高濃度混合骨料充填料漿管道輸送特性試驗研究

吳 凡 ，楊志強 ,2，高 謙

（1. 北京科技大學土木與資源工程學院, 北京 100083；2. 金川集團股份有限公司, 甘肅 金昌 737100）

充填采礦由于具有安全、高效、經濟和環保等優點，被越來越多的礦業國家認可并應用[1-2]. 管道輸送作為充填采礦的關鍵技術之一[3]，國內外對管道輸送的相關研究成果越來越多. Wang等[4]利用Fluent軟件對深井煤礦膏體管道輸送的水力損失與流動速度進行分析，發現水力損失小于重力產生的壓力可滿足料漿自流. 吳愛祥等[5]基于結構動力學理論，研究了膏體管道輸送阻力與流速、管徑及物料組成的變化規律. Bharathan等[6]研究了管道輸送中料漿的壓力損失與摩擦系數的關系. 劉志祥等[7]通過環管試驗并結合Fluent軟件分析得到高倍線強阻力管道輸送系統的最佳技術參數. 董慧珍等[8]通過管道輸送試驗，對體積分數為80%和81%的充填料漿的壓力損失進行了研究. Kumar等[9]認為通過合理改變顆粒級配可降低管輸壓降及比能耗. 吳迪等[10]針對固液兩相流的充填料漿，分析了料漿管道輸送的阻力損失和彎管部分的受力情況.

高濃度料漿由于具有不離析、不沉降、效率高和井下脫水少等優點，其管輸特性是充填采礦的重要研究內容[11-12]. 以甘肅某鎳礦為工程背景，目前以棒磨砂為主的充填骨料無法滿足該礦充填需求，必須補充使用充足廉價的廢石和石灰石粉. 因此，開展由廢石、棒磨砂和石灰石粉為主的混合骨料高濃度充填料漿管道自流輸送特征研究，對礦山充填更具有指導意義. 本文利用該礦充填系統進行工業試驗，觀測得到不同高濃度和不同混合骨料料漿的管道壓力及流量，分析了管輸阻力隨流速、料漿濃度和石粉摻量的變化規律，提出管輸阻力的數學模型，并利用流變試驗結果和機理分析進行對比驗證，為高濃度混合骨料充填料漿自流輸送技術的進一步發展提供理論依據.

1 試 驗

1.1 試驗系統

以甘肅某鎳礦為工程背景，該礦充填管網布置為：充填料從制漿站下料口出發，通過充填鉆孔到達充填平硐，然后經露天老坑鉆孔到達主充填道，經穿脈運輸道進入采場充填；管輸特性測試系統由1臺電磁流量計與4臺工業壓力變送器組成，每隔10 min記錄流量數據，同時記錄對應流量下各變送器壓力數值. 試驗系統如圖1所示.

圖1 管道輸送試驗系統Fig. 1 Experimental system of pipe transportation

1.2 試驗材料

選用廢石與棒磨砂作為粗骨料，石灰石粉（簡稱石粉）作為細骨料. 粗骨料中廢石與棒磨砂質量比為3∶7，在粗骨料中添加石粉攪拌均勻制備為混合骨料，骨料級配曲線如圖2所示. 膠結料為42.5水泥，充填所需水為工業用水.

圖2 骨料級配曲線Fig. 2 Grading curves of aggregates

1.3 試驗方案

高濃度料漿在靜置沉降一段時間后仍能保持固液不分層狀態，且當坍落度在230～275 mm內粗骨料充填料漿可自流輸送[13-14]. 室內料漿沉降與坍落度試驗結果表明：料漿在79%～82%濃度范圍符合高濃度判定條件，并滿足自流輸送條件. 高濃度料漿添加細顆粒可提高漿體輸送能力及降低能耗[15]. 室內強度配比試驗結果表明：粗骨料中石粉摻量（c）超過40%時，充填體強度不滿足礦山充填要求. 以料漿濃度與石粉摻量為影響因素，研究高濃度混合骨料充填料漿的管道輸送特性，工業試驗方案如表1所示.

表1 工業試驗方案Tab. 1 Industrial test plans

2 結果與分析

2.1 管道壓力變化規律

漿體管道輸送壓力試驗研究的料漿濃度為80%、石粉摻量為20%（A2）. 試驗結果如圖3所示.由圖可知：管道壓力隨時間呈周期波動變化，隨料漿輸送距離增長呈減小趨勢；測壓點3壓力波動變化幅度較其他測壓點大，這是由于測壓點3位于老坑充填鉆孔與主充填道的彎管連接處，彎管處相對水平管壓力變化大；測壓點4的壓力范圍為0.11～0.22 MPa，與出料口形成壓力梯度，料漿自流進入待充采場. 值得一提的是，引起管道壓力波動變化的主要原因有3個：1） 充填骨料的差異性，在連續攪拌的不同時刻加入的骨料存在差異，其粒徑級配并非完全相同，使得料漿密度、屈服應力、黏度等各個特性發生波動，進而導致壓力波動；2） 充填料漿的非均質性，高濃度料漿可視為非均質流，無法達到理想均質狀態，加之混合骨料中的最大顆粒粒徑可達12 mm，料漿中大顆粒的不規則運動恰好經過壓力傳感器位置，可能引起壓力波動；3） 充填系統配比波動，如料漿濃度為79%，由于充填系統自身特性使料漿濃度一般在78%～80%波動，連續充填造成測壓點的壓力波動是無法避免的.

圖3 壓力變化曲線Fig. 3 Pressure variation curves

2.2 料漿濃度影響因素分析

為了研究管道輸送阻力與料漿濃度的關系，工業試驗采集了充填不同濃度料漿隨時間變化的管道壓力與流量，管道輸送阻力（H，Pa/m）與管道壓力及流速（v，m/s）與流量（Q，m3/h）的計算式[16-17]為

式中： ΔP為兩測壓點壓力差，MPa；L為兩測壓點距離，m；P1和P2為測壓點1、2的壓力值，MPa；R為管道直徑，m.

結合式（1）分析測壓點1、2之間的管道輸送特性，得到不同料漿濃度（cw）下管輸阻力與流速的關系如圖4所示.

由圖4可見：在濃度一定時，隨著流速的增加，不同濃度充填料漿管道輸送阻力呈線性增長趨勢，與環管試驗[18]及數值模擬[19]的結論一致. 在流速一定時，管道輸送阻力隨料漿濃度變化而變化，濃度越高，阻力越大，與文獻[8]結果類似. 對于不同濃度料漿，管道輸送阻力與流速的回歸直線幾乎平行，說明在相同流速下，管輸阻力與料漿濃度具有函數關系.在固定混合骨料時，管輸阻力是料漿濃度與流速的二元函數，回歸擬合得到式（2）.

將不同濃度代入式（2）中，與圖4中不同濃度料漿回歸方程進行對比分析，最大相對誤差為2.8%，平均相對誤差為1.3%，模擬精度高.

圖4 不同料漿濃度下管輸阻力與流速的關系Fig. 4 Relationships between transport resistance and flow velocity of slurry pipes for different slurry concentrations

2.3 石粉摻量影響因素分析

為了研究管道輸送阻力與石粉摻量的關系，按式（1）對工業試驗中不同石粉摻量料漿的管道壓力與流量作數據處理，得到不同石粉摻量料漿管輸阻力與流速的關系如圖5所示. 由圖可知：在石粉摻量一定時，隨著流速的增加，不同石粉摻量的充填料漿管道輸送阻力呈線性增長趨勢；在流速一定時，粗骨料未摻石粉時的管輸阻力達到最大，粗骨料中石粉摻量達到30%時的管輸阻力達到最小.

圖5 不同石粉摻量料漿管輸阻力與流速的關系Fig. 5 Relationships between transport resistance and flow velocity of slurry pipes for different stone powder contents

流速為3.2 m/s時管輸阻力與石粉摻量的關系如圖6所示. 由圖可知：隨著石粉摻量的增加，管輸阻力先減小后增大. 在固定高濃度時，管輸阻力是石粉摻量與流速的二元函數，回歸得到式（3）. 假設流速一定，由式（3）可知：管輸阻力與石粉摻量符合拋物線變化規律.

圖6 管輸阻力與石粉摻量的關系Fig. 6 Relationship between pipeline transportation resistance and contents of stone powder

式中：分母中的20%為石粉中值摻量.

將不同摻量代入方程中，與圖5中不同石粉摻量料漿回歸方程進行對比分析，最大相對誤差為2.5%，平均相對誤差為0.8%，模擬效果理想.

2.4 管道輸送阻力數學模型

不考慮料漿流速濃度與石粉摻量時，管道輸送阻力隨流速增大呈直線式增長，且料漿濃度與石粉摻量為相互獨立的影響因素，由變量相互獨立的性質有式（4）關系成立.

式中：H1(cw)為管道輸送阻力與料漿濃度的冪函數關系（見式（2））；H2(c)為管道輸送阻力與石粉摻量的二項次函數關系（見式（3））；H3(v)為管道輸送阻力與料漿流速的線性函數關系.

式（2）是石粉摻量為20%時H1(cw)與H3(v)的乘積，式（3）是料漿濃度為80%時H2(c)與H3(v)的乘積. 不難發現，當料漿濃度為80%時的式（2）即為式（4）中的H3(v)，由此得到高濃度混合骨料充填料漿管道輸送阻力的數學模型：

為了進一步研究存在交互作用時三變量對管輸阻力的影響規律，控制任意一個變量為固定值，利用Origin軟件對數學模型進行可視化處理，如圖7所示.

由圖7可知：固定石粉摻量為20%時，料漿濃度與流速交互作用下管輸阻力范圍為2070～6920 Pa/m，管輸阻力在料漿濃度與流速同時增大的作用下呈現增大的趨勢；固定料漿濃度為80%時，石粉摻量與流速交互作用下管輸阻力范圍為2180～5970 Pa/m，管輸阻力在石粉摻量減小及流速增大共同作用下呈現增大的趨勢；固定流速為3.2 m/s時，石粉摻量與料漿濃度交互作用下管輸阻力范圍為3140～5530 Pa/m，管輸阻力在石粉摻量減小及料漿濃度增大共同作用下呈現增大的趨勢；不同交互作用下的管輸阻力變化范圍不同，由其區間大小得到交互作用對管輸阻力影響程度從大到小依次為料漿濃度與流速、石粉摻量與流速、石粉摻量與料漿濃度.

圖7 不同因素對管輸阻力的交互作用Fig. 7 Interaction of different factors on pipeline transportation resistance

3 驗證試驗

為驗證工業試驗管輸特性分析的準確性，在實驗室內進行料漿流變試驗，測試其流變特性參數.

3.1 不同質量濃度料漿流變結果與分析

選用R/S型軟固體流變測試儀，并配備V40-20型漿式轉子，測試石粉摻量為20%時不同質量濃度的料漿流變參數，試驗結果如圖8所示.

圖8 不同質量濃度的料漿流變參數Fig. 8 Rheological parameters of slurry with different mass concentrations

由圖8可知：在料漿濃度為80%時，料漿屈服應力的增幅達到最大為13.97 Pa，塑性黏度的增幅達到最大為0.17 Pa?m；隨著料漿濃度的繼續增加，增幅雖有所減小，但屈服應力與塑性黏度呈現繼續增加的趨勢，與料漿濃度對管輸阻力的影響規律一致.

3.2 不同石粉摻量料漿流變結果與分析

在料漿濃度為80%時，對不同石粉摻量的料漿進行測試，其屈服應力及塑性黏度結果如圖9所示.由圖9可知：在石粉摻量為30%時，料漿屈服應力達到最小為87.74 Pa，塑性黏度達到最小為1.10 Pa?m；石粉摻量為40%時，屈服應力與摻量為20%時的屈服應力近似相等，塑性黏度略高于摻量為30%時的塑性黏度；隨著石粉摻量的增加，料漿的屈服應力與塑性黏度均呈現先減小后增加的趨勢，符合石粉摻量對管輸阻力的影響規律.

圖9 不同石粉摻量的料漿流變參數Fig. 9 Rheological parameters of slurry with different stone powder contents

4 機理研究

4.1 流速的振動效應

料漿在管道輸送中，對于固定工況點，料漿流動速度隨時間增長而有所不同，流速的改變引起的速度差會在漿體內固液（骨料（水泥）與水）分界處產生定向作用力. 這種定向作用力使保持平衡狀態的介質質點產生機械振動. 料漿流速越大，介質質點的機械振動越強烈，增加了固體顆粒間的碰撞次數以使顆粒發生聚凝. 同時，粒的聚凝加強了不同分子及其介質之間的結合力，料漿的屈服應力與塑性黏度隨之增加，導致了管輸阻力的增加.

4.2 濃度的黏稠作用

當混合骨料中石粉摻量與料漿流速一定時，隨著料漿濃度增加，直觀表現為固體顆粒含量增加及水含量減少，微觀表現為包裹固體顆粒的水膜變薄且數量減少. 水膜的變化加大了漿體的黏稠性，增加了屈服應力與塑性黏度，流變參數的增加導致了管輸阻力的增加.

4.3 石粉的絮網理論

細顆粒在高濃度料漿管道輸送中表現為絮網結構的作用[15]，如圖10所示. 由圖可知：當高濃度料漿的質量濃度與流速一定時，隨著石粉摻量增加，即漿體中的細顆粒所占比例增加，絮網結構發生改變. 結合圖2可知：未摻石粉時，固體顆粒間隙較大，顆粒易發生碰撞，使顆粒發生聚凝；添加石粉后，細顆粒改變了骨料級配特性，并填充于粗顆粒間的空隙，顆粒間碰撞次數減少，顆粒間的聚凝變弱；當石粉摻量達到最優后繼續添加石粉，多余細顆粒無法繼續對空隙填充同時覆蓋于漿體表面，增加了細顆粒與漿體間碰撞機會，聚凝效果增強. 不難發現，顆粒間的聚凝作用使不同分子及其介質之間的結合力先減弱后增強，改變了料漿的流變特性，從而產生管輸阻力先減小后增大的現象.

圖10 絮網結構變化示意Fig. 10 Schematic chart of flocculation network structure change

5 結 論

1） 通過工業試驗，得到不同高濃度混合骨料充填料漿連續充填6 h的管道壓力變化規律，管道壓力隨充填時間過程呈周期性波動變化，同時隨輸送距離變化呈減小趨勢.

2） 基于管輸阻力和流速的計算方法，得到管輸阻力與流速、料漿濃度和石粉摻量分別呈線性、冪函數及拋物線關系.

3） 基于變量相互獨立的性質，構建了高濃度混合骨料充填料漿的管輸阻力數學模型，并從影響因素的相互作用分析發現，相互作用對管輸阻力影響程度從大到小依次為料漿濃度與流速、石粉摻量與流速、石粉摻量與料漿濃度.

4） 結合驗證試驗，機理研究表明，流速的振動效應、濃度的黏稠作用與石粉的絮網理論是固體顆粒碰撞聚凝、顆粒水膜變薄減少和細顆粒填充粗顆粒間空隙等原因，導致料漿的屈服應力與塑性黏度也隨之發生變化，從而改變了料漿的管輸特性.