l p d e n s i t y h y d r a u l i cf i l l s [ A ] ／ ／ P r o c e e d i n g s o f 1 3 t h C MMI C o n g r e s s [ C ] ， 1 9 8 4 1 5 3 i s ]Ve r k e r k C G， Ma r c u s R D． T h e p u mp i n g c ] t a r a c t e r i z t i c s a n d r h e o [ o g y o f p a s t e fi l l s [ AJ ／ ／Pr o c e e d i n g s o f B a c k f i l l i n S o u t h A f r i c a n Mi n e s [ C ] ． J o h a n n e s b u r g ， S A I l v l M．1 9 8 8 2 2 l [ 9 ．G e r i c k e D B a c k f i l l d is t r i b u t io n s y s t e ms i n d e e p t a b u l a r mi n e s [ A] ／ ／Pr o c e e d i n g s o f M[ n e f i [ [ [ C ]J o h a n n e s b u r g ，1 9 9 3 2 2 9 [ 1 0 ]N e w , T h a n PD E v i d e n t t r e n d s in t h e p i p e l i n e t r a l m p o r t o f p a s t e b a c k fi l l [ A ／ ／ P r o c e e d i n g s o f Mi n i n g Mi l l e n n i u m 2 0 0 0[ C ] ， T o r o n t o ．2 0 0 0 [ 1 1 ]A d a me kR． P o d s a d z a n i ewy r o b i s k g o r mc z y c h [ M] ． K a t o w i c e ， P o t s k a 1 9 8 0 [ 1 2 ]Wa s p E J ， e t a l Sol i d l i q u i dfl o w， s l u r r y p i p e [ i n et r a n s p o r t a t i o n [ M]T r mts Te c h P u b l i c a t i o n s ， G e r ma n y ， 1 9 7 7 [ 1 3 ]L i c l k e aW， d n g 山 D ． 1 0 n p a s t e 删 a t I n m[ A] ／ ／ P r e c e d i n g o f Mi n e fi l l 9 3 [ C ] ． J 。 I 1 a 曲e 】r g S A I MM， 1 9 9 3 3 3 7 ANALYSI S oF PAS TEFI LL PI PELI NE S ELFFLoW I NG TRANS P0RTAT1 0N S YS TEM C HEN Xi a o x i n g B e ,rin g G e n e r a l Re ． a r c h l n s t i t r t e o fM i n i n g a n dMe t a l l u r g y， 1 0 0 0 4 4 n g 】 AB STRACT Th e r h e o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c s ， p i p e fl o w p a t t e r n o f t h e p a s t e a n d d e t e r mi n a t i o n o f i t s r h e o l o g i c a l p a r a me t e r s a r e d e s c r i b e d a s t h e b a s i s f o r d e s i g n 0 f a p i p e l i n e t r a n s p o r t a t i o n s y s t e m． Th e fl o w o f t h e p a s t e i n a s e l f - f l o wl n g p i p e l i n e s y s t e m i s a n a l y z e d a n d i t h a s b e e n i n d i c a t e d t h a t t h e r a t i o o f p i p e l i n e l e n g t h t o d i f f e r e n t i a l h e i g h t o f t h e p i p e l i n e ， r h e o l o g i e a l p r o p e r t i e s o f t h e p a s t e a n d p i p e d i a me t e r a r e t h e k e y p a r a me t e r s o f t h e s e l f fl o wi n g p i p e l i n e s y s t e m ． A me t h o d f o r r e d u c i n g t h e p r e s s ur e i n pi p e l i n e i s p r e s e n t e d a nd d i s c u s s e d． An e mp i r i c a l f o rm u l a e x pr e s s i n g p i p e we a r r a t e a nd a p p r o a c h t o i n c r e a s e pi p e wo r k l i f e t i m e a r e i nt r o d u c e d a s we l l i n t hi s pa p e r ． K E Y WOR D S p a s t e ；s e l f - f l o w；r h e o l o g y ；s h e a r s t r e s s ；b i n g h a m p l a s t i c f l u i d 维普资讯