充填料浆管道输送流体力学分析及流速计算.pdf

SerialNo . 499 November . 2010 现 代 矿 业 MORDEN M I N I NG 总 第 499期 2010 年 11月第 11期 刘兴德 1985- , 男, 汉, 在读研究生, 100083北京市海淀区。 充填料浆管道输送流体力学分析及流速计算 刘兴德 陈晓洋 北京科技大学 摘 要 随着社会的发展和科学技术的进步, 充填采矿法逐渐成为金属矿床地下开采的主要采 矿方法。其充填方法有水力充填、 高浓度充填、 膏体充填等。对充填管道输送中充填料浆的运动状 态和流变特征进行分析, 介绍了料浆输送临界流速的几种计算公式。 关键词 充填料浆 临界流速; 沉降现象; 流型 中图分类号 TD853 . 34 文献标识码 A 文章编号 1674 -6082 2010 11 -0028 -04 FluidM echanicsAnalysis and Velocity Calculation of Filling Slurry Pipeline Transportation L iu Xingde Chen Xiaoyang University of Science Critical velocity ;Settle m ent phenomenon ; F low pattern 充填采矿法在采矿中占有越来越多的比重。在 充填采矿中, 充填料浆的管道输送是充填采矿的重 要环节, 对充填料浆在输送中的运动状态和流变特 征进行了分析, 掌握浆体的流变特性, 对了解料浆在 管道中的运动状态和变化特点, 确定管道输送参数, 调节充填物料配比, 加强对充填系统管理, 指导矿山 充填, 具有十分现实的意义。 1 充填料浆的组成及输送特点 1 . 1 料浆的组成 矿山充填料浆主要由骨料、 水、 胶凝剂和添加 剂。常用的粗骨料主要有尾沙、 碎石料、 磨砂、 河沙 等。随着技术的进步, 可选择的胶凝剂也在增多, 从 早期的普通硅酸盐水泥到现在的粉煤灰水泥、 炉渣 水泥、 高水材料等。在料浆中加入早强剂、 减水剂等 添加剂可保证料浆的质量和前期的强度。在不同的 矿山对用料的选择也是有限制的, 必须从成本、 运 输、 工艺等多个因素考虑。例如, 金川矿区在我国的 西北地区沙漠边缘有堆积如山的风沙, 根据大量的 考察和室内物化分析, 其颗粒呈圆珠状, 成分 90 为石英砂, 满足充填条件。选择自然级配良好的戈 壁集料和金川河床的冲积沙作为充填骨料 [ 1]。 1 . 2 充填管道输送特点 与建筑上泵送混凝土浇筑相比, 矿上充填的特 点主要体现在以下几个方面。 1充填料浆的浓度不唯一。在建筑上混凝土 的浓度变化不大, 且成分组成没有变化。但是为了 满足不同的强度要求, 矿山充填浓度和成分是有很 大的区别的。例如, 为了节约成本和满足工艺强度 要求, 对采空区充填时都采取分层充填, 把采空区分 为几层进行不同浓度和不同充填物分别充填。在采 用向上或向下分层充填采矿时, 为了形成良好的开 采场所往往需要浇筑人工假顶或人工假底。对假 顶、 假底有不同的强度要求, 需要制备不同成分料 浆。 2充填的方式不唯一。在矿山充填中主要有 自重充填和泵送充填, 其主要的选择依据是矿山充 填倍线 充填系统管道总长度除以料浆输送的水力 坡度 [ 2] 。 3充填管道易堵塞。在实际操作中, 为了防 止管道堵塞, 选择合理的管道速度是防止堵塞的最 28 有效办法。在充填前先用低浓度的料浆将充填管道 润湿, 充填完后用清水或者压气的方法把管道清理 干净。 4充填管道易破坏维护困难, 由于重力冲击 和运输过程中的摩擦作用, 充填管道很容易受到破 坏。且管道埋藏在地表以下, 对破坏部位的观察也 存在一定的难度, 因此给维护也带来了巨大的困难。 5运输距离长。矿山的充填运输距离长, 大 多都在千米以上, 相对高程也大。 2 雷诺实验分析粒子在液体中的运动状态 2 . 1 雷诺实验原理 利用雷诺实验装置可以观察液流中存在的层流 和紊流两种流态。当流速很小时, 有色液体流态为 层流, 运动路线为直线流层间没有质点混掺 [ 3]。随 着流速的变大, 有色液体慢慢开始扰动, 两种液体间 相互混掺, 最后达到紊流状态。 2 . 2 粒子的沉降 粒子在液体中由于重力而自由下沉的现象叫做 沉降 [ 5]。衡量粒子沉降的主要物理量就是沉速。 它表示了固体粒子在液体中相互作用的综合特性, 也决定着输送的难易程度。影响沉速的因素有密 度、 大小、 形状和雷诺数等。在矿山料浆的输送中, 料浆中固体颗粒的沉速越大, 输送就越困难。 2 . 3 粒子在液体中的运动状态 通过对雷诺实验的改善, 可用于粒子在液体中 的运动状况模拟。见图 1 。 图 1 粒子在液体中的运动状态 当实验管中的流速很小时, 粒子在管道内是静 止, 当流速慢慢变大的时, 出现了如图 1 a的迹线, 粒子在管底滑动、 滚动和不连续的跳跃运动; 当流速 继续变大的时候, 粒子处于快速的跳跃和间歇悬浮 的状态, 如图 1 b所示, 粒子时而在液体中悬浮时 而沉入管底; 粒子出现悬浮的现象是因为液体的紊 流特性, 液体在流动的过程中出现脉动现象并产生 脉动速度在垂直方向上的分量, 使粒子受到向上的 冲击力, 当冲击力大于粒子在液体下的重力时, 粒子 就会出现悬浮情况, 如图 1 c, 流速大到一定值时, 出现完全悬浮的状态, 此时粒子与管壁没有摩擦。 3 充填料浆流体特性 3 . 1 流体力学模型 通常浆体在剪切力的作用下, 其切变率和切应 力间的关系简称为流变模型; 把切变率与切应力呈 线性关系的流变模型的浆体称为牛顿体, 把切变率 与切应力呈非线性关系的浆体成为非牛顿体。 3 . 2 固液二相流的流型 在管道内各种骨料的浓度、 速度分布都因骨料 直径、 密度、 阻力系数和料浆的浓度、 流速等因素不 同而不同。由于不同的物理参数, 流型也会发生复 杂的变化。在不同的流体力学分析范畴内, 对流型 的定义也不同。杜德兰对流体力学中的流型定义如 下 [ 5]。 1均质流。含有粒径在 20 30 L m 以下的粒 子的混合体为非沉降性的混合体, 当流速达到一定 程度时为均质流。 2拟均质流。含粒径在 25 Lm 以上、 50 Lm 以下的粒子混合物显示出沉降性的形态, 处于均质 流和非均质流之间。 3非均质流。 以悬浮状态输送的粒子 含 有粒径在 50 Lm以上、 0. 2 mm 以下的粒子混合物, 在低速时粒子堆积在管底, 以悬浊状态运输; 以过 度状态输送的粒子, 粒径在 0 . 2 2 mm 范围内的粒 子混合物; 以跳跃、 滑动方式输送的粒子 含有粒 径在 2 mm 以上的粒子混合物, 由于粒子的沉降速 度很大, 所以只有在高速输送时才会出现悬浮状态。 3 . 3 料浆的流体特性 以上是按照粒径对流型进行的分类, 同时也考 虑到了流速的问题。根据以上的分类, 矿山料浆大 多的是拟均质流和非均质流 不考虑膏体充填 。 矿山充填料浆主要考虑的是料浆中粗骨料随流 速变化的运动情况。在充填过程中, 充填料浆中固 体颗粒都不是均匀分布的。沿管道流动方向、 垂直 轴线方向有明显的浓度梯度。将充填料浆看做二相 流来研究, 二相流的流型不是固定的, 随着粒子的物 性、 浓度和管道情况不同而不同。因此, 结合粒子在 液体中的运动状态和料浆运动关系, 把料浆在管道 中流动状态分为 堆积层流动、 部分堆积层流动、 滑 动层流动、 完全悬浮和拟均质流, 其关系见图 2 。 从图 2中可以看出, 在开始某一个较小的流速 下, 粒子在底部不流动出现沉积现象; 速度变大, 沉 积的粒子上部会有一些粒子移动; 进一步增加流速, 引动的粒子增多, 最后全部的粒子都流动起来了, 这 29 刘兴德 陈晓洋 充填料浆管道输送流体力学分析及流速计算 2010年 11月第 11期 时与输送管接触的粒子为滑动状态, 上部的为跳跃 和浮游的移动状态; 当速度再增加时, 所有的粒子都 悬浮起来。在运动的过程中, 粒子和管壁的摩擦也 很小。最后就达到了拟均质流的状态。 图 2 输送料浆在管道中的运动状态 为了更好的研究料浆输送的流体特性, 重点对 堆积层流动、 滑动层流动、 完全悬浮和拟均质流 4种 料浆运动状态在管道中的浓度分布和速度分布进行 研究与分析。见图 3 。 图 3 料浆 4种运动状态下的浓度和速度分布 从图 3中可以看到, 浓度的分布和流动的状态 紧密相连。在堆积层粒子大部分都堆积在管底。当 流速逐步增加的时候, 堆积层上部的粒子开始运动 起来。当速度进一步增大时, 固体颗粒开始完全悬 浮在管中, 当达到拟均质流状态时, 粒子在管内大致 呈均匀分布的。 4 流速的确定及其临界流速的计算 4 . 1 流速的确定 通过以上分析可确定影响粒子运动特性的主要 因素就是速度。速度低, 料浆中的骨料就容易沉积 在管底, 容易对管道造成磨损和引起管道堵塞, 既增 加维护费用又影响充填工作顺利进行; 速度太大, 就 会引起管内的压力太大易爆管、 动力费用高、 管道弯 道处损伤等问题。为此, 提出了临界流速。即料浆 中所有的骨料颗粒完全处于悬浮状态而压头损失 水力坡度 又最小的流速 [ 4], 是充填浆体由一种流 动形态向另一种流动形态过渡的界限流速。影响浆 体管道临界流速的主要因素有 固体颗粒的粒径、 密 度、 形状和粒度级配以及浆体浓度、 输送管的直径 等。临界流速是输送管道的基准流速和经济流速。 4 . 2 临界流速的计算 由于国内矿山充填起步较晚, 没有建立完整的 矿山充填理论模型等, 对料浆充填的临界流速的计 算还没有形成完善的理论系统。在长期的工作实践 和研究中积累临界流速的经验计算公式主要有以下 几种。 4 . 2 . 1 杜德兰流体临界流速 [ 5] VC 3 . 43 C 1 3 V gD S- 1 CD 1 2 , 1 式中, VC为临界流速; m / s ; CV为粒子浓度, ; g 为 重力加速度; 9 . 8 m /s 2; D 为管道直径, m; S 为粒子 密度; CD为管道阻力系数。 式 1是从管道输送能量损失方面考虑临界流 速的计算, 矿山采用较早, 考虑的因素不够全面, 现 已基本不用。 4 . 2 . 2 金川有色金属公司采用的临界流速 [ 1] VC gD 1 2 rp- rw rprwK K U 1 3 , 2 式中, rp为粒浆密度, t/m 3; K 为系数, K 1 . 5 3. 0 , 平均 K 2 . 0 ; K为清水阻力系数; U为固体颗粒沉 降阻力系数; rw为清水密度, t/m 3, 其他符号意义同 前。 式 2是金川有色金属公司在对其矿山充填的 过程中, 经过试验研究试用总结出来的。该公式考 虑了管道直径、 料浆密度和沉降等诸多因数, 对矿山 充填具有很大的实用性。在实际运用中, 考虑到充 填的强度和难度, 避免管道的堵塞现象, 充填速度的 选择往往比临界流速要高, 一般情况下料浆的最低 工业流速比临界流速要高出 10 20 。 4 . 2 . 3 Bechtel公司的公式 [ 6] VC K QS- Q Q D 1 3 d95 G 1 4 e 1 4 . 2cv, 3 K K0 K1CVK2S0 n, 4 式中, QS为颗粒密度, t/m 3; Q为浆体密度, t/m3; d 95 为小于此粒径的颗粒占 95; G为浆体刚度系数; cv 为浆体积浓度; K0、 K1、 K2为常数; S0为屈服切应力。 式 3综合考虑了料浆的浓度、 管道直径、 料浆 颗粒组成、 粒子在管道中的运动情况等各种因素, 基 本满足管道输送工业设计要求, 应用较为广泛。 4 . 2 . 4 费祥俊临界流速 [ 7] 30 总第 499期 现代矿业 2010年 11月第 11期 VC 2gDSV QS- Qmw esfmQm 1 3 , 5 式中, SV为料浆体积浓度; Qm为浆体密度; es为悬浮 效率系数; fm为料浆在管道中的摩擦阻力系数; w 为 全部颗粒平均沉速; 其他符号意义同前。 式 5从料浆中粒子的运动状况出发, 在粒子 的悬浮和沉降等方面考虑了粒子在输送过程中的能 量问题。微观的分析了料浆在输送中的运动状态和 管道摩擦能量损失等。为矿山充填管路设计及工程 实践提供理论参考。也是在矿山充填中常采用的公 式。 4 . 3 充填管道流速的确定 式 1 式 5分别从不同的角度研究了料浆 输送的临界流速的计算方法。由于研究的方法和着 重点不同, 因此也有着各自的使用范围和特点。在 矿山充填中, 流速的选择必须结合矿山的实际情况, 选择既符合充填条件又能满足充填强度要求的充填 管道输送速度。具体操作步骤 充填方式选择-充填 料浆 物料 物理性质的分析-料浆 骨料 在管道中 运动状态的分析- 选择合理的流速计算方法- 确定公 式中的相关系数计算出临界流速-料浆管道输送的 实验室模拟- 修正流速值- 在矿山实际运用-流速的最 后修正和确定。 5 结 语 随着采矿业的发展、 资源的枯竭、 环境保护意识 提高, 充填采矿法在现代采矿中的地位日益上升。 充填采矿法的在矿山实际应用中所显示出的优点, 使充填采矿法必然成为未来地下贵重金属矿山的出 路。但我国充填采矿法起步晚、 基础差、 理论缺乏, 充填理论大多都建立在流体力学的基础上, 统一性 和实用性也不强。要想使充填采矿法在我国得到很 好的应用, 完善基础理论至关重要。 参 考 文 献 [ 1] 刘同有. 充填采矿技术与应用 [M ] . 北京 冶金工业出版社, 2001. 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