高浓度全尾砂充填料浆临界输送流速研究

甘德清 高 锋 陈 超 卢宏建 张亚宾

(1.华北理工大学矿业工程学院,河北 唐山 063009；2.河北省矿业开发与安全技术重点实验室,河北 唐山 063009)

高浓度全尾砂充填料浆临界输送流速研究

甘德清1,2高 锋1,2陈 超1,2卢宏建1,2张亚宾1,2

(1.华北理工大学矿业工程学院,河北 唐山 063009；2.河北省矿业开发与安全技术重点实验室,河北 唐山 063009)

以某地下矿山超大规模充填开采发展趋势为背景，结合矿山环境保护的迫切需要，充分考虑粒级组成、料浆黏度、料浆与载体密度、物料密度、管径、管壁粗糙度、管道安装质量、物料加权平均沉降速率等复杂因素，以管道输送阻力损失最小为原则研究高浓度全尾砂充填料浆在不同直径管道内的临界流速，构建高浓度全尾砂充填料浆临界输送流速模型，分析管径和浓度对临界输送流速的影响规律。经验证，高浓度全尾砂充填料浆临界输送流速模型的计算结果可靠，模型计算得出的临界输送流速随管径、浓度等因素的变化表现出明显的规律性。研究结果表明：随着管径的增大，高浓度全尾砂充填料浆临界输送流速呈按幂函数增大的变化特征；随着浓度的增大，高浓度全尾砂充填料浆临界输送流速呈按三次多项式减小的变化特征。

高浓度全尾砂充填料浆 临界流速 充填管道 管径 浓度

随着充填采矿技术装备的进步与国内外工业化水平的提高以及社会对环境保护的日益关注，国内外充填开采的地下矿山生产规模不断增大。目前，我国已经开始建设年产2 000万t级左右的超大能力充填开采的地下矿山，如司家营田兴铁矿、思山岭铁矿等。采矿规模的不断增大，导致尾矿的产出量也在急剧增加，占用了大量的土地，造成矿区生态的严重破坏[1-2]。高浓度全尾砂胶结充填具有尾砂利用率高、充填体强度大的特点，可以实现大规模地下矿山的安全绿色开采[2]。增大充填开采规模要求提高单系统全尾砂充填管道输送能力与稳定性，增大充填管径，势必改变全尾砂充填料浆管道输送机理。临界流速是研究充填料浆管道输送理论与技术的重要参数，因此，有必要探明管径对全尾砂充填料浆临界流速的影响规律。

临界流速是料浆输送过程中的理想流速，其定义尚不统一，如管道内流体不同运动状态之间转换时的过渡流速、固体颗粒在输送中保持悬浮状态而不产生滑动层和淤积层的流速、管道断面上出现均质流和伪均质流状态的流速等[3-5]。王新民、蔡嗣经等研究充填料浆管道输送阻力损失时认为临界流速是使料浆阻力损失最小的流速[6-7]。国内外学者分析了临界流速的影响因素，建立了多个临界流速的计算模型[8-12]。受实验条件的限制，使用这些公式计算管道输送高浓度全尾砂充填料浆临界流速具有一定的片面性。本研究从全尾砂充填料浆物理力学性质的复杂性以及输送工艺的复杂性出发，构建了适用于高浓度全尾砂充填料浆输送的临界流速模型，分析了管径和浓度对临界流速的影响规律。

1 全尾砂充填料浆物理力学性质分析

1.1 全尾砂性质

以河北省司家营铁矿区选矿厂的全尾砂为实验材料，将全尾砂烘干，用定容称重多次取平均值的方法测定全尾砂的松散密度为1.291 kg/m3；按照土工实验规程，测定全尾砂的密度为2.672 t/m3，计算全尾砂孔隙率为51.68%。用Mastersizer2000激光粒度仪测定全尾砂的粒级组成，测定结果如图1所示，同时得出3种尾砂的特征粒径d10、d50、d90、d97、d100如表1所示。

图1 全尾砂粒级组成Fig.1 Grain size composition of full tailings表1 尾砂特征粒径Table 1 Feature grain sizes of tailings

特征粒径d10d50d60d90d97d100数值/μm1148213803823988310964781562212000

1.2 充填料浆性质

按灰砂比1∶6，分别配制浓度为68%～78%的充填料浆。测定不同灰砂比、不同浓度充填料浆的密度、输送载体密度，测定浓度为78%、76%、74%、72%、70%、68%的充填料浆的塌落度，测定结果如表2所示。

表2 充填料浆流动参数的测定结果Table 2 Test results of flow parameters of backfilling slurry

由表2可知，灰砂比为1∶6和1∶12的充填料浆具有初始屈服应力的浓度范围是70%～78%，浓度大于76%的料浆可塑性和流动性差，小于70%浓度的料浆流动性很好，但有一定的析水率，认为70%～78%浓度的料浆为高浓度全尾砂料浆。

采用NXS-11A型旋转黏度计测试高浓度充填料浆的流变特性，得到灰砂比为1∶6、浓度为70%～78%的全尾砂胶结充填料浆的表观黏度，如表3所示。

表3 灰砂比为1∶6的高浓度充填料浆表观黏度Table 3 Apparent viscosity of high density backfillingslurry with cement-sand ratio 1∶6

2 临界输送流速模型构建

2.1 临界输送流速模型

以管道输送阻力损失最小的流速作为临界流速，采用阻力损失计算模型对流速求极值的方法，得到充填料浆临界输送速度的计算公式。在矿山料浆管道输送阻力损失研究方面，应用较为广泛的有前苏联煤炭科学研究院公式、尤芬公式、长沙矿冶研究院公式、鞍山黑色金属矿山设计院公式等，其中，比较适合于高浓度料浆输送阻力计算的是鞍山黑色金属矿山设计院公式

(1)

管道输送清水时，水力坡度的计算公式为

(2)

式中，λ为阻力损失系数；K1为管道敷设系数，1～1.5；K2为管道接头系数，1～1.8；g为重力加速度，9.8m/s2；Δ为管壁粗糙度，m。

将式(2)代入式(1)，令dip/dv=0，得到临界流速vc的经验计算模型

(3)

矿山管道输送充填料浆时，骨料中固体颗粒的粒径分布范围较广，计算固体颗粒的沉降速度不能单纯使用1个公式，若忽略载体黏度对固体颗粒沉降的影响，可以使用以下简化公式计算全尾砂颗粒的沉降速度vs。

(1)当di≤0.3a时，用简化的斯托克斯公式

(2)当0.3a

(3)当a

(4)当0.45a

其中，

di为第i级骨料的平均粒径，mm。

全尾砂固体颗粒的加权平均沉降速度的计算公式可为

(4)

式中，vsi为第i级骨料的沉降速度,m/s；mi为第i级骨料的体积百分比,%。

2.2 临界输送流速公式验证

根据全尾砂粒级组成的测定结果，由式(4)计算全尾砂在输送过程中的加权平均沉降速度。在尾砂与充填料浆物理性质测定的基础上，使用式(3)以及常用的杜兰德公式和费祥俊临界不淤流速经验公式，分别计算全尾砂充填料浆在内径为100、150和200mm的管道中的临界流速，计算结果如表4所示。

表4 全尾砂充填料浆临界流速计算结果

Table 4 Calculation results of critical velocity of backfilling slurry with full tailings m/s

由表4可知:与杜兰德公式和费祥俊公式计算结果相比，式(3)的计算结果表现出较强的规律性，临界流速随着浓度的增大而减小，随着管径的增大而增大；在浓度为72%～78%时，式(3)计算结果可靠性更高，推导的临界输送流速数学模型适用于计算高浓度全尾砂胶结充填料浆管道输送的临界流速；杜兰德公式和费祥俊公式的计算结果变化显著，杜兰德公式仅仅考虑了管径、料浆密度和载体密度3个因素，计算结果偏小；费祥俊公式没有考虑骨料加权平均沉降速度、管道安装质量等因素，计算结果偏大；本次推导的高浓度全尾砂充填料浆临界流速模型综合考虑了物料粒级组成、料浆黏度、料浆与载体密度、物料密度、管径、管壁粗糙度、管道安装质量等因素，计算结果可靠性更高，使用该模型计算得出的流速输送充填料浆可使充填骨料恰好全部悬浮，使输送阻力最小。

3 临界输送流速变化特征分析

3.1 临界输送流速随管径的变化

影响料浆在管道内临界输送流速大小的因素有很多，但是研究管道内料浆的临界流速时，有些研究人员认为管径对临界流速的影响不大，或者忽略管径对临界流速的影响。实际上，管径对管道内料浆流动的临界流速有重要的影响作用。在杜兰德临界流速计算公式、C A shook公式和特里恩与袁氏公式中，临界流速与D1/2成正比关系；克罗诺兹提出临界流速与D1/4成正比；刘德忠提出临界流速与D1/6成反比；瓦斯普临界流速经验公式表明，临界流速与管径的相关关系为

凯夫公式显示，管径对临界流速的影响关系为

费祥俊提出管径对料浆在管道内临界不淤流速的影响很大，如图2所示。

图2 费祥俊临界不淤流速随管径的变化关系Fig.2 Variation of non-depositing critical velocityof Fei Xiangjun along with pipe diameter ◆—76%浓度；■—74%浓度；▲—72%浓度

这些经验公式虽然都反映了管径对临界输送流速的影响，但得出这些临界流速经验公式的实验条件不同，用于计算高浓度全尾砂胶结充填料浆管道中临界输送流速时均有一定的局限性。基于高浓度充填料浆管道输送阻力损失模型推导的临界输送流速数学模型充分反映了管道输送高浓度充填料浆条件下管径对临界输送流速的影响。使用推导的临界输送流速模型计算高浓度全尾砂充填料浆在不同直径管道中临界输送流速，得出管径对高浓度全尾砂胶结充填料浆临界输送流速的影响如图3所示。

图3 管径对高浓度料浆临界输送流速的影响Fig.3 Affection of pipe diameter on critical conveyingvelocity of high concentration slurry ◆—浓度78%；■—浓度76%；▲—浓度74%；●—浓度72%

由图3可知，管径对高浓度全尾砂胶结充填料浆管道输送临界流速的影响很大，使输送阻力损失最小的临界流速与管径呈幂函数关系。

对图3中的曲线进行拟合，得出管径对高浓度全尾砂胶结充填料浆管道输送临界流速的影响关系式为

(5)

式中，A为系数，A⊆[0.26,0.42]。

3.2 临界输送流速随浓度的变化

使用推导的临界输送流速模型计算高浓度范围内不同浓度料浆在管道中的临界输送流速，得出浓度对高浓度全尾砂胶结充填料浆临界输送流速的影响如图4所示。

图4 浓度对高浓度料浆临界输送流速的影响关系Fig.4 Affection of concentration on critical conveyingvelocity of high concentration slurry ◆—100 mm管道；■—150 mm管道；▲—200 mm管道

由图4可知:临界输送流速随浓度的增大而减小，在70%～72%的浓度范围内，充填料浆黏度变化范围为0.242 Pa·s，临界流速的变化率较大；在72%～75%的浓度范围内，充填料浆黏度变化仅为0.127 Pa·s，临界流速的变化较为平缓，变化率减小；在75%～78%的浓度范围内，充填料浆黏度变化范围为0.422 Pa·s，临界流速度变化率再次增大。对图4中的曲线进行拟合，发现临界流速随浓度呈三次多项式减小的变化趋势。

4 结 语

(1)大规模全尾砂胶结充填开采是地下矿山开采的发展趋势，需要建立大直径管道输送高浓度全尾砂胶结充填料浆系统，管道直径的增大、料浆浓度的提高会改变全尾砂充填料浆临界流速等管道输送特性。

(2)以管道输送阻力损失最小为原则，建立了适用于高浓度全尾砂充填料浆管道输送的临界流速计算模型，全面考虑了物料粒级组成、料浆黏度、料浆与载体密度、物料密度、管径、管壁粗糙度、管道安装质量等因素，计算结果可靠性更高，反映临界流速变化特性明显。

(3)随着管径的增大，高浓度全尾砂充填料浆临界输送流速的变化特征为按幂函数增大；随着浓度的增大，高浓度全尾砂充填料浆临界输送流速呈按三次多项式减小的变化特征。

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(责任编辑 徐志宏)

Study on Critical Conveying Velocity of Full-tailings Filling Slurry of High Concentration

Gan Deqing1,2Gao Feng1,2Chen Chao1,2Lu HongJian1,2Zhang YaBin1,2

(1.CollegeofMiningEngineeringinNorthChinaUniversityofScienceandTechnology，Tangshan063009，China;2.MiningDevelopmentandSafetyTechnologyKeyLabofHebeiProvince，Tangshan063009，China)

Taking the developing trend of large-scale filled stopes in an underground mine as background，combining the urgent requirement of environmental protection in mines，taking many complex factors into full consideration，such as grain size composition，slurry viscosity，densities of slurry and carrier，material proportion，pipe diameter，roughness of pipe wall，installation quality of pipes，weighted average setting rate and so on，the critical conveying velocity inner pipes of different diameters was researched，based on the smallest resistance loss.The model of critical conveying velocity of full-tailings filling slurry of high concentration was established，and the affection laws of pipe diameter and concentration on critical conveying velocity were analyzed.The verification indicated that the calculation results of the model were reliable.In conclusion，the critical transport velocity regularly varies with pipe diameter，concentration and other factors.The results showed that with the increase of the diameter，the critical transport velocity of high concentration of the whole tailings backfill slurry increased by power function；with the concentration increasing，the critical transport velocity of high concentration of slurry tailing filling variation was reduced by cubic polynomial function.

Full-tailings filling slurry of high concentration，Critical conveying velocity，Filling pipe，Pipe diameter，Concentration

2015-08-12

湖北省自然科学基金项目(编号：E2014209093)。

甘德清(1962—)，男，教授，博士，博士研究生导师

TD851

A

1001-1250(2015)-11-022-05