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充填料管道输送减阻试验研究 ① 肖青波１， 赵学义２， 胡 滨１， 孙贺然１， 巴家泓１， 韩文亮３ （１．中冶北方工程技术有限公司，辽宁 大连 １１６６００； ２．北京中矿金岳能源科技有限公司，北京 １０００８３； ３．清华大学，北京 １０００８４） 摘 要 根据浆体的流变特性推导了管道输送阻力公式。 采用在管壁处高剪切区注入少许水改变管壁处的综合粘度，以低粘流体的 剪切变形代替高粘浆体的剪切变形达到减阻的目的，通过试验对比，减阻效果达 １０％左右。 本研究对深井全尾砂充填法的推广具有 重要意义。 关键词 充填料； 管道输送； 加水减阻 中图分类号 ＴＤ５２２文献标识码 Ａｄｏｉ１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３－６０９９．２０１６．０２．００３ 文章编号 ０２５３－６０９９（２０１６）０２－００１１－０３ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ｄｒａｇ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｐｉｐｅｌｉｎｅ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｔｈｅ Ｓｌｕｒｒｙ Ｂａｃｋｆｉｌｌ ＸＩＡＯ Ｑｉｎｇ⁃ｂｏ１， ＺＨＡＯ Ｘｕｅ⁃ｙｉ２， ＨＵ Ｂｉｎ１， ＳＵＮ Ｈｅ⁃ｒａｎ１， ＢＡ Ｊｉａ⁃ｈｏｎｇ１， ＨＡＮ Ｗｅｎ⁃ｌｉａｎｇ３ （１．Ｎｏｒｔｈｅｒｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ＆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ， ＭＣＣ， Ｄａｌｉａｎ １１６６００， Ｌｉａｏｎｉｎｇ， Ｃｈｉｎａ； ２．Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｚｈｏｎｇｋｕａｎｇ Ｊｉｎｙｕｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ Ｌｔｄ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８３， Ｃｈｉｎａ； ３．Ｔｓｉｎｇｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８４， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｖｅ ｆｏｒｍｕｌａ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｒａｇ ｆｏｒｃｅ ｏｆ ｓｌｕｒｒｙ ｉｎ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ ｗａｓ ｄｅｒｉｖｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｌｕｒｒｙ ｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ． Ｉｎ ｔｈｅ ｔｅｓｔ， ｗａｔｅｒ ｗａｓ ｉｎｊｅｃｔｅｄ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｓｈｅａｒ ａｒｅａ ｏｆ ｔｕｂｅ ｗａｌｌ ｔｏ ｃｈａｎｇｅ ｔｈｅ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ ｏｆ ｔｕｂｅ ｗａｌｌ， ａｉｍｉｎｇ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｂｙ ｒｅｐｌａｃｉｎｇ ｓｈｅａｒ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｉｇｈ⁃ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ ｓｌｕｒｒｙ ｗｉｔｈ ｓｈｅａｒ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｌｏｗ⁃ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ ｆｌｕｉｄ． Ｔｈｅ ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ ｔｅｓｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈｅ ｄｒａｇ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ａｒｏｕｎｄ １０％， ｉｎｄｉｃａｔｉｎｇ ｓｕｃｈ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ ｂｅｉｎｇ ｏｆ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｗｉｄｅｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｂａｃｋｆｉｌｌｉｎｇ ｗｉｔｈ ｗｈｏｌｅ ｔａｉｌｉｎｇｓ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｅｐ ｗｅｌｌ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｂａｃｋｆｉｌｌ； ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ； ｄｒａｇ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｗａｔｅｒ 有色金属矿山经过几十年的开采，矿石中金属品 位逐渐降低，选矿厂每天排出的大量尾砂堆积地面、占 用耕地、污染环境，因此，将尾砂制成胶结料回填矿坑 实现闭路开采是目前解决尾砂堆存的最佳方法之一。 根据采矿工艺要求，回填矿坑的充填料必须有一 定的强度，因此一般要求充填料具有较高浓度（体积 浓度一般在 ４５％以上），从而导致浆料流变性差，管道 输送阻力大，造成倍线减小、能耗高［１－３］。 本文针对金属矿山充填系统，研究了全尾砂输送管 道减阻问题，并根据管道输送机理和充填料的流变特 性，进行了管道减阻试验。 该研究对减少输送能耗、延 长全尾砂充填料管道输送距离具有实际意义。 １ 充填料输送阻力分析 全尾砂充填料一般颗粒细、浓度高，质量浓度达到 ７０％以上，因而流变性差。 表 １ 列出了按宾汉模型测定的马钢集团张庄铁矿 灰砂比 １∶ ８的尾砂充填料流变参数。 从表 １ 可看出， 张庄铁矿充填料在高浓度时是一种屈服应力 τ０很大 的宾汉体，充填料呈塑性特征，在自重作用下能保持一 定形状，管道输送时呈典型的栓塞流。 表 １ 张庄全尾矿沙充填料流变参数 矿浆 种类 浓度 ／ ％ 屈服应力 ／ Ｐａ 刚度系数 ／ （Ｐａｓ） ６９４．６０．０８４ 尾矿浆 ７１１２．７０．１０２ ７３２４．２０．２１８ ７５４６．８０．３５ １∶８胶结尾矿浆 （Ｗ１∶ Ｗ２＝１∶８） ６９５．１０．０７４ ７１９．５０．０８８ ７３１６．８０．１０５ ７５４１．８０．１８３ 试验发现，在管壁光滑管段，栓塞沿管壁滑动，栓 ①收稿日期 ２０１５－１１－０６ 作者简介 肖青波（１９６８－），男，黑龙江海林人，教授级高级工程师，主要从事工程设计及研究工作。 第 ３６ 卷第 ２ 期 ２０１６ 年 ０４ 月 矿矿 冶冶 工工 程程 ＭＩＮＩＮＧ ＡＮＤ ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖｏｌ．３６ №２ Ａｐｒｉｌ ２０１６ 塞半径近似等于管内径；在粗糙管段，栓塞略小于管内 径，在管壁附近，充填料克服剪切应力流动。 从流速分布规律可知，在栓塞处充填料没有剪切 变形，即ｄｕ ｄｙ ＝０，因此也没有剪切变形的能耗；在管壁处 剪切速率ｄｕ ｄｙ 很大，管道的压能大部分消耗在管壁四 周，以克服充填料边界层的粘性剪切力。 浆体在管道中流动时，流变方程为 － ｄｕ ｄｒ ＝ ｆ（τ） （１） 其中 τ 为半径 ｒ 处的剪切应力。 管内壁受剪切应力 τｗ作用，取长度为 ｌ、半径为 ｒ 的一段圆柱体，如图 １ 所示，其隔离体平衡方程为 R D r PPΔP l τ 图 １ 管道内浆体受力示意 πｒ２ΔＰ ＝ ２πｒＬτ（２） τ ＝ ΔＰｒ ２Ｌ （３） 管壁处切应力 τｗ为 τｗ＝ ΔＰＲ ２Ｌ （４） 由式（３） ～（４）可得 τ ＝ ｒτｗ Ｒ （５） 对于宾汉体，流量表达式为 Ｑ ＝ πＲ３τｗ ４η １ － ４ ３ τ０ τｗ ＋ τ０ τｗ ４ （６） 如果 τ０ τｗ ＜ ０．４，可以舍去高次项 τ０ τｗ ４ ，把式（２）代入式 （６），化简则得 Δｐ Ｌ ＝ ｉ ＝ ３２Ｖ Ｄ２ η ＋ τ０Ｄ ６Ｖ （７） 式中 Ｖ 为平均流速；Ｄ 为管径；η 为刚度系数；τ０为充 填料屈服应力；ｉ 为阻力坡降。 式（７）表明，充填料输送阻力与管径的平方成反 比，与平均流速及有效粘度成正比。 由于管径 Ｄ、流速 Ｖ 为定数，充填料阻力主要由充填料的流变参数决定。 ２ 充填料减阻方法 减阻试验是在垂直管道上安装注水装置，采用压 力注水，人为减小管壁处的粘度值，达到减阻的目的。 根据理论推算，如采用水代替高粘度充填料， 则减阻 的极值可达几十分之一。 对于稀相的固、液两相流，颗粒除受重力、浮力、拖 曳力外，还受到 Ｓａｆｆｍａｎ 力和 Ｍａｇｎｕｓ 力［４］。 Ｓａｆｆｍａｎ 力 Ｆｓ＝ １．６２ｄ２ρｆμ（ｕｆ － ｕ ｐ） ｄｕｆ ｄｙ （８） Ｍａｇｎｕｓ 力 ＦＭ＝ １ ８ πρｆｄ３ω（ｕｆ － ｕ ｐ） （９） 在各种力的作用下，颗粒自然向管中心运动，在管 壁处浓度较低甚至为清水，形成自然减阻。 对于高浓 度的充填料，很难自然形成管壁处低浓度甚至为清水 的减阻现象，但可人为地在管壁处注入薄薄的一层清 水（一般要求大于管壁凸起点），形成管壁处为清水、 管道内部为高浓度充填料的输送形式。 由于充填料是 一种随浓度变低而流变性急剧变好的浆体，在管壁处 的高剪切区，形成水或低浓度的砂浆剪切变形［５］，以 达到较好的减阻效果。 管道的注水减阻装置如图 ２ 所示。 在注水口采用 自重压入或计量泵压入少量清水，把高浓度充填料与 粗糙的管壁隔开，使之形成清水环封的输送形式。 随 着输送距离增加，由于外环的清水与充填料掺混，形成 外环为低浓度料浆、内核为高浓度充填料的输送形式。 *48 ,3 D;2 1;2 ;;. *;8 图 ２ 注水减阻装置 ３ 减阻试验结果及分析 试验管道内径 ８３．５ ｍｍ，总长 ４６．３ ｍ，其中垂直管 长 １４．６ ｍ，水平管长 ３１．７ ｍ。 管道总压能损失通过比压计测量，流速通过体积法 测量。 采用张庄尾矿充填料为试验浆体，测试了 ７５．５１％ 和７３．６６％两种浓度的浆体减阻数据，如图 ３ 所示。 ２１矿 冶 工 程第 ３６ 卷 4;m s-1  3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 0.5 y 0.8774x 0.6954 y 0.9328x 0.4648 0.01.01.52.02.5 ;48,mH2O          4;m s-1     3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 0.4 y 0.7877x 1.0339 y 0.9895x 0.507 0.00.81.21.62.0 ;48,mH2O     0E 0E  0E 0E a b 图 ３ 注水减阻前后水力坡度与流速的关系曲线 （ａ） Ｃｗ＝７３．６７％ ； （ｂ） Ｃｗ＝７５．５１％ 从减阻前后直线的相对位置可以看出，低流速时 减阻效果明显，高流速时减阻效果差一些，主要原因是 注水量为定值，速度低时，注入的水量相对较多，减阻 效果明显；速度高时，注水形成的边壁层较薄，阻力减 小不明显。 试验时，为了保证充填料浓度不发生大的 变化，严格控制了注水量，导致管壁四周没有形成完整 水封环。 管道输送浓度越高减阻效果越明显，７５．５１％的充 填料在 １．５ ｍ／ ｓ 流速下，减阻超过 １０％，而 ７３．６７％的 充填料在相同流速下减阻为 ７．３％。 ４ 结 语 １） 充水减阻试验研究在理论上可行，工程上能够 实现，并且具有潜在的经济效益，对全尾砂充填封闭式 采矿法的推广有重要意义。 ２） 减阻效果与注水量有关，当注水量一定时，低 速运行减阻效果更好。 在流速一定的情况下，输送浓 度越高减阻效果越明显。 ３） 注水减阻后充填料浓度略有下降，但不会对充 填料造成明显的影响，不会影响支撑强度。 ４） 理论上分析，垂直管的减阻效果比水平管好， 因此，选择大垂深的矿井实施充水减阻是可行的。 ５） 由于试验设备和经费的限制，注水减阻试验仅 仅从理论上进行了分析，并通过大型管道试验系统进行 了初步的测试，在保证充填料浓度和强度的条件下，生 产实际应用中的减阻效果到底如何有待进一步研究。 参考文献 ［１］ 谢德瑜，张 华，胡 滨，等． 张庄铁矿充填尾砂流变特性实验研 究［Ｊ］． 矿冶工程，２０１５（５）１４－１６． ［２］ 陈光国，夏建新． 我国矿浆管道输送技术水平与挑战［Ｊ］． 矿冶工 程，２０１５（２）２９－３２． ［３］ 秦德庆，曹 斌，夏建新． 不同颗粒物料管道水力输送不淤临界流 速的确定［Ｊ］． 矿冶工程，２０１４（１）９－１１． ［４］ 侯晖昌． 减阻力学［Ｍ］． 北京科学出版社，１９８７． ［５］ 肖 红，唐达生． 砂矿颗粒沉降运动规律试验研究［Ｊ］． 矿冶工 程，２０１５（３）１－３． 􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎 （上接第 １０ 页） ３） 通过比较 ４ 种折减方案的塑性区可发现，协调 折减全部参数的方案可消除模型底部一部分不合理的 塑性区，同时，该方案的安全系数计算结果最小，偏保 守，从工程安全的角度来看，有利于工程的稳定性评价。 参考文献 ［１］ 张 超． 尾矿动力特性及坝体稳定性分析［Ｄ］． 武汉中国科学院 武汉岩土力学研究所，２００５． ［２］ 王凤江． 土工织物增强尾矿砂的力学性能研究［Ｄ］． 阜新辽宁工 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