高浓度分级尾砂充填料浆管输阻力影响因素研究与分析

石宏伟，黄吉荣，滕高礼，潘张伟，张祝九，钟 超

(1.驰宏科技工程股份有限公司，云南 曲靖655000；2.云南驰宏锌锗股份有限公司，云南 曲靖 655000)

高浓度料浆因具有不离析、不沉淀、充填质量好、采场脱水量少、效率高、成本低等优点[1-3]，使其成为国内外学者的主要研究对象。但高浓度充料浆输送是一个关键的技术难题，若管输参数选取不合理，就会造成堵管、不满管输送等问题[4-5]。为了确保高浓度料浆能够顺利输送到井下采空区，进行高浓度充填料浆的工业管输试验是非常必要的。目前主要试验方法有L管试验和工业环管试验[6-9]。L管试验简单便捷，但其试验过于简单不能全面反应矿山的实际输送情况[3]；工业环管管输试验虽然实验强度大、费用高[8-12]，但能够测出在不同料浆浓度、不同流量(流速)、不同灰砂比下与矿山实际情况较为接近的管道输送阻力，从而可确定适用矿山高浓度充填系统的参数，为矿山实际充填提供技术参数。

为研究云南某矿山的高浓度分级尾砂充填料浆的管输特性，通过工业管输试验测得不同浓度、流量和灰砂比条件下的管道阻力数据，结合矿山实际充填情况分析管输阻力与各影响因素之间的关系，应用L9(3)4正交试验进行多因素影响规律分析，得出各个影响因素的主次关系，以便于实现高浓度分级尾砂充填料浆的管道输送，有效控制管输参数，确保高浓度充填系统安全、稳定。

1 充填材料的物理化学性质测定

选取云南某矿山选矿厂尾砂为试验原料，对尾砂的密度、体积密度、空隙率、松散密度、堆实密度情况进行测定。其测定结果见表1。

表1 云南某矿山的分级尾砂的物理力学性能表

采用化学元素标定法结合X衍射和扫描电镜等手段对云南某矿山选矿厂的分级尾砂进行化学成分分析和矿物组成分析。表2为分级尾砂主要化学成分标定结果。

分析结果表明：分级尾砂中主要化学成分有SiO2、Al2O3、CaO、MgO等，主要矿物成分为石英、长石、云母、赤铁矿。分级尾砂中可回收的金属含量均比较低，不含或少含有毒有害元素(如S)矿物，组成矿物物理化学性质稳定。

表2 云南某矿山分级尾砂化学成分表

为区分尾砂的粒度情况，对云南某矿山选厂的分级尾砂采用激光粒度分析仪进行测定。其测定结果如表3所示。

表3 云南某矿山分级尾砂(混合样)的粒度分布

从表3结果可知：云南某矿山的分级尾砂的粒度特性总体来看分级尾砂粒级比较集中，-0.246+0.097 mm粒度区间占50%左右，-0.097+0.05 mm粒度区间占35%左右。符合日本建筑学会制定的《泵送混凝土施工规程》中规定的通过0.3 mm筛孔颗粒含量为10%～30%的要求，能够配制流态混凝土的要求；也符合美国混凝土协会(ACI)推荐的细集料级配曲线建议的20%筛下率的要求[1]，说明矿山的分级尾砂可制备成具有良好流态的充填料浆。

2 工业管输试验

云南某矿山的充填系统工艺：将选矿厂的分级尾砂用汽车运至充填站的尾砂堆场，再用装载机将分级尾砂铲运至储料仓，通过螺旋给料机按照设计要求添加强度等级32.5R普通硅酸盐水泥，充填料浆的灰砂比为1∶4～1∶16，充填制备能力在60 m3/h左右。料浆经搅拌制备好后采用HBT80.18.132S型混凝土拖泵输送，最终通过地表充填管、钻孔及井下管网输送至井下充填工作面。

为了良好的模拟矿山实际充填的情况，优化矿山的充填配比，矿山的环管泵送试验管路系统设置成水平输送管道、倾斜(30°)下行输送管道、垂直(90°)下行输送管道等3种管道布置形式，总长度为100 m左右(包括倾斜管、水平管、垂直管和弯头)，充填倍线为5.0。环管设备及管路系统包括搅拌机、输送泵、管路、测试仪表(压力表5个)、测量数据采集选用工控系统等。

根据矿山现有的工业试验研究设备，搅拌机用1台JS1000型双卧轴强制式混凝土搅拌机，为了制备均匀，合格搅拌时间为4～6 min；输送泵用HBT80.18.132S型混凝土拖泵；充填管采用DN125 mm地泵管、曲率半径R1 500 mm的15°和90°弯管。料浆流量测量采用电磁流量计、管道测点压力测量采用压力变送器。

工业环管试验方案：充填灰砂比在1∶4～1∶16，充填流量在40～60 m3/h，充填料浆浓度在66%～70%。结合在实验室内进行的强度和流变试验数据，本次环管试验的试验方案设计如表4，提取数据接近流量(40、50、60 m3/h)、浓度(66%、68%、70%)、灰砂比(1∶4、1∶8、1∶12)条件下进行收集流量计和压力表的数值，进而分析其相关关系。工业充填管输试验管道布置见图1。

图1 工业充填管输试验管道布置图(单位：m)Fig.1 Layout of industrial filling pipeline transportation test

表4 工业环管试验的试验设计

Table 4 Test design of industrial ring pipe test

灰砂比充填料浆浓度设计充填料浆流量设计1∶41∶81∶12料浆质量浓度范围66%～70%,试验中采用由低浓度到高浓度的浓度改变方法,试验最低浓度66%,依次选取2%的浓度增大距离。本次主要选用浓度为66%、68%、70%,每组配比获取4～5组浓度条件下的压力值。充填料浆流量范40～60 m3/h,流量的大小由泵活塞冲、程频率来控制。本次选取流量为40、50、60 m3/h,每组灰砂比每种浓度获取4～5组流量条件。

3 管道输送试验的沿程阻力及其影响因素分析

根据高浓度分级尾砂充填料浆的工业管道输送试验的压力监测值，计算出试验中的水平直管和斜管道的管道沿程阻力，进一步深入研究管道沿程阻力与充填料浆质量浓度、料浆的流量、灰砂比之间的关系。根据工业管道输送试验压力表监测值计算出的管道沿程阻力，绘制浓度、流量、灰砂比与沿程阻力曲线图。

3.1 充填料浆的质量浓度对管道阻力的影响

水平管料浆浓度、斜管料浆浓度与阻力的关系分别见图2和图3。

由图2、图3可知：

1)高浓度分级尾砂充填料浆质量浓度对管输沿程阻力的影响极为敏感；当分级尾砂充填料浆浓度相差2%左右时，其管输沿程阻力的值就会波动40%～60%。其原因是分级尾砂的重量浓度越高，充填料浆的塑性黏度和屈服应力就越大，充填料浆在管道输送中管内流动阻力越大，其管道输送阻力损失也就越大。

2)分级尾砂充填料浆的流量和灰砂比一定时，随着分级尾砂充填料浆质量浓度增加，水平管道和斜管道的管输沿程阻力基本呈指数增长的趋势，且水平管道的管输沿程阻力增大值要大于斜管道的管输沿程阻力增大值。

图2 水平管料浆浓度与阻力Fig.2 Relationship between concentration and resistance of horizontal pipe slurry

图3 斜管料浆浓度与阻力Fig.3 Relationship between concentration and resistance of oblique tube slurry

3)分级尾砂充填料浆的质量浓度超过68%后，其充填料浆的管输沿程阻力的变化率呈减小的趋势，表明分级尾砂充填料浆在68%～70%中间存在着一个临界浓度，使分级尾砂充填料浆呈似膏体状态，从而使料浆的流动性、保水性、可泵性等管流特性较优，有利于浆体的管道输送，充填料浆管输阻力相对减小，其沿程阻力的变化率减小。因此，在实际充填中将充填料浆浓度控制在合理范围显得尤为重要，通过充填管输试验研究，结合和阻力规律研究分级尾砂的料浆质量浓度在68%～70%中间为最优。

3.2 充填料浆的流量对沿程阻力的影响

由图4、图5可知：

1)当充填料浆的浓度和灰砂比一定时，水平直管和斜管的管道沿程阻力随着充填料浆流量(流速)的增加呈线性增大趋势；流量越大管道沿程阻力越大，流量越小管道沿程阻力越小。其主要原因是充填料浆的流量增大，料浆的工作流速增大，从而导致料浆的管道输送沿程阻力增大。

2)水平直管和斜管的管道沿程阻力随流量(流速)的增大基本成线性增加；充填料浆的浓度越高，其变化率越大；在适宜浓度时，其变化率较小；充填料浆的浓度越低，其变化率也较大。

3)充填料浆在水平管流动时随流量的变化其阻力变化值要小于斜管的阻力变化值，主要是因为浆体在水平管的料浆流动性能变化较小，在斜管段因流量发生变化，料浆输送不满管、料浆流动发生变化等因素会导致其管输阻力会发生较大变化。特别是在浓度较低时，随流量变化水平管和斜管的阻力变化差异越明显。

图4 水平管道流量与管输阻力Fig.4 Relationship between horizontal pipeline flow and pipeline transport resistance

3.3 灰砂比对管输阻力的影响

通过输送试验研究灰砂比为1∶4、1∶8、1∶12时不同浓度和流量下水平管(图6)和斜管(图7)的管输沿程阻力变化规律发现：因受水泥添加量影响，分级尾砂充填料浆管输沿程阻力随着水泥添加量增加，呈先减小后增大的变化趋势。原因是：其一水泥浆对充填料在管道起到润滑管壁的作用，其二添加水泥后，水泥浆可以充分填补分级尾砂骨料间隙，同时还可包裹骨料表面的作用，使分级尾砂充填料浆有利于形成一个整体，从而保证高浓度分级尾砂充填料浆浆体具有较好的稳定性、流动性和可泵性，进而可有效降低管输沿程阻力。但水泥添加量过多会使充填料浆的黏度增大，会导致管输沿程阻力变大；根据灰砂比1∶12的管输沿程阻力规律发现：若水泥添加量过少，水泥浆对管壁的润滑作用和骨料的包裹作用也会减弱，其管输沿程阻力也会增大。

图6 灰砂比与水平管管输阻力Fig.6 Relationship between ash-sand ratio and horizontal pipe transport resistance

图7 灰砂比与斜管管输阻力Fig.7 Relationship between ash-sand ratio and oblique pipe resistance

4 水平直管管输阻力的多因素影响分析

统计分析研究了高浓度分级尾砂充填料浆的质量浓度、流量和灰砂比与管输沿程阻力的影响和变化规律，因三个因素对水平管和斜管的管输阻力影响变化规律基本一致，本次主要根据工业输送试验中水平直管沿程阻力试验数据进行正交试验进行研究。

4.1 正交试验的设计和试验

通过研究分析，试验采用3因素、3水平正交试验，试验指标为水平管道沿程阻力值；因素为A(浓度%)、B(流量m3/h)、C(灰砂比)，每一个因素取三个水平，具体取值如表5所示。

表5 正交试验因素水平表

因为本次试验有3因素、3水平，根据正交试验规律结合实际情况，确定选用L9(3)4正交表。根据无交互作用的正交试验设计要求设计试验，每组试验的具体条件和工业管输试验结果见表6。

表6 正交试验计算表

4.2 方差分析

对每一个因子在水平的效应是否有显著差异进行检验，则有：

HOA∶α1=α2=α3=0;HOB∶β1=β2=β3=0;HOC∶δ1=δ2=δ3=0

(1)

αj：为A因子在第j个水平的效应；βj为B因子在第j个水平的效应；δj为C因子在第j个水平的效应(j=1,2,3)。

(2)

表7 方差分析表

查F分布位数表可以得到其显著性水平:α=0.10，0.05，0.01。

F0.90(2,2)=9.00;F0.95(2,2)=19.00；F0.99(2,2)=99.00

(3)

F(A)=53.42>F0.95(2,2)；F(B)=6.00

通过正交试验研究的方差显著性分析研究：因子A(充填料浆质量浓度)的作用最显著，因子B(料浆流量或流速)的作用次之，因子C(灰砂比)作用相对最小，因此，可得出高浓度分级尾砂充填料浆对管输沿程阻力的影响因素的大小关系为：充填料浆浓度>充填料浆流量(流速)>灰砂比，表明高浓度分级尾砂充填料浆重量浓度和流量是影响管输沿程阻力的主要因素。对于矿山的充填料浆而言，在保证满足矿山充填体强度要求下，管道输送阻力越好越有利于料浆的管道输送。因此，在矿山的实际生产中在满足充填工艺要求的条件下，严格控制充填料浆的质量浓度、流量(流速)和灰砂比，可保证矿山充填料浆的安全稳定输送，如：当井下充填体强度要求较高时，可采用A3B1C1(浓度70%、流量40 m3/h、灰砂比1∶4)进行充填；当井下充填体强度要求较低时，可采用A1B3C3(浓度66%、流量60 m3/h、灰砂比1∶12)的配比进行充填。

5 结论

通过对云南某矿山分级尾砂的物理化学性质分析、工业管道输送试验、试验结果的统计回归分析，研究了高浓度分级尾砂充填料浆的管输沿程阻力与料浆的重量浓度、流量和灰砂比的关系，得出以下结论：

1)分级尾砂中可回收的金属含量均比较低，组成矿物物理化学性质稳定；分级尾砂粒级比较集中，分级尾砂细粒级含量在35%左右，符合相关要求，可以制备成具有良好流态的充填料浆。

2)高浓度分级尾砂的充填料浆质量浓度对管输沿程阻力的影响极为敏感；料浆浓度越高，塑性黏度和屈服应力就越大，管输沿程阻力越大，其管道输送阻力损失也就越大。充填料浆的流量(流速)越大，其管输沿程阻力基本呈线性增大趋势。而管输沿程阻力随着水泥添加量的增多，呈先减小后增大的趋势。

3)随着充填料浆浓度、流量(流速)和灰砂比的变化，水平管道和斜管道的管输沿程阻力变化规律基本一致；但水平管的管输阻力大于斜管，而斜管段的管输阻力随充填料浆浓度、流量(流速)和灰砂比的变化较明显。

4)通过正交试验研究分析得出了影响充填料浆管输沿程阻力因素的主次关系为：充填料浆浓度>充填料浆流量(流速)>灰砂比，根据试验结果得出不同井下充填条件下的最优参数。

5)本次工业管道输送试验监测结果对矿山实际生产有较大的指导意义，为矿山充填系统提供了可靠的技术支持。多因素的正交试验分析方法则可以为矿山以后的试验提供指导——减少试验量而得到较准确的试验结果，为矿山节约成本，试验思路和方法可为类似矿山提供参考。