尾砂料浆L型管道自流输送试验研究

杨 宁 ，尹贤刚

（1.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南 长沙 410012；2.国家金属采矿工程技术研究中心，湖南 长沙 410012；3.金属矿山安全技术国家重点实验室，湖南 长沙 410012）

0 引言

充填采矿法具有回采安全、贫损率低、回收率高以及绿色环保等诸多优点，成为国内外采矿的发展趋势[1-2]。利用管道作为载体输送充填料浆是充填系统的中枢手段之一，其相关参数的分析和计算是管网敷设的重要基础，甚至决定充填系统运行的成败[3-6]。学者在充填系统的设计理论方面做过很多研究，推导出了一系列经验公式，但考虑到充填管网的重要性和复杂性，设计系统时仅凭理论公式换算得出的结果，不具说服力，另外系统调试时会出现各种问题，得不偿失。充填料浆在输送过程中所受剪切应力，黏性系数等参数，与全尾砂的自身性质、管道的材质及其直径等因素相关，各矿山尾砂不同，需通过行之有效的方法测定各项参数[7]。业内推广的方法主要有以下四种：环管试验[8-10]、加压管式流变测定试验[11]、L型管道输送试验[12]以及旋转流变仪测定试验[13]。本文依托某矿山选矿厂排出的全尾砂料浆，结合前期坍落度试验得出的结论，开展L型管道输送试验研究，得出了料浆在充填管道输送时的各项流动性指标值，作为充填系统建设的理论依据。

1 L型管道自流输送试验

1.1 全尾砂的物理化学性质

针对某矿山使用充填法采矿以及选矿工艺特性，收集从选厂流出的全尾砂料浆，经晒干后运至长沙矿山研究院充填实验室。由于全尾砂的粒径及其化学成分都会影响料浆流动性，故用MASTERSIZER激光衍射粒度分析仪（英国马尔文仪器有限公司，型号300）测定粒度，且对全尾砂的化学成分进行分析。结果如图1和图2所示。计算得颗粒均匀度系数26.51（大于5），表明尾砂粒级不均匀，尾砂小颗粒可进入大颗粒间缝隙，使充填体更紧密，有利于提高强度；含硫量小于6%（1.33%），对充填体的影响不大，Si含量较高，有利于提高强度。

图1 全尾砂粒度统计图Fig.1 Statistics of full tailings particle size

图2 全尾砂化学成分及含量Fig.2 Chemical composition and content of full tailings

1.2 试验方案及参数

使用充填法开采的矿山，可将充填系统管路中输送的料浆近似为黏稠流体，通过试验获取输送流体各项参数。对于需要输送高浓度充填料浆的矿山而言，研究其流动性能势在必行，研究结果对现场生产起重大指导意义。充填料浆可当作流体力学中提及的宾汉流[13]，即研究料浆流动性时使用与之相像的测定方法。本研究依托某使用充填法矿山，经过前期试验研究明确了L管试验的方案，选取6组灰砂比（0、1∶4、1∶6、1∶10、1∶12、1∶15）、5 组浓度（66%、68%、70%、72%、74%）、7组管径（80～200 mm）以及 8组流量（60～200 m3/h），共1680组试验进行全尾砂料浆流动性能测定。图3和图4分别为试验装置结构尺寸及料浆在充填管道中流动时的受力状态。

图3 自流输送试验装置结构尺寸图Fig.3 Structure diagram for the gravity flow conveying test device

图4 充填料浆在流动时的受力状态图Fig.4 Stress diagram of filling slurry when flowing

料浆的流动性能指标包含τ0（屈服剪切应力）和η（黏性系数）。以宾汉流的方程式为基础，结合料浆在管道中输送的流动速度V，再依照伯努利方程即可推出：

式中：V为充填料浆流速，m/s；D为管道直径，m；τ0为屈服剪切应力，Pa；τ为管壁剪切应力，Pa；η为黏性系数，Pa·S。

试验开始后，料浆从管道中流出，料面下降，流动速度也随之减小，最终停止流动，此时管内料浆高为h0，料浆自重压力与管道静摩擦阻力相平衡，即可用式（2）计算 τ0：

式中：h0为静止状态下竖管中料柱高，m；γ料浆容重，kN/m3；L试验管道水平长度，m。

试验测出流速V，结合 γ，代入式（1）和式（2）可求得对应τ0、τ，则η如下式：

（1）料浆流速V（m/s）：

式中：Q为充填料浆流量，m3/h。

（2）流动阻力

管道单位长度流动阻力i（Pa/m）：

（3）输送倍线及自流输送判断

式中：（H+L）/H为管道总长和垂直管道高度比值，则代表输送倍线N0；H为垂直管道高度，m。

2 料浆流动阻力与输送倍线试验结果

观察上述与料浆流变指标有关的各项公式，可通过（4）式计算得到料浆流量和管径各项指标都不一致时相对应的料浆流速V，结果如表1中所示，将该数据代到式（5）和式（6）可分别求出不同情况的i、N0。

表1 不同料浆流量及管径时料浆流速计算表Tab.1 Calculation table of slurry flow rate of different slurry flow and pipe diameter

图5 内径140mm、流量120m3/h的阻力Fig.5 Calculation results of resistance of different pipe diameter(140 mm)and flow rate(120 m3/h)

图6 内径140 mm、流量120 m3/h的输送倍线Fig.6 Calculation results of transmission doubling line of different pipe diameter(140 mm)and flow rate(120 m3/h)

文中选择用简洁且直观明了的散点图对试验所得数据进行记录，在图7、图8中只展示了灰砂比为1∶6，料浆浓度为 72%时，7 种管道内径80～200 mm以及8种料浆流量60～200 m3/h情况下i和N0的变化情况，其他没列出的浓度为66%、68%、70%和74%以及灰砂比为 0、1∶4、1∶10、1∶12 和 1∶15 的料浆变化特征与之相似。

图7 浓度72%的料浆输送阻力随管道内径变化Fig.7 Variation of slurry transmission resistance(with a concentration of 72%)with the change of inner diameter of pipe

图8 浓度72%的料浆输送倍线随管道内径变化Fig.8 Variation of slurry transmission doubling line(with a concentration of 72%)with the change of inner diameter of pipe

分析试验数据，可得随着料浆灰砂比的改变，不同流量和浓度的料浆所对应的流动阻力与输送倍线的变化规律。本文只列出了浓度为72%、管径为140 mm时，不同灰砂比料浆输送i和N0的变化情况，如图9、图10中所示，其他没列出的浓度为74%、70%、68%以及66%的料浆输送流动指标也与此规律相似。

图9 浓度72%的料浆输送阻力随灰砂比变化Fig.9 Variation of slurry conveying resistance(with a concentration of 72%)with the change of cement sand ratio

图10 浓度72%的料浆输送倍线随灰砂比变化Fig.10 Variation of slurry transmission doubling line(with a concentration of 72%)with the change of cement sand ratio

图11 灰砂比1∶6的料浆输送阻力随流量变化Fig.11 Variation of slurry conveying resistance(cement sand ratio is 1:6)with the change of flow rate

图12 灰砂比1∶6的料浆输送倍线随流量变化Fig.12 Variation of slurry transmission doubling line(cement sand ratio is 1:6)with the change of flow rate

通过室内L型管道料浆输送试验，测定了充填料浆各种不同情况下的流动性指标。观察料浆各流量、管径相对应的流速，当管径140 mm，流量每小时120 m3时，不同灰砂比和不同浓度的充填料浆输送阻力和倍线的变动曲线规律可得，同样的流量，当管径逐渐增大，流速会慢慢降低。同样的管径，当料浆的流量逐渐增大，则流动阻力也会随之加大，且随着水泥的增多，料浆的流动阻力也会变强。反之，充填管径及流量大小为一定值时，当浓度增大，输送倍线会随之减小，料浆中水泥的含量变多，输送倍线也会变小。观察图中所列出的灰砂比1∶6，浓度72%的料浆，在7种不同管径以及8种流量条件下所对应的输送阻力和输送倍线变化情况，得管道的直径变大，充填料浆在各种浓度中的输送阻力都会随之减小，输送倍线会变大，浓度越小料浆在流动时的阻力越弱，此时输送倍线会跟着变大。其他图中未列出的浓度 66%～70%、74%和灰砂比 0、1∶4、1∶10、1∶12、1∶15的料浆也遵循此规律。

3 结论

分析试验得出的数据，可得充填料浆在不同条件下的输送阻力和输送倍线的变化规律，管道中的料浆，其流动性参数（包括输送阻力和输送倍线）的变化受料浆质量浓度和灰砂比的影响，观察试验数据发现流动参数受质量浓度的影响较灰砂比略显著。因此，可利用这两个影响因素，根据现场实际需求对输送倍线进行调节。输送倍线较小时，可增加料浆质量浓度，降低流速，将料浆对充填管道的磨损减小，不产生负压，但要注意避免管道堵塞；输送倍线较大时，为防止因料浆流速较小引起的滞留现象，通过降低料浆浓度的手段使输送阻力变弱，提高流速，以实现料浆在管道中的长距离输送，但不能忽视排水。

当料浆浓度为定值，增加水泥量，输送阻力会增大，究其原因料浆中不同颗粒所占比重改变了。本试验采用的全尾砂粒径小于20μm的比重约为27.05%，使用的胶结剂颗粒粒径小于20 μm的比重约为50%～70%，因此水泥含量增加时，料浆中细小微粒增加，比表面积也会相应增大。所以，同样浓度的充填料浆，灰砂比不同，其输送阻力也不同，灰砂比越大阻力越大，同时可顺利输送的倍线较低，但在充填料浆中适量添加水泥，增加细颗粒可以提高和易性，料浆输送时在管道的内腔产生润滑层，有利于结构流的产生，以实现自流输送，有时管道中料浆发生短时间的暂停后依然可以流动。