大洋采矿气力提升特性的试验研究.pdf

。大洋采矿气力 提升特性的试 验研箢 ／ ， 霉 7 。 北京有 色冶金设计研究总院章炜 _●一 【 摘要】 试验表明． 气力提升特 性与 提升营内 三相流的 嚣 c 型蘩密相 关． 只有 当供气量足以 使三 相魂构巍型保持圃状巍、KT a y l o r 见正交充分显展的条停下。才台 岜 达到最大的提升量和最高的提 升效率．文中 连着重对气力提升的最隹工况进行了探讨．得出不同运行条件下的一般规律．井建立了练 萤 气力提升是近二十多年来世界各国研究 较 多 的 一 种开采大洋多金属结核的扬矿方 法。为了突破我国在大洋采矿的试验研究方 面尚未起步的局面，我们建成一套小型提升 试验系统，并开展了气力提升试验 本文根 据部分试验资料对气力提升特性及其最佳工 况进行了探讨。 i 研究现状 气力提升法源于1 8 世纪末 1 7 9 7 年德 国学者L 6 s c h e r 的室内试验。对大洋采 矿的 气力提升研究较多的是美国，德国和日本。 美国经过了大量 室内试验后，于7 O 年代在太 平洋进行了中问试 验。德 国学 者We b e r 和 D e d e g i l 不仅进行了大量室内 试验，还 利 甩 4 4 2 m深的煤矿井进行 试 验。1 9 8 4 年，日本 公害资源研究所建成了一套大型的提升试验 ； 设备，其竖井深2 0 0 m ，直径1 ． 锄 ，并 且 计 划l 9 9 7 年在太平洋C - C 区日本 申请的矿区进 行 中间试验。 大量的陆上和海域试验表明，气力提升 用于开采大洋多金属结核基本上是有效的， 但其生产率远束达到工业化开采的要求，不 少问飚尚待进一步研 究。 2 试验条件 试验系统见图1 ，提升管直径5 2 ． 8 5 ram， 提升高度3 5 0 ． 4 c m，进气口中心到提 升管出 日的距离为2 3 2 ． 9 e ra，进气 日 中心到地面的 距离为1 1 7 ． 5 c m。 试 验 的 固 体 颗 粒 为 煤 粒 ， 密 度 P 。 1 3 6 5 k ／ m 。 基本上为均匀颗粒，其平均 粒径d。 4 mm。 试验通过转予流量计测量气体流量，利 mm“ ■m玎 ■“ ■mm， “ ” ●， ， m“ ■ mmm“ ， H m啪mmmm● ， ■ 发的采场磺板失稳。 3 针对不同区段具体情况改 变 采坜 结构，变更采矿方法。原设计的采场结构不 能完全适应矿山现在复杂的工程地质力学条 件，应根据不同的采场稳定情况，适当变更 采场的矿柱 问距 、矿柱尺寸和形状以及回采 高度和护顶矿体厚度。对于采用点柱式水平 充填采矿法开采的采场，因矿岩稳定性而开 采困难时，应寻找与其相适应的新采矿法， 以保证在矿岩稳定的情况下多回采矿石。现 在该矿山已开始在部分矿岩不稳定的采场进 行进路式水平克填采矿法的试验工作。 目前矿山出现的矿岩不稳定问题 还仅仅 局限在采场稳定的范畴内，但如果这些问题 不解决，势必引起由采场稳定问题转为矿区 稳定问题。对三山岛这种滨海矿山来说，如 果失稳，将产生灾害性的后果。 大洋采矿气力提升特性的试啦研究一李帏 邮编t o o o 3 s 莲 一 ， 触 维普资讯 用测流箱和计时器测定液相和固相的流量， 利用压力表测量压力，周相体积浓度采用重 量法测定。 宙1 试验系统示意图 l 一提升管 2 一结棱箱 {3 一分离宜 4 一补水箱 ； 5 一空气恒压箱 ； 6 一空压机 ；7 一水泵8 一电磁流量计； 9 一诅 I 流葙 }1 0 一磅秤 ；1 l 一三 违旋塞 ；1 2 一 沉淀箱 1 3 一喷射器 1 4 液位计 {l 5 一转子气{ 流量计 ；I 6 一酒矿 管 ，l 一进永管 }】 8 一出水管 1 8 一浮子营 I 2 0 压 力表 3 流型验证 目前，关于三相流 气、液、固的流 型研究极少，基本上是移植气一 液两相 流 的 研究成果。因为，三相流中气相 的 速 度 不 高，不可能输送固体颗粒，固体颗粒是悬浮 于液相之中，并随之流动。所以，三相流的 流型可以近似按气一 液两相流的流型分析。 气一 液两相流在不同条件下有不同 的 流 型，诸如气泡流，团状流、泡沫流、雾状流 等。为达到提升液体或固体颗粒的目的，只 有一种流型即团状流能满足要求。 流型及其分界条件这是近三十年来各国 学者研究较多的课题，人们根据各 自 的试验 研究得出各种不同的流犁分界方程，其中较 一 l 2 一 有代表性的是G o l a n 的研 究 成 果 。G o l a n 根 据试验得出t 气泡流到团状流的分界方程为 u O ． 0 0 6 1 O ． 0 0 7 u * 。 1 式中u 气体的修正沸汝德数 u { 。 液体的修正沸汝德数。 团状流到泡沫流的分界方程为 u 0 ． 1 3 6 0 ． 0 2 2 u 。 2 其中u u ． ／ v g D Yl ／ V 。 3 u t 。 ul ／ , ／ g D 4 式中 u ． 气相的表观速度，m ／ s ； u - 液相的表观速度，m ／ s j g 重力加速度，m ／ s 。 ， D 提升管管径， ， Y． 液体的容重，k g ／ 。 J Y 。 气体的容重，k 苦 ／ m 。 。 研究表明，对于任一给定的流体体系， 确定流型的主要因素是各相的流速，至于名 相的密度、粘度、界面张力和管径等因素的 影响可以忽略。在室内试验条件下，管径对 流型的影响不是最主要因素，因此可将已有 关 于流型的试验成果作为本文判断流型的参 考。表 1 所列即为G o v i e z 等人的试验研究成 果 。 图2 为本试验流型验证结果。图中的流 型分界线分别由式 1 和 2 确定。可 以看出，本试验腺个别组次外，绝大多数组 次的流型皆为团状流。 必须指出，大洋采矿的实际提升管总长 将大于5 0 0 0 m， 其中三相流段至少也在2 0 0 0 m 左右。对于这样的垂直长管线，压力和空气 在液相 中的溶解度沿深度将有较大变化，有 可能影响三相流的流型。目前，只作简化处 理，暂不考虑流型沿程的变化。 4 扬水特性 4 ． 1 扬水量与供气量的关系 图 3 为试验的扬水量Q 与供 气 量Q ． 的 关系。由图可 见，Q ． 1 O ～l 2 m 。 ／ h 时，随 有色矿 l 9 9 T ． 3 维普资讯 表1 气一 液混合物在2 6 ra m 垂直管巾流动的流型参数 ’ 在圈状流条件下． 大气泡由帽形千 包 发展为子弹形的气千 包 ．这种气泡一般称T a y l o 泡． 此时气泡在管中所占的体积已变得重要了， uj - 圈2 气体的修正沸汝德数与液体的 修正沸汝德数的关系 供气量增加，曲线近乎于直线上升， 1 2 Q． 2 4 2 8 m 。 ／ h 时，供气量增大却导 致 扬 水 量逐渐减小。根据表 1 和 图 2 ，当Q． 2 4 ～ 2 8 m ／ h 时，其流型属于团状流范围。 开始供 气量很小，形成的Ta y l o r 泡也小 ，故扬水量 小l随着供气壁增加，T a y l o r 泡长度迅速增 加，因而提升水量也急剧增大，但当供气量 增加到一定程度后，T a y l o r 泡的长度已接近 于极 限，而液团中的小气泡数量急屠 增加， _。1___一⋯一⋯J‘一～ 国3 扬水量与供气量关系 4 ． 2 能量关系 在绝热过程中，压缩空气所 需 要 的能 量，即输入能量可表示为； E ． P ． Q 。 s g I n [ P S 2 ／ P 。 ] 5 式中E ． 输入能量，J P． 大气压力，P a ； Q。 S z 进气 日处 气体的流量， m。 ／ s , P s 进气 日处压力，P 8 。 扬水所需的能量，即有效能量，其衰达 式为； 大详采矿气力挺井特性柏试验研究李炜 ejl o o o s s 一 1 3 维普资讯 El Y Ql LH． 6 式 中 t 扬水能量，J j Q， 提升液体的流量，m ／ ； L 进气 口到提升管 出 口处 的 高 度 ， H． 洋面到进气口的高度，mo 提升有效能量与输入能量的关系示于图 4。可以看出，开始，随着输入 能 量i 的 增 加，有效能量也增加，当输入能量增大到 9 ～l 1 朋 ，有效能量逐渐减小 。当输入 能 量 为 8～1 o J 对，扬水有效能量最大 原因是t 一 开始，输入的能量小是由于输 入 的 气 量 小，有效毹量也小，随着输入能量的增加， 气泡的长度增大，这样提升的流量也增大， 故有效能量 血相应增大 当输入能量大于 9 ～ l l J 时，随着输入能量的增加，气泡 所 占 的体积增大，提升量降低，故有 效 能 量 减 小。试验表明，有效能量最大值范围与提升 承量最大值范围相对应的供气流量一致。 j 圈4 扬水有效能量与输入能量关系 4 ． 3 扬水效率 扬水效率可表示为 一 El 一 a - In X I， X -- T H - -i、s ， 呵 一 7 式 中 扬水效率。 圈 5 为扬水效率与供气量关系。提升效 率最大值是在供气量为1 0 1 2 m。 ／ h 之间。由 7 式可知，开始供气量由小到大时 ，提 升量增大，因而提升效率增大；当供气量大 一 1 4 一 千1 o ～1 2 ms ／ h ，提升量反而减小 ， 故扬水效 率降低 。 ，． L h 囝5 扬水效率曲线 上述分析表明，气升泵的最佳工况与提 升管内气液两招流的流型紧密相关。而对于 气升泵，液相表观上升速度虽与 供 气 量 有 关，但变化幅度不大，一般为 0 ． 1 ～O ． 3 m ／ s 左右。因此，关键是气相 表观逮度的影响。 气相表观速度定义见后 1 6 式]。只有 当气相表观速度达到某值，提升管内T a y l o r 泡充分发展，而液团中小气泡相对较少时， 气升泵工况才最佳。就是说，气升泵存在一 个最佳气相表观速度。根据本试验条件，并 参考G o v i e r 等人的试验成果，这个最佳气相 表观速度大约为 1 ． 1 O ～1 ． 5 m,／ s 左右。 5 提升固体颗粒特性 5 ． 1 提升量与供气量的关系 根据试验资料点绘的厩粒质量流 量M 与供气量关系示于图 6，由图 6可见，开始 随着气体流量的增加，提升的固体厩粒质量 流量也在增加，当增加到1 0 1 2 m。 ／ h 时， 再 增大气体流量，固体厩粒质量流 量 反 而 减 小。因为对于三相流，固体颗粒是悬浮于液 相之中，并随之输送。开始气体量小，在团 状流范围内形成的T a y l o r 泡长度短，这样提 升的水量少，故提升的固体颗粒量也少，当 气量大于1 0 1 2 m 。 ／ h 时，气泡所占的体积增 加，提升的水量减少，故圈相的提升量也在 宥色矿山 一1 8 9 7 ． 3 维普资讯 降低。别比圈 6 与图 3可 看出，尽管两图 的总趋势大林一致，但也有如下几点差别 其一，当Q ． 1 0 1 2 m ／ h 之 后，提 升 固体颗粒曲线不像扬水曲线那样有一个缓慢 一f 升段，而妊升始下降。这主要由于任一断 面气相面积 增大 ，液栩 水所 占 面 积 减 小，故固相所占面积也减小，这是一方面。 另一方面，扬水量缓慢的增加，实质上是踱 相速度的增大。液楣速度增大，必将导致固 掖两相间相对速度增大，输送固相的阻力损 失也将增大，因而使固相的提升量减小。 其三，当Q 再增大，提升 固体 颗 粒 曲 线较之扬水曲线下降更为迅速。这主要因为 三相流条件下，由于液相夹带有固体颗粒， 且 固，液两相之间有相对运动，而固体颗粒 与气相之间的界面张力可 忽略，一旦 固体 颗粒与气泡接触，它将对气泡周边形状起到 破坏作用。因此，三相流条件下，团状流型 比气液两相流有可能更容易遭 到 破 坏。同 时，在液相提升量只略有减少的情况下，固 相提升量的急剧减小贝 n 意味着固相浓度的降 低，这将导致 固相群体沉速增大。正由于这 些原因，所以提升固体颗粒曲线急剧下降。 5 ． 2 提升教率 提升固体颗粒的有效能量的表达式为 E。 Q． [ Y。 一Yt H。 L。 Y。 L H． ] 8 式中E。提升固体颗粒的有效能量， J } Q。提升固体颗粒的流量 ， m 。 ／ s ， Y。 固体颗粒的容重，k g ／ m 。 I L。洋底对进气口的高度，m 。 提升 固体颗粒的效率为 Q。 [ Y。 一YI H。 L。 Y． L 1 二 ] P Q 。 I n C P s 4 ／ P 。 式中q。提升固体颗粒的效率。 提升总效率为 里 Q 。 [ Y ． 一 Y I H。 L 。 Y 。 二 H P． Q。 s 2 I n C P s 。 ／ P。 ] ． YI Q J LH。 ‘P 。 Q 。 s l n P s 2 ／ P 。 式中q。 提升总效率。 图 7 为固体颗粒提升效率与供气量的关 系。由图可见，总趋势与扬水效率曲线 图 5 基本一致，而且最高效率点所对应的供 9 1 0 气量范围也基本相同，即Q 。 1 0 1 2 m S ／ h 。 但与扬水效率曲线比较，固体疆粒提升效率 曲线也略有不同，就是 当Q 。 l O ～ 1 2 m。 ／ h 时，曲线下降也更为急居 ，因此， 较 之扬水效率曲线显得更加尖瘦。其原因与固 体颗 粒质量流量曲线 图 6相同，不再赘 述。 提升总效率曲线示于图 8，原因如前所 述 。 o 5 4 0 0 ． ， h 图7 固体颗粒提升效率与供气量关系 Q⋯ 圈8 提升总效率曲线 6 浸水率的影响 浸水率定义为 aH√ L L。 n 式 中a 浸水率。 由图 6 可 以看出，浸水率对气力提升特 性影响显著。浸水率愈小，即进气口位置愈 高，提升 固相和液相 的 “ 吸 程 L． 愈 太， 故在同一供气量条件下，较之浸水率大者其 提升量为小。也正由于其 “ 吸程 太，故在 同一供气量条件下，较之浸水率太者提升固 相和液褶所做的功 有效能量大，效率也 高，道理是显然的。 至于图 4中，当E 3 J 时，浸水率小者，其有效能 量 较 之 浸水率大者为大 。 7 气力提升的最佳工作条件 图 9 是根据三种不同管径的试验资料点 绘的提升固体效率与气相沸汝德数的关系。 气相沸汝德数定义为 F 。 u 。 ／ v “ g D 1 2 式中F ． 气褶沸汝德鼓。 由图可见，宇佐美毅等人的试验管径最 小， D 4 6 ． ram， 最高效率相应的F 。 1 ． 4 。 本试验管 径 稍 大 ， 最 高效 率 相应 的 F ， 。 1 ． 8 ～1 ． 9 。 而We b e r 等人的试验管径较大 ， D3 0 0 mm，其相应于最高效率的F 。 3 ． 3 左右。说明提升固相最高效率所对应的气相 沸汝德数是随管径增大而增大。 一 。} 一 ～ ～～、 ．、、、 3 0 图9 提升蹰休效率与气相沸汝德数关系 提升效率是衡量气力提升效果的主要指 标。上述分析表明，无论是提升液相 还是提 升固褶，其提升效率与供气量的关系都不是 单阔函数关系，提升效率曲线都 出 现 极 大 值。就是说，气力提升有一个最佳工况，为 有色矿山 l 9 9 L 3 ●●●● ● L 。 维普资讯 了探索气力提升最佳工作条件的一般规律， 本文根据部分试验资料傲了一点尝试 。图1 O 为根据本试验和We b e r 的部分试验资料点绘 的圊相提升的综台效率参数N与气相表观体 积率E的关系。图中所用资料的试验条件 列 于表 2。 表2 本试验与We b e r 试验的对比资料 Z 注j 1 ，2 、3 掘为We b e r 试验，4 ，5 为奉试验 圈I O 提升固相的综合效率参数与气相表观 体积率的关系 圆相提升的综台效率参数N 定义为 N 。 ／ c ‘ ‘ 。 口 。 - 1 3 式中 N 周相提升的综合效率参数} c ， 提 管内固相的体积浓度。 气相表观体积率E 定义为 Eu ． ／ u ． I 1 4 式中E 气相表观体积率， u ． 空气表观速度，m／ s u 。 气} E 升速度，m／ s 。 空气表观速度由下式确定 u 。 Q． s j I A 1 5 式中A 提升管横断面积。 对于恒定的气一 液两相 流 ， 英 国 学 者 Ni c k l i n 得出气泡上升速度表达式为 u ‘ l 1 ． 2 旦 o ． 3 5 ,／ 一 1 6 对于 固一气一液三相流宇佐美毅给出气 泡上升速度表达式为 u 1 ． 2 0 ．3 5 1 7 由表 2和图1 0 可以看 出，尽管各组试验 条件差别较大，但圈中点群却较为集中，说 明其规律基本一致。由此得出如 下 经 验 关 系l N 5 ． 9 2 e “ “‘ 。 ‘ 一 。 。 。 ’ E一0 ． 3 4 8 0． 8 3 5 1 8 式 1 8 的极值点则为气力提升的最佳工作 条件，即 E 0 ． 4 3 7 N 1． 0 3 8 结语 1 三相流的流型主要 由各相的流速 确定。团状流条件下，T a y l o r 泡的数量、长 度是影响提升效率的主要因数 。此外，浸水 率也是影响提升效率的主要因素之一。 2 试验表明在不同运行条件下， 大伴采矿气力提升特性的试验研究一李帏 邮编t O O O 3 8 一 l 7 一 维普资讯 一 ．2 } 降低矿石贫化提高经济效益 贵州汞矿栖摅 ／ ； ／ 【 摘要】 贵f “ 采矿 经过近年来的生产实践， 在降低矿 石贫亿、提高经济效益方面， 成绩显着 并总结出了一些经验．J 关键词； 石 化墨 控制 经济效益 技术管理 J 1 前 言 贫化率是矿山企业生产的重要指标，对 矿石贫化率控制的好坏，直接影响到企业的 经济效益。在矿山生产中，对一个矿块或矿 体进行设计时，首先要摸清该矿体的空间形 态及变化情况，合理布置开拓、采准，切割 巷道，并在采矿过程中加强现场管理，即从 技术管理和现场管理的角度加以认真地研究 实施，是控制矿石贫化十分重要的工作。 杉木董分矿目前是贵汞唯一的矿山生产 单位，采矿主要集中在杉木萤矿床、尖坡矿 床、张家湾矿床。矿床内矿体形态复杂，厚 度、品位变化大，矿体倾角为8 ～l 2 。 。采用 留不规则矿柱的全面法进行回采，该法占矿 山采矿方法的9 5 左右 ，因此，在全面采矿 法中总结出一套降低矿石贫化率 的 有 效 方 法，是矿山地质、测量、采矿技术人员义不 容辞的责任。 2 降低矿石贫化的措施 2 ． 1 根据矿床地质特征及赋存规 律，改 变 哥 传统的布置采场的方法 杉术萤矿床、尖坡矿床、张家湾等矿床 内，矿体形态多变，地质构造纵横交错，其 形态特征及赋存规律见表 l 。 表1 矿床形态特征及赋存规律 表中展示了矿床特征，矿床稳定地赋存 在寒武系地层中某一特定的层位，其展布方 向在2 7 0 3 0 0 。 之间，这也是组成各矿 床 的 mm” ， Ⅱ ， Ⅱ “， mmm，． m 】 m n m， ， l 】 ” ， n ● ， l mm】 ”， l ●“， 拍 Ⅱ ， m拍 mmmmmmm， l ●“■ mmm 提升水量、提升固体量和提升效率与供气最 的关系都不是单骊函数关系，都出现极大值 点，这意昧着气力提升有一个最 佳 工 作 条 件。本文所得出的气力提升最佳工作条件的 一 般规律及所建立的综合效率参数N和空气 一 1 8 一 表观体积率E的关系，只是根据现有 的试验 资料进行的初步探讨，是否普遍适用，尚待 今后大量试验证实。 参考文献 略 有色矿止 1 g 9 7 ． 3 维普资讯