謙比希銅礦膏體充填環(huán)管實驗研究

楊清平，王貽明，王　勇，吳國珉，岑佑華，沈家華

(1.中色非洲礦業(yè)有限公司，　贊比亞 基特韋； 2.北京科技大學 金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，　北京　100083； 3.大冶有色設計研究院有限公司，　湖北 黃石市　435005)

?

謙比希銅礦膏體充填環(huán)管實驗研究

楊清平1，王貽明2，王勇2，吳國珉3，岑佑華3，沈家華1

(1.中色非洲礦業(yè)有限公司，贊比亞 基特韋； 2.北京科技大學 金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京100083； 3.大冶有色設計研究院有限公司，湖北 黃石市435005)

膏體充填的管道輸送阻力一般需通過環(huán)管實驗獲得。通過現(xiàn)場環(huán)管實驗，研究了膏體濃度和水泥摻量對磨阻損失的影響。隨著膏體體積濃度及流量的增加，摩阻損失均呈遞增變化。隨水泥摻量的增加，摩阻損失呈現(xiàn)先降低再增大的變化趨勢，當摻量為8%時，摩阻最小，摻量為11%時，摩阻較大。在謙比希銅礦膏體充填環(huán)管實驗數(shù)據(jù)測試基礎上，分析了不同狀態(tài)下管徑150 mm管道中的流態(tài)，結果表明，謙比希膏體料漿在管內(nèi)呈均質(zhì)流動，流速不超過 5.24 m/s時，膏體在管內(nèi)呈層流流態(tài)。

膏體充填；環(huán)管實驗；磨阻損失；均質(zhì)流

0　引　言

膏體充填技術可以減少地表尾礦排放，防止重金屬污染源井下擴散，具有充填質(zhì)量高、充填成本低等優(yōu)勢[1]，在國內(nèi)外地下礦山廣泛使用[2￣4]。膏體輸送是膏體充填的關鍵工藝之一，阻力特性又是膏體管道輸送的關鍵研究內(nèi)容，對于管路優(yōu)化布置以及泵送設備選型等方面具有重大的實用價值。傳統(tǒng)研究中，一般將充填料漿視作為兩相流流體，并在大量環(huán)管實驗數(shù)據(jù)的基礎上，構建了一系列阻力計算的經(jīng)驗公式，如杜蘭德公式、金川公式等[5]。但對于膏體而言，由于流動結構及流動形態(tài)方面存在的差異，上述公式表現(xiàn)出較差的適用性，計算結果往往與實際情況相差懸殊[5]。因此，對于膏體管輸阻力需要借助環(huán)管實驗獲得。

謙比希膏體充填系統(tǒng)是贊比亞建成的第一個膏體系統(tǒng)，目前系統(tǒng)已平穩(wěn)運行兩年多，累計充填23萬m3。本文介紹了謙比希銅礦膏體系統(tǒng)調(diào)試期間現(xiàn)場環(huán)管實驗，探討了膏體濃度和水泥摻量對膏體磨阻損失的影響，并對膏體在管道內(nèi)部流態(tài)進行分析，為謙比希膏體管道輸送系統(tǒng)優(yōu)化提供依據(jù)。

1　環(huán)管實驗系統(tǒng)及方法

1.1環(huán)管實驗系統(tǒng)構成

環(huán)管實驗系統(tǒng)由尾砂濃密系統(tǒng)、膏體制備泵送系統(tǒng)、循環(huán)管路及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等幾部分組成，其中，濃密系統(tǒng)及制備泵送均依托于礦區(qū)新建的膏體充填攪拌站，而循環(huán)管路則根據(jù)實驗要求進行布置(見圖1)。

圖1　環(huán)管布置

1.2環(huán)管實驗方案

實驗主要考慮膏體濃度及水泥摻量2個因素對摩阻損失的影響。具體實驗方案見表1，共設計9組實驗，1～5組考察濃度對摩阻損失的影響，水泥摻量均為11%，根據(jù)泵送設定流量范圍為24～60 m3/h；6～9組考察水泥摻量對摩阻損失的影響，其質(zhì)量濃度控制在71%左右，流量范圍為24～60 m3/h。

2　實驗結果

2.1膏體濃度對摩阻損失的影響

圖2為膏體濃度對摩阻損失影響環(huán)管實驗結果。由圖2可知，隨著膏體體積濃度及流量的增加，摩阻損失均呈遞增變化，在實驗條件范圍內(nèi)，相應摩阻損失為1500～4000 Pa·m-1。同時，濃度對摩阻損失的影響十分顯著，在濃度較低時，即體積濃度為44%～47%時(質(zhì)量濃度67%～70%)，摩阻損失的變化較為平緩，當體積濃度大于47%(質(zhì)量濃度70%)時，摩阻損失的增率加劇。

表1　實驗方案

圖2　膏體體積濃度對摩阻損失影響

2.2水泥摻量對摩阻損失的影響

圖3為膏體體積濃度約48%，不同流量條件下，水泥摻量對摩阻損失的影響規(guī)律，摩阻損失范圍為3000～4000 Pa·m-1。

圖3　水泥摻量對摩阻損失影響

由圖3可知，隨水泥摻量的增加，損失呈現(xiàn)先降低再增大的變化趨勢，當水泥摻量為8%時，摩阻最小，純?nèi)采凹八鄵搅繛?1%時，摩阻較大。

3　膏體管道內(nèi)流態(tài)分析

膏體在管道輸送過程中具有不分層、不離析等優(yōu)點，而固體顆粒不發(fā)生沉降是保證膏體穩(wěn)定輸送的前提。

3.1顆粒/絮團臨界尺寸

當顆粒所受的重力與剪切阻力相等時，沉降阻力為0，顆粒處于懸浮狀態(tài)，此時對應的顆粒粒徑dmax即為不沉粒徑：

(1)

式中：dmax——不沉粒徑；

τy——屈服應力；

ρs——固體顆粒密度；

ρm——膏體密度。

由式(1)可知，為了保證膏體在管道內(nèi)均質(zhì)流動，則物料中的最大粒徑應小于dmax，且膏體屈服應力越大，則能夠承受的最大粒徑越大。

3.2層流過渡流速

研究表明，均質(zhì)流體在管道中流動的摩阻損失△P與流速V的典型關系如圖4所示。在高流速區(qū)，流體為紊流流態(tài)，當流速減小到某一點時，流動從紊流轉(zhuǎn)入層流，此點流速即為“過渡流速”，記做為VD；由此可見，在膏體管道輸送過程中，為了避免摩阻損失過大，確定其流態(tài)由層流向紊流轉(zhuǎn)變的過渡流速顯得尤為必要。

圖4　均質(zhì)流管道摩阻損失與流速典型關系

臨界雷諾數(shù)：

(2)

式中，Rec為臨界雷諾數(shù)；D為管徑；V為膏體流速；μp為塑性黏度。

過渡流速VD為：

(3)

3.3流態(tài)參數(shù)計算結果

在謙比希銅礦膏體充填環(huán)管實驗數(shù)據(jù)測試基礎上，分析了不同狀態(tài)下管徑D150 mm管道中的流態(tài)，相關計算結果如表2所示。

由表2可知，在上述濃度及配比條件下，充填物料中的最大粒徑遠遠小于不沉臨界粒徑dmax，完全滿足固體顆粒在漿體中的懸浮條件，因此漿體在管內(nèi)呈均質(zhì)流動。同時，在既有的管道及泵送流量條件下，漿體雷諾數(shù)遠小于臨界雷諾數(shù)，流速不超過 5.24 m·s-1時，膏體在管內(nèi)均呈層流流態(tài)。

表2　流態(tài)分析相關參數(shù)計算結果

4　結　論

(1) 膏體濃度對摩阻損失影響環(huán)管實驗結果表明，隨著膏體體積濃度及流量的增加，摩阻損失均呈遞增變化，在實驗條件范圍內(nèi)，相應摩阻損失為1500～4000 Pa·m-1。在濃度較低時，即體積濃度為44%～47%(質(zhì)量濃度67%～70%)時，摩阻損失的變化較為平緩，當體積濃度大于47%(質(zhì)量濃度70%)時，摩阻損失的增率加劇。

(2) 膏體體積濃度約48%，水泥摻量為0～11%，不同流量條件下，摩阻損失范圍為3000～4000 Pa·m-1。隨水泥摻量的增加，損失呈現(xiàn)先降低再增大的變化趨勢，當水泥摻量為8%時，摩阻最小，純?nèi)采凹八鄵搅?1%時，摩阻較大。

(3) 分析了顆粒在管道內(nèi)不沉尺寸以及過渡流速理論計算方法。基于謙比希膏體充填環(huán)管實驗結果，對管徑150 mm條件膏體流態(tài)分析相關參數(shù)進行計算。結果表明，謙比希膏體充填物料中的最大粒徑小于不沉臨界粒徑dmax，可滿足固體顆粒在漿體中的懸浮條件，在管內(nèi)呈均質(zhì)流動。并且，膏體雷諾數(shù)遠小于臨界雷諾數(shù)，流速不超過 5.24 m·s-1時，膏體在管內(nèi)均呈層流流態(tài)。

[1]李鎮(zhèn)瀚.全尾砂膏體充填在拉么鋅礦的研究與應用[J].采礦技術，2015，15(1)：6￣9.

[2]GHIRIAN A,FALL M.Coupled thermo-hydro-mechanical-chemical behaviour of cemented paste backfill in column experiments:Part II:Mechanical,chemical and microstructural processes and characteristics[J].Engineering Geology,2014,170:11￣23.

[3]WU A X,WANG Y,WANG H J,et al.Coupled effects of cement type and water quality on the properties of cemented paste backfill[J].International Journal of Mineral Processing.2015,143:65￣71.

[4]王勇,吳愛祥,王洪江,等.從屈服應力角度完善膏體定義[J].北京科技大學學報,2014,36(7):855￣860.

[5]劉曉輝.膏體流變行為及其管流阻力特性研究[D].北京：北京科技大學，2014.

2016￣06￣08)

楊清平(1965-)，男，湖北孝感人，高級工程師，主要從事采礦技術與管理工作，Email：251671170@qq.com。