某矿山全尾砂似膏体料浆L管试验研究

齐兆军，宋泽普，寇云鹏，杜加法，刘 超，杨纪光

(山东黄金矿业科技有限公司充填工程实验室分公司，山东 莱州 261400)

管道输送是矿山充填工艺的重要一环，且充填体的管流阻力是充填工艺参数设计的重要依据[1]。对于较低浓度充填料浆的管流阻力计算，相关学者以固-液两相流理论和流变学理论为基础获得了一系列计算公式，包括基于重力理论的卡杜里斯基公式、杜兰德公式、金川公式等，基于能量理论的苏联煤炭科学研究院公式、鞍山黑色金属矿山设计院公式和会泽经验公式等；当充填浓度提高，充填料浆达到膏体(似膏体)状态，可视为宾汉姆流体，其在管道中的流动呈结构流，对于结构流体的流动特性研究，流变学理论更加有效，如基于流变学的会泽经验公式[2-8]。上述公式大多是经验公式，运用存在局限性，计算结果往往和矿山实际也存在较大误差，不同矿山尾砂的物化性质和粒径组成存在较大差异，对料浆管道输送特性要求不同。进行现场管流输送试验是目前获得管流阻力等输送参数较为直接的方法，其中半工业环管试验规模较大、费用较高，L管试验更加简单易行[9-13]。

本研究为探索某金矿全尾砂似膏体充填料浆的管道输送参数，对其全尾砂物化性质进行了分析，在此基础上开展L管试验研究，对不同配比全尾砂似膏体料浆的管流阻力，流变参数以及可实现顺利输送的充填倍线进行了分析，为该金矿全尾砂似膏体料浆输送选择合理的输送参数提供理论支撑。

1 试验物料物化性质

试验的物料为某金矿全尾砂，尾砂物化性质的测定是充填体性质测试的基础，参照相关规程，采用比重瓶法及堆积法分别测定全尾砂和分级尾砂的比重和容重，结果见表1；采用水筛筛分法测定全尾砂及分级尾砂的粒径组成，结果见表2；采用X射线衍射测试方法(XRD物相测试分析仪)测定尾砂的物相组成。

表1 全尾砂物理性质

表2 全尾砂粒径分布

实验数据表明，该矿山全尾砂总体呈粗细颗粒均较多，中间粒度颗粒含量较少的趋势，其中粒径150 μm以上颗粒含量为30.7%，37 μm粒径以下颗粒含量为42.5%，全尾砂的细颗粒含量高，-20 μm累计含量达36.55%，孔隙率较大，与胶结材料结合后易形成结构流体，有利于料浆流动性，且和易性及密实度好，充填料浆更易达到似膏体状态，适宜做似膏体充填骨料。全尾砂的物相组成成分测试结果表明该矿全尾砂物相组成比较单一，主要是石英和云母，这两种物质难溶于水且不易单体解离，对尾砂充填料浆流动性影响很小。

2 全尾砂似膏体料浆输送特性分析

2.1 L管原理分析

含有一定比例的-20 μm颗粒的充填料浆，当浓度较高、坍落度为18～20 cm以上时，可达到膏体(似膏体)状态，其流变特性既不同于牛顿流体，亦不同于分级尾砂或其它固体颗粒和水组成的固-液两相流。牛顿流体(如清水)自身无抗剪切强度，当其沿管道流动且流速较低时为层流状态，流速较高时则为紊流，其流动阻力主要与其黏度及流速有关，其τ-du/dy曲线为一过坐标原点的直线；固-液两相流沿管道的流动则完全处于紊流状态，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(水)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不动，固体颗粒将在自重作用下沉淀于管道底部，即在管道中产生分层、离析等现象。

膏体(似膏体)料浆的流变特性可用宾汉流体来描述。即流体自身具有一定的初始抗剪切变形的能力，当其沿管道流动时，其产生的摩擦阻力的计算公式见式(1)。

(1)

式中：τ为管壁剪切应力，Pa；τ0为初始剪切应力(或屈服剪切应力)Pa；η为黏性系数，Pa·S；du/dy为剪切速率，S-1。

宾汉流体在压力条件下沿管道流动时，受力情况如图1所示。

图1 宾汉流体沿管道流动受力示意图

根据受力平衡，膏体(似膏体)呈柱塞状的运动范围的计算公式见式(2)。

(2)

式中：Δp为长度为l的流体两端的压力差，Pa；i为单位管道长度的压力损失，即输送阻力，Pa/m。

当输送管径R>r0时，只是在管道中心产生柱塞流或“结构流”；而当R≤r0时，则流速在整个管道内均匀分布，即形成整管柱塞流或“结构流”，由于在柱塞流或“结构流”的范围内，流体质点既不产生相对运动又不发生质点交换，从而可减少输送过程的内摩擦损失，流体沿管道的流动只是沿管壁的“滑移”。由大量生产实践证实，含有细微颗粒的料浆沿管道输送时，由于压力作用，浆体物质及细微颗粒被挤向外层，从而在管壁形成一个润滑层，从而显著降低管道输送阻力。

根据式(1)，并考虑管道全断面具有流速V，根据伯努利方程可得管壁剪切应力，见式(3)。

(3)

实验室L管充填料浆自流输送试验装置结构及充填料浆在管道中流动时的受力状态如图2所示。

P0-进口处压力;Pg-料浆自重压力;Pl-沿程阻力损失;P′-出口压力损失图2 自流输送试验装置图

料浆流速计算公式见式(4)。

(4)

式中：t为流动时间，s；G为时间t内流出的料浆质量，kg；γ为料浆容重，N/m3；D为管道内径，m。

沿程损失中的局部损失包括弯管损失、接头损失等等，计算较为繁杂，为了简化起见，一般取其为直管损失的10%～20%，在数据分析计算时，取15%，由料浆在L管内的受力平衡得出，见式(5)。

(5)

式中：h为竖直管高度，m；h′为料斗中料浆高度，m；g为重力加速度，9.8 m/s2。

料浆的屈服应力计算公式见式(6)。

(6)

式中：h0为竖直管中静止料柱高度，m；L为水平管长度，m。

料浆的黏性系数计算公式见式(7)。

(7)

2.2 管流阻力及充填倍线

屈服应力τ0及黏性系数η是膏体(似膏体)料浆的固有属性，不同管径及流速下料浆的流动阻力可根据流变参数计算，见式(8)。

(8)

对于矿山充填管网而言，在自流输送的条件下，若垂直管道高度为H，水平管道长度为L，根据能量守恒原理，可得出管道总长与垂直管道高度之比(H+L)/H，即充填倍线，见式(9)。

(9)

3 试验内容及结果

3.1 试验内容

为确定全尾砂似膏体充填料浆的输送性能指标，给充填管网设计提供理论计算依据，结合矿山生产实际，实验室设计了72%、74%浓度全尾砂料浆的自流输送试验，试验灰砂比为1∶5、1∶8、1∶10、1∶12四种。试验装置的基本参数为：竖直管高度h=1.05 m，水平管长度L=2 m，管道内径D=0.1 m。

具体试验步骤如下：①按设计配制不同配比料浆，并测量配置好料浆的容重γ;②将水平管道接好，并关闭其末端球阀，将配置好的似膏体料浆导入料斗中;③打开球阀，进行正式试验，待料浆停止流动，量取竖直管中静止料柱的高度h0，用秒表测量料浆流动时间t，并称量流入盛料容器内料浆的重量G;④通过式(4)求出料浆流速V，由式(5)、式(6)和式(7)求出似膏体料浆相应的管壁剪切应力τ、屈服应力τ0、黏性系数η，代入式(8)、式(9)得到似膏体料浆的流动阻力及实现自流输送的充填倍线;⑤不同配比的似膏体料浆重复以上试验步骤，得到不同配比料浆的输送参数。

3.2 试验结果

根据试验结果，得出不同配比似膏体料浆的容重及流速见表3。

表3 充填料流动性试验结果

同一灰砂比条件下，充填料浆浓度提高两个百分点，料浆流速急剧下降，变为原来流速的1/3左右；相同浓度条件下，不同灰砂比料浆流速差距不大。

3.2.1 流变参数计算分析

计算得到不同配比似膏体充填料浆流变参数如表4所示。

屈服剪切应力τ0其物理意义为料浆在静止状态下抵抗剪切变形的能力，也可理解为料浆抗离析沉淀的能力，其与料浆浓度具有直接的关系，由数据看出：对各灰砂比料浆，充填料浆的浓度自72%增加到74%时，τ0增大了1～1.8倍；黏性系数η表征了料浆在运动状态下所产生的抵抗剪切变形的能力，对既定的料浆而言，黏性系数决定了输送阻力随浓度增加的幅度，全尾砂充填料浆的黏性系数η随浓度的变化幅度也较大，浓度74%的充填料浆黏性系数约为浓度72%时的2.6～3.2倍。因此在生产中，应对充填料浆浓度的控制有足够的措施，避免出现浓度过高输送阻力过大的问题。总体而言，浓度72%～74%的充填料浆具有一定的抗离析能力，工程上可实现长距离输送。

3.2.2 流动阻力及充填倍线计算分析

料浆浓度分别为72%、74%，不同灰砂比的料浆由试验得出的料浆流动阻力及可实现顺利输送的允许充填倍线计算结果见表5。72%和74%料浆屈服应力及黏性系数对比结果如图3所示。

表4 不同配比料浆的流变参数

表5 试验管道输送参数

图3 72%和74%料浆屈服应力及黏性系数对比

试验结果表明，在管道内径100 mm时，可实现顺利输送的充填倍线为2.26～3.02。通常的经验证明，在实际生产条件下，可实现自流输送的充填倍线往往大于L管试验所得结果。

4 结 论

本文通过L管试验对某矿山似膏体充填料浆的输送特性进行了试验研究，充填料浆沿管道的输送阻力i与充填料浆自身的流变参数(屈服剪切应力τ0、黏性系数η)及输送管道直径D有关。

1) 在相同的输送管径条件下，随料浆质量浓度增加，该矿山全尾砂似膏体充填料浆的管壁剪切应力、屈服应力τ0、黏性系数η、流动阻力明显增大，料浆流速及可实现顺利输送的充填倍线减小；同一浓度条件下，灰砂比变化造成输送参数的变化不大。因此在生产中，应对充填料浆浓度的控制有足够的措施，避免出现浓度过高输送阻力过大的问题。

2) 该矿山全尾砂似膏体充填料浆在质量浓度72%～74%时具有一定的抗离析能力，工程上可实现长距离输送。

3) 在管道内径100 mm时，该矿山全尾砂似膏体充填料浆可实现顺利输送的充填倍线为2.26～3.02。