礦山膏體充填輸送方式的選擇

礦山膏體充填輸送方式的選擇原金箭【摘要】初始剪切應(yīng)力和粘性系數(shù)稱為膏體充填料的流變參數(shù)，是決定充填料輸送性能的重要參數(shù).文章通過(guò)對(duì)膏體充填料流變模型的分析，結(jié)合L管輸送試驗(yàn)，建立了流變參數(shù)-沿程阻力系數(shù)-充填倍線的關(guān)系，用于指導(dǎo)膏體充填料輸送方式的選擇，以解決經(jīng)驗(yàn)類比法計(jì)算誤差大導(dǎo)致的輸送方式選擇不合理問(wèn)題.【期刊名稱】《湖南有色金屬》【年(卷)，期】2014(030)005【總頁(yè)數(shù)】3頁(yè)(P1-3)【關(guān)鍵詞】膏體充填;流變參數(shù);充填倍線【作者】康金箭【作者單位】湖南有色金屬職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南株洲412006【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類】TD52管道輸送方式的選擇作為充填料管輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，需考慮多方面的因素，但總體而言，主要就是在自流輸送和泵壓輸送之間進(jìn)行論證和取舍。自流輸送方式能耗低，工藝簡(jiǎn)單，設(shè)備投入小，是礦山充填應(yīng)優(yōu)先選用的方案，泵壓輸送方式不受充填倍線的限制，在長(zhǎng)距離輸送方面具有優(yōu)勢(shì)［1］。輸送方式的選擇，應(yīng)以充填料管道輸送沿程阻力的計(jì)算作為依據(jù)。充填料的管道輸送是膏體充填的關(guān)鍵技術(shù)之一，目前充填料輸送的基本理論與計(jì)算方法已有較多成果［2］,由于不同礦山充填料的物理性質(zhì)的差異，這些成果的普適性較差。對(duì)于具體礦山的充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)，鑒于對(duì)研發(fā)成本的考慮，設(shè)計(jì)人員往往直接引用已有的成果和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行充填料管輸阻力計(jì)算，計(jì)算結(jié)果誤差較大。本文從膏體充填料流變力學(xué)的角度出發(fā)，介紹了一種簡(jiǎn)單可行的計(jì)算方法，并闡述其原理。1.1膏體充填料的流變力學(xué)模型通常把由細(xì)粒級(jí)物料組成的膏體充填料視為塑性結(jié)構(gòu)體，并應(yīng)用賓漢（Bingham）流變模型來(lái)研究［3］,流變方程為：式中：t為管壁剪切應(yīng)力/Pa；T0為初始剪切應(yīng)力（或屈服剪切應(yīng)力）/Pa；n為粘性系數(shù)/Pa?s;du/dy剪切速率/s-1o膏體充填料在管道輸送過(guò)程中的流態(tài)為層流，固體顆粒不發(fā)生沉降，管道內(nèi)膏體充填料內(nèi)層與層也不出現(xiàn)交流，呈〃柱塞”狀［4］，橫斷面上的速度變化為常數(shù)。根據(jù)式（1），并考慮管道全斷面具有流速，根據(jù)伯努利方程可得出方程式：式中：v為流速/m-s-1;D為管道直徑/m。實(shí)際生產(chǎn)中，膏體充填料的輸送管徑是固定的，而流速通常根據(jù)充填系統(tǒng)的生產(chǎn)能力將充填料設(shè)定為某一固定值，管壁切應(yīng)力實(shí)際上取決于膏體自身的兩個(gè)參數(shù)，即初始剪切應(yīng)力（或屈服剪切應(yīng)力）T0和粘性系數(shù)n，這兩個(gè)參數(shù)稱為流體的流變參數(shù)。1.2膏體流變參數(shù)及測(cè)量方法根據(jù)管流靜力學(xué)平衡理論，結(jié)合式（3）可知，管道單位長(zhǎng)度流動(dòng)阻力i（Pa/m）：t0/t高次幕很小，可以忽略，故可得出近似的管壁剪切應(yīng)力：在管徑、流速確定的條件下，流變參數(shù)決定膏體的輸送阻力，因此，在充填系統(tǒng)輸送方式選擇時(shí)，應(yīng)以流變參數(shù)的測(cè)量為基礎(chǔ)。膏體流變參數(shù)的測(cè)量主要有兩類方法，即儀器直接測(cè)量（槳葉測(cè)量法、平行板黏度測(cè)量法、旋轉(zhuǎn)圓筒式黏度測(cè)量法等）和半工業(yè)、工業(yè)規(guī)模的環(huán)管試驗(yàn)測(cè)算。從實(shí)際應(yīng)用的情況看，儀器測(cè)量雖然簡(jiǎn)單快捷，但結(jié)果往往不準(zhǔn)確。通過(guò)環(huán)管試驗(yàn)測(cè)算膏體充填料流變參數(shù)是最符合工程實(shí)際的方法，但試驗(yàn)系統(tǒng)復(fù)雜，成本較高，且試驗(yàn)周期長(zhǎng)［5］。根據(jù)流變學(xué)理論及流體的管道輸送能量方程，使用L管輸送試驗(yàn)方式獲得膏體充填料流變參數(shù)是較為經(jīng)濟(jì)合理的方法。實(shí)驗(yàn)室L管輸送試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。充填料漿在流動(dòng)時(shí)的受力狀態(tài)如圖2所示。根據(jù)流體管道輸送的能量守恒定律，可得出如下公式：式中：P0為進(jìn)口處壓力，由下式計(jì)算：Pg為料漿自重壓力，由下式計(jì)算：局部損失P局包括彎管損失、接頭損失等，計(jì)算較為繁雜，通常取其為直管損失的15%，以簡(jiǎn)化計(jì)算。P'為出口壓力損失，由下式計(jì)算：Pl為沿程阻力損失，由下式計(jì)算：以上各式中：Y為料漿比重/N-m-3;v為料漿流速/m-s-1;g為自重加速度/9.8m?s-2;&為局部阻力損失系數(shù)。則將上述各項(xiàng)代入（5）式，化簡(jiǎn)后得：隨著試驗(yàn)過(guò)程的進(jìn)行，料斗內(nèi)料漿料面下降，流速逐漸降低，最終停止流動(dòng)時(shí)，豎管內(nèi)料柱高度為h0，根據(jù)管流靜力學(xué)平衡，可推導(dǎo)出屈服剪切應(yīng)力：1.3充填倍線與輸送方式的選擇對(duì)于礦山充填管網(wǎng)而言，在自流輸送的條件下，若垂直管道高度為H，水平管道長(zhǎng)度為L(zhǎng),則根據(jù)能量守恒原理，可得出：在試驗(yàn)過(guò)程中，分別配制不同濃度的全尾砂充填料漿，測(cè)定其坍落度與料漿容重，同時(shí)測(cè)定計(jì)算充填料漿在管道中的流速v，則根據(jù)式（10）、（11）即可分別計(jì)算相應(yīng)的t0、t，同時(shí)根據(jù)式（3）可計(jì)算出料漿的粘性系數(shù)n，即：取局部阻力及出口損失之和為管道沿程阻力的15%，則上式變?yōu)椋海℉+L）/H為管道總長(zhǎng)與垂直管道高度之比，即充填倍線。將式（4）代入式（15），即可計(jì)算出礦山膏體充填料在不同流量及管道直徑時(shí)，可實(shí)現(xiàn)自流輸送的允許充填倍線，作為輸送方式選擇的依據(jù)。某鉛鋅礦設(shè)計(jì)采用全尾砂膏體充填，設(shè)計(jì)充填生產(chǎn)能力60-80m3/s,礦山最大開(kāi)采深度678m，實(shí)測(cè)的最遠(yuǎn)水平輸送距離800m，充填倍線為1.1~3.3，設(shè)計(jì)輸送管道內(nèi)徑125mm。根據(jù)材料配比實(shí)驗(yàn)，確定充填濃度為76%~79%，對(duì)應(yīng)的膏體充填料容重見(jiàn)表1。為節(jié)省成本，縮短項(xiàng)目周期，礦山未進(jìn)行膏體充填料的環(huán)管輸送試驗(yàn)，其充填料輸送參數(shù)與充填方式的選擇按下述進(jìn)行。2.1測(cè)定流變參數(shù)使用圖1所示的裝置測(cè)定膏體充填料流變參數(shù)，其中，h=1.2m,h'=0.24m,D=0.06m,L=2.06m。結(jié)果見(jiàn)表2。2.2計(jì)算管道單位長(zhǎng)度流動(dòng)阻力i將表1中的計(jì)算結(jié)果代入式（4）,分別計(jì)算不同流速（流量）下的管道單位長(zhǎng)度流動(dòng)阻力i，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。2.3可實(shí)現(xiàn)自流輸送的充填倍線計(jì)算將不同流速（流量）下的管道單位長(zhǎng)度流動(dòng)阻力i代入式（15），分別計(jì)算不同輸送參數(shù)下可實(shí)現(xiàn)的自流輸送倍線，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。2.4輸送方式選擇由表4可知，選用內(nèi)徑125mm的輸送管道，當(dāng)充填料質(zhì)量濃度為76%~79%、充填流量為60-80m3/h時(shí)，該礦山可實(shí)現(xiàn)自流輸送的充填倍線為3.7~8.5,大于實(shí)際工程的充填倍線（1.1-3.3），因此，礦山可實(shí)現(xiàn)自流輸送。1.根據(jù)膏體充填料的流變參數(shù)，結(jié)合流體管道輸送能量方程，可計(jì)算膏體充填料管道輸送的沿程阻力系數(shù)，進(jìn)而計(jì)算可實(shí)現(xiàn)自流輸送的充填倍線，用以指導(dǎo)礦山膏體充填料輸送方式的選擇。2.膏體充填料作為非牛頓流體中的賓漢體，可通過(guò)室內(nèi)L管輸送試驗(yàn)獲得其初始剪切應(yīng)力和粘性系數(shù)，L管輸送試驗(yàn)獲取膏體充填料流變參數(shù)的方式，較儀器測(cè)量法更為接近工程實(shí)際，成本遠(yuǎn)低于大規(guī)模的環(huán)管實(shí)驗(yàn)。【相關(guān)文獻(xiàn)】[1]蔡嗣經(jīng)，王洪江.現(xiàn)代充填理論與技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2012.[2]王洪武.多相復(fù)合膏體充填料配比與輸送參數(shù)優(yōu)化[D].長(zhǎng)沙：中