某铁矿管道自流输送分析及管道磨损研究①

郭沫川，谭玉叶，楚立申，周家祥

（1.北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083；2.金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083；3.武钢资源集团大冶铁矿有限公司，湖北 黄石 435006）

膏体充填料浆具有充填体强度高、用料耗能低、接顶率高等优点。采用选铁尾砂制备膏体充填料浆充填采空区，矿山尾砂得到利用，减少了占地面积、降低了生产成本，是开展绿色矿山建设的重要举措［1-6］。充填系统的有效控制以及合理建设是实现采空区充填的关键一环，可避免或降低充填管道堵塞、磨损以至爆管等严重后果［7-9］。因此，对充填管道进行料浆自流输送分析以及管道磨损分析至关重要［10-13］。本文结合具体工程实际，对某铁矿浆输送管道进行了管流输送参数及管道磨损研究，得出了给定料浆的自流输送参数，并运用Fluent进行数值模拟分析，找出输送管道的易磨损部位，在保证生产效率的前提下延长输送管道使用周期。

1 工程背景

某铁矿采用分段空场嗣后充填采矿法进行开采，中段高度90 m，分段高度15 m。该矿山地表充填站水平标高+168 m，充填料浆从搅拌站附近的充填钻孔自流到-180 m充填水平，然后充填采空区。管线总长1 706 m，高差348 m，管道铺设路径如图1所示。在矿山充填系统中，充填料浆灰砂比1∶4，管道输送能力

图1 某铁矿充填管道铺设图

100 m3／h。

2 充填料浆参数计算

2.1 料浆密度

充填料浆密度主要取决于全尾砂、胶骨料及水的密度、灰砂比及砂浆质量浓度。已知某铁矿全尾砂密度2.904 t／m3，胶骨料密度2.931 t／m3，充填能力100 m3／h，充填料浆灰砂比为1∶4。由式（1）计算得固体干物料密度为2.93 t／m3，代入式（2）计算各质量浓度下的充填料浆密度，结果见表1。

表1 充填料浆质量浓度-料浆密度对照表

式中δs为固体干物料密度，t／m3；δm为充填料浆密度，t／m3；γc为胶骨料密度，t／m3；γs为全尾砂密度，t／m3；Cw为充填料浆质量浓度，%；n为充填料浆灰砂比。

2.2 料浆浓度

保证相同充填体强度的前提下，采用高浓度充填料浆，可以降低水泥耗量，即降低充填成本。因此，选择充填料浆浓度略高于临界流态浓度为好，并按此来确定充填系统的能力。

充填料浆质量浓度计算公式为：

充填料浆体积浓度计算公式为：

式中Cv为料浆体积浓度，%。

由式（3）～（4）可求得充填料浆质量浓度与体积浓度的关系式（见式（5）），进一步计算得到各质量浓度料浆所对应的体积浓度如表2所示。

表2 充填料浆质量浓度-体积浓度对照表

3 料浆输送参数研究

3.1 料浆临界流速计算

本次研究选取金川有色金属公司经验公式对某铁矿充填料浆自流输送进行计算［14］：

式中vs为颗粒沉降速度；φ为固体颗粒沉降阻力系数；VC为临界流速，m／s；D为管道直径，m；K＝1.0～3.0，取2.0；λ为清水的阻力系数；ρs为固体干物料密度，ρs＝2.93 t／m3；d为尾砂直径，取0.07 mm；ρ0为水的密度，ρ0＝1 t／m3。

由式（6）与式（7）可计算出固体颗粒沉降阻力系数，代入式（8）可得出各质量浓度下的料浆临界流速，并进行拟合，结果如图2所示。由图2可知，随着料浆质量浓度增大，临界流速也呈增大趋势。一般情况下，临界流速要乘以1.1或1.2的安全系数后才可以作为设计流速，因此设计充填流速取1.0 m／s。由于在管道自流输送中还有很多不可控因素，为避免堵管等事故的发生，本次铁矿管道输送设计充填料浆实际流速应大于1.0 m／s。

图2 临界流速拟合曲线

3.2 管道临界管径计算

将式（9）代入式（10）可计算得出不同质量浓度下的输送管道临界管径［14］，并进行拟合，结果如图3所示。

图3 临界管径拟合曲线

式中Qs为充填站每秒充填量，m3／s；DL为临界管径，m；vc为料浆临界流速，m／s。

按照原则，实际选取某铁矿充填管道管径时，标准管径应略小于临界管径。由图3可知，随着料浆质量浓度增大，管道临界管径呈下降趋势。对于该矿山，料浆输送管道管径应小于0.2 m，可适当选取管径较大的输送管道。

4 管道磨损数值模拟分析

4.1 数值模拟参数确定

为研究该铁矿料浆输送过程中料浆对充填管道的磨损破坏，找出充填管道磨损较严重的位置，运用Fluent对料浆流动过程进行模拟。定义边界条件如表3所示。

表3 数值分析边界条件

4.2 管内料浆流速研究

料浆在充填管道中各管段的流速分布见图4。由图4可知，料浆在最初进入输送管道时，流速逐渐增大，且管道中心线附近流速增大较为明显，两侧管壁处速度增大缓慢，最大流速位于管道中心线附近；出口处料浆最大流速依然位于管道中心线处，流速向两侧管壁逐渐减小；在各拐点处，出现了流速突增的现象，且拐弯角度越大，流速突增越明显，最大流速靠近拐点内侧管壁，同时，在拐点后一段管道内，流速继续增大，最大流速开始靠近外管壁处，经过一段管道后又逐渐减小，最大流速靠近中心线。

图4 料浆流速分布图

4.3 管内料浆压力研究

在同等条件下对料浆流动过程中压力分布进行模拟，结果如图5所示。由图5可见，料浆流动过程中各管段压力分布规律与料浆流速分布规律相似，总体上在管道中心线附近压力值最大。在管道入口处压力较小，流动一段距离后，管道中心线处压力开始逐渐增大，两侧管壁处压力变化较小；在管道出口处，管内压力最大值集中在管道中心线处；料浆每经过一个拐点时压力都出现突增现象，拐点处角度越大其压力变化越大，且都位于拐点的内侧管壁，在拐点后会出现短时间内压力增大，且最大值靠近外管壁处，经过一段时间后逐渐减小同时最大值靠近管道中心线处。

图5 料浆压力分布图

4.4 管道磨损规律

分析管道内料浆流速与压力分布规律可知，料浆在流动过程中对输送管道磨损较大的部位出现在管道各个拐点处，且拐点处角度越大磨损越严重，同时，在拐点后的一段管道下管壁处受料浆流动磨损也较大。距管道入口越远，流速越大，输送管道受磨损也越严重。

5 结 论

通过理论计算以及Fluent数值模拟，对该矿山的充填管道自流输送进行分析，所得结论如下：

1）该矿山充填料浆浓度62%～68%范围要实现料浆自流输送，则料浆流速要达到0.806～0.831 m／s、输送管道直径0.207～0.209 m。同时，由于管道自流输送中还有很多不可控因素，为避免堵管等事故发生，料浆流速大于1 m／s、管径小于0.2 m为宜。

2）管道内料浆最大流速出现在管道中心线附近，在弯管处流速会突然增大，最大流速靠近拐点内侧管壁，在拐点后流速会出现先增大后减小趋势，最大流速先靠近下管壁后逐渐靠近中心线。

3）充填管道易磨损部位主要出现在管道各拐点处及拐点后的一段管道，且拐点角度越大，其磨损越严重。