谦比希铜矿膏体充填环管实验研究

杨清平，王贻明，王　勇，吴国珉，岑佑华，沈家华

(1.中色非洲矿业有限公司，　赞比亚 基特韦； 2.北京科技大学 金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，　北京　100083； 3.大冶有色设计研究院有限公司，　湖北 黄石市　435005)



谦比希铜矿膏体充填环管实验研究

杨清平1，王贻明2，王勇2，吴国珉3，岑佑华3，沈家华1

(1.中色非洲矿业有限公司，赞比亚 基特韦； 2.北京科技大学 金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京100083； 3.大冶有色设计研究院有限公司，湖北 黄石市435005)

膏体充填的管道输送阻力一般需通过环管实验获得。通过现场环管实验，研究了膏体浓度和水泥掺量对磨阻损失的影响。随着膏体体积浓度及流量的增加，摩阻损失均呈递增变化。随水泥掺量的增加，摩阻损失呈现先降低再增大的变化趋势，当掺量为8%时，摩阻最小，掺量为11%时，摩阻较大。在谦比希铜矿膏体充填环管实验数据测试基础上，分析了不同状态下管径150 mm管道中的流态，结果表明，谦比希膏体料浆在管内呈均质流动，流速不超过 5.24 m/s时，膏体在管内呈层流流态。

膏体充填；环管实验；磨阻损失；均质流

0　引　言

膏体充填技术可以减少地表尾矿排放，防止重金属污染源井下扩散，具有充填质量高、充填成本低等优势[1]，在国内外地下矿山广泛使用[2￣4]。膏体输送是膏体充填的关键工艺之一，阻力特性又是膏体管道输送的关键研究内容，对于管路优化布置以及泵送设备选型等方面具有重大的实用价值。传统研究中，一般将充填料浆视作为两相流流体，并在大量环管实验数据的基础上，构建了一系列阻力计算的经验公式，如杜兰德公式、金川公式等[5]。但对于膏体而言，由于流动结构及流动形态方面存在的差异，上述公式表现出较差的适用性，计算结果往往与实际情况相差悬殊[5]。因此，对于膏体管输阻力需要借助环管实验获得。

谦比希膏体充填系统是赞比亚建成的第一个膏体系统，目前系统已平稳运行两年多，累计充填23万m3。本文介绍了谦比希铜矿膏体系统调试期间现场环管实验，探讨了膏体浓度和水泥掺量对膏体磨阻损失的影响，并对膏体在管道内部流态进行分析，为谦比希膏体管道输送系统优化提供依据。

1　环管实验系统及方法

1.1环管实验系统构成

环管实验系统由尾砂浓密系统、膏体制备泵送系统、循环管路及数据采集系统等几部分组成，其中，浓密系统及制备泵送均依托于矿区新建的膏体充填搅拌站，而循环管路则根据实验要求进行布置(见图1)。

图1　环管布置

1.2环管实验方案

实验主要考虑膏体浓度及水泥掺量2个因素对摩阻损失的影响。具体实验方案见表1，共设计9组实验，1～5组考察浓度对摩阻损失的影响，水泥掺量均为11%，根据泵送设定流量范围为24～60 m3/h；6～9组考察水泥掺量对摩阻损失的影响，其质量浓度控制在71%左右，流量范围为24～60 m3/h。

2　实验结果

2.1膏体浓度对摩阻损失的影响

图2为膏体浓度对摩阻损失影响环管实验结果。由图2可知，随着膏体体积浓度及流量的增加，摩阻损失均呈递增变化，在实验条件范围内，相应摩阻损失为1500～4000 Pa·m-1。同时，浓度对摩阻损失的影响十分显著，在浓度较低时，即体积浓度为44%～47%时(质量浓度67%～70%)，摩阻损失的变化较为平缓，当体积浓度大于47%(质量浓度70%)时，摩阻损失的增率加剧。

表1　实验方案

图2　膏体体积浓度对摩阻损失影响

2.2水泥掺量对摩阻损失的影响

图3为膏体体积浓度约48%，不同流量条件下，水泥掺量对摩阻损失的影响规律，摩阻损失范围为3000～4000 Pa·m-1。

图3　水泥掺量对摩阻损失影响

由图3可知，随水泥掺量的增加，损失呈现先降低再增大的变化趋势，当水泥掺量为8%时，摩阻最小，纯全尾砂及水泥掺量为11%时，摩阻较大。

3　膏体管道内流态分析

膏体在管道输送过程中具有不分层、不离析等优点，而固体颗粒不发生沉降是保证膏体稳定输送的前提。

3.1颗粒/絮团临界尺寸

当颗粒所受的重力与剪切阻力相等时，沉降阻力为0，颗粒处于悬浮状态，此时对应的颗粒粒径dmax即为不沉粒径：

(1)

式中：dmax——不沉粒径；

τy——屈服应力；

ρs——固体颗粒密度；

ρm——膏体密度。

由式(1)可知，为了保证膏体在管道内均质流动，则物料中的最大粒径应小于dmax，且膏体屈服应力越大，则能够承受的最大粒径越大。

3.2层流过渡流速

研究表明，均质流体在管道中流动的摩阻损失△P与流速V的典型关系如图4所示。在高流速区，流体为紊流流态，当流速减小到某一点时，流动从紊流转入层流，此点流速即为“过渡流速”，记做为VD；由此可见，在膏体管道输送过程中，为了避免摩阻损失过大，确定其流态由层流向紊流转变的过渡流速显得尤为必要。

图4　均质流管道摩阻损失与流速典型关系

临界雷诺数：

(2)

式中，Rec为临界雷诺数；D为管径；V为膏体流速；μp为塑性黏度。

过渡流速VD为：

(3)

3.3流态参数计算结果

在谦比希铜矿膏体充填环管实验数据测试基础上，分析了不同状态下管径D150 mm管道中的流态，相关计算结果如表2所示。

由表2可知，在上述浓度及配比条件下，充填物料中的最大粒径远远小于不沉临界粒径dmax，完全满足固体颗粒在浆体中的悬浮条件，因此浆体在管内呈均质流动。同时，在既有的管道及泵送流量条件下，浆体雷诺数远小于临界雷诺数，流速不超过 5.24 m·s-1时，膏体在管内均呈层流流态。

表2　流态分析相关参数计算结果

4　结　论

(1) 膏体浓度对摩阻损失影响环管实验结果表明，随着膏体体积浓度及流量的增加，摩阻损失均呈递增变化，在实验条件范围内，相应摩阻损失为1500～4000 Pa·m-1。在浓度较低时，即体积浓度为44%～47%(质量浓度67%～70%)时，摩阻损失的变化较为平缓，当体积浓度大于47%(质量浓度70%)时，摩阻损失的增率加剧。

(2) 膏体体积浓度约48%，水泥掺量为0～11%，不同流量条件下，摩阻损失范围为3000～4000 Pa·m-1。随水泥掺量的增加，损失呈现先降低再增大的变化趋势，当水泥掺量为8%时，摩阻最小，纯全尾砂及水泥掺量11%时，摩阻较大。

(3) 分析了颗粒在管道内不沉尺寸以及过渡流速理论计算方法。基于谦比希膏体充填环管实验结果，对管径150 mm条件膏体流态分析相关参数进行计算。结果表明，谦比希膏体充填物料中的最大粒径小于不沉临界粒径dmax，可满足固体颗粒在浆体中的悬浮条件，在管内呈均质流动。并且，膏体雷诺数远小于临界雷诺数，流速不超过 5.24 m·s-1时，膏体在管内均呈层流流态。

[1]李镇瀚.全尾砂膏体充填在拉么锌矿的研究与应用[J].采矿技术，2015，15(1)：6￣9.

[2]GHIRIAN A,FALL M.Coupled thermo-hydro-mechanical-chemical behaviour of cemented paste backfill in column experiments:Part II:Mechanical,chemical and microstructural processes and characteristics[J].Engineering Geology,2014,170:11￣23.

[3]WU A X,WANG Y,WANG H J,et al.Coupled effects of cement type and water quality on the properties of cemented paste backfill[J].International Journal of Mineral Processing.2015,143:65￣71.

[4]王勇,吴爱祥,王洪江,等.从屈服应力角度完善膏体定义[J].北京科技大学学报,2014,36(7):855￣860.

[5]刘晓辉.膏体流变行为及其管流阻力特性研究[D].北京：北京科技大学，2014.

2016￣06￣08)

杨清平(1965-)，男，湖北孝感人，高级工程师，主要从事采矿技术与管理工作，Email：251671170@qq.com。