充填料浆L型管道自流输送模拟试验分析.pdf

第 37 卷 第 4 期 2012 年 8 月 广西大学学报 自然科学版 Journal of Guangxi University Nat Sci Ed Vol． 37 No． 4 Aug． 2012 收稿日期 2012- 05- 16; 修订日期 2012- 06- 08 基金项目 国家“十一五” 科技支撑计划项目 2008BAB32B01 ; 煤矿安全开采技术湖南省重点实验室开放基金 201108 通讯联系人 邓代强 1974- ，男，新疆石河子人，国家金属采矿工程技术研究中心工程师，博士;E- mail deng- daiqiang126． com。 文章编号 1001- 7445 2012 04- 0837- 07 充填料浆 L 型管道自流输送 模拟试验分析 邓代强 1， 2， 3 ， 王 莉 4 ， 周 喻 4， 张友轩2 1. 湖南科技大学 煤矿安全开采技术湖南省重点实验室，湖南 湘潭 411201; 2. 长沙矿山研究院有限责任公司 采矿工程中心，湖南 长沙 410012; 3. 国家金属采矿工程技术研究中心，湖南 长沙 410012; 4. 北京科技大学 土木与环境工程学院，北京 100083 摘要 为掌握不同配方及浓度的充填料浆的输送特性及可实现的自流充填倍线， 以为提高充填管网设计的可 靠性提供设计依据， 采用 L 型管道自流输送的方法， 结合现场工业生产开展实验方案设计， 进行了不同浓度 及配比条件下的充填料浆的流变参数测试， 并分析了不同配比及浓度料浆的流变性能指标及充填倍线的变 化规律。结果表明 同等可比条件下， 浓度或配比较高的充填料浆具有较强的粘聚性， 其剪切应力较大， 稀释 后其相关指标大幅降低， 当料浆浓度很低时， 可实现自流输送的充填倍线大幅增大。研究结果可为充填工艺 中的管网布置和优化提供理论依据。 关键词 L 型管道; 输送阻力; 流变参数; 模拟试验; 管网布置 中图分类号 TD862; O357. 1文献标识码 A Experimental analysis on the transportation simulation of filling slurry in L-shape pipeline DENG Dai- qiang1， 2， 3， WANG Li4， ZHOU Yu4， ZHANG You- xuan2 1. Hunan Provincial Key Laboratory of Safe Mining Techniques of Coal Mines， Hunan University of Science and Technology，Xiangtan 411201， China; 2. Center of Mining Engineering， Changsha Institute of Mining Research Co. ， Ltd， Changsha 410012， China; 3. National Engineering Research Center for Metal Mining， Changsha 410012， China; 4. Civil and Environmental Engineering School， University of Science and Technology Beijing， Beijing 100083 China AbstractIn order to improve the reliability of filling pipe network， the transportation characteristics of filling slurry with different ulation and concentration should be obtained． Combined with the reality of industrial production，the L- shaped pipe gravity transportation was adopted to de- sign the experiment． The rheological parameters of filling slurry with different concentration and pro- portion were tested in the experiment，and the variation of rheological property indicators of slurry 广西大学学报 自然科学版第 37 卷 and filling times line with different proportion and concentration were analyzed． The results are ① under the comparable condition，the filling slurry has higher cohesion as concentration or propor- tion increases;② after dilution，relative indices decrease drastically due to high shear stress in fill- ing slurry;③ the filling times line of realizable gravity transportation will increase drastically when the concentration of slurry is very low． Therefore，this research can be a beneficial reference for the optimized layout of the pipe network in filling technology． Key wordsL- shape pipeline;transportation resistance;rheology parameter;simulation experimen- tation;pipeline layout 在工矿行业中经常都会涉及到流体长距离管道输送等技术问题， 相关的计算分析是管道输送设计 和安装的依据 ［1- 4 ］。对于各类制备均匀的固体物料的浆体， 其中组成颗粒的沉降和渗透性质存在较大差 异 ［5- 7 ］， 其输送特性的理论分析和工程应用方面已有许多相关研究［8- 9 ］， 前人为解决现场中所遇到的技 术问题开展了许多分析， 探讨其在各领域的应用及推广， 其中也有内容涉及矿山充填工程［10- 14 ］。对于 不同类型的矿山， 充填法的应用通常是多因素的综合反映。对于采用管道输送的充填工艺， 料浆在管道 中流动所表现出来的特性对于管道输送极为重要， 通常作为衡量充填料浆流动特性的关键参数。对于 特定矿山的充填材料， 需采用有效的测试手段来计算其料浆的管输阻力。在现代分析方法中， 除环管试 验外， 小型输送模拟试验也常用于矿山充填的长距离管道输送分析。本研究在充填料浆坍落度测试确 定了输送浓度的基础上， 进行 L 型管道输送模拟试验， 并结合生产上使用的管道规格及长度等特征进 行阻力损失计算， 用于分析现场料浆沿程输送阻力和充填倍线， 从而为井下充填料浆管道输送系统的设 计提供参考。 1L 型管道模拟输送测试 1. 1实验物料的粒度和成分 针对矿山充填开采特点， 测试用全尾砂取自现场立式砂仓。通常物料的颗粒大小和化学组成会对 充填料浆的流动性产生一定的影响， 为此采用了 CILAS1064 型激光粒度仪测定全尾砂和 P. C32. 5 级水 泥的粒径级配， 并对全尾砂组成进行了化学分析。测试结果见图 1、 图 2。 图 1颗粒级配曲线 Fig. 1Grain size distribution 图 2全尾砂化学成份 Fig. 2Chemistry content of full tailings 1. 2测试方案设计 矿山充填中， 高浓度充填料浆可看作粘稠流体， 一般由试验得出输送参数。料浆流变性研究是充填 理论流变学的主要内容， 对高浓度料浆输送尤为重要， 可直接用于指导充填生产。对于矿山工程中的高 浓度充填料浆， 可采用类似于宾汉流的测试方法及手段来研究其流变性质， 分析料浆具有一定剪切应力 时沿管道流动所产生的摩擦阻力。本研究结合某矿充填站的制备参数和井下开采工艺， 在进行分析后 838 第 4 期邓代强等 充填料浆 L 型管道自流输送模拟试验分析 确定 L 型管道输送模拟试验方案， 对无添加水泥 灰砂比为 0 、 灰砂比 1∶ 20、 1∶ 12、 1∶ 8、 1∶ 6、 1∶ 4 的 6 组 配合比的 64、 66、 68、 70、 72、 74、 76的 7 组浓度全尾砂水泥充填料浆进行流动性测试。 矿山充填料浆流变参数自流输送试验测试装置的几何模型与力学分析见图 3、 图 4。 图 3输送模拟试验几何模型 Fig. 3Model of transportation simulation test 图 4输送模拟试验受力分析 Fig. 4Mechanics model of transportation simulation test 充填料浆沿管道的输送阻力与其自身流变参数、 流速、 管径等有关， 通过采用 L 型管道小型输送模 拟试验， 可计算出料浆屈服剪切应力 τ0和粘性系数 η。如图 3 所示， 料仓内容重为 γ 的料浆浆面初始高 度为 h h， 随着测试的进行， 管口料浆流速 V 通过测试得到 随着浆面的下降而逐渐降低， 最终停止 流动时竖管内料柱高为 h0， 料浆自重压力与内径为 D 的管道静摩擦阻力相平衡， 通过公式 1 计算出料 浆屈服剪切应力 τ0， 然后将其代入公式 2 即可求得管壁剪切应力 τ， 最后由公式 3 计算出料浆的粘 性系数 η ［15- 16 ］。 τ0 γh0D 4 h0 L， 1 τ 4 3 τ0 8η V D ， 2 η 3τ － 4τ0 D 24V ， 3 将相关参数代入公式 4 就可计算出料浆阻力沿程损失 i。为便于运算， 通常采用公式 5 来计算充填 倍线 N0。该指标是衡量充填能力和输送阻力的重要参数［16 ］。 i 16τ 0 3D 32ηV D2 ， 4 H L H γ 1. 15i 。 5 2料浆输送阻力与充填倍线分析 2. 1料浆输送阻力与充填倍线 根据充填料浆流变参数测定值， 由公式 6 计算出不同管径下各流量料浆所对应的流速参数 V， 见 表 1， 代入公式 4 和公式 5 即可求得各种料浆所对应的输送阻力和倍线参数。 V Q 3600 π 4 D2 ， 6 938 广西大学学报 自然科学版第 37 卷 表 1不同流量对应的流动速度 Tab. 1Velocity corresponding to the different flux 管径/ mm 流量/ m3h －1 30405060708090100110120130140150 702. 1662. 8893. 6114. 3335. 0555. 7776. 4997. 2227. 9448. 6669. 38810. 11010. 830 801. 6592. 2122. 7653. 3173. 8704. 4234. 9765. 5296. 0826. 6357. 1887. 7418. 294 901. 3111. 7472. 1842. 6213. 0583. 4953. 9324. 3694. 8055. 2425. 6796. 1166. 553 1001. 0621. 4151. 7692. 1232. 4772. 8313. 1853. 5393. 8924. 2464. 6004. 9545. 308 1100. 8771. 1701. 4621. 7552. 0472. 3402. 6322. 9243. 2173. 5093. 8024. 0944. 387 1200. 7370. 9831. 2291. 4741. 7201. 9662. 2122. 4572. 7032. 9493. 1953. 4403. 686 1300. 6280. 8381. 0471. 2561. 4661. 6751. 8842. 0942. 3032. 5132. 7222. 9313. 141 1400. 5420. 7220. 9031. 0831. 2641. 4441. 6251. 8051. 9862. 1662. 3472. 5282. 708 1500. 4720. 6290. 7860. 9441. 1011. 2581. 4151. 5731. 7301. 8872. 0452. 2022. 359 1600. 4150. 5530. 6910. 8290. 9681. 1061. 2441. 3821. 5201. 6591. 7971. 9352. 073 1700. 3670. 4900. 6120. 7350. 8570. 9801. 1021. 2241. 3471. 4691. 5921. 7141. 837 1800. 3280. 4370. 5460. 6550. 7650. 8740. 9831. 0921. 2011. 3111. 4201. 5291. 638 图 5流量 120 m3h－1的 DN120 mm 管中参数 Fig. 5Parameter of 120 m3h －1 filling slurry in DN120 mm 图 5 是在 DN120 mm 管道中达到 120 m3/h 流 量时， 通过计算分析得到的各配比料浆输送阻力 与充填倍线的变化规律曲线。 通常在进行试验数据统计分析时， 可使用数 据容量大的散点图来代替庞大的数据表记录输送 阻力和充填倍线数据， 同时也可直观反映出其规 律性。限于篇幅， 文中只将配比为 1∶ 6 的 76、 72、 68、 64各流量料浆输送阻力及对应的充 填倍线随管径在 70 ～ 180 mm 范围变化的规律列 出， 见图 6 ～13， 其余未列出的 1∶ 4、 1∶ 8、 1∶ 12、 1∶ 20 配比和全尾砂料浆相关参数亦遵循类似的变化规 律。 图 6 76料浆管输阻力随管道内径变化 Fig. 6Resistance change with diameter of 76 slurry 图 7 76料浆充填倍线随管道内径变化 Fig. 7Ratio change with diameter of 76 slurry 048 第 4 期邓代强等 充填料浆 L 型管道自流输送模拟试验分析 图 8 72料浆管输阻力随管道内径变化 Fig. 8Resistance change with diameter of 72 slurry 图 9 72料浆充填倍线随管道内径变化 Fig. 9Ratio change with diameter of 72 slurry 图 1068料浆管输阻力随管道内径变化 Fig. 10Resistance change with diameter of 68 slurry 图 1168料浆充填倍线随管道内径变化 Fig. 11Ratio change with diameter of 68 slurry 图 1264料浆管输阻力随管道内径变化 Fig. 12Resistance change with diameter of 64 slurry 图 1364料浆充填倍线随管道内径变化 Fig. 13Ratio change with diameter of 64 slurry 通过数据分析， 得到了不同浓度各流量料浆输送阻力及对应的充填倍线随灰砂比变化的规律， 限于 篇幅， 文中只将 72浓度各流量料浆在管径 DN120 mm 的管道中流动时的输送阻力及对应的充填倍线 随灰砂比变化的规律列出， 见图 14 ～15， 其余 76、 74、 70、 68、 66、 64浓度料浆相关参数亦遵 循类似规律。 148 广西大学学报 自然科学版第 37 卷 图 14DN120 mm 管中浓度 72料浆管输阻力 Fig. 14Resistance of 72 filling slurry in DN120mm 图 15DN120 mm 管中浓度 72料浆充填倍线 Fig. 15Ratio of 72 filling slurry in DN120mm 同样地， 进行分析后， 将1∶ 8 配比各流量料浆在管径 DN120 mm 的管道中流动时的输送阻力及对应 的充填倍线随料浆浓度变化的规律列出， 见图 16 ～17， 其余 1∶ 4、 1∶ 6、 1∶ 12、 1∶ 20 灰砂比及全尾砂料浆 相关参数变化规律基本相同。 图 16DN120 mm 管中的 1∶8 料浆管输阻力 Fig. 16Resistance of 1∶8 filling slurry in DN120 mm 图 17DN120 mm 管中的 1∶8 料浆充填倍线 Fig. 17Ratio of 1∶8 filling slurry in DN120 mm 2. 2充填料浆输送特性分析 在小型模拟试验的基础上， 得到了各种配方及浓度下的料浆流变参数， 从一系列管径下各流量料浆 所对应的料浆流速、 在 DN120 mm 管道内流量 120 m3/h 时各配方料浆管输阻力与充填倍线的规律曲线 可以看出， 流量相同时， 随着管径增大， 料浆流速减小。在管径和流量不变的情况下， 输送阻力随着料浆 流量的增加而增大， 并且水泥添加量越多， 料浆输送阻力有增大的趋势。相反地， 在管径和流量恒定时， 充填倍线随着料浆流量的增加而减小， 水泥添加量增加时， 充填倍线也有相应的减小。通过对配比为 1∶ 6的 76、 72、 68、 64 各流量料浆在一系列管径下的输送阻力及对应充填倍线分析可明显看出， 随着管径增大， 各浓度料浆输送阻力逐渐较小， 充填倍线增大， 浓度越低则输送阻力越小， 充填倍线也随 之增大。其余各配比料浆变化规律基本类似。 浓度为 72的各流量料浆在管径 DN120 mm 管道中流动时， 其输送阻力随灰砂比的减小而减小， 充填倍线随灰砂比的减小而增大， 但其变化的幅度均较不同浓度之间的变化小， 浓度为 76、 74、 70、 68、 66、 64的料浆同样显示出相同的规律。类似地， 对 1∶ 8 配比各流量料浆在恒定管径的管 道中流动时的输送阻力及对应的充填倍线的分析中可知， 随料浆浓度的增大， 料浆输送阻力呈现出增加 的趋势， 充填倍线则呈现出减小的趋势， 其变化幅度很大， 配比 1∶ 4、 1∶ 6、 1∶ 12、 1∶ 20 灰砂比及全尾砂料 浆相关参数变化类似， 即料浆处于流动性很差的较高浓度时， 输送阻力和充填倍线随浓度的变幅不大， 但若浓度降低到流动性大大改善的程度时， 其对应的输送阻力和充填倍线大大减小和增大， 无论是增幅 还是降幅， 其变化均非常显著。 248 第 4 期邓代强等 充填料浆 L 型管道自流输送模拟试验分析 3结语 通过 L 型管道小型模拟测试分析， 得到各类配方充填料浆管道输送阻力和充填倍线的变化规律， 可见在特定管径的管道中以一定流量流动的料浆， 其灰砂比和浓度对其输送阻力和可达到的充填倍线 均有影响， 同等条件下以浓度作用最为明显， 灰砂比次之。因此， 此两因素可作为调节充填倍线的基本 参数， 可根据现场情况实现低倍线或大倍线充填， 即在低倍线情况下， 可适当提高料浆浓度， 使之流速减 缓， 以减小管道的磨损和不至形成负压， 此时需谨防堵管; 而在大倍线条件下， 为避免料浆流速过低而造 成滞留， 可通过适当降低料浆浓度来减小输送阻力， 使料浆流速得以提升， 从而实现长距离管道输送， 此 时需切实做好采场排水工作。 当料浆浓度一定时， 输送阻力随着水泥添加量的增大而增大， 其实质在于固体颗粒中的级配发生了 变化。本研究的全尾砂中 ＜20 μm 占 36. 89左右， 通常水泥之中 ＜20 μm 约占 50 ～70， 所以当水 泥较多时， 其中的微细颗粒所占的比例也会增加， 料浆中颗粒的整体比表面积随之增大。因此， 即使料 浆浓度相同， 但配比高的料浆流动性仍不及较低浓度料浆的好， 所以配比较高时其输送阻力也较大， 因 此可实现的自流充填倍线就越小， 但适量细颗粒有利于料浆保水， 使之不易离析且可在管内壁形成润滑 泥层， 容易形成结构流体， 实现自流输送， 甚至在料浆经短时停止流动后仍能继续流动。 参考文献 ［ 1］ BOYLU F， DINCER H， ATESOK G. 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