矿山膏体充填输送方式的选择

康金箭

（湖南有色金属职业技术学院，湖南株洲 412006）

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矿山膏体充填输送方式的选择

康金箭

（湖南有色金属职业技术学院，湖南株洲 412006）

初始剪切应力和粘性系数称为膏体充填料的流变参数，是决定充填料输送性能的重要参数。文章通过对膏体充填料流变模型的分析，结合L管输送试验，建立了流变参数－沿程阻力系数－充填倍线的关系，用于指导膏体充填料输送方式的选择，以解决经验类比法计算误差大导致的输送方式选择不合理问题。

膏体充填；流变参数；充填倍线

管道输送方式的选择作为充填料管输系统设计的核心内容，需考虑多方面的因素，但总体而言，主要就是在自流输送和泵压输送之间进行论证和取舍。自流输送方式能耗低，工艺简单，设备投入小，是矿山充填应优先选用的方案，泵压输送方式不受充填倍线的限制，在长距离输送方面具有优势［1］。输送方式的选择，应以充填料管道输送沿程阻力的计算作为依据。

充填料的管道输送是膏体充填的关键技术之一，目前充填料输送的基本理论与计算方法已有较多成果［2］，由于不同矿山充填料的物理性质的差异，这些成果的普适性较差。对于具体矿山的充填系统设计，鉴于对研发成本的考虑，设计人员往往直接引用已有的成果和经验进行充填料管输阻力计算，计算结果误差较大。本文从膏体充填料流变力学的角度出发，介绍了一种简单可行的计算方法，并阐述其原理。

1 膏体充填料管道输送特性

1.1 膏体充填料的流变力学模型

通常把由细粒级物料组成的膏体充填料视为塑性结构体，并应用宾汉（Bingham）流变模型来研究［3］，流变方程为：式中：τ为管壁剪切应力／Pa；τ0为初始剪切应力（或屈服剪切应力）／Pa；η为粘性系数／Pa·s；du／dy剪切速率／s－1。

膏体充填料在管道输送过程中的流态为层流，固体颗粒不发生沉降，管道内膏体充填料内层与层也不出现交流，呈“柱塞”状［4］，横断面上的速度变化为常数。根据式（1），并考虑管道全断面具有流速，根据伯努利方程可得出方程式：

式中：v为流速／m·s－1；D为管道直径／m。

实际生产中，膏体充填料的输送管径是固定的，而流速通常根据充填系统的生产能力将充填料设定为某一固定值，管壁切应力实际上取决于膏体自身的两个参数，即初始剪切应力（或屈服剪切应力）τ0和粘性系数η，这两个参数称为流体的流变参数。

1.2 膏体流变参数及测量方法

根据管流静力学平衡理论，结合式（3）可知，管道单位长度流动阻力i（Pa／m）：

τ0／τ高次幂很小，可以忽略，故可得出近似的管壁剪切应力：

在管径、流速确定的条件下，流变参数决定膏体的输送阻力，因此，在充填系统输送方式选择时，应以流变参数的测量为基础。膏体流变参数的测量主要有两类方法，即仪器直接测量（桨叶测量法、平行板黏度测量法、旋转圆筒式黏度测量法等）和半工业、工业规模的环管试验测算。从实际应用的情况看，仪器测量虽然简单快捷，但结果往往不准确。通过环管试验测算膏体充填料流变参数是最符合工程实际的方法，但试验系统复杂，成本较高，且试验周期长［5］。

根据流变学理论及流体的管道输送能量方程，使用L管输送试验方式获得膏体充填料流变参数是较为经济合理的方法。

实验室L管输送试验装置结构如图1所示。充填料浆在流动时的受力状态如图2所示。根据流体管道输送的能量守恒定律，可得出如下公式：

图1 L管输送试验装置结构图

图2 管内流体受力分析图

式中：P0为进口处压力，由下式计算：

Pg为料浆自重压力，由下式计算：

局部损失P局包括弯管损失、接头损失等，计算较为繁杂，通常取其为直管损失的15%，以简化计算。

P′为出口压力损失，由下式计算：

Pl为沿程阻力损失，由下式计算：

以上各式中：γ为料浆比重／N·m－3；v为料浆流速／m·s－1；g为自重加速度／9.8 m·s－2；ξi为局部阻力损失系数。

则将上述各项代入（5）式，化简后得：

随着试验过程的进行，料斗内料浆料面下降，流速逐渐降低，最终停止流动时，竖管内料柱高度为h0，根据管流静力学平衡，可推导出屈服剪切应力：

1.3 充填倍线与输送方式的选择

对于矿山充填管网而言，在自流输送的条件下，若垂直管道高度为H，水平管道长度为L，则根据能量守恒原理，可得出：

在试验过程中，分别配制不同浓度的全尾砂充填料浆，测定其坍落度与料浆容重，同时测定计算充填料浆在管道中的流速v，则根据式（10）、（11）即可分别计算相应的τ0、τ，同时根据式（3）可计算出料浆的粘性系数η，即：

取局部阻力及出口损失之和为管道沿程阻力的15%，则上式变为：

（H＋L）／H为管道总长与垂直管道高度之比，即充填倍线。将式（4）代入式（15），即可计算出矿山膏体充填料在不同流量及管道直径时，可实现自流输送的允许充填倍线，作为输送方式选择的依据。

2 工程实例

某铅锌矿设计采用全尾砂膏体充填，设计充填生产能力60～80 m3／s，矿山最大开采深度678 m，实测的最远水平输送距离800 m，充填倍线为1.1～3.3，设计输送管道内径125 mm。根据材料配比实验，确定充填浓度为76%～79%，对应的膏体充填料容重见表1。

为节省成本，缩短项目周期，矿山未进行膏体充填料的环管输送试验，其充填料输送参数与充填方式的选择按下述进行。

表1 矿山膏体充填料浓度－容重对照

2.1 测定流变参数

使用图1所示的装置测定膏体充填料流变参数，其中，h＝1.2 m，h′＝0.24 m，D＝0.06 m，L＝2.06 m。结果见表2。

表2 不同浓度全尾砂料浆的流变参数

2.2 计算管道单位长度流动阻力i

将表1中的计算结果代入式（4），分别计算不同流速（流量）下的管道单位长度流动阻力i，计算结果见表3。

表3 充填料管道单位长度流动阻力 Pa／m

2.3 可实现自流输送的充填倍线计算

将不同流速（流量）下的管道单位长度流动阻力i代入式（15），分别计算不同输送参数下可实现的自流输送倍线，计算结果见表4。

2.4 输送方式选择

由表4可知，选用内径125 mm的输送管道，当充填料质量浓度为76%～79%、充填流量为60～80 m3／h时，该矿山可实现自流输送的充填倍线为3.7～8.5，大于实际工程的充填倍线（1.1～3.3），因此，矿山可实现自流输送。

表4 不同输送参数下可实现的自流输送倍线

3 结 论

1.根据膏体充填料的流变参数，结合流体管道输送能量方程，可计算膏体充填料管道输送的沿程阻力系数，进而计算可实现自流输送的充填倍线，用以指导矿山膏体充填料输送方式的选择。

2.膏体充填料作为非牛顿流体中的宾汉体，可通过室内L管输送试验获得其初始剪切应力和粘性系数，L管输送试验获取膏体充填料流变参数的方式，较仪器测量法更为接近工程实际，成本远低于大规模的环管实验。

［1］ 蔡嗣经，王洪江.现代充填理论与技术［M］.北京：冶金工业出版社，2012.

［2］ 王洪武.多相复合膏体充填料配比与输送参数优化［D］.长沙：中南大学，2010.

［3］ 刘同友.充填采矿技术与应用［M］.北京：冶金工业出版社，2001.

［4］ 陈广文，古德生，高泉.高浓度浆体的浓度判据及其层流输送特性［J］.中国有色金属学报，1995，5（4）：35－38.

［5］ 周爱民.矿山废料胶结充填［M］.北京：冶金工业出版社，2007.

The Choice of M ethod of Paste Filling Transportation in a M ine

KANG Jin-jian
（Hunan Nonferrous Metals Vocational and Technical College，Zhuzhou 412006，China）

The initial shear stress and viscous coefficient is called the rheological parameters of paste filling，and is an important parameter to decide transmission performance of fillingmaterial.This article through the analysis of the fillingmaterial paste rheologicalmodel and the pipe experiment，established the relationship between rheological parameters，the frictional resistance coefficient and the times filling line.It is used to choose paste fillingmaterial transportation，in order to solve the unreasonable transportation mode choice problem caused by large calculation error.

the paste filling；the rheological parameters；times filling line

TD52

：A

：1003－5540（2014）05－0001－03

2014－06－20

康金箭（1973－），男，高级工程师，主要从事金属矿开采技术研究工作。