戈壁砂和棒磨砂骨料充填料浆管输特性试验

杨志强，高 谦，姚维信，刘洲基

(1.北京科技大学 土木与环境工程学院 北京 100083;2.金川集团股份有限公司 镍钴资源综合利用国家重点实验室，甘肃 金昌 737100)

戈壁砂和棒磨砂骨料充填料浆管输特性试验

杨志强1,2，高 谦1，姚维信2，刘洲基2

(1.北京科技大学 土木与环境工程学院 北京 100083;2.金川集团股份有限公司 镍钴资源综合利用国家重点实验室，甘肃 金昌 737100)

基于利用戈壁砂替代棒磨砂骨料来降低充填采矿成本的目的，开展两种骨料充填料浆管道输送特性试验。首先进行戈壁砂和棒磨砂两种骨料的粒径级配分析，结果显示两种充填骨料的粒径级配基本相同。然后采用L管试验装置，对两种骨料的充填料浆进行流变特性对比试验。结果表明：在相同条件下，当质量浓度小于82%，两种骨料充填料浆流变特性不存在本质上的差异；当料浆质量浓度大于82%时，戈壁砂充填料浆流变特性优于棒磨砂；当充填管径大于130 mm时，两种骨料充填料浆流变特性基本相同；当充填管径小于130 mm和质量浓度小于82%时，戈壁砂充填料浆流变特性优于棒磨砂。由试验结果可知，当料浆质量浓度小于82%和管径小于130 mm的管道输送条件下，戈壁砂替代棒磨砂充填料浆的管输特性没有变化。采用高浓度和大管径管道输送时，戈壁砂充填料浆更有利于管道输送。由此表明，金川矿山充填采矿中利用廉价的戈壁砂替代棒磨砂骨料，能够降低充填成本，提高充填采矿经济效益。

戈壁砂；棒磨砂；充填料浆；管输特性；对比分析

充填法采矿不仅能够提高资源回收率和降低矿石贫化率，而且还可以减少废弃物排放，控制岩移地表塌陷，从而保护环境和防控地质灾害。可以预见，充填法采矿是未来资源开发的发展趋势。与其他采矿方法相比，充填采矿法回采工艺复杂，采矿技术难度大，采矿成本高。其中充填骨料和胶凝材料是采矿成本的重要组成部分。低成本充填集料采矿技术研究，是提高充填采矿效益的重要途径[1-4]。由于不同充填集料料浆流动特性与管输阻力存在较大差异，许多学者针对不同充填集料，开展了充填料浆流变特性和管输阻力研究[5-8]，为不同充填骨料的充填法采矿提供了理论依据。

金川矿山采用下向分层进路充填法采矿，是我国最早采用充填法采矿的大型有色金属矿山之一。充填法采矿对充填体强度要求高，因此采用棒磨砂充填骨料，导致充填成本居高不下。为了降低充填采矿成本，自2004年以来将棒磨砂细骨料颗粒最小粒径筛分等级从小于3 mm提高到小于5 mm；同时针对棒磨砂与尾砂混合骨料，开展了高浓度料浆管道输送特性研究[9-13]。尤其近年来，开展了废石与棒磨砂的混合骨料充填采矿技术研究[14-17]，为尾砂和废石等废弃物在金川矿山充填采矿中的应用提供了理论依据。根据金川矿山周围戈壁集料的考察和物化特性分析，发现戈壁集料自然级配良好，含泥量小于5%，是一种理想的充填集料，经筛分的小于5 mm戈壁砂替代棒磨砂可用于矿山充填采矿。本文开展棒磨砂和戈壁砂混合集料的充填料浆流变特性和管输阻力研究，为戈壁砂充填集料在金川矿山充填采矿中的应用奠定基础。

1 充填料物化特性与粒径级配分析

表1给出金川矿山附近戈壁砂的自然级配分析结果，表2为棒磨砂和戈壁砂的物化特性参数。表3给出两种充填骨料的粒度级配特征参数，图1和图2显示棒磨砂和戈壁砂粒径分布曲线。由此可见，棒磨砂粒径级配不符合正态分布，戈壁砂粒度级配基本符合正态分布，戈壁砂颗粒粒度分布优于棒磨砂。

表1 金川矿山戈壁砂自然粒径级配分布参数Tab.1 Natural particle size gradation distribution parameters of Gobi sand aggregate in Jinchuan mine

表2 金川棒磨砂与戈壁砂物化特性分析结果Tab.2 The physical and chemical properties analysis results for rod mill sand and river sand in Jinchuan mine

表3 金川矿山棒磨砂与戈壁砂粒径级配分布特征参数Tab.3 Particle size gradation distribution parameters of rod-mill sand and Gobi sand in Jinchuan mine

图1 金川矿山棒磨砂粒径级配分布曲线Fig.1 Particle size gradation distribution of rod-mill sand

图2 金川戈壁砂粒径级配分布曲线Fig.2 Particle size gradation distribution of Gobi sand

2 充填料浆流变特性参数的L试验

2.1 L管试验装置

图3(a)所示为充填料浆流变特性L管试验装置，试验装置由料浆斗、垂直管和水平管组成。图3(b)所示为料浆在L管中流动时的受力状态。通过测定L管试验装置中的流动参数，如料浆流量、流速、静止状态下垂直管中料柱高度等参数，可以推导出充填料浆初始剪切应力τ0及粘性系数η的计算公式。根据能量守恒定律，得出

P0+Pg=Pl+P′。

(1)

图3 充填料浆流变特性L试验装置与料浆受力分析Fig.3 L tube apparatus for filling slurry rheological property test and slurry force analysis

将各项计算表达式代入(1)式得

(2)

试验中，随着料斗内料浆液面逐渐下降，流速随之降低，最终停止流动，此时竖管内料柱高度为h0，料浆的自重压力与管道静摩擦阻力平衡，由此料浆初始屈服剪切应力计算公式为

(3)

根据管道充填料浆流量Q计算料浆的流速

(4)

由式(2)和(3)计算τ0、τ。料浆粘性系数η的计算公式为

(5)

2.2 充填料浆管输阻力计算

含有一定比例的-20 μm细颗粒集料和坍落度为18～22 cm的高浓度料浆，其流变特性不同于牛顿流体，也不同于固液两相流。牛顿流体静止时没有剪切应力，当其沿管道流动且流速较低时为层流状态，流速较高时则呈紊流状态，其流动阻力主要与粘度及流速有关。料浆流动阻力与剪切速率曲线τ～dv/dy为通过坐标原点的直线。固液两相流沿管道流动处于紊流状态，固体颗粒必须在水流的带动下呈悬浮、跳跃、滑动或滚动等方式向前运动，其显著特征是液体的流速与固体颗粒流速存在差异。一旦管内流速降低到临界流速以下或静止时，固体颗粒在自重作用下沉淀于管道底部，在管道中产生分层和离析。

根据中国金融学会绿色金融专业委员会发布的《绿色债券支持项目目录（2015年版）》，绿色债券可以划分为6大类，分别是节能、污染防治、资源节约与循环利用、清洁交通、清洁能源以及生态保护和适应气候变化。另外由于金融债的特殊性，将其单独作为一类。54只绿色债券资金投向多个类别的用途：其中有45只属于金融债，规模为1294亿元；9只非金融债，规模为59.74亿元。

高浓度料浆流变特性可采用宾汉流体来描述，即流体自身具有一定初始抗剪切变形能力。料浆沿管道流动的摩擦阻力

τ=τ0+η(dV/dy)。

(6)

式中：τ—料浆与管壁间剪切应力，Pa；τ0—屈服应力，Pa；η—粘性系数，Pa·s；dV/dy—剪切速率，s-1。

图4 充填料浆在管道内流动的受力状态Fig.4 Stress state of filling slurry flowing in the pipe

宾汉姆流体沿管道流动过程中的受力状态如图4所示。

取长度为l，半径为r的一段圆柱体，其充填料浆平衡方程式为：

(p+Δp)πr2=pπR2+2πR·l；

(7)

即

(8)

将式(8)代入式(6)得：

(9)

对r积分，且根据边界条件r=R时，V=0，获得料浆流速在管内的分布函数：

(10)

式中：Δp——长度为l时的浆体两端压力差；R—管道半径。

由式(10)可知，管道内不同位置的浆体剪切速率和剪切应力，随管道半径r的变化而变化。当r=R即在管壁内，料浆剪切速率及剪切应力达到最大，越靠近管道中心越小。当料浆的剪切应力小于其屈服应力τ0时，浆体的剪切速度为0。根据(9)式，令dv/dy=0可得到：

(11)

式中：i—单位管道长度的料浆压力损失，即料浆管道输送阻力，Pa/m。

(12)

式中：D—管道内直径，m。

3 料浆流变特性试验结果与分析

1) 料浆流变特性试验与结果

根据金川矿山充填过程与充填工艺参数，针对棒磨砂和戈壁砂两种骨料，分别进行85%、82%、79%和76%四种浓度条件下充填料浆流变特性试验，试验结果见表4。

表4 不同料浆浓度的棒磨砂和戈壁砂料浆流变特性试验结果Tab.4 Test results of rheological properties of the two kinds of filling slurry with different concentrations

2) 料浆流变特性影响因素分析

图5为棒磨砂和戈壁砂骨料充填料浆初始屈服应力和粘度系数与料浆浓度的关系曲线。由表4及图5可见，料浆流变参数随浓度的增加而增大。当浓度小于82%时，两种骨料料浆流变参数基本相同；但浓度大于82%时，棒磨砂料浆流变特性显著大于粗骨料戈壁砂料浆。图6和图7分别为两种充填料浆的塌落度和容重与料浆浓度的关系曲线。由此发现，两种骨料的充填料浆塌落度和容重均随浓度的增加而分别呈现减小和增大趋势。浓度大于82%时，棒磨砂塌落度大于戈壁砂，而浓度小于82%时，棒磨砂容重小于戈壁砂。

图5 棒磨砂和戈壁砂料浆流变特性与料浆浓度的关系曲线Fig.5 Relation curves between the rheological properties and slurry concentration of the two kinds of filling aggregate

图6 棒磨砂和戈壁砂料浆塌落度与料浆浓度的关系曲线Fig.6 Relation curves between the slurry slump and slurry concentration of the two kinds of filling aggregate

图7 棒磨砂和戈壁砂料浆容重与料浆浓度的关系曲线Fig.7 Relation curves between the slurry bulk density and slurry concentration of the two kinds of filling aggregate

4 充填料浆管道输送阻力研究

根据L管试验的充填料浆流变特性试验结果，由式(14)计算管道中的料浆流动阻力

(14)

式中：i—料浆输送管道单位长度的流动阻力，Pa/m；V—管中料浆流动速度，m/s，由式(4)计算；D—充填料浆管径，m。

根据金川矿山充填管网的管道直径以及充填生产能力，不同浓度的棒磨砂和戈壁砂料浆在不同管径中管输阻力的计算结果见表5和表6。由此可见，料浆管输阻力随管径的增加迅速降低。流量越大，降低速率也越大，但管径增加到125 mm时降低速率减小。根据表5中质量浓度为85%的棒磨砂料管输阻力与流量的关系可以发现料浆管输阻力随管道流量的增加呈线性增大。管径越小增大的速率越大。管径125 mm和150 mm的管阻增加速率相差不大。由此可见，采用130 mm的管径最为经济。

表5 棒磨砂充填料浆流动阻力计算结果Tab.5 Calculation results of filling slurry flow resistance of rod-mill sand aggregate kPa/m

续表5

表6 戈壁砂充填料浆流动阻力计算结果Tab.6 Calculation results of filling slurry flow resistance of Gobi sand aggregate kPa/m

由表5中流量为80 m3/h的棒磨砂料浆管输阻力与质量浓度的关系可以发现，管输阻力随料浆浓度的增加而增大。尤其在质量浓度大于82%和管径D=80 mm的小管径时增加显著。在质量浓度小于82%的输送条件下，管径为D=125 mm和D=150 mm的管输阻力差别不大。由表5中管径为125 mm的棒磨砂料浆管输阻力与料浆浓度的关系可以发现，质量浓度小于82%的管输阻力随浓度增加的速率较小。但当质量浓度大于82%时，管输阻力随浓度增大速率迅速提高。

根据表5和表6中管径为125 mm和流量为80 m3/h的棒磨砂和戈壁砂两种骨料料浆管输阻力与浓度的关系可以看出，当质量浓度小于82%的两种骨料的料浆管输阻力基本相同，但当质量浓度大于82%时，棒磨砂料浆的管输阻力显著大于戈壁砂。由表5和表6中管径为125 mm和流量为80 m3/h的两种骨料料浆管输阻力与管径的关系可以看出，当管径小于130 mm，棒磨砂料浆管输阻力显著大于戈壁砂；当管径大于130 mm，棒磨砂料浆管输阻力稍大于戈壁砂，但两种骨料的充填料浆管输阻力不存在本质上的差异。

5 结论

利用金川矿区附近戈壁砂替代棒磨砂进行充填法采矿，是降低金川矿山充填采矿成本的途径之一。通过戈壁砂和棒磨砂两种骨料的充填料浆流变特性试验和管输阻力对比研究，获得如下结论：

1) 相同条件下，当料浆浓度小于82%时，棒磨砂和戈壁砂两种骨料的充填料浆的流变参数相差不大；但浓度大于82%时，棒磨砂料浆流变特性优于戈壁砂充填料浆。

2) 管道直径小于130 mm时，棒磨砂充填料浆的管输阻力随流量的增加迅速增大；但当管径大于130 mm 时，管输阻力随流量的增大而增大不显著。

3) 当管径大于130 mm和料浆浓度小于82%，棒磨砂和戈壁砂两种骨料的料浆浓度流变特性和管输阻力不存在本质的差异，戈壁砂替代棒磨砂应用于金川矿山充填采矿中不仅可行而且可靠。

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(责任编辑：吕海亮)

Experiment on Pipeline Characteristics of Filling Slurry of Gobi Sand and Rod-mill Sand Aggregates

YANG Zhiqiang1,2,GAO Qian1,YAO Weixin2,LIU Zhouji2

(1.School of Civil and Environmental Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China;2.National Key Laboratory of Nickel and Cobalt Resources Comprehensive Utilization,Jinchuan Group Co.Ltd, Jinchang,Gansu 737100,China)

In order to reduce the filling mining cost by using Gobi sand to replace rod-mill sand aggregate,an experiment on the pipeline characteristics of two kinds of filling slurry was carried out.First,the particle size gradation of Gobi sand and rod-mill sand aggregates was analyzed.The results show that the particle size gradation of the two kinds of filling aggregates is basically the same.Then a comparison experiment on filling slurry rheological properties of the two kinds of aggregates was conducted by using the L tube test apparatus.The results show that under the same conditions,there is no fundamental difference in the rheological properties of filling slurry between Gobi sand and rod-mill sand aggregates when the slurry mass concentration is less than 82%.But when the slurry mass concentration is greater than 82%,the rheological properties of filling slurry of Gobi sand are superior to those of rod-mill sand.The filling slurry rheological properties of the two kinds of aggregates are basically the same when the pipe diameter is greater than 130 mm,while the filling slurry rheological properties of Gobi sand aggregate are better than those of rod-mill sand aggregate when the pipe diameter is less than 130 mm and the mass concentration is less than 82%.The results also indicate that the pipeline transportation bears no change when the rod-mill sand is replaced by Gobi sand if the slurry mass concentration is less than 82% and the pipe diameter is less than 130 mm.But if high concentration and large diameter transportation pipeline are adopted,the pipeline transportation of Gobi sand filling slurry is better than that of rod-mill sand.Accordingly,it is feasible to replace rod-mill sand aggregate with the cheap Gobi sand aggregate in the filling mining of Jinchuan Mine,which can reduce the filling mining cost and improve the filling mining economic benefits.

Gobi sand;rod-mill sand;filling slurry;pipelining characteristics;contrastive analysis

2016-04-04

国家高技术研究发展计划(“863”)项目(SS2012AA062405)；镍钴资源综合利用国家重点实验室资助项目(金科矿2015-01)

杨志强(1957—),男,山西万荣人,教授级高级工程师，主要从事金属矿山充填法采矿及镍钴资源综合利用研究.E-mail:YangZQ@jnmc.com 高 谦(1956—),男，江苏徐州人，教授，博士生导师，主要从事充填采矿和地压控制方面的教学和研究工作，本文通信作者.E-mail:gaoqian@ces.ustb.edu.cn

TD863

A

1672-3767(2017)01-0038-08