0 前言

固体物料的管道水力输送是一种行之有效的运输方式。它具有装置简单, 生产与运行费用低, 输送能力大, 技术性能好, 充填效率高, 便于实现管送工艺连续化、机械化和自动化, 经济效益好, 对环境污染少等显著优点。自50年代以来, 在国内外得到了迅速发展, 已为冶金、煤炭、化工和电力等部门广泛采用。我国固体物料水力输送技术, 近年来也有很大发展, 输送物料的种类从尾矿发展到精矿、灰碴、煤炭和废石等; 输送深度越来越大; 输送的距离越来越远, 输送物料颗粒也越来越大。

粗颗粒充填物料自流输送技术是一项先进的技术, 国内目前发展较快, 但尚欠成熟。自流输送充填技术特征是:借助料浆柱的重量所产生的自然压头使料浆沿着系统或钻孔与管道相配合的系统输送到井下采空区, 达到高效充填的目的。如何以最小的能量消耗来保证高效安全输送固体充填料的实现, 核心问题是水力输送最佳参数的选择和确定。为了确定最佳参数, 必须建立反映管道输送系统构成与考虑技术、工艺、布置特点等不同经济要素之间的相关函数, 而后在工业试验中加以测试与调配。现以在锡矿山矿务局南矿所开展的这方面的研究工作为基础, 进行理论上的分析总结, 就有关技术问题展开探讨。

1 水力参数计算与测试 1.1 充填结构参数与充填料力学性能

充填结构参数与充填料力学性能如下:

管道进出口全长  L = 724m;

管道进出口高差  h = 225m;

管道内径  Ø₁ = 142mm;

管道外径  Ø₂ = 159mm;

充填倍线  N = 3.2;

充填料密实密度  r_密 = 2.52t/;

松散密度  r_松 = 1.39t/;

孔隙率  n = 45 %;

渗透系数   K₀ = 9600mm/h;

压缩系数   S_P150 = 20 %~21 %;

充填料堆积角  α = 42°;

最大粒径   d_max = 45mm;

平均粒径   d_cp = 14.94mm。

1.2 临界流速

由于水砂充填料在管道中的运动规律极为复杂, 目前对固液两相流管道水力输送的计算尚无完整的理论, 在计算中一般多采用经验公式, 不可避免地对各种性质的充填料适应范围有一定局限性。

固体充填料在管道中的运动^〔1〕, 大致可归纳为如下3种情况:一是当料浆的流速较小时, 管内绝大部分充填料颗粒沿着管道底部滑动, 这种情况下容易导致堵管事故, 在正常充填过程中是不允许产生的; 二是当料浆的流速逐渐增大时, 管内一部分固体颗粒沿着管道底部作跳跃滚动, 另一部分固体颗粒偶尔呈悬浮状态运动, 此时输送状态很不稳定; 三是当料浆流速增大到某一速度时, 管内全部固体颗粒在水中完全呈悬浮的运动状态。一般正常的管道输送应确保在第三种状态, 此时的料浆流速即称为临界流速。

在锡矿山矿务局南矿粗颗粒水砂充填系统设计建设和管道输送可靠性分析计算中, 充分结合国内外的有益经验, 有选择性地运用芬兰R·阿麦克教授有关临界流速的计算经验公式^〔2〕。并根据工艺要求的输送浓度, 计算其自流输送条件下的实际工作流速、实际充填倍线以及临界流速和允许最大充填倍线等。R·阿麦克教授关于不同料浆密度γ_m时的临界流速V_k的计算经验公式为:

当γ_m ≥ 1.6时:

(1)

当γ_m ≥ 1.4时:

(2)

当γ_m ≥ 1.2时:

(3)

1.3 阻力损失

料浆输送的阻力损失, 国内外有关学者提出过各种不同的计算公式, 但均有一定的适应范围。因此对特定的充填物料, 必须通过试验确定其阻力损失计算的经验或半经验公式。影响料浆输送阻力损失的因素很多, 但对于同一种输送物料, 其阻力损失主要是浆体流速、浓度和输送管径的函数。在锡矿山矿务局南矿特定条件下, 浆体的阻力损失与浆体的流速和浓度影响关系最大。

试验测试表明, 阻力损失与流速和浓度的特性曲线呈二次函数关系, 可以近似地用流速的平方函数的关系来表示:

(4)

式中:I_j—料浆的阻力损失;

V—料浆流速;

V₀—清水流速;

b, c—系数。

当料浆密度γ_m不同时, 其系数b和c也不同。对于一定的料浆密度情况下, 就可用高斯最小二乘法确定b和c。

试验中参考R·阿麦克教授的阻力损失计算经验公式^〔2〕, 二者结果很近似。R·阿麦克教授的经验公式为:

(5)

试验所得的测试数据见表 1。测绘的I_j-V特性曲线及用R·阿麦克教授公式所计算结果绘制的I_j-V特性曲线如图 1所示。

1.4 最佳输送浓度

在管路输送中, 浓度是一个主要水力参数之一。它不仅与水力坡度、管路磨损等有关, 而且在胶结充填中, 还严重影响充填体强度, 此时一般都要设法提高浓度来满足地下采矿的要求。在水砂充填中, 浓度高则单位时间内所输送的固体充填料多, 耗水量少, 但此时输送阻力大、能耗高、管路磨损大。因此存在一个经济合理的最佳浓度。

在有压输送状态下, 经济合理的最佳浓度是指在非均质流充填料输送条件下, 使能耗最小的浓度。其计算方法可通过对能耗函数求导即可。同样, 自流管道输送也存在最佳输送浓度问题。

无压自流管送情况下, 最佳浓度满足的数学方程应包含两个方面:一是水力坡度应满足充填系统所固有的最大允许充填倍线的要求; 另一方面是工作流速应在允许的最大流速范围内。显然, 在一定运量条件下, 提高浓度后既会减小流量, 又会改变流速。管道输送水力坡度与输送浓度流变参数和临界流速的变化有关:在低浓度范围内, 随浓度的提高, 输送流速也须提高, 故此时水力坡度随浓度的提高而增大; 在超过某一浓度后, 随坡度的提高, 输送流速可降低, 故此时水力坡度随浓度的提高而降低; 进一步提高浓度后, 随浓度的提高, 流变参数值显著提高, 故水力坡度随浓度的提高而又重新提高^〔3〕。

在锡矿山矿务局南矿的充填试验中, 仅局限于满足充填倍线, 一味的追求高浓度, 低水砂比, 结果导致充填过程中管路磨损极大, 流速过高。其原因是因为没有足够重视最佳输送浓度这一技术问题。

2 模拟输送试验

为了确保自流管送水砂充填能顺利投入生产, 不但要在经验公式的基础上进行可靠性分析, 而且还应在充填系统正式投产前进行地表模拟管道输送试验与检测。

模拟输送试验主要测试参数包括输砂量、水流量、料浆流量、料浆浓度、料浆流速、临界流速和水力坡度等。根据工艺流程, 在充填料仓底部安装了两台可调速振动放料机, 以调节充填物料的数量; 在胶带输送机上安装一台电子皮带秤, 以检测充填物料的数量和累计总量; 在供水管路上, 安装电动执行器以调节供水量和控制注砂室工作液位的高度, 安装电磁流量变送器以检测供水量的大小。在注砂室底部安装差压变送器, 以检测注砂室水位高低。在注砂室喇叭口外接的试验管路上安装γ射线浓度计, 检测砂浆浓度; 安装差压计检测管道输送的水力坡度。

试验过程中, 首先进行清水输送试验, 而后按浓度由低而高分别进行了料浆输送试验。试验效果良好, 有关输送参数列于表 2。

3 结语

(1) 在矿山实际充填工作中, 管道输送浆体多为粒级组成广泛的复合料浆, 因此研究其水力学计算具有重要的实用意义。至今这方面的研究成果尚不多见, 无疑是两相流中一个实用性很强的研究课题。

(2) 对于粒级较大的自流管送水砂充填, 芬兰R·阿麦克教授的临界流速和压力损失计算经验公式适用性强, 可在工程设计计算中采用。试验中运用的水力参数计算测试方法正确, 在实践中证明具有指导意义。

(3) 料浆在管道中的压力损失与料浆的实际工作流速有关。在管道输送水力参数计算中, 无压自流输送也存在最佳输送浓度的问题, 这一点在试验和生产中应引起足够重视。