新型根系状脱水管的构造参数研究及脱水模型构建

张爱卿， 吴爱祥， 王贻明， 尹升华， 李金云

(1. 北华航天工业学院建筑工程学院， 河北 廊坊 065000；2. 北京科技大学膏体充填采矿技术研究中心， 北京 100083)

0 引言

一种安全、 高效、 低成本的脱水技术是保证充填效果的关键. 就目前矿业形势下， 低品位矿床开采过程中形成的高大采空区， 若采用胶结充填， 充填采场稳定性可以保证但充填成本高， 若采用非胶结充填， 脱水效果无法保证， 充填采场稳定性亦难以保证， 为矿山开采留下严重的安全隐患[1-5]. 如何解决充填采场快速脱水、 缩短采场的充填周期已成为非胶结充填系统高效稳定运行的头等重要问题.

国内外专家学者对细颗粒尾砂的脱水技术进行了大量研究， 脱水技术分为外界作用和无外界作用两类. 外界作用以电渗法[6-8]、 负压法[9]和压风法[10]为代表， 采用上述脱水方式脱水效果好， 但成本较高， 相关配套技术复杂， 且存在安全隐患. 无外界作用以链式脱水管脱水法[11]、 设置脱水密闭墙和脱水井[12-13]、 增加脱水管安设间距和管径[14-15]、 添加一定量的粗颗粒改善颗粒级配[16]为代表， 可以在一定程度上提高脱水速度， 但也会导致脱水成本的增高. 张爱卿等[17]在不考虑外界作用， 不增加脱水管数量、 缩短脱水管间距的前提下， 对普通脱水管进行改进， 基于仿生学设计出一种新型根系状脱水管， 分别开展新型根系状脱水管和普通脱水管的脱水试验， 得出新型根系状脱水管相比普通脱水管可以显著提高脱水速率， 但并未充分考虑新型根系状脱水管构造参数对其脱水效果的影响.

为此， 作者在已有研究成果的基础上， 拟定支管布设方案并确定构造参数取值范围， 设计脱水试验， 分析新型根系状脱水管脱水速率随影响因素的变化规律， 构建新型根系状脱水管的脱水模型， 确定新型根系状脱水管的最佳构造参数. 其研究成果可以实现充填采场快速脱水， 缩短充填周期， 判别充填采场脱水效果的目的， 也可用于指导企业制造矿用新型根系状脱水管.

1 新型根系状脱水管脱水试验材料及方法

1.1 试验材料

试验选用某铁矿经由选厂排出的尾砂， 通过室内试验综合测定尾砂粒径分布， 分布曲线如图1所示.

观察图1可知， 尾砂粒径累计分布曲线平缓， 不均匀系数为10.34， 曲率系数为2.69. 参考土工试验规程可知， 尾砂粒径分布范围较大、 连续性较好， 其中粒径小于75 μm尾砂颗粒所占尾砂比例为39.49%, 表明尾砂以细颗粒为主.

1.2 试验装置

新型根系状脱水管的脱水试验装置选取文献[16]设计的室内脱水试验装置. 新型根系状脱水管的脱水试验装置示意图如图2所示， 其中新型根系状脱水管由主脱水管和支管两部分组成.

图1 尾砂粒径累计分布曲线图Fig.1 Cumulative distribution curve of total tailing grain size

图2 脱水试验装置Fig.2 Dehydration test device

1.3 构造参数取值范围及支管布设方案

由文献[17]可知， 新型根系状脱水管中主脱水管的直径为2 cm， 支管的直径为4 mm， 试验装置的直径18 cm， 支管长度、 同一层支管数量和上下层支管间距是影响新型根系状脱水管脱水速率的主要因素. 为研究3个影响因素对新型根系状脱水管脱水速率的影响规律， 根据新型根系状脱水管脱水试验装置的尺寸和主脱水管与支管的直径拟定新型根系状脱水管中支管布设方案并确定构造参数取值范围， 具体包括如下3个方面.

1) 试验装置的直径扣除主脱水管的直径后剩余长度为16 cm， 则主脱水管两侧支管布设长度最长可取8 cm， 故试验参数拟定为4、 5、 6、 7和8 cm；

2) 主脱水管周长近似取6 cm， 根据支管的直径尺寸， 为了保证脱水效果采用“隔一放一”对称布设的方式， 则同一层支管数量最多为6根， 故试验参数拟定为2、 3、 4、 5和6根；

表1 脱水管脱水试验方案

3)支管的直径为4 mm， 为保证脱水效果采用“隔二放一”的布设方式， 则上下层支管间距最小为1 cm， 故试验参数拟为1、 2、 3和4 cm.

1.4 试验方案及试验步骤

采用控制变量法分析3个因素对脱水速率的影响规律， 在文献[17]已有研究成果的基础上设计脱水试验方案， 如表1所示. 试验步骤严格按照文献[16]中的要求进行， 每一组试验采用两次平行试验， 当两次试验结果相差在5%以内， 可将两次平行试验的平均值作为该方案的脱水量和脱水时间， 脱水量随脱水时间不断累加得到累计脱水量. 新型根系状脱水管的脱水速率表达式如下：

(1)

式中：v为脱水速率， mL·min-1；m为累计脱水量最大值， mL；t为达到累计脱水量最大值时所对应的脱水时间， min.

2 新型根系状脱水管的脱水规律

文献[17]中已阐明了新型根系状脱水管是从增大过水面积和缩短渗透距离两个角度提高细颗粒尾砂脱水速率. 因此， 在分析试验结果过程中， 主要从过水面积和渗透距离两个角度出发， 研究支管长度、 同一层支管数量和上下层支管间距对脱水速率的影响， 得出新型根系状脱水管的脱水规律.

2.1 支管长度对新型根系状脱水管脱水速率的影响

将第一组试验结果代入式(1)计算得出支管长度4、 5、 6、 7和8 cm对应的脱水速率， 如图3所示.

从图3可看出， 脱水速率随着支管长度增加不断增大， 脱水速率最大值出现在支管长度为8 cm处， 最大值为27.17 mL·min-1. 支管长度从4 cm增大到6 cm时， 脱水速率增长很快， 表明过水面积的增加会大大提升脱水速率， 而支管长度从6 cm增大至8 cm时， 脱水速率增加缓慢， 这是由于支管长度增大， 引起了作用于细颗粒尾砂的动水力增大， 细颗粒尾砂在动水力和重力共同作用下， 会逐渐向支管聚集， 堵塞支管的滤水孔.

2.2 同一层支管数量对新型根系状脱水管脱水速率的影响

将第二组试验结果代入式(1)， 计算得出同一层支管根数为2、 3、 4、 5和6对应的脱水速率， 如图4所示.

图3 脱水速率随支管长度的变化曲线Fig.3 Variation curve of dehydration rate with branch length

图4 脱水速率随同一层支管数量的变化曲线 Fig.4 Dewatering rate follows the change curve of the number of branches in one layer

从图4可看出， 脱水速率随着同一层支管数量增加先增大后降低， 呈抛物线变化， 脱水速率最大值出现在同一层支管根数为4根处， 最大值为34.47 mL·min-1.

同一层支管数量为2根和3根相比于4根的过水面积小， 所以同一层支管数量为2根和3根对应的脱水速率小于4根对应的脱水速率； 同一层支管数量为5根和6根相比于4根的过水面积大， 但是脱水速率并未增大， 这是由于同一层支管数量增多， 引起作用于细颗粒尾砂动水力的增大， 细颗粒尾砂在动水力和重力的共同作用下， 快速向靠近主脱水管的支管周围聚集， 并堵塞支管上部的滤水孔.

2.3 上下层支管间距对新型根系状脱水管脱水速率的影响

图5 脱水速率随上下层支管间距的变化曲线 Fig.5 Variation curve of dehydration rate with the distance between upper and lower branches

将第三组试验结果代入式(1)计算得出上下层支管间距1、 2、 3和4 cm对应的脱水速率， 如图5所示. 从图5可看出， 脱水速率随着上下层支管间距增加先增大后下降， 呈抛物线变化， 脱水速率最大值出现在上下层支管间距为2 cm处， 最大值为29.07 mL·min-1.

上下层支管间距为3和4 cm相对于2 cm渗透距离变大， 所以上下层支管间距为3和4 cm的脱水效率小于2 cm的脱水效率. 上下层支管间距为1 cm相比于2 cm缩短了渗透距离， 但脱水速率并未提升， 这是由于上下层支管间距缩短， 引起作用于细颗粒尾砂动水力的增大， 细颗粒尾砂在动水力和重力的共同作用下， 快速向靠近上下层支管间的主脱水管周围聚集， 并堵塞主脱水管上部的滤水孔.

综上可知， 新型根系状脱水管的脱水规律为： 脱水速率随着支管长度增加不断增大， 随着同一层支管数量和上下层支管间距的增加先增大后下降. 分析得出， 3个构造参数改变会引起作用于细颗粒尾砂上动水力的变化， 细颗粒尾砂在动水力和重力的共同作用下， 向主脱水管或支管聚集， 并不同程度地堵塞主脱水管或支管上的滤水孔.

3 新型根系状脱水管的脱水模型及最佳构造参数

利用SPSS大型统计分析软件对上述试验结果进行回归分析， 计算结果如表2～4所示.

表2 试验数据方差分析表

表3 试验因素多重比较表

表4 脱水模型系数

从表2可分析出，F(3, 10)=19.427>P，P=0<0.05， 表明三个影响因素对脱水速率影响均为显著. 从表3事后检验结果可得出三个影响因素之间的显著性差异分别为： 支管长度与同一层支管数量和上下层支管间距有显著性差异， 同一层支管数量与上下层支管间距无显著性差异.

从表4分析得出三个影响因素在脱水模型中对应的系数. 由此得到新型根系状脱水管的脱水模型表达式为：

Y=18.227+1.007X1+1.66X2-1.231X3

(2)

式中：Y为新型根系状脱水管脱水速率，X1为支管长度，X2为同一层支管数量，X3为上层支管间距.根据拟定的新型根系状脱水管的构造参数取值范围， 确定该模型的约束条件为：X1≤8，X2≤6，X3≥1.

当X1、X2、X3分别取约束条件的极值， 代入式(2)计算得出新型根系状脱水管的最大速率， 该值为34.95 mL·min-1， 上述新型根系状脱水管脱水试验结果中的最大速率值为34.47 mL·min-1， 两者相比差别不大. 因此， 可得出新型根系状脱水管的最佳构造参数为： 支管长度为8 cm， 同一层脱水管数量为6根， 上下层支管间距为1 cm.

图6 支管伞状布设方式示意图Fig.6 Schematic diagram of umbrella-like layout of branch tubes

分析新型根系状脱水管的最佳构造参数可以发现， 同一层支管采用全截面伞状布设方式可以提高新型根系状脱水管的脱水速率， 新型根系状脱水管中同一层支管伞状布设方式示意图如图6所示.

本文试验所采用的尾砂为细颗粒为主的全尾砂， 若采用分级尾砂， 则需要重新进行试验. 试验结果建立在支管均匀分布于试验装置的基础上， 但由于试验过程中尾砂料浆是从试验装置的一侧流入， 会造成尾砂料浆流入侧的支管出现一定程度弯曲， 特别是对于支管长度在6～8 cm影响较为明显， 但这并不是引起支管长度在6～8 cm时脱水速率增加趋缓的主要原因.

综上所述， 在实际工程中， 可根据现场已有主脱水管的直径选择支管的直径， 并参照新型根系状脱水管的构造参数取值方法和支管布设方案， 确定支管长度、 同一层支管数量和上下层支管间距的取值. 利用式(2)计算脱水速率， 进而得出充填采场的脱水量， 为评判充填采场的脱水效果提供依据， 也可用于指导企业制造矿用新型根系状脱水管， 具有广阔的应用前景.

4 结语

1) 根据新型根系状脱水管脱水试验装置的尺寸和主脱水管及支管的直径拟定新型根系状脱水管中支管布设方案并确定构造参数取值范围， 设计脱水试验方案， 研究新型根系状脱水管的脱水规律. 试验结果表明， 脱水速率随着支管长度增加不断增大， 随着同一层支管数量和上下层支管间距的增加先增大后下降.

2) 经对试验结果回归分析构建新型根系状脱水管的脱水模型， 对脱水模型的约束条件取极值， 确定新型根系状脱水管的最佳构造参数为： 支管长度为8 cm， 同一层脱水管数量为6根， 上下层支管间距为1 cm. 研究发现, 同一层支管采用全截面伞状布设方式可提高新型根系状脱水管的脱水速率.

3) 在实际工程中， 可根据现场已有主脱水管的直径选择支管的直径， 并参照构造参数取值方法和支管布设方案确定支管的长度、 同一层支管数量和上下层支管间距的取值， 利用脱水模型求出脱水速率， 进而得出充填采场的脱水量， 为评判充填采场的脱水效果提供依据， 也可用于指导企业制造矿用新型根系状脱水管.