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稳定流状态下似膏体料浆管输临界流速的研究 刘海洋, 王海霞, 李维明, 赵卫强 中国矿业大学北京校区, 北京 100083 摘 要 / 似膏体充填0是一种新型充填采矿模式。根据固体物料的沉降理论, 结合实验分析, 提出了 似膏体料浆在管路中的临界流速值; 分析了浆体浓度及管道直径对似膏体料浆管输临界流速的影响 规律。 关键词 似膏体充填; 临界流速; 管道输送 中图分类号 TD8 文献标识码 B 文章编号 1004 5716 2007 06 0086 04 似膏体充填是在综合分析比较现有其它充填方法 利弊的基础上, 结合现代采矿工艺要求和充填发展趋势 形成的集水砂充填和膏体充填优势于一体的新型充填 模式。其实质是以全砂土材料作胶凝剂, 矿山尾砂或河 砂等作骨料, 并配以一定量的细粒级制成的外观近似膏 体的充填料浆, 称之为/ 似膏体0 [ 1] 。 浆体管道输送是似膏体充填三大关键技术之一。 浆体管道输送的主要问题是确定浆体管输的工作流速 及工作阻力。若输送流速过大, 浆体在管道中呈紊流状 态, 必将引起输送能耗、 管壁磨蚀、 管输阻力的急剧增 加, 从经济角度考虑是不可行的; 若输送流速过小, 固体 颗粒有下沉趋势而可能出现压降随时间改变的不稳定 流动现象, 甚至造成堵管。可见, 浆体在管道中存在一 个合理的流速范围, 在该范围内, 输送安全且能耗降低。 为此提出了/ 过渡流速0及/ 临界流速0的概念, 二者分别 决定浆体管输流速的经济上限值和安全下限值。本论 文将以颗粒沉降理论的研究成果为基础, 并结合实验分 析, 研究似膏体料浆管输临界流速, 为矿山充填管路设 计及工程实践提供理论参考。 1 / 临界流速0的概念 料浆在管路中的流动型式分为四种 即均匀悬浮、 非均匀悬浮、 管底有推移层流动、 管底有固定床的流 动 [ 6] 。固体颗粒从悬浮状态转入在床面滑动或滚动时 所对应的流速称/ 临界流速0。临界流速通常称之为/ 临 界不淤流速0。 2高浓度浆体/ 临界流速0的计算模型 由临界流速的概念可知, 临界流速是指浆液中固体 颗粒不分选所对应的流速。因此在推导临界流速之前 必须定性分析固体颗粒在浆液中的沉降规律。 2. 1单球形颗粒在静水中的沉降 单球形颗粒在静止流体中受到由颗粒相对流体运 动而产生的沉降阻力以及固体颗粒有效重力的共同作 用。作用于直径为 d 的球体在液体中外力达到平衡的 沉降速度[ 3]为 研究[J]. 西北水资源与水工程, 2002, 134 10 -14. [ 14] 许昆. 降水量与地下水补给量的关系分析[ J] . 地下水, 2004, 26 4 272 -274. [ 15] 范继汤. 确定次降雨入渗补给时段和补给量的研究[J] . 水 资源研究, 2002, 23 2 3 -6. [ 16] 新疆农业大学. 新疆平原区大气降水、 灌溉水、 土壤水与地 下水水量转化关系试验研究[ M] . 新疆科技卫生出版社, 2002. [ 17] 姚贤良, 程云生, 等. 土壤物理学[ M] . 北京 农业出版社, 1986. [ 18] 解文艳, 樊贵盛. 土壤质地对土壤人渗能力的影响[ J]. 太 原理工大学学报, 2004, 35 5 537 -540. [ 19] 蒋定生, 黄国俊. 黄土高原土壤入渗速率的研究[ J] . 土壤 学报, 1986, 234 54 -57. [ 20] 王国栋, 刘国彬, 周生路. 黄土丘陵沟壑区小流域植被恢复 对土壤稳定入渗率的影响[ J], 自然资源学报, 2003, 18 5 529 -535. [ 21] 胡海波, 张金池. 平原粉沙淤泥质海岸防护林土壤渗透性 的研究[ J] . 水土保持学报, 2001, 15 1 39 -42. [ 22] PhilipJR. Thetheoryofinfiltration 5, theinfluenceofthein- i tialmoisturecontent. SoilSci. , 1958, 84 329 -339. [ 23] 冯锦萍, 樊贵盛. 土壤水分人渗年变化特性的试验研究 [ J] . 太原理工大学学报, 2003, 34 1 16 -19. [ 24] 王全九, 叶海燕, 史晓南, 等. 土壤初始含水量对微咸水入 渗特征影响[ J] . 水土保持学报, 2004, 18 1 51 -53. 86 西部探矿工程 2007 年第 6 期 X [ 4 3 gd Qs- Q Q / CD] 1/ 2 1 式中 g 重力加速度, 9. 8m/ s 2; Qs 固体的密度, kg/ m 3; Q 水的密度, kg/ m3; CD 颗粒沉降阻力系数。 对焦家金矿分级尾砂和溢流尾砂而言, 颗粒直径较 小, 且料浆粘度很大, 经初步估算, 颗雷诺数远小于1. 0, 因此根据斯托克司公式, 颗粒沉速为 X0 Qs- Qm gd2 18L 2 式中Qm 浆体的密度, kg/ m 3 ; L 清水的粘性系数, Pa s。 2. 2 均匀颗粒群在宾汉悬液中的沉速 在有大量颗粒参与沉降的情况下, 均匀颗粒粒径为 d 的颗粒群体在斯托克司范围内的沉速为 X 1- Sv X0 Gr 3 式中 X0 单球形颗粒在液体中的沉降速度, m/ s; Gr 浆体相对粘性系数, 即Gr G/ L。G为浆体的 粘性系数, Pa s; Sv 浆体的体积浓度。 2. 3 非均匀颗粒在宾汉体悬液中运动的平均沉速 非均匀颗粒指粒径分布较广的有级配的物质组成。 因颗粒大小不同, 在沉降过程中沉速也不同。由于粗颗 粒下沉速度较快, 一些细颗粒在沉降过程中的沉速因粗 颗粒落淤而不断改变, 粗颗粒因细颗粒的阻尼作用其沉 速相对减慢; 在沉降过程中粗颗粒分散沉降, 细颗粒由 于絮凝作用, 在一定浓度下往往是整体下沉。可见, 非 均匀颗粒群在宾汉体悬液中的沉降是极其复杂的。 为使问题简化, 不考虑粗细颗粒之间的相互影响, 而认为这种影响已在悬液粘性上得到一定反应。这样 可将非均匀颗粒按粒径大小分成若干组, 每一组内的粒 径差别较小, 可按均匀颗粒考虑而计算其在浆液中的沉 速, 然后再用加权平均法求全部颗粒的平均沉速, 即 X E piXi Xi 4 3 Qs- Qm Qm gdi/ CDi 4 式中Qs 浆体密度, kg/ m3; di、 Xi 某组颗粒的平均粒径及相应的流速; CDi 该组粒径在悬液中的沉降阻力系数; pi 该组粒径占全部颗粒的比例。 2. 4 似均质复合流管道临界流速的计算模型 费祥俊教授[ 3]从能量角度推导出临界流速的计算 模型, 即 Uc [ 2gDSVQs- Qm X esfmQm ] 1/ 3 5 式中 SV 浆体的体积浓度; es 悬浮效率系数, 即悬浮功所占紊动动能的比 数; D 管道直径, m; fm 浆体在管道中的摩擦阻力系数, 在层流状态 下, fm 8S/ U2cQm, Sw为管壁切应力; 对于宾汉体, Sw 8UG/ D 1- 4a/ 3 , 其中 a 为流核比, a S0/ Sw。 es 0. 024[ SV Qs- Qm X Qm D gD ] 0. 75 6 式中 管壁的当量粗糙度, m; 其它同上。 3似膏体料浆管路输送临界流速计算结果分析 为了使研究结果具有代表性, 选取了 8 种 分为 4 种不同浓度, 即 72 、 74 、 76 、 78 , 每一种浓度又 对应两种不同溢流尾砂添加量, 即 20 和 25 不同配 比的似膏体料浆参与计算, 流变参数见表 1; 表 2 和图 1 为管道直径 D 100mm 的临界流速的计算结果。 计算结果表明, 似膏体料浆在管路输送中的临界流 速一般比较小 小于 1. 0m/ s 且料浆浓度对临界流速具 有特殊的影响。由图 1 可以看出, 临界流速随浓度的逐 渐增大而减小, 在料浆浓度为 72 76 范围内, 临界 流速对浓度变化比较敏感, 当料浆浓度大于 76 以后, 临界流速随浓度变化而变化的幅度不大。表明当浆体 浓度大于 76 以后, 固体颗粒之间结合紧密, 颗粒与颗 粒之间很难发生相对位移, 随着浓度的进一步增加, 临 界流速值逐渐趋近于零。即使在同一浓度下, 临界流速 随溢流尾砂添加量的不同也有所变化。随着溢流尾砂 添加量的增加, 临界流速也随之减小。 表 1似膏体料浆流变参数 溢流尾 砂添加 量 流变参数 料浆浓度 72747678 20密度Q kg/ m31760180018451915 塑性粘度G N s0. 21210. 33250. 47140. 5675 初始切应力S0 Pa5. 22843. 82933. 27219. 8886 25密度Q kg/ m31850189019101925 塑性粘度G N s0. 23320. 34240. 52090. 6474 初始切应力S0 Pa6. 08766. 06935. 070611. 125 似膏体浓度对临界流速影响作用机理主要在于 随 着浓度的增加, 自由水逐渐减少, 粘度增大, 颗粒之间结 87 2007 年第 6期 西部探矿工程 合紧密, 颗粒之间摩擦力增加, 并形成絮网结构。絮网 结构的形成使颗粒沉速下降, 垂向浓度分布更加均匀, 紊动对颗粒的支持力相应减小, 从而使临界流速也在减 小。因此似膏体料浆在管道中输送时, 即使给定一个很 小的启动流速, 也能保持料浆颗粒不分选、 不沉降, 在一 定程度上避免了因流速过小固体颗粒大量沉降管底而 发生管壁磨损或堵塞管路现象, 这对似膏体料浆管路输 送是非常有利的。 表 2 管径为 100mm 时似膏体料浆各不同浓度临界流速m/ s 溢流尾砂添 加量 料浆浓度 72747678 200. 2360. 1020. 0380. 026 250. 2340. 0910. 0320. 022 利用式 5 的临界流速的计算模型, 对一定浆体浓 度及物料组成 溢流尾砂添加量 20 , 计算不同管径 下的临界流速。计算中仍采用上次数据, 其结果见表 3 及图 2 所示。 由图可见, 在浓度不变的条件下, 临界流速随管径 增而逐渐增大。从图中可以看出, 随着浓度的不同, 二 者曲线的/ 陡缓0程度不同, 在较高浓度下 76 , 二 者关系表现为一条平缓的曲线。由此可见, 浓度越高, 管径大小对似膏体料浆临界流速的影响越小。 图 1 管径为 100mm 时临界流速与似 膏体料浆浓度关系曲线 4结论 论文以浆体沉降规律为基础, 研究似膏体料浆在管 路输送中的临界流速, 结论如下 1 根据临界流速计算模型, 计算各不同浓度下管 输临界流速, 结果表明, 似膏体料浆在管路输送中的临 界流速一般比较小 小于 1. 0m/ s 且料浆浓度对临界流 图 2 管径对似膏体料浆临界流速的影响关系曲线 速具有特殊的影响。临界流速随浓度的增大而逐渐减 小, 在料浆浓度为 72 76 范围内, 临界流速对浓度 变化比较敏感, 当料浆浓度大于 76 以后, 临界流速随 浓度变化而变化的幅度不大。随着溢流尾砂添加量的 增加, 临界流速值也随之减小。 表 3一定浆体浓度下不同管径临界流速 m/s 浓度Sv 管道直径 D mm 75100150175200 720. 1230. 2360. 5390. 7140. 899 740. 0500. 1020. 2680. 3790. 506 760. 0180. 0380. 1030. 1490. 203 780. 0130. 0260. 0730. 1060. 146 2 管道直径对似膏体料浆临界流速有较大的影 响。在浓度不变的条件下, 随着管径增大, 界流速值随 之增大。当浆体浓度大于 76 以后, 管径大小对临界 流速的影响越来越小。 3 似膏体料浆在管路输送中的流动速度若低于 临界流速, 将引起料浆在管路中的停滞不前乃至堵管, 临界流速值的确定为似膏体管路设计中的料浆流速提 出了理论下限值。 参考文献 [ 1] 孙恒虎, 黄玉成, 杨宝贵, 等. 当代胶结充填技术[ M] . 北京 冶金工业出版社, 2002. [ 2] 刘同有. 充填采矿技术与应用[ M] . 北京 冶金工业出版社, 2001. [ 3] 费祥俊. 浆体与颗粒物料输送水砂学[M ]. 北京 清华大学 出版社, 1994. [ 4] 王天刚, 等. 在稳定流状态下似膏体料浆流变特性研究[J] . 有色矿山, 2003, 6 8 -10. [ 5] 费祥俊. 浆体的物理特性与管路输送流速[ J] . 管道技术与 设备, 2000 1 . 88 西部探矿工程 2007 年第 6 期 斜巷顶部五趟管路施工技术 董朝辉 淮南矿业集团安装工程分公司, 安徽 淮南 232001 摘要 针对在斜巷顶部五趟管路安装中的实际困难, 通过对多趟管路安装程序和升降系统优化设 计, 提出了一种更加有效和安全的施工技术。 关键词 斜巷; 管路; 升降系统; 优化设计 中图分类号 TD263 文献标识码 B 文章编号 1004 5716 2007 06 0089 02 煤矿斜巷 斜井 常常顶部设计多趟管路安装, 多趟 管路安装涉及到起重大、 劳动强度高和施工人员多等不 利的问题。以一工程实例来介绍五趟管路在斜巷中的 施工技术, 五趟管路在斜巷中的安装示意如图 1所示。 图 1 五趟管路在斜巷中的安装示意图 设计中, 托管梁距离底板 2. 5m, 托管梁间距为 2. 5m, 五趟管路并排布置在一根托管梁, 布置总宽度为 2. 95m, 管路单长为 1240m, 每间隔 180m 设计一组防 滑梁。五趟管路型号 426mm 14mm 主排水管路三 趟, 219mm 8mm 消防洒水管路一趟, 194mm 8mm 压风管路一趟。由于五趟管路共用同一托管梁, 布置距离较宽等不利因素给起重和安装带来了一定的 难度。根据实际情况, 经计算和选型设计并提出一套液 压升降机安装方法, 有效地解决了管路同时安装中出现 的问题。 1 设备选型 目前, 升降机只适用于地面安装使用, 在井下使用 时, 还需要做一些的改进, 设备的选型如 1 用 QC815- 30 隔爆开关代替原电控设备, 将电 机, 电磁阀改为隔爆型以适应井下使用要求。 2 加固升降机底盘, 加装行走轮, 升降机用慢速绞 车作牵引, 为提高升降的稳定性将行走轮轴距设为 1500mm。 3 由于是斜巷施工, 管路在升降机上必须有防滑 措施, 所以在升降机上加装防滑环并设木质台面, 防滑 环位置按管路在托梁上的位置布置。 4 升降机 台面宽度按 管路布置 要求定制 成 3000mm 为了方便进入斜巷, 将台面制成可拆装式。 5 采用两台升降机同时升举管路, 以保证管路起 重的稳定性。 根据管路为每 6m 一个支承, 两台升降机用钢丝绳 联接, 联接后总长为 8m, 从而保证安装过程中始终有一 个托梁可以用升降机安装。 1. 1 升降机的升举力计算 Study on the Critical flow Velocity of Paste- Like Slurryin Pipeline transportation under steady flow condition LIU Ha- i yang, WANG Ha - i xia, LI We- i ming, ZHAO We- i qiang China University of Mining and Technology, Beij ing, 100083, China Abstract “Paste -like backfill“ is a new mode of backfill mining. Based on the sedimentation theory and combined with the exper- i mental analysis, the critical flow velocity of paste - like slurry in pipeline transportation is put forward. The effect of slurry dens- i ty and pipe diameter on the critical flow velocity of paste -like slur - ry in pipeline transportation is analyzed. The finds are not only of theoretic significance but of applied value for the future pipeline design and practice of paste -like backfill. Key wordspaste -like backfill;critical flow velocity;pipeline transportation 89 2007 年第 6期 西部探矿工程