深海粗颗粒矿石浮游速度的试验研究.pdf

深海粗颗粒矿石浮游速度的试验研究 ① 唐达生１， 肖 红１， 宋跃文２， 龚德文１， 夏建新３， 李满红１ （１．长沙矿冶研究院有限责任公司 深海矿产资源开发利用技术国家重点实验室，湖南 长沙 ４１００１２； ２．中南大学 能源科学与工程学院，湖南 长沙 ４１００８３； ３．中央民族大学 生命与环境科学学院，北京 １０００８１） 摘 要 以单颗粒沉降运动为研究基础，采用高速摄影技术对锰结核、富钴结壳、多金属硫化物及模拟结核粗颗粒矿石进行了浮游 速度试验研究，得到了粗颗粒矿石单颗粒和群体颗粒浮游速度计算公式，计算结果与试验实测数据吻合较好，对垂直管道水力输送 系统参数设计和正常运行有一定参考价值。 关键词 深海采矿； 水力输送； 管道输送； 扬矿； 垂直管道； 粗颗粒； 沉降速度； 浮游速度 中图分类号 ＴＤ８５７文献标识码 Ａｄｏｉ１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３－６０９９．２０１６．０３．００１ 文章编号 ０２５３－６０９９（２０１６）０３－０００１－０５ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｆ Ｃｏａｒｓｅ Ｏｒｅ Ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｉｎ Ｄｅｅｐ Ｓｅａ ＴＡＮＧ Ｄａ⁃ｓｈｅｎｇ１， ＸＩＡＯ Ｈｏｎｇ１， ＳＯＮＧ Ｙｕｅ⁃ｗｅｎ２， ＧＯＮＧ Ｄｅ⁃ｗｅｎ１， ＸＩＡ Ｊｉａｎ⁃ｘｉｎ３， ＬＩ ｍａｎ⁃ｈｏｎｇ１ （１．Ｃｈａｎｇｓｈａ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ ａｎｄ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ Ｃｏ Ｌｔｄ， Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｅｘｐｌｏｉｔａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｄｅｅｐ⁃ｓｅａ Ｍｉｎｅｒａｌ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ， Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００１２， Ｈｕｎａｎ， Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｃｅｎｔｒａｌ Ｓｏｕｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００８３， Ｈｕｎａｎ， Ｃｈｉｎａ； ３．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｌｉｆｅ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｍｉｎｚｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｉｎａ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８１， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｅｔｔｌｉｎｇ ｍｏｔｉｏｎ， ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｉｅｓ ｏｎ ｆｌｏａｔｉｎｇ ｖｅｌｏｃｉｔｉｅｓ ｏｆ ｃｏａｒｓｅ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｗｅｒｅ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｆｏｒ ｍａｎｇａｎｅｓｅ ｎｏｄｕｌｅｓ， ｃｏｂａｌｔ⁃ｒｉｃｈ ｃｒｕｓｔ， ｐｏｌｙｍｅｔａｌｌｉｃ ｓｕｌｆｉｄｅ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｎｏｄｕｌｅｓ ｕｓｉｎｇ ｈｉｇｈ⁃ｓｐｅｅｄ ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｙ， ｆｒｏｍ ｗｈｉｃｈ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｆｏｒｍｕｌａｓ ｏｆ ｆｌｏａｔｉｎｇ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｗｅｒｅ ｄｅｒｉｖｅｄ ｆｏｒ ｓｉｎｇｌｅ ｐａｒｔｉｃｌｅ ａｎｄ ｇｒｏｕｐ ｏｆ ｃｏａｒｓｅ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ． Ｉｔ ｉｓ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｖａｌｕｅ ｉｓ ｉｎ ｇｏｏｄ ａｇｒｅｅｍｅｎｔ ｗｉｔｈ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ， ｉｎｄｉｃａｔｉｎｇ ｉｔ ｃａｎ ｂｅ ｏｆ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｔｏ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｎｏｒｍａｌ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｐｉｐｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｄｅｅｐ⁃ｓｅａ ｍｉｎｉｎｇ； ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ； ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ； ｌｉｆｔｉｎｇ； ｖｅｒｔｉｃａｌ ｐｉｐｅ； ｃｏａｒｓｅ ｐａｒｔｉｃｌｅ； ｓｅｔｔｌｉｎｇ ｖｅｌｏｃｉｔｙ； ｆｌｏａｔｉｎｇ ｖｅｌｏｃｉｔｙ 深海蕴藏着丰富的矿产资源，如锰结核、富钴结壳 以及多金属硫化物等，目前比较可行的采矿技术方案 是利用管道将位于数千米深海底的矿石提升到海面采 矿船上［１－４］。 在深海采矿系统扬矿工艺参数设计中， 如何确定粗颗粒矿石在提升管中的安全速度是关键问 题之一。 不同类别的矿石由于密度和形状均有差异， 其安全速度有可能不同。 作为安全速度的下限，首先 需要研究颗粒浮游速度变化规律。 关于颗粒浮游速度研究方面，前人曾做过一些工 作［５－１１］，但各研究成果均有一定的局限性。 本文采用 颗粒轨迹跟踪技术对单颗粒和群体颗粒的锰结核、富 钴结壳、多金属硫化物及模拟结核在垂直管流中的浮 游速度进行了深入研究，建立了单颗粒和群体颗粒浮 游速度公式，旨在为垂直管道水力输送系统的设计和 正常运行提供基础数据。 １ 试验装置与方法 １．１ 试验装置 粗颗粒浮游速度试验装置如图 １ 所示［１２］。 该试 验装置串联在高 ３０ ｍ 的垂直管道水力提升试验系统 中。 采用直径 ２００ ｍｍ、高 ４ ０００ ｍｍ 的有机玻璃管（下 端安装 ５ ｍｍ ５ ｍｍ 金属丝格筛），管下部的提升管 道安装了电磁流量计和提升泵，通过变频器调节泵转 速，可对提升管道内清水流速进行调节，采用电磁流量 ①收稿日期 ２０１５－１２－２４ 基金项目 国家自然科学基金（５１１７４０３７，５１３３９００８） 作者简介 唐达生（１９５４－），男，湖南湘潭人，教授级高级工程师，主要从事深海采矿扬矿技术方面的研究工作。 第 ３６ 卷第 ３ 期 ２０１６ 年 ０６ 月 矿矿 冶冶 工工 程程 ＭＩＮＩＮＧ ＡＮＤ ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖｏｌ．３６ №３ Ｊｕｎｅ ２０１６ 计测量水流速度。 在距有机玻璃管 ４ ０００ ｍｍ 处布置 了一台 ２Ｆ０４ 高速相机，全幅分辨率（２ ３２０１ ７２０）为 １９０ＦＰＳ 的高帧率， 最高单场曝光时间为 ２ μｓ， 以 ＵＳＢ３．０ 接口直接与计算机相联，采用运动图像 Ｔｒａｃｋｅｒ 跟踪软件对高速相机拍摄的视频文件进行颗粒轨迹跟 踪，分析颗粒在有机玻璃管内随水流速度作用的浮游 状态，及在管道断面的相对位置变化，确保测试数据的 精确度。 1 2 34567 13 10 8 9 14 15 17 18 19 1112 16 图 １ 粗颗粒矿石浮游试验装置 １ 清水泵； ２ 水箱； ３ 给水管； ４ 溢流管； ５ 稳压管； ６ 回流管；７ 提升管；８ 稳压水箱；９ 分配箱；１０ 标定 箱；１１ 有机玻璃管；１２ 高速相机；１３ 流量计；１４ 变频器； １５ 计算机； １６ 提升泵； １７ 料仓； １８ 水包； １９ 地面 １．２ 试验方法 试验前，将提升管道内充满清水，颗粒投放到有机 玻璃管下端的金属丝格筛上。 进行单颗粒试验时，逐 渐调节提升管道内水流速度，水流就会载着颗粒由静 止转入向上运动状态，当颗粒向上运动到一定高度时， 如果颗粒在此位置保持一种动平衡状态，此时提升管 道内的水流速度即是颗粒的浮游速度。 单颗粒试验物 料采用等容直径为 １０，２０，３０，４０ 和 ５０ ｍｍ 的锰结核、 富钴结壳、多金属硫化物和模拟结核（颗粒密度分别 为 ２．００，１．８６，１．７５ 和 ２．１４ ｇ／ ｃｍ３）。 进行群体颗粒试 验时，逐渐调节提升管道内水流速度，颗粒会以集合的 形式悬浮起来，并在一定料层高度内悬浮，基本上呈均 匀分布状态。 随着水流速度进一步增加，料层高度也 相应增加，颗粒浓度相应减小，当料层高度相对稳定 后，记录该时刻的水流速度和床层高度，可得到不同浓 度下颗粒的群体浮游速度。 试验每次投料量为 １０ ｋｇ， 均匀颗粒采用同一种粒径，非均匀颗粒采用扬矿系统 水力输送的颗粒级配［１２］，颗粒粒级组成见表 １。 表 １ 颗粒粒级组成 粒级 ／ ｍｍ 负累积产率 ／ ％ 分级粒径 ／ ｍｍ 中值粒径 ／ ｍｍ 占比 ／ ％ ５０１００．０－５０＋４５４７．５７．５ ４０９２．５－４０＋３５３７．５１４．３ ３０７８．２－３０＋２５２７．５３１．７ ２０４６．５－２０＋１５１７．５３４．５ １０１２．０－１０＋５７．５１２．０ ２ 试验结果及分析 ２．１ 单颗粒沉降速度 单颗粒沉降速度试验在直径 ５００ ｍｍ、高度 ３ ０００ ｍｍ 的有机玻璃圆柱形沉降筒中进行，在离沉降筒顶 端 ５００ ｍｍ 和 ２ ５００ ｍｍ 处刻有标记线，有效测量距离 为 ２ ０００ ｍｍ。 按通常做法，先将粗颗粒矿石视为球体处理，单一 球体颗粒在无限静止水体中作沉降运动，颗粒受重力和 水流阻力作用，经短暂加速下沉后，当有效重力等于水 流阻力时，颗粒等速下沉，可得到如下沉降速度公式［１３］ ω０＝ ４ｇｄ（ρｓ － ρ ０） ３ＣＤρ０ （１） 式中 ω０为颗粒沉降速度；ｄ 为颗粒直径；ＣＤ为颗粒阻 力系数；ρＳ和 ρ０分别为颗粒和清水密度；ｇ 为重力加 速度。 从式（１）可以看出，球体颗粒的沉降速度由阻 力系数确定，而阻力系数是雷诺数 Ｒｅ 的函数。 粗颗粒矿石属形状不规则类型，其阻力系数与形 状系数有关。 根据文献［１４］，如能测定颗粒的长轴 ａ， 中轴 ｂ 和短轴 ｃ，则形状系数为Ｓｆ＝ Ｃ ａｂ 。 试验采用形 状不规则的锰结核、富钴结壳、多金属硫化物和模拟结 核 ４ 种粗颗粒，测得粗颗粒等容直径 １０～５０ ｍｍ 时的 形状系数分别为 ０．４１ ～ ０．８１，０．４７ ～ ０．９，０．４６ ～ ０．９２， ０．８６～０．９６。 当颗粒雷诺数为（０．５～４．４９）１０４时，将 单颗粒沉降速度代入式（１），可确定阻力系数 ＣＤ，并得 到 ＣＤ⁃Ｓｆ关系曲线，如图 ２ 所示，通过回归分析，ＣＤ与 Ｓｆ有如下关系 ＣＤ＝ ０．５９Ｓｆ －１．５８ （２） 图 ３ 为粗颗粒矿石沉降速度与颗粒粒径的关系。 由图 ３ 可以看出，４ 种不同粗颗粒密度相差不大，锰结 核、富钴结壳和多金属硫化物的沉降速度接近，但与模 拟结核的沉降速度相差约为 ０．２ ｍ／ ｓ。 这是因为在模 拟结核制作过程中，只考虑了模拟结核密度与天然结 核的相似，没有考虑颗粒空隙的影响，其颗粒表面粗糙 度也不完全一样。 试验测定，模拟结核的空隙率 （ε＝２９．４％）小于锰结核、富钴结壳、多金属硫化物的 空隙率（ε＝４５．４％，４８．１％，４５．４％）。 可见，对于粗颗粒 ２矿 冶 工 程第 ３６ 卷 D;Sf 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.30.60.91.2 E4;CD                                                                        51/ -V12 ,1;4/ 661/ CD 0.59Sf -1.58 图 ２ 阻力系数与形状系数关系曲线 42dmm 1.6 1.2 0.8 0.4 0.0 1002030405060                         51/ -V12 ,1;4/ 661/ 1;,ω0m s-1ω 图 ３ 粗颗粒矿石沉降速度 矿石，颗粒空隙率也是影响因素之一，本文建议采用修 正系数 Ｋ Ｋ ＝ １．５ ε（３） 式中 ε 为颗粒空隙率。 将式（２）、式（３）代入式（１）， 可得单颗粒沉降速度公式为 ω０＝ ２．２５ εｇｄ（ρｓ － ρ ０） Ｓｆ －１．５８ρ ０ （４） 图 ４ 为粗颗粒矿石沉降速度修正的试验值与计算 值，可见两者吻合较好。 42dmm 1.6 1.2 0.8 0.4 0.0 1002030405060 51/CD -V12CD ,1;4/CD 661/CD 51/0D -V1200D 661/0 661/ 图 ５ 粗颗粒矿石浮游速度 表 ２ 为单颗粒浮游速度与沉降速度的对比结果。 由表 ２ 可以看出，锰结核、富钴结壳、多金属硫化物的 浮游速度均小于沉降速度，但模拟结核的浮游速度大 于沉降速度，并不是理论中提到的浮游速度等于沉降 速度，这是由垂直管道断面水流速度分布不均匀和颗 粒形状不规则造成的。 试验中提升管内清水流速为 ０．３３～１．１５ ｍ／ ｓ，雷诺数为（０．６７～２．３２）１０５，管道的输 送条件处于水力光滑区，根据水力光滑区管道断面流 速分布可计算得到管道断面平均流速与管道中心最大 流速之比约为 ０．８５。 文献［１６］对单一球形颗粒在提 升管流中的运动进行了分析，认为管道断面存在速度 梯度使得颗粒旋转，产生 Ｍａｇｎｕｓ 作用力将颗粒推向管 道中心运动。 另一方面，由于径向紊流脉动速度产生 的紊动力使得颗粒向管壁运动的趋势。 单颗粒浮游速 度与颗粒形状、管道断面流速有关。 锰结核、富钴结 壳、多金属硫化物的平均形状系数约为 ０．７，属非球形 颗粒，颗粒浮游速度与沉降速度之比的平均值为 ０．８６， 说明颗粒在靠近管壁处达到浮游状态，不是管道中心 也不是管壁。 模拟结核的平均形状系数为 ０．９，类似于 ３第 ３ 期唐达生等 深海粗颗粒矿石浮游速度的试验研究 球形颗粒，颗粒浮游速度与沉降速度之比的平均值为 １．１７，说明颗粒在靠近管道中心处达到浮游状态。 这 是颗粒浮游速度不等于沉降速度的原因。 此外，对拍 摄的颗粒视频文件进行分析也得到了验证。 表 ２ 单颗粒浮游速度与沉降速度对比 试验 物料 粒径 ｄ ／ ｍｍ 浮游速度 Ｖ０ ／ （ｍｓ －１ ） 沉降速度 ω０ ／ （ｍｓ －１ ） Ｎ Ｎ 平均值 １００．３３８０．３９０．８７ ２００．４７２０．５５１０．８６ 多金属结核３００．５８５０．６５０．９００．８９ ４００．６６０．７５１０．８８ ５００．６７６０．７１２０．９５ １００．３０５０．３６０．８５ ２００．４３０．５０２０．８６ 富钴结壳３００．５４０．６２２０．８７０．８６ ４００．６０５０．７２０．８４ ５００．６６１０．７７２０．８６ １００．２６７０．３３２０．８０ ２００．３８００．４７２０．８１ 多金属硫化物３００．５０２０．５８０．８７０．８４ ４００．５８５０．６９０．８５ ５００．６３７０．７３４０．８７ １００．６２９０．５２６１．２０ ２００．７８４０．６６２１．１８ 模拟结核３００．９２９０．８０８１．１５１．１７ ４０１．０２６０．８８８１．１６ ５０１．１０．９５６１．１５ 将颗粒浮游速度结果代入式（４），最后可得到单 颗粒浮游速度的半理论半经验公式为 Ｖ０＝ ２．２５Ｎ εｇｄ（ρｓ － ρ ０） Ｓｆ －１．５８ρ ０ （６） 式中 Ｎ 为浮游速度与沉降速度比值，对于锰结核、富钴 结壳、多金属硫化物，Ｎ＝０．８６；对于模拟结核，Ｎ＝１．１７。 采用式（６）计算浮游速度，可得到比较满意的结果。 ２．３ 群体颗粒浮游速度 群体颗粒浮游速度可分为均匀颗粒浮游速度和非 均匀颗粒浮游速度，主要是研究颗粒浓度对浮游速度的 影响。 由于形状不规则、粒径不同的颗粒在管道中碰撞 和挤压的原因，目前从理论上分析群体颗粒浮游速度还 有一定的难度，一般是采用试验观察方法，本文采用人 工观察和颗粒轨迹跟踪相结合的方法进行分析。 通过分析观察可知，在颗粒浓度试验范围内，颗粒 在提升管道内的运动大致可分为起动、悬浮和输送 ３ 种不同状态，如图 ６ 所示。 由图 ６ 可以看出，颗粒起动 状态水流通过颗粒间隙流动，在水流的带动下，大量无 规则的颗粒相互碰撞和挤压使得颗粒呈上下跳跃状 态，但颗粒在管道中不会跟随水流向上运动。 随着水 流速度增加，料层高度增加，颗粒浓度减小，颗粒分布 基本均匀，颗粒跟随水流运动并保持在一定的高度下 相对稳定，为颗粒悬浮状态，是颗粒运动的临界状态。 随着水流速度进一步增加，颗粒跟随水流一起运动，为 颗粒输送状态。 这种情况下颗粒有 ２ 种运动状态，在 低流速区，颗粒在水流中产生滑移运动，颗粒运动速度 小于水流速度；在高流速区，颗粒与水流一起运动，颗 粒运动速度等于水流速度。 提升管道实际运行中，颗 粒输送速度必须在大于或等于高流速区运行，否则颗 粒将会产生滞后作用，使得提升管道内浓度增加，有可 能造成管道堵塞。 8,D-D;;D 图 ６ 颗粒运动状态 ２．３．１ 均匀颗粒浮游速度 由于锰结核、富钴结壳、 多金属硫化物的试验用料量有限，采用粒径为 １０，２０， ３０，４０ 和 ５０ ｍｍ 共 ５ 组模拟结核进行均匀颗粒浮游速 度试验。 图 ７ 为模拟结核均匀颗粒浮游速度与浓度的 关系。 由图 ７ 可以看出，对于同一种粒径，随着浓度增 大，颗粒浮游速度减小；对于不同粒径，随着粒径增大， 颗粒浮游速度增大。 体积浓度低于 ２０％时，各粒径浮 游速度增量较大；体积浓度高于 ２０％时，颗粒浮游速 度相差不大［１７］。 07,Cv  1.6 1.2 0.8 0.4 0.0 0.20.10.00.30.40.5 -A;,Vmm s-1 d 10 mm d 20 mm d 30 mm d 40 mm d 50 mm                                                 图 ７ 模拟结核均匀颗粒浮游速度与体积浓度曲线 根据试验结果，采用模拟结核均匀颗粒浮游速度 与单颗粒浮游速度之比为纵坐标，体积浓度为横坐标， 对试验数据进行拟合，可得到模拟结核均匀颗粒浮游 速度的半理论半经验公式为 Ｖｍ Ｖ０ ＝ ｅ－５．４９Ｃ ｖ＋６．２５Ｃｖ２ （７） ４矿 冶 工 程第 ３６ 卷 或Ｖｍ＝ ２．２５Ｎ εｇｄ（ρｓ － ρ ０） Ｓｆ －１．５８ρ ０ ｅ －５．４９Ｃｖ＋６．２５Ｃｖ２ （８） 式中 Ｖｍ为模拟结核浮游速度， ｍ／ ｓ； Ｃｖ为体积浓 度，％。 图 ８ 为均匀颗粒浮游速度计算结果与实测结果对 比图。 由图可见，其误差大都在１０％以内，计算结果 与实测结果吻合度较高。 -A;,0Dm s-1 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0.40.20.00.60.81.0 -A;,;Dm s-1                                     10 mm 20 mm 30 mm 40 mm 50 mm         图 ８ 模拟结核均匀颗粒浮游速度计算与实测结果 ２．３．２ 非均匀颗粒浮游速度 图 ９ 为 ４ 种矿石非均匀 颗粒浮游速度与浓度的关系。 由图 ９ 可以看出，浮游 速度随颗粒浓度增大而减小，随密度增大而增大。 体 积浓度小于 ２０％时，浮游速度值下降较快；体积浓度 大于 ２０％时，浮游速度值相对平缓。 提升管道实际运 行中，颗粒级配确定后，要求有较高的颗粒浓度和较低 的输送速度。 因此，颗粒体积浓度在 ２０％左右，浮游 速度值较低，可以满足要求。 661/ 图 ９ 非均匀颗粒浮游速度与体积浓度曲线 考虑到颗粒粒径和密度因素的影响，对试验数据 进行拟合，可得到锰结核、富钴结壳、多金属硫化物和 模拟结核非均匀颗粒浮游速度的经验公式为 Ｖｆ＝ ０．４５ｄｍρｓｅ －（０．４７＋５Ｃｖ－７．１８Ｃｖ２） （９） 式中 Ｖｆ为颗粒浮游速度，ｍ／ ｓ；ｄｍ为颗粒平均粒径，ｃｍ。 图 １０ 为非均匀颗粒浮游速度计算结果与实测结 果对比图。 由图可见，其误差在５％以内，计算结果与 实测结果吻合度较高。 -A;,0 661/ 图 １０ 非均匀颗粒浮游速度计算与实测结果 ３ 结 论 １） 单颗粒浮游速度与沉降速度密切相关，考虑到 颗粒粒径、密度、阻力系数和孔隙率的影响，根据试验 结果和理论分析得到了单颗粒浮游速度的半理论半经 验公式。 ２） 模拟结核均匀颗粒浮游速度试验结果表明，对 于同一粒径，颗粒浮游速度随着浓度增大而减小；对于 不同粒径，颗粒浮游速度随着粒径增大而增大。 得到 了模拟结核均匀颗粒浮游速度的半理论半经验公式， 计算结果与实测结果误差大都在１０％以内。 ３） 非均匀颗粒浮游速度试验结果表明，颗粒浮游 速度随着浓度增大而减小，随着密度增大而增大。 体 积浓度小于 ２０％时，浮游速度值下降较快；体积浓度 大于 ２０％时，浮游速度值相对平缓。 得到了锰结核、富 钴结壳、多金属硫化物和模拟结核非均匀颗粒浮游速度 的经验公式，计算结果与实测结果误差在５％以内。 参考文献 ［１］ Ｃｈｉ Ｈｏ Ｙｏｏｎ， Ｊｏｎｇ⁃Ｍｙｕｎｇ Ｐａｒｋ， Ｊｕｎｇ Ｓｅｏｋ Ｋａｎｇ，ｅｔ ａｌ． Ｓｈａｌｌｏｗ Ｌｉｆｔ⁃ ｉｎｇ Ｔｅｓｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｄｅｅｐ Ｏｃｅａｎ Ｍｉｎｅｒａｌ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ｉｎ Ｋｏｒｅａ ［Ｃ］∥Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｎｉｎｔｈ （２０１１） ＩＳＯＰＥ Ｏｃｅａｎ Ｍｉｎｉｎｇ Ｓｙｍ⁃ ｐｏｓｉｕｍ． Ｍａｕｉ， Ｈａｗａｉｉ， ＵＳＡ， ２０１１１４９－１５２． ［２］ Ｎａｕｔｉｌｕｓ Ｍｉｎｅｒａｌｓ Ｉｎｃ． Ｏｆｆｓｈｏｒｅ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｓｔ Ｓｔｕｄｙ［Ｒ］． ２０１０１６４－１７３． ［３］ Ｔｅｔｓｕｏ ＹＡＭＡＺＡＫＩ， Ｎａｏｋｉ ＮＡＫＡＴＡＮＩ， Ｒｅｉ ＡＲＡＩ． Ｈｏｗ Ｔｏ Ｉｍｐｒｏｖｅ Ｅｃｏｎｏｍｙ ｏｆ Ｓｅａｆｌｏｏｒ Ｍａｓｓｉｖｅ Ｓｕｌｆｉｄｅ Ｍｉｎｉｎｇ ｕｎｄｅｒ Ｊａｐａｎ′ｓ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ［Ｃ］∥Ｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ ｆｏｒ ＵＭＩ ２０１２， Ｓｈａｎｇｈａｉ， ２０１２１－２３． ［４］ 唐达生，阳 宁，金 星． 深海粗颗粒矿石垂直管道水力提升技术 ［Ｊ］． 矿冶工程，２０１３，３３（５）１－８． ［５］ 齐藤隆之，北原良哉． 粗大非球形粒子の水力学的物性に関する 研究［Ｊ］． 採鉱と保安，１９８５，３１（３）１３７－１４５． ［６］ Ｊｅｒｚｙ Ｓｏｂｏｔａ， Ｓｔａｎｉｓｌａｗ Ｂｏｃｚａｒｓｋｉ． Ｓｌｉｐ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｉｎ ｎｏｄｕｌｅｓ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｆｌｏｗｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ［Ｃ］∥Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ４ｔｈＩＳＯＰＥ （Ｉｎｔｅｒ⁃ ｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ｏｆｆｓｈｏｒｅ ａｎｄ Ｐｏｌａｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ） Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ． Ｓｚｃｚｅ⁃ ｃｉｎ， Ｐｏｌａｎｄ ＩＳＯＰＥ， ２００１１２７－１３１． ［７］ Ｓｕｐ Ｈｏｎｇ， Ｊｏｎｇｓｕ Ｃｈｏｉ， Ｃｈａｎ⁃Ｋｙｕ Ｙａｎｇ． Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｓｏｌ⁃ ｉｄ⁃Ｗａｔｅｒ Ｓｌｕｒｒｙ Ｆｌｏｗ ｉｎ Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｐｉｐｅ Ｂｙ Ｕｓｉｎｇ ＰＴＶ Ｍｅｔｈｏｄ［Ｃ］∥ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ Ｔｈｅ Ｔｗｅｌｆｔｈ （２００２） Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｏｆｆｓｈｏｒｅ ａｎｄ Ｐｏｌａｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ． Ｋｉｔａｋｙｕｓｈｕ， Ｊａｐａｎ， ２００２４６２－４６６． （下转第 ８ 页） ５第 ３ 期唐达生等 深海粗颗粒矿石浮游速度的试验研究 坝回水及 １＃站向 ２＃加压站供水的水泵；２＃、３＃副坝采用 废水处理厂的尾砂库回水和废水处理原有回水泵。 根据尾砂坝各坝的长度、干滩面积、扬尘程度，确定 各坝的水管管路长度、水管管径及喷头个数，主坝水管 安装在尾矿库内离坝约 １０ ｍ 远处，一是考虑能充分喷 淋润湿尾砂，二是防止水管炸裂，冲洗尾矿库坝体。 支 管喷头按 ６～８ ｍ 的间距安装，支管采用长度约 ３００ ｍｍ 的 ４″钢管，钢管加压打扁，出水口用 ４″球阀控制，保证 喷淋尽可能分散形成水帘，以充分润湿尾砂。 各坝供 水管路长度及安装喷头个数如表 ４ 所示。 宝山尾矿库 除尘安装供水管网示意图见图 ３。 表 ４ 各坝供水管路长度及安装喷头个数 坝名安装管道管道长度／ ｍ安装喷头个数 ４″ＰＥ管４４０ 主坝４″钢管１２０４９ ２″钢管８０ ４″ＰＥ管３４０ １＃副坝４″钢管２６０７６ ２″钢管１８０ ２＃、３＃副坝 １０″ＰＥ管１２０ ６″钢管１００ ４″钢管１８０ ２″钢管１２０ ５６ ７＃副坝２″钢管８０１３ N 4- 27; 2 3- 2- 17; 2 . , , 7- 7; 3 0C , ; * 3 C 3 DN100 DN100 DN150 DN100 DN100 DN100 DN50 DN50 DN50 DN250 DN100 DN150 .; . 7; . 图 ３ 宝山尾矿库除尘安装供水管网示意 由于泵的选型、供水管路的安装位置、喷头的安 装间距以及倾角设计方案正确，喷淋降尘效果相当 明显，用较少的投资解决了宝山尾矿库扬尘污染的 难题。 ３ 结 语 在对宝山尾矿库扬尘的治理实践中，根据宝山尾 矿库的实际情况，采取了具有较强针对性和实用性的 措施，取得了较好的扬尘治理效果。 在强化对尾矿库 的管理、减少尾矿库扬尘污染方面，以下几点具有重要 的参考价值 １） 降低尾矿库的干滩长度，适当提高库内水位， 是防治扬尘的主要措施。 由于水位提高势必导致尾矿 各坝的浸润线提高，从而危及坝的安全性，要在保证坝 体绝对安全的前提下，加强对浸润线的监测。 ２） 采用供水管网喷淋润湿尾砂除尘，要根据天 气、风向、风速等实际情况，在保证尾砂润湿、不产生扬 尘的前提下，严格控制水泵的开停时间，减少资源浪费 及单位成本。 ３） 减少尾矿库扬尘，加强管理是关键。 均匀合理 排砂，轮流放矿，多管放矿，强化尾矿库位移、沉降、浸 润线高低的观测和在线监测，加强供水管网喷头的维 护管理，强化尾砂巡坝和责任意识，既保证坝体安全， 又达到环保排放，减少扬尘污染的目的。 参考文献 ［１］ 高 峰，杨 平． 尾矿库扬尘污染研究与防治［Ｊ］． 现代矿业， ２０１５（４）１６２－１６３． ［２］ 李荣海，于 淼，朱万刚． 尾矿库扬尘综合治理措施研究［Ｊ］． 金 属矿山，２０１１（１）１４２－１４４． ［３］ 王 成． 尾矿库扬尘影响分析及污染防治措施建议以铅锌矿尾 矿库为例［Ｊ］． 内蒙古煤炭经济，２０１４（１）１６６－１６７． ［４］ 徐 洁，钱柏青，孔祥龙． 老鸦岭水库型尾矿库后期干滩面扬尘分 析及防治措施［Ｊ］． 有色金属工程，２０１３，３（４）４５－４７． ［５］ Ｃ Ｈ 帕诺夫． 固定尾矿库扬尘表面的经验［Ｊ］． 国外金属矿山， １９９８（６）６２－６４． 􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎􀪎 （上接第 ５ 页） ［８］ 金文斌，黄小平，高文鹏． 大颗粒物料在垂直管内最小输送速度的 试验研究［Ｊ］． 矿业研究与开发，１９９７，１７（２）１７－２０． ［９］ 夏建新，倪晋仁，黄家桢． 粗颗粒物料在垂直管流中的滞留效应 ［Ｊ］． 矿冶工程，２００２，２２（３）３７－４０． ［１０］ 姜 龙，李鹏程，田 龙，等． 垂直管水力提升临界淤堵流速的实 验［Ｊ］． 有色金属，２００６，５８（１）８２－８５． ［１１］ 陈光国，阳 宁，唐达生． 水力提升颗粒及颗粒群浮游运动规律 研究［Ｊ］． 矿冶工程，２０１０，３０（４）９－１３． ［１２］ “十五”深海采矿扬矿系统实验室试验研究报告［Ｒ］． 长沙长 沙矿冶研究院，２００７． ［１３］ 钱 宁，万兆惠． 泥沙运动力学［Ｍ］． 北京科学出版社，１９８６． ［１４］ Ｅ Ｊ 瓦斯普． 固体物料的浆体管道输送［Ｍ］． 黄河水利委员会科 研所 译． 北京水利出版社，１９８０． ［１５］ 佟庆理． 两相流动理论基础［Ｍ］． 北京冶金工业出版社，１９８２． ［１６］ Ｅｎｇｅｌｍａｎｎ Ｈ Ｅ． Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｌｉｆｔｉｎｇ ｏｆ Ｌａｒｇｅ⁃ｓｉｚｅ Ｐａｒｔｉ⁃ ｃｌｅ ａ Ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｔｏ Ｍａｒｉｎｅ Ｍｉｎｉｎｇ［Ｃ］∥Ｏｆｆｓｈｏｒｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ． Ｈｏｕｓｔｏｎ，Ｔｅｘ，１９７８７３１－７４０． ［１７］ Ｎｉｎｇ Ｙａｎｇ， Ｇｕａｎｇｇｕｏ Ｃｈｅｎ， Ｄａｓｈｅｎｇ Ｔａｎｇ． Ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ Ｓｉｎｇｌｅ Ｐａｒ⁃ ｔｉｃｌｅ ａｎｄ Ｇｒｏｕｐ Ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｉｎ Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｌｉｆｔｉｎｇ Ｐｉｐｅ ｉｎ Ｃｈｉｎａ［Ｃ］∥Ｐｒｏ⁃ ｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｎｉｎｔｈ （２０１１） ＩＳＯＰＥ Ｏｃｅａｎ Ｍｉｎｉｎｇ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ． Ｍａｕｉ， Ｈａｗａｉｉ， ＵＳＡ， ２０１１１５３－１５７． ８矿 冶 工 程第 ３６ 卷