全尾砂胶结充填自流输送管路改造及优化

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ＣＥＮＴＲＡＬ

ＳｏＵＴＨ

ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ

硕士学位论文

论文题目 学科、专业 研究生姓名
导师姓名及

全尾砂胶结充填自流输送
管路改造及优化 采矿工程
王海瑞
．

专

业技术职务…………奎乡基．．【．熬攮ｋ搏导．Ｌ………

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密级………………． 编号一……………一

硕士学位论文

全尾砂胶结充填自流输送管路改造及优化

Ｔｈｅ Ａｌｔｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃ ｅｍｅｎｔｅｄ

Ｗｈｏｌｅ

Ｔａｉｌｉｎｇｓ Ｇｒａｖｉｔｙ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ Ｂ ａｃｋｆｉｌｌｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ

作者姓名：

王海瑞 采矿工程 资源与安全工程学院 李夕兵（教授、博导）

学科、专业：
学院（系、所）： 指导老师：

论文答辩日期：Ｉ盈ｌ Ｑ．玉：丞竺

答辩委员会主席：

中南大学
２０１０年５月

原创性声明
本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。

作者签名

吼本年野斯
学位论文版权使用授权书

本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》， 并通过网络向社会公众提供信息服务。

作者签

导师

晕∑趣

中南大学硕士论文

摘要

摘要

传统的尾砂胶结充填技术在矿山的应用，促进了充填采矿技术的

发展。但随着这项技术的广泛应用，也暴露出一系列的突出问题：充 填体强度低、养护周期长、尾砂利用率低、管道输送容易堵管和破管
等。本文基于工程流体力学、两相流体动力学、计算流体动力学、管 道自流输送等相关理论，结合湖南省黄沙坪铅锌矿业股份有限公司

（简称“黄沙坪矿＂）原有立式砂仓充填系统的实际情况，运用ＡＮＳＹＳ
软件中的ＦＬＯＴＲＡＮ ＣＦＤ分析模块，建立了二维实体模型对其进行

管路优化与改造，并系统地研究了管路自流输送特性，主要研究内容
和成果如下：

（１）充填料浆管道管流特性分析。通过对不同流变模型和固液 两相流的管流特性分析比较，揭示管道自流输送的特性；引用相关的 理论和经验公式，为自流输送系统有关参数的确定奠定基础。 （２）管道磨损、破坏机理分析。对管道磨损机理和自流输送破 管机理进行深入分析，得出了管道磨损的主要影响因素，以及自流输 送不满管流的产生原因和料浆相变过程的破坏作用方式。 （３）充填系统现状分析。简要阐述了黄沙坪矿充填系统的历史 沿革，对充填系统现状进行深入分析，包括地表充填站布置情况和井 下充填管路铺设情况两个方面。并研究了充填材料的基本性质，充填 材料的配比实验和力学实验。 （４）管路存在的问题及改造方案。在认真分析黄沙坪矿充填管 路系统的基础上，找出了管路系统存在的问题，提出了地表充填站的 改造方案；研究充填管线的优化布置模式，提出井下管路的改造方案。 （５）自流输送管道系统的ＡＮＳＹＳ数值模拟。在对全尾砂胶结充 填自流输送系统参数深入研究的基础上，提出了ＦＬＯＴＲＡＮ ＣＦＤ（计 算流体动力学）的基本分析方法，运用ＡＮＳＹＳ软件中的ＦＬＯＴＲＡＮ ＣＦＤ计算流体动力学分析模块对原有管路系统进行数值模拟分析， 得出管道磨损和破坏的直观依据。对提出的改造方案进行数值模拟分 析，并优化其管流特性的相关参数。 关键词全尾砂充填，自流输送，两相流，管道磨损，数值模拟

ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ

Ｈｕｎａｎ ｐｒｏｖｉｎｃｅ Ｈｕａｎｇｓｈａｐｉｎｇ Ｌｅａｄ—Ｚｉｎｃ

Ｍｉｎｉｎｇ Ｌｉｍｉｔｅｄ

Ｃｏｍｐａｎｙ（Ｈｕａｎｇｓｈａｐｉｎｇ Ｍｉｎｅ ｆｏｒ ｓｈｏｒｔ），ｔｈｅ ＦＬＯＴＲＡＮ ＣＦＤ ｍｏｄｕｌｅ
ｏｆ ＡＮＳＹＳ ｗａｓ ｕｓｅｄ
ｔｏ

ｂｕｉｌｄ ｔｏｗ．ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ｍｏｄｅｌｓ ｔｏ

ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔ

ｔｈｅ

ｐｉｐｅｌｉｎｅｓ ａｎｄ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｇｒａｖｉｔｙ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ

ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｌｌｙ．Ｍａｉｎ

ｒｅｓｅａｒｃｈ ｃｏｎｔｅｎｔ ａｎｄ ｒｅｓｕｌｔｓ
ａｒｅ

ａｒｅ ａｓ

ｆｏｌｌｏｗｓ：

１）Ｔｈｅ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｆｌｏｗ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ
ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｇｒａｖｉｔｙ ｆｌｕｉｄ ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ

ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ

ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｍｏｄｅｌｓ ａｎｄ ｓｏｌｉｄ－ｌｉｑｕｉｄ ｔｗｏ－ｐｈａｓｅ ｆｌＯＷ，
ａｒｅ

ｒｅｖｅａｌｅｄ．Ｒｅｌａｔｅｄ ｔｈｅｏｒｉｅｓ

ａｎｄ

ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ ｆｏｒｍｕｌａ ａｒｅ ｒｅｆｅｒｒｅｄ ｆｏｒ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ．

２）Ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ａｂｒａｓｉｏｎ ａｎｄ ｂｒｅａｋｉｎｇ ｏｆ ｇｒａｖｉｔｙ ｆｌｕｉｄ
ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ●

ｏｉｏｅｌｉｎｅ
●
●

ＩＳ

ａｎａｌｙｚｅｄ．ＢＹ
’ ｆ

ａｎａｌｙｓｉｓ
—

ｏｔ

ａｂｒａｓｍｎ

ａｎｄ

ｇｒａｖｉｔｙ

ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｍａｉｎ ｆａｃｔｏｒｓ ｆｏｒ ａｂｒａｓｉｏｎ ａｎｄ ｐａｒｔ—ｆｉｌｌｅｄ ｐｉｐｅ ｆｌｏｗ

ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｓｔｒｏｙｉｎｇ ｍａｎｎｅｒｓ ｏｆ ｐｈａｓｅ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ａｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ． ３）Ｐｒｅｓｅｎｔ ｓｔａｔｕｓ ｏｆ ｂａｃｋｆｉｌｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｌｌｅ ｈｉｓｔｏｒｙ ａｎｄ

ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｂａｃｋｆｉｌｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ Ｈｕａｎｇｓｈａｐｉｎｇ Ｍｉｎｅ ｉｓ ｓｅｔ ｆｏｒｔｈ ｂｒｉｅｆｌｙ，ａｎｄ ｐｒｅｓｅｎｔ ｓｔａｔｕｓ ｏｆ ｂａｃｋｆｉｌｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ ｓｅｔｔｉｎｇｓ ｏｆ ｂａｃｋｆｉｌｌｉｎｇ ｓｔａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｉｐｅｌｉｎｅｓ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ．Ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒ，ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ｔｅｓｔｓ ｏｆ ｆｉｌｌｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ ａｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ
ｔｏｏ．

４）Ｐｒｏｂｌｅｍｓ ａｎｄ ａｌｔｅｒｎａｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅｓ ｏｆ ｐｉｐｅｌｉｎｅ
ｂａｓｉｓ ｏｆ

ａｒｅ

ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｏｎ ｔｈｅ

ａｎａｌｙｚｉｎｇ

ｔｈｅ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｈｕａｎｇｓｈａｐｉｎｇ
ａｒｅ

Ｍｉｎｅ，ｐｒｏｂｌｅｍｓ

ｏｆ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｓｙｓｔｅｍ

ｆｏｕｎｄ ａｎｄ ａｌｔｅｒｎａｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅｓ ｏｆ ｇｒｏｕｎｄ ｆｉｌｌｉｎｇ

ｓｔａｔｉｏｎ ａｒｅ ｂｒｏｕｇｈｔ ｆｏｒｗａｒｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇｌｙ；ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｌａｙ ｍｏｄｅｌｓ ｏｆ

ｌＩ

中南大学硕十论文

ＡＢＳＴＲＡＣＴ

ｆｉｌｌｉｎｇ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｐｉｐｅｌｉｎｅ
ａｒｅ

ａｒｅ

ｓｔｕｄｉｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ａｌｔｅｒｎａｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅｓ ｏｆ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ

ａｌｓｏ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ．

５）ＡＮＳＹＳ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｇｒａｖｉｔｙ ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ．Ｗｉｔｈ
ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｇｒａｖｉｔｙ ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ，ｅｓｓｅｎｔｉａｌ ＦＬＯＴＲＡＮ ＣＦＤ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｉＳ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ，ＦＬＯＴＲＡＮ ＣＦＤ ｍｏｄｕｌｅ ｏｆ ＡＮＳＹＳ ｉｓ ａｐｐｌｉｅｄ
ｔｏ

ｓｉｍｕｌａｔｅ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｇｒａｖｉｔｙ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｓｙｓｔｅｍ ｔｏ ｇａｉｎ

ｔｈｅ ｄｉｒｅｃｔ ｄａｔａ ｆｏｒ ａｂｒａｓｉｏｎ ａｎｄ ｂｒｅａｋｉｎｇ ｏｆ ｐｉｐｅｌｉｎｅ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｉＳ ａｌｓｏ ｃａｒｒｉｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ａｌｔｅｒｎａｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅｓ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｉｐｅ ｆｌｏｗ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ
ａｒｅ

ｄｏｎｅ

ａｓ

ｗｅｌｌ．

ＫＥＹ ＷＯＲＤＳ ｃｅｍｅｎｔｅｄ ｗｈｏｌｅ ｔａｉｌｉｎｇｓ ｂａｃｋｆｉｌｌｉｎｇ，ｇｒａｖｉｔｙ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ， ｔｗｏ．ｐｈａｓｅ ｆｌｏｗ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ，ｐｉｐｅ ａｂｒａｓｉｏｎ，ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ

１１１

录

ＪⅡ１ ｌ ２ ３ ７ ７ ８

１．３主要研究内容和目的……………ｏ…………………………………………．．９ １．３．１主要研究目的……………………………………………………………。９ １．３．２主要研究内容……………………………………………………………。９ １．４本文研究的技术路线…………………………………………………………１０ 第二章充填料浆管道水力输送的工程特性……………………………………．１
ｌ

２．１悬液的流型及其流变特性……………………………………………………１１ ２．１．１牛顿体流变模型…………………………………………………………１１ ２．１．２非牛顿体流变模型………………………………………………………１２ ２．２固液两相流的管流特性………………………………………………………１４ ２．２．１固液两相流的典型输送模式……………………………………………１４ ２．２．２均质固液两相流的管流特性……………………………………………１５ ２．３管道磨损机理研究……………………………………………………………１９ ２．３．１管道磨损的主要影响因素………………………………………………１９ ２．３．２管道磨损与料浆输送速度………………………………………………２ｌ ２．３．３管道磨损的计算…………………………………………………………．２２ ２．４自流输送破管机理分析………………………………………………………２３ ２．４．１自流输送不满管流的产生………………………………………………２３ ２．４．２料浆相变过程中的破坏作用……………………………………………２４ ２．５本章小结…………………………………………………………………………．２６ 第三章黄沙坪矿充填系统现状分析……………………………………………．．２７ ３．１黄沙坪矿多金属矿床开采现状………………………………………………．．２７ ３．２黄沙坪矿充填系统现状………………………………………………………．２８ ３．２．１黄沙坪矿干式充填系统………………………．．．…………………………．２９ ３．２．２黄沙坪矿尾砂胶结充填系统…………………………………………………３０ ３．３充填材料及其物理化学性质………………………………………………………３２
ＩＶ

中南大学硕＋论文

目录

３．３．１充填材料基本性质………………………………………………………３２ ３．３．２充填材料配比及力学实验………………………………………………３５ ３．４本章小结………………………………………………………………………．３９ 第四章黄沙坪矿充填自流输送系统存在问题及改造优化……………………．４０ ４．１充填系统存在的问题…………………………………………………………４０ ４．１．１地表充填站设施存在的问题……………………………………………４０ ４．１．２井下充填管路存在的问题………………………………………………４１ ４．２地表充填站改造方案…………………………………………………………４２ ４．２．１充填站改造方案…………………………………………………………４２ ４．２．２充填站设备更新…………………………………………………………４６ ４．３充填管路的改造及优化计算…………………………………………………４７ ４．３．１管路改造的优化目标和原则……………………………………………４７ ４．３．２管路优化的主要步骤……………………………………………………４７ ４．４充填管路改造基本参数计算…………………………………………………４８ ４．４．１充填能力计算……………………………………………………………４８ ４．４．２充填管网参数计算………………………………………………………５０ ４．５本章小结………………………………………………………………………５２ 第五章
５．１

自流输送管路改造方案ＡＮＳＹＳ模拟及优化……………………………５３

ＡＮＳＹＳ有限元分析简介……………………………………………………．５３

５．２ ＦＬＯＴＲＡＮ ＣＦＤ简介……………………………………………………………………………５３

５．３管路的ＦＬＯＴＲＡＮ ＣＦＤ模拟与分析………………………………………．．５５ ５．３．１原有管路的模拟与分析…………………………………………………５６ ５．３．２管路改造方案的数值模拟………………………………………………５８ ５．３．３管路改造方案的数据统计与分析………………………………………６７

５．４管路改造方案盼评价…………………………………………………………６９
５．５本章小结………………………………………………………………………．６９ 第六章结论与展望………………………………………………………………．．７０
６．１结论……………………………………………………………………………………………………．７０ ６．２展望……………………………………………………………………………………………………７１

参考文献………………………………………………………………………………７２ 致｛射…………………………………………………………………………………………………………．７７ 攻读学位期间主要研究成果………………………………………………………．．７８ 一、参与科研项目………………………………………………………………．７８ 二、发表学术论文………………………………………………………………。７８ 三、荣获奖励……………………………………………………………………．７８

Ｖ

第一章绪论

在人类现代文明的进程中，采矿业是最先兴起的工业。１８世纪中叶产业革 命以来，矿产资源以其特有的存在价值，为人们提供了矿物原料、能源和建筑材 料等，是人类生产和生活所必不可少的原材料和物质基础保障。矿业开发同样也 是人类历史进步和社会发展活动中一个极其重要的组成部分，它对推动人类社会 的发展与文明进步有着巨大的影响。人类的生产活动中，约有９０％左右的工业产 品和１７％的消费品是由矿物原料提供的；我国绝大多数的能源、工业原料以及农 业生产资料也都取自矿产资源【ｌ】。但是，矿产开发是双刃剑，它一方面促进经济 发展和社会进步，而另一方面却又造成了环境污染，危及社会发展。２０世纪是 人类有史以来发展最为迅猛的百年，但同时也是人类对地球破坏最严重的百年。 面对能源消耗大幅度增加，我们所赖以生存的自然环境破坏加剧，某些矿产资源 因开采过度已经急剧减少，中国２ｌ世纪人１５１、环境与发展白皮书【２】已明确将目 标确定在“加快科技进步，优先发展教育，控制人口增长，合理开发利用资源， 保护生态环境，实现经济社会相互协调和可持续发展”之上，形成科学可持续发 展，最终达到人与自然之间的协同和人与人之间的公正。 充填采矿法在现有的工业技术条件下，既能最大限度地确保生产的安全性又 兼有保护环境和提高矿石回收率的两个显著特点，因此，在有色、黑色、贵重金 属等矿山得到越来越广泛的应用和发展【３】。我国矿山充填技术的使用较早，但大 多为废石充填。矿山胶结充填技术起步始于上世纪七八十年代，但随着科技的发 展，最近十多年发展极为迅速。目前，尾砂胶结充填，混凝土与块石耦合充填、 高浓度尾砂胶结充填、全尾砂膏体泵送充填及高水速凝固化等充填技术１４】ｆｔ．，在许 多矿山得以推广及大力应用。国内某些矿山的充填工艺和技术指标基本能达到国 际先进水平【５Ｊ。 然而，随着科学技术的进一步发展，以及浅部矿床资源的大量消耗，矿山开

采深度逐步增大，世界上开采最深的矿井深度约５０００ｍ左右【６】’国内个别矿山开
采深度也早已超过１０００ｍ。矿床的深部开发面临着固有的高地应力、高水压、高 地温等特点，这也使得充填采矿法成为优选甚至首选的方法。在四十年代，金属 矿山广泛应用的充填方法为干式充填采矿法，比如马鞍山钢铁公司的弓长岭铁矿

中南大学硕士论文

第一章绪论

以及七道沟铁矿应用上向分层充填方式回填采场，落矿之前在充填面上铺５ｃｍ 厚的木板来使崩落矿石与已充废石隔离，可以有效减少矿石的贫化损失。金川有 色金属公司龙首矿和凡口铅锌矿于１９６５年同时开始试验上向分层胶结充填采矿 法，试验取得了较为满意的结果，随后全面推广使用。１９９７年的统计资料显示， 充填采矿法在我国有色金属地下矿山所占比重已达到２０％多［７１。进入二十一世 纪，随着开采技术的提高，充填采矿法在有色金属、黑色金属和贵重金属地下矿 山开采中所占比率多达６０％，且仍在不断的提高。 １．１．１胶结充填技术的历史沿革

鉴于充填工艺对于矿山开采的有利特点，其深刻影响到矿山的安全、环保与 经济效益，现已成为矿业开发与研究方面最吸引人的前沿性研究课题。围绕合理 选取充填材料、制备充填料浆、确定充填工艺参数、研究充填体力学性能及其作 用机理等多方面【８】展开了全方位的研究与探索，取得了阶段性的研究成果。除使 用废石充填、块石胶结充填等传统充填方法，随着充填工艺的完善，及新型充填 材料的出现，也催生了新的充填工艺：高浓度全尾砂胶结充填、高水速凝固化充 填、膏体泵送充填等充填技术在国内外矿山得到广泛应用【９】；同时为降低胶结充 填成本，近年来采矿研究人员开发研制了水泥替代品，例如：粉煤灰、冶炼炉渣、 磷石膏等来源较为广泛、成本相对低廉的工业固体废料。这些替代品已在贵州开 磷、山东新汶等矿山推广应用。各种充填技术发展历程大致如图１．１【ｌｏ】所示：

以水泥作为胶结材料的胶结充填

新型的胶凝材料的胶结充填

膏 体 泵 送 充 填

全 砂 十 胶 结 充

图１－１充填技术发展历程
２

中南人学硕士论文

第一章绪论

１．１．２胶结充填系统概述

最近二十年来，关于充填系统的基础理论研究有了更为深入的进展，充填工 艺和设备水平都有了显著提高。在国家政策越来越强调资源节约和环境友好的大 背景下，越来越多的矿山采用相关充填采矿方法，故充填技术进步飞速，尤其以 胶结充填类型为主的充填方式推广应用为多。现今虽无统一的胶结充填分类方法 和命名，但一般以惰性材料级配和料浆浓度为主线进行分类。故当代胶结充填可 分为细砂胶结充填和粗砾胶结充填两类。其中，细砂胶结充填包含有低浓度尾砂 胶结充填、高水速凝尾砂胶结充填、全尾砂高浓度胶结充填和全砂土似膏体胶结 充填等。粗砾胶结充填有低强度混凝土充填、块石砂浆胶结充填、碎石水泥浆胶 结充填等。此外，在煤炭矿山系统中出现了新式的冻结充填【ｌ¨。不同的矿床地质 条件，采用不同的充填方法，所以上述方法在采矿工程中的应用是很广泛的。新 生事物的发展总是有它的有利方面，胶结充填工艺亦是如此。它的推广使用给矿 山开采带来了诸多的利好。胶结充填使矿山生产的安全性得到保障，稳固了回采 工作面、降低了围岩产生岩爆的可能性；胶结充填使矿山生产的经济效益得到提 高，不仅能够降低采矿成本，更大大降低了开采的贫损指标；胶结充填还使得开 拓的废石、选矿的废料得以有效利用。也正是由于其对于矿山安全、环保、经济 地开采提供了保障，才能广泛推广应用，也提出了很多值得研究的课题，引领着 新时代采矿新技术的前进目标【１２】。 在胶结充填系统中，绝大多数是以水力输送的方式将充填料或者料浆利用自 重或者泵压送至采场（采空区）。水力输送有着很多的优点，包括输送能力大、 方法便捷、所需空间少、环保性好、易于实现自动化甚至数字化等【１３】。目前， 在两相流或多相流理论的基础上，辅以流体动力学的相关研究成果，我国在管道 输送技术方面有了长足的进步。而且伴随矿山越来越向深部开采的趋势，胶结充 填显得尤为重要，其输送理论和方法的研究也迫在眉睫。 仔细研究和分析胶结充填系统的发展历程及方向，我们对于当代胶结充填系 统的特点有较为清晰的认识： （１）充填料种类丰富多样【１４１，不同的充填方式，其物料组分不同。有的组 分较为简单，如砂石、块石、土壤等，也有组成成分较多，外加各种添加剂，如 物料组分油分级尾砂、全尾砂、、棒磨砂、水泥、磷石膏和冶炼炉渣【１５】等，添加 剂有速凝材料、石灰石等。 （２）充填系统中所用物料的粒径大小不等，数值范围较广。每种物料的最 小粒径基本接近于零，而其最大值则各有不同。例如：尾砂充填粒径最大值为 Ｏ．１ｍｍ，砂浆充填粒径最大值为ｌＯｍｍ，水砂充填粒径最大值为８０ｍｍ。

３

中南火学硕十论文

第一章绪论

（３）充填料浆的质量浓度变化也比较大。对于不同的固体物料，浓度大小 是有要求的，因为浓度太小不能保证充填体的强度，太高则在输送过程中易堵管。 如下给出几种充填方式的参考质量浓度：水砂充填一般取４０％，上下可浮动１０％ 左右；尾砂充填料一般取７５％左右，变化区间不大；膏体充填则会高些，一般取 ８０％ｔ１６Ｊ左右，上下可浮动５％。 （４）一般情况下，矿山会选用依靠自重来输送料浆的方式，这样有利于降 低成本但对于长距离低高程的管路系统，必须通过安装泵来施加一定的压力。 （５）充填料浆在输送过程中，并不是一直处于正常的流动状态。影响回采 各因素的不同，将使充填料浆输送发生改变。即便对于采空区，不同时间不同地 点，它的体积不一样【ｌ‘７１，所需要料浆的量也会不一样。需求少则输送耗时也会 少很多，但需求大的话，耗时将明显增加。 （６）料浆出口点会经常性的改变，因为充填系统是为整个矿山或者多个回 采空区输送料浆的，他的变化范围是根据不同矿床形状、矿房位置以及回采进度 来决定的。 （７）对于充填系统，我们一般认为是满管流输送，但现实不然，这是很难 满足的条件。也就致使料浆在输送过程中并不是理想的两相流流体，而形成了固

液气多相测１８】。其流动状态难以把握。
（８）研究表明，在固液气三向流的情况下，管道内壁与料浆的摩擦会比较 大，磨损率较高。磨损较大的地方，一般在管道上部外侧的法向方向和下部转弯 处的弯管外侧【１９】。 对具有不同矿床地质条件的矿山，如何选择合适的充填系统呢？在充分了解 胶结充填系统特点的基础上，我们提出以下几方面的原则： （１）采矿生产，安全先行。因此，第一条也即最重要的一条就是能够满足 回采作业在安全的条件下进行。 （２）可持续发展，环保为主。要争取实现零排放，将所产生的废渣废料用 于充填系统，变废为宝。 （３）选取充填材料时，尽量选择本地拥有，即便是运输也是交通便利之处。 （４）确定合理的管网参数，保障充填系统在运行的过程中稳定流动，出口 处不能振荡、要非常稳定。 （５）在保障安全和环保的前提下，尽可能提高经济效益。 充分考虑我国目前充填系统的特点和选取充填系统时所遵循的一些原则，结 合部分矿山现有充填系统的运行情况、工艺参数和经济指标，给出以下三种较为 典型的充填系统，分别为细砂管道胶结充填系统、膏体泵送胶结充填系统和膏体 自流输送胶结充填系统，如图１．２、１．３和１４所示。

４

中南大学硕士论文

第一章绪论

。厂来 ｝砂

尾 矿 管

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？旋流器
３
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Ｌ］

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———咽
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充填进路
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电磁流量计

１承发计

图Ｉ－２

细砂管道胶结充填系统示意图

细砂管道胶结充填系统，由物料制备、运送、存储系统，料浆制备，监测仪 表，具体生产工艺，井下排泥、排水，环境管理等部分组成。自流输送时，应注 意确定合理的充填倍线，避免形成高压，并采取防止管道磨损的措施。
每

机

图卜３金川膏体泵送充填工艺流程示意图

膏体泵送充填系统，其工艺流程主要包括：物料准备、定量搅拌制备膏体、 泵压管道输送、采场充填作业几部分。使用该系统，需需要着重考虑一个综合指 标是可泵性，即流动性、可塑性和稳定性。

５

中南大学硕＋论文

第一章绪论

口

输送机

故排浆口

图卜４

膏体自流充填工艺推荐流程示意图

膏体自流充填系统，主要包括：地表物料储备，料浆制备及运送，采场充填 作业等几部分。该系统虽经历了较长时间的发展历程，在理论和工艺上都取得了 不错的研究和应用成果。但到目前的技术水平为止，系统自身工艺存在的问题一 些难以克服的缺点： （１）充填成本较高。为保证充填体质量，设计和选取骨料的标准较高，成 本也相应增高。充入采场后，排泥排水费用也会增加。 （２）料浆的离析分层严重。这是由于料浆浓度低，多次充填沉降形成。 （３）制备浓度虽没有上限，但输送浓度却有要求。在确定的管路系统中， 要满足采空区和回采所需充填量，它只能大到～个上限值。 （４）管路磨损率高，管材损失量大。
６

中南大学硕士论文

第一章绪论

１．２国内外管道自流输送技术研究现状
从古至今，从国外到国内，自有记载的人类进行地下矿床开采以来，充填就 一直伴随其中。较早时期，工业技术水平虽不发达，但采矿工作者已将开拓工程 的废石直接充入开采留下的空区。发展到现在，基础理论研究和科学技术水平日 益提高，充填方法也越来越向机械化、数字化发展【２０】。充填输送系统也从原来 的人工、机械搬运废石，到现在的水力输送、泵送，尽管其工艺越来越复杂，但 效率越来越高，经济效益越来越好。浆体输送方式多种多样，分类较为复杂。但 依据其输送是否借助外力，可简单分为泵送技术和自流输送技术【２Ｉ】两个方面。 自流输送依靠浆体自重克服管道阻力，进行输送。工艺简单，经济性好，但低浓 度浆体自流输送会存在采场泄水量大等诸多问题。为解决这一问题，矿山采用高 浓度或似膏体料浆自流输送。现今，，这一举措已成为主要研究课题【２２１。 １．２．１国外管道自流输送技术的发展历程

充填采矿在国外较早引起了人们的重视，为了控制采区的地表移动，美国一 个煤矿首次应用了水砂充填法采矿【２３１。第二次世界大战以来，各国加强了开发 地下资源，因原来常用的深孔大量崩矿的采矿方法，不能解决地采面临的各种复 杂条件，转而对充填法进行研究和改革。 自１９１７年以来，在美国巴特山地区的一些矿山进行水力充填所采用的充填料 就是尾砂。１９２７年，古巴的Ｍａｔａ ｈｏｍｂｒｅ矿成为首先应用水力充填作为主要采矿 方法的矿山之一。在此期间，澳大利亚的Ｍｏｕｎｔ Ｌｙｅｌｌ铜矿，赞比亚的Ｍｕｌｆｕｌｉｒａ 铜矿和美国的Ｈｏｍｅｓ ｔａｋｅ金矿分别在１９２９年～１９３２年期间均有水力充填的早期 记载【２４】。１９３０年霍恩矿山公司首次试验磁黄铁矿尾砂和炼铜炉渣干式充填获得 成功。２０世纪５０年代，澳洲一些地下金属矿山，以水力充填取代了早期使用的干 式充填。１９６２年加拿大Ｆｏｏｄ矿首次采用尾砂和水泥胶结充填。１９６９年澳大利亚芒 特艾萨铜矿首次采用水泥胶结充填回采底柱，同时进行铅锌铜冶炼炉渣代替水泥

的研刭２５１。
进入２０世纪后，美国和加拿大开发了基于采用选厂分级尾砂进行水砂充填的 充填工艺，在悬浮液输送固体物料、水力旋流器脱泥等方面取得了进步，实现了 低浓度（３５％～７０％）泵压或自流输送的水力充填采矿。 ２０世纪７０年代，尾砂胶结充填工艺开始在金属矿山推广应用。１９９３年加拿大 发展了膏体充填技术，膏体充填技术的出现只是近ｌＯ年的事，但发展极为迅速。 一些矿业发达国家，如澳大利亚，１９９７年８月建成的大型地下矿山坎宁顿 （Ｃａｎｎｉｎｇｔｏｎ）矿，就采用了膏体充填系统【２６】。而芒特艾萨矿业公司为开采深部的
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第一章绪论

３５００矿体，在１９９８年底建成一个膏体充填系统。 纵观国外管道自流输送技术的发展历程，各国都加大了充填采矿所占的比 重，有关国家还围绕灾害控制制定了相应规范，可以说充填采矿法将是采矿技术 研究的重点。而管路水力输送系统则广受亲赖，因其可依靠自重进行输送，成本 较低，系统的工艺较为简单，易于实现机械化、自动化【２７１。 １．２．２国内管道自流输送技术的进展

在国内，充填采矿法的发展也是历史悠久。从工艺和技术逐步成熟的角度来 看，大体上可以分为四个阶段： 第一阶段时间在２０世纪５０年代，当时基本上是以干式充填方法为主。据 １９５５年相关资料统计，干式充填采矿法在我国金属矿山地下开采中约占９３％， 其中在有色金属矿山中占３８．２％，在黑色金属矿山中占５４．８％。但鉴于当时的工 业技术水平：设备不够先进，技术水准较低。因此，对充填采矿技术的发展不是 有利的，相反其工班效率较低、生产能力上不去且采矿成本也有些偏高。导致到 六十年代初期，有色矿山中基本放弃使用充填采矿法，其所占比重不足百分之一。 第二阶段时间在２０世纪６０、７０年代，充填材料以分级尾砂、河砂、风砂、 碎石等为主，充填工艺基本上采用水砂充和胶充。在１９６０年，湘潭锰矿为了避 免矿坑内发生火灾，采用了碎石水力充填；在１９６５年，锡矿山南矿为了控制采 场大规模暴露面积导致的地压活动，使用了尾砂水力充填；随后的１９６８年，凡 口铅锌矿为了提高和改进充填工艺，首次采用分级尾砂和水泥胶结充填［２ｓ】。 第三阶段时间在２０世纪８０年代，以全尾砂高浓度胶结充填、高水速凝全尾 砂固化胶结充填和块石胶结充填工艺为主。１９７５年，金川公司通过实验研究了 高浓度料浆的管流特性，提出了“临界流态浓度”新概念和计算砂浆管道水力坡度

的金川公式【２９】；金）１１－－矿于１９８２年，以．３ｍｍ棒磨砂为充填骨料的高浓度胶结
料浆管道自流输送胶结充填工艺试验成功【３ｕ；１９８８年，大厂铜坑矿采用了块石 胶结充填工艺【３２】：１９８７年＂－＇１９９０年，金川公司试验研究了全尾砂重力自流浆体 管道输送充填工艺【３３】。 第四阶段时间在２０世纪９０年代，主要以膏体泵送充填工艺为代表。１９９１ 年，凡口铅锌矿与长沙矿山研究院和有色冶金设计研究院试验成功高浓度全尾砂

胶结充填管道自流输送工型Ｍ】；１９９１年，德兴铜矿铜建成精矿远距离自流输送
系统。多年的生产应用，结果表明实行远距离精矿自流输送技术是可行的【３５１； １９９７年，金川有色金属公司二矿区建成了膏体泵送充填系统【３０】；大红山铜矿采 用尾砂自流输送系统，输送浆体浓度为５５－－－６５％［３６】：１９９９年，大冶有色金属公 司也采用了膏体泵送充填技术。２００８年，贵州开磷集团与中南大学合作试验成
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研究黄沙坪铅锌矿全尾砂胶结充填自流输送管路的改造及优化，有以下几方 面的目的： （１）解决井下块石充填料不足的问题； （２）减少尾矿存放地表，保护农田，防止污染环境； （３）提高矿山胶结充填能力，降低工人劳动强度： （４）提高充填体强度，减少回采损失率和贫化率； （５）充填体密实性提高，控制地表变形与地质灾害能力增强； （６）资源综合利用率提高，矿山寿命延长，经济效益增加。 １．３．２主要研究内容

任何充填工艺都是理论与技术的系统集成，本论文将从以下几个方面展开深 入的研究： （１）充填料浆管道管流特性分析。通过对不同流变模型和固液两相流的管 流特性分析比较，揭示管道自流输送的特性；引用相关的理论和经验公式，为自 流输送系统有关参数的确定奠定基础。 （２）管道磨损、破坏机理分析。对管道磨损机理和自流输送破管机理进行 深入分析，得出了管道磨损的主要影响因素，以及自流输送不满管流的产生原因 和料浆相变过程的破坏作用方式。并在此基础上，给出了几种较为有效的管道自 流输送系统的减压技术。 （３）充填系统现状分析。简要阐述了黄沙坪矿充填系统的历史沿革，对充 填系统现状进行深入分析，包括地表充填站布置情况和井下充填管路铺设情况两 个方面。并研究了充填材料的基本性质，充填材料的配比实验和力学实验。 （４）管路存在的问题及改造方案。在认真分析黄沙坪矿充填管路系统的基 础上，找出了管路系统存在的问题，提出了地表充填站的改造方案；研究充填管 线的优化布置模式，提出井下管路的改造方案。 （５）自流输送管道系统的ＡＮＳＹＳ数值模拟。在对全尾砂胶结充填自流输 送系统参数深入研究的基础上，提出了ＦＬＯＴＲＡＮ ＣＦＤ（计算流体动力学）的基
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第一章绪论

本分析方法，运用ＡＮＳＹＳ软件中的ＦＬＯＴＲＡＮ ＣＦＤ计算流体动力学分析模块对 原有管路系统进行数值模拟分析，得出管道磨损和破坏的直观依据。对提出的改 造方案进行数值模拟分析，并优化其管流特性的相关参数。

１．４本文研究的技术路线

根据管道自流输送的理论和黄沙坪矿充填系统的具体情况，基于管道水力输 送特性和磨损、破管机理的分析，参照有关减压技术，并按照管道输送的相关计 算公式，计算出充填浆体的物理特性参数和管道基本参数，然后应用大型通用有 限元分析软件ＡＮＳＹＳ建立模型，模拟黄沙坪矿充填管路在不同管道线路条件下 全尾砂管道自流的压力、流量和速度等参数。最后，对优选管道线路进行参数的 优化，对比分析不同参数下的管道工作性能，根据可行、经济、高效、安全、可 靠的原则，最终确定优化的管道线路及管道运行基本参数。

全尾砂交接充填自流输送管路改造优化

１Ｌ
原系统的分析

上
水力输送工程特性

上
磨损、破管机理分析

，ｒ

减压技术

上
基本参数
’
ｒ

萁未寡黼 荃平爹烈
ｒ

ｌ? Ｉ’

Ｉ

建立模型

┃
缱路 。４矾”。 Ｉ
Ｉ

论文研究技术路线

２．１悬液的流型及其流变特性
通常将固体颗粒加入到水中，呈现悬浮时，称这样的两相流为悬液。全尾砂 砂浆即为悬液的一种。悬液在剪切力的作用下，其切变率和切应力间的关系称为 流变模型，简称流型【３引。通常根据切变率与切应力是否呈现线性关系作为浆体 流变模型的划分界限。呈现线性关系的浆体称为牛顿体；呈现非线性关系的浆体 称为非牛顿体。接下来本文将分别讨论牛顿体和非牛顿体的流变特性。 ２．１．１牛顿体流变模型

图２—１给出了宾汉塑性体、伪塑性体、膨胀体和具有屈服应力的伪塑性体 四种典型的流变模型：
Ｌ．０

ｐ

长 倒 墨

图２．１浆体的切变率与切应力关系曲线图

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第二章充填料浆管道水力输送的Ｔ程特性

当全尾砂砂浆浓度不高时，其切变率与切应力的关系呈现线性关系为一条直 线，该直线通过坐标轴的原点，如图２．１中虚线所示，这种流变模型的全尾砂浆 体就是牛顿体。图中所示虚线的斜率，是表征该牛顿体流变特性的一个特征参数， 我们称之为粘性系数。其流变关系可用公式（２—１）表示：
ｆ：以—ｄ—ｕ（２－－１２ ｆ＝以—— ） ，

。咖 式中

ｆ——切应力，Ｐ口； ∥——动力粘性系数，Ｐａ．ｓ； ｄｕ／ｄｙ——剪切速率，ｓ～。
从公式（２一１）可见，对于一种牛顿体，其粘性只用一个特定的参数∥即

可完全表达。 在管道输送流动的条件下，公式（２—１）则表示为：

删（一万ｄｕ）（２－－２）
２．１．２非牛顿体流变模型 当全尾砂砂浆浓度较高时，尤其对于粒级分配较小致使细颗粒含量较高时， 切变率与切应力的关系呈现出非线性的特点。这种流变模型的全尾砂浆体就是非 牛顿体。根据流变特性的不同，非牛顿体又分为多种流变模型，主要包含有：宾 汉塑性体（简称为宾汉体）、膨胀体、伪塑性体和具有屈服应力的伪塑性体等。 （１）宾汉塑性体 宾汉塑性体的流变曲线在如图２—１中所示为（１）线，是一条不通过原点的 直线，其在切应力轴上的截距为％，％大小表示屈服应力的大小。浆体开始流 动的初始条件，就是有且仅有切应力超过这一屈服应力时。宾汉塑性体的流变关 系可以表示为：

ｆ＝％＋卵华 缈
式中

（２—３）

“——屈服应力，Ｐａ： 刁——刚度系数或塑性粘度系数，Ｐａ．ｓ；
其他符号同上。 从公式（２—３）中可以看出，对于宾汉塑性体的流变特性，我们需要用％和

Ｉ＂／两个参数来描述。，７为图２－－１中（１）线的斜率，ｆｏ为图２－－１中（１）线在切 应力轴上的截距。
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第二章充填料浆管道水力输送的丁稃特性

为什么会产生屈服应力％呢？分析发现其产生原因是：浆体中如若含有粘性 细颗粒，由于这些细颗粒在水中会受到物理化学作用，在这个作用下细颗粒会形 成絮团，继续发育成长，就会互相搭接形成一定的网状结构，也称为絮网，这种 网状结构具有一定的抗剪切能力，也即产生了屈服应力。屈服应力的大小与浆体 中细颗粒的含量有着紧密的关系。 从上述分析得知，屈服应力产生的重要原因是由浆体中所含粘性细颗粒形成 絮团进而搭接成絮网结构而引起。因此，我们可以设想存在一个导致出现屈服应 力的浆体的最低浓度，当浆体浓度值大于这个最低浓度值，就会产生屈服应力， 可以把浆体的这个最低浓度称为临界浓度。不难得出，临界浓度的大小与浆体中 细颗粒的粒径分布及细颗粒的含量多少有着密切联系。当颗粒粒级愈小或其含量 越多，出现这种屈服应力的浓度也相应会越低。此外，浆体的屈服应力也还与粘 性颗粒本身的组成成分有关。要求得屈服应力，必须使浆体处于层流流动条件下 进行流变试验。 （２）伪塑性体 伪塑性体的流变曲线如图２一ｌ中的（２）线所示，为一条下凹型的曲线，通 过坐标轴的原点。伪塑性体的流变关系如公式（２—４）：
，，， 、开

ｆ：Ｋｆ坐ｌ
式中

刀＜１（２－－４）

Ｌ砂／

Ｋ——稠度系数或日一Ｂ粘度，Ｐａ．ｓ； 刀——流动指数：
其他符号同上。 从公式中可以看出，对于伪塑性体的流变特性，我们也需要用两个参数来描

述，即Ｋ和，ｌ。伪塑性体的特点是随着切变率的提高，切应力的增加会减少。 （３）膨胀体 膨胀体的流变曲线如图２—１中的（３）线所示，为一条上凸型曲线，该曲线 通过坐标轴的原点。膨胀体的流变关系与等式（２—４）一致，只是对于膨胀体而 言，流动指数疗＞１。 （４）具有屈服应力的伪塑性体 具有屈服应力的伪塑性体的流变曲线如图２—１中的（４）线所示，为一条下 凹型曲线，该曲线在切应力轴上有一段截距，截距表示为％。具有屈服应力的伪 塑性体的流变关系可用公式（２—５）表达：
，，，
、ｎ

ｆ＝％＋ＫＩ譬Ｉ ＼缈／

以＜１

（２—５）

式中符号意义同上。但对于具有屈服应力的伪塑性体，我们需要用％、Ｋ和
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第二章充填料浆管道水力输送的工程特性

刀这三个参数来描述其特性。 值得注意的是，文中仅仅分析了与矿山充填料浆相关性较为紧密的几种非牛 顿体的流变特性。以上四种流变模型并没有包含所有非牛顿体的流变特性。其余 流变模型在本文中不再赘述。

２．２固液两相流的管流特性

两相物质（至少一相为流体）所组成的流动系统，称之为两相流【５４】。通常根据 构成系统的相态分为气液系、液液系、液固系、气固系等。对于本文所研究的矿 山充填料浆而言，其相态为液固系（在充分实现满管流的情况下）。因此，我们 需要首先来了解固液两相流的典型输送模式，以及其管流的基本特性，从而判定 充填料浆的流动状态和输送特点。 ２．２．１固液两相流的典型输送模式

固液两相流的管道输送模式有多种，根据不同的分类标准，有不同的表述模 式。本文主要依据浆体中固体颗粒的组成成分不同，将输送模式主要分为以下三 种【３９】： （１）均质流 均质流管道输送模式有以下特点：浆体中的固体颗粒主要是细颗粒，当浆体 的浓度比较高时，呈现出非牛顿体的流动特性。而且随着浆体浓度的升高，固体 颗粒之间会很快形成絮网结构，它们之间的粘性也会急剧增加。此时，颗粒自重 由宾汉剪切力及浮力支撑，或由紊动扩散作用维持其均匀的悬移运动。这种方式 的运动，明显表现出在垂线上固体浓度分布非常均匀。 （２）非均质流 非均质流管道输送模式有以下特点：浆体中的固体颗粒主要是粗颗粒，粗颗 粒之间在水中物理化学作用下不会像细颗粒一样形成絮网结构。因此，在固体浓 度不是很高时，将会继续呈现出牛顿体的流动特性。即使当浓度达到很高时，尽 管也会出现宾汉剪切力，但一般这时宾汉剪切力的绝对值会比较小。固体颗粒的 沉速因浓度的增加而减小，但是其减小的程度要比均质流小。固体颗粒的运动形 式是以推移和悬移为主。在固体浓度不是很高时，颗粒运动主要依靠其惯性力， 故而在垂向浓度分布具有明显的梯度。但随着固体浓度的增大，紊动强度不断减 弱，颗粒与颗粒之间因剪切运动会产生离散力，此时离散力变得比较重要。 （３）非均质流．均质复合流
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第二章充填料浆管道水力输送的工程特性

非均质流．均质复合流管道输送模式有以下特点：固体颗粒组成成分中，粗、 细颗粒兼而有之，且粒径分布范围很广。在固体浓度达到一定程度以后，固液混 合物中的细颗粒在物理化学作用下形成一定的絮网结构，并与清水一起组成均质 的浆液，而混合物中的粗颗粒则会在浆液中自由下沉。随着固体浓度的进一步提 高，混合物中更多的粗颗粒物质会成为浆液的组成部分，复合浆液会向均质浆液 慢慢转化。当固体浓度超过某一临界值时，整个浆液就变成均质浆液。 由上所述，我们可以发现复合流最大的流动特点就是具有良好的流动性。单 就管内流动来说，在固体浓度及管径相同的条件下，浆液复合流的阻力远低于相 同流速下非均质流的阻力。 ２．２．２均质固液两相流的管流特性

（１）均质固液两相流的流态 按照雷诺数的大小来划分，均质流也可以分为两种流态：层流和紊流。以清 水水流为例，取雷诺数数值２１００作为临界雷诺数，该值即是区分清水管流为层 流还是紊流的依据。不过对于固液两相均质悬液来说，雷诺数不是一个恒定数值， 它表达式中的粘度会因浓度变化而改变，而且还与悬液的流动模型密切相关。这 样会使判别均质固液两相流流念的雷诺数表达式也变得非常复杂。依据临界累诺 数大小区分层流与紊流，与雷诺数本身的表达式有关，其表达式中参数的选取， 根据不同的流变模型要区别对待，进行分类计算。均质固液两相流一般被认为是 宾汉体，下面主要以宾汉体为例，对其雷诺数进行讨论计算。

对于宾汉塑性体，习惯上采用基于刚度系数计算的雷诺数（Ｒｅ：型里）来计
ｒｌ

算，进而确定流态转换的临界值。 对于管流中浆体的流动，基于刚度系数计算的临界雷诺数如公式（２—６）：

（ｐＵＤ）即：—等＞２ｌｏｏ
７

卜一口．＋！口：
。 ’

４）６－２（
３

３

式中

卜管道内径，ｍ：

ｐ——固液两相流的密度，ｋ／，，１３；

１７＿平均流速，ｍ／ｓ；
刁——刚度系数，ＭＰａ．ｓ； 口。——屈服应力与管壁处切应力之比，即口。＝Ｆｏ／ｌ＂。。
通过等式（２－－６）来求临界雷诺数Ｒｅ如，还需要知道口。的值。这要通过其 它相关方程，进行一些演算方能求得。
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第二章充填料浆管道水力输送的ｊＩ：科特性

依据著名的布金海姆方程：

型：玉［１一兰（玉）＋！（豆）?】 Ｄ
ｒ／‘ ３、ｆ矽７

（２—７）

３、ｆ矽７。

可得：

％Ｄ

８口。

（２—８）

刁ｕ?一詈口。＋三口。４
将等式（２－－６）等号两边乘以等式（２．８），以消去等式（２．６）中的流速Ｕ， 得赫氏数：

肌掣ｒ／２考嚣４－ｌ
‘

（２＿”
４

，１一兰，’

一，’、２

将等式（２．９）与等式（２．６）联解，求得临界雷诺数：

～２砸２１啄００娟．２（∥
。胁’
或按等式（２．９）绘出Ｈｅ～口。关系图，如图２．２，并由图２－２查找得知。

ｃ２州）

等式（２－１０）中口。值，可由式（２－９）根据已知赫氏数胁＝ｒｏＤ２户局２求得，

图２－２

Ｈｅ～口ｃ关系线（管道）

这样等式（２—１０）所示临界雷诺数Ｒｅ扫就只是关于赫氏数Ｈｅ的单值函数，

其计算难度就会降低，分析会变得简单易行。图２－３给出了Ｒｅ幼～胁的关系。
由图中可以看出，宾汉塑性体由紊流状态转变为层流状态时，其临界雷诺数Ｒｅ幼

的值随着赫氏数胁值的增加而加大。

１６

的工程特性

Ｈｅ

图２－３

Ｒ。．一Ｈｅ关系线 Ⅶ

宾汉塑性体由层流转变为紊流的过渡流速可以通过等式（２．１０）计算得出：

Ｕｏ＝１６．２（—殳）Ｉ，２（２－－１１）
ｐａｃ

式中

ｕｒ过渡流速，ｍ／￥
，

‰一…．

了

ｇ一孰～毒
图２－４圆管中的层流流速分布
（２＿１２）

（２）均质固液两相流管流的层流流速分布 如图２－４所示，在圆管管流条件下，假定切应力是沿半径方向直线分布，那 么在距离圆管中心为ｒ处的切应力ｆ可以表示为：

忙“卜竿闩，．，（争
式中

ｆ。——管壁处切应力，Ｐａ； Ｒ——管道半径，ｍ。
依据管流力平衡原则，可以求得圆管管壁处切应力。

因为ｘＲ２卸＝２死．Ｒｒ。Ｚ
所以 式中卜——管长，ｆｉｔ；

驴Ａ２ｐ＿Ｚ，Ｒ＝詈ｆ（２－－１３）
△ｐ——管长为，时两端压差，Ｐａ；

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第二章充填料浆管道水力输送的：Ｔ＝稃特性

ｆ——水力坡度，ｆ＝了ａｐ，Ｐ口／，，ｌ。
设ｆ 时，有 ２如处距管道中心为０，称０为流核半径。这样，在非流核区，即，．≥０

”卅刍％ｉｒａｒ
或

“

＝等
Ｚｆ

（２－１４）

一＝＝—三一一 ｄｒ
ｒ／ ２１ｒ／

如．ｆｏ

ａｐｒ

（２一１５）

对等式（２．１５）积分得

“：三［业＾（Ｒ叫】
７７‘

” “ ｌ４）６１＿２（

…

等式（２－１６）便是非流核区流速沿径向分布计算式。当ｆ。＝Ｏ时，上式变为：

“＝；Ｚ、ｚｐ７７、２
上式即是牛顿层流流速径向分布公式。

ｒ２）

（２一１７）

在，．＝。处，“＝“ｐ为流核区流速。如以％＝垒争代入式（２．１５），经换算得：
甜ｐ＝砺Ａｐ（Ｒ２一，．２）２（２－－１８）
如均质固液两相流流变模型为伪塑性体或膨胀体，因
（２—１９）

ｆ＝Ｋ（一坐ｄｒ）“＝ｒ。一ｒＲ

、，ｗ

…。。

则伪塑性体或膨胀体在圆管中层流流速径向分布由上式经积分求得：

吲者）（∥（Ｒ竿一，．譬）（２－－２０）

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第二二章充填料浆管道水力输送的Ｔ程特性

ｕ／Ｕ

图２．５伪塑性体、膨胀体及牛顿体在管流中的层流流速分布

图２．５揭示出了在流变方程遵循指数定律时，不同ｎ值下管道流动中层流流 速的分布状态。由图中可以看出，伪塑性体（ｎ＜１）的流速分布比牛顿体（ｎ：１） 的流速分布更加均匀；膨胀体（ｎ＞１）则式相反，随着ｎ值的加大，逐渐向三角 锥形流速分布逼近，管道中心的流速显得更大。此外，对于伪塑性体流变模型， 当１１值较小时，在管道中心附近的流速变化会非常小，以致其分布情况与宾汉体 流动中心流速分布十分相近。

２．３管道磨损机理研究
２．３．１管道磨损的主要影响因素

通过对所收集到的部分矿山管道磨损资料的仔细分析与研究，发现了影响管 道磨损的诸多因素，但其主要因素包含以下几方面ｍ】： （１）充填料浆的影响 管道的磨损是因为在输送充填料浆的过程中引起，因此与充填料浆有着紧密 的关系。首先，随着充填料浆输送浓度的提高，管道的磨损速度会显著增大，这 种磨损方式主要发生在水平管道上；其次，随着骨料刚度及粒度的增大，管道磨 损也会增长。例如：管道输送刚度和粒度较小的尾砂充填料浆要比棒磨砂料浆对 管道的磨损速率低，这种磨损方式则是贯穿于输送管道的全程线路；再次，随着 充填骨料的颗粒形状的不规则程度，管道磨损会呈现出增长趋势。外形光滑的圆 球形河砂比棱角尖锐的棒磨砂对管道的磨损要轻缓些；最后，随着充填料浆本身 理化性质决定的腐蚀性的增大，管道的磨蚀会加速增长。生产实践中发现，充填 管的破坏还有一点重要因素是充填料浆对管道的腐蚀破坏作用，而不仅仅是因为

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第二章充填料浆管道水力输送的工程特性

磨损而消耗，。浆体的ＰＨ值与溶解氧含量的大小决定了其对于管道的腐蚀能力。 当ＰＨ值在４以下时，腐蚀能力急速增加，然矿山的充填料浆ＰＨ值一般为碱性， 故而酸性腐蚀一般情况下是不存在的。随着浆体中溶氧量的增大，腐蚀也会增加， 但是如果溶解氧量出现过剩现象，对于钢管而言则会使其表面钝化，抑制腐蚀反 应。但这也不是一层不变的，由于浆体输送中存在着严重的摩擦作用，溶氧量过 剩生成的钝化表面很容易会被磨掉，露出新的接触面，反而会使氧化和腐蚀速度 加快。因此，在浆体输送过程中，磨损和腐蚀共同作用影响着管道的损耗。 （２）管道自身的影响 在使用充填材料相同的条件下，所选管道的材质直接决定了管道的磨损程 度。一般情况下，高质量或复合材料的管材的使用寿命是普通钢管的数倍甚至数 十倍。当然管壁厚度也影响管道的寿命，随着管壁的加厚，管道的使用寿命越长。 管道的磨损率还与管道直径的大小有关，甘肃金川公司矿山的生产实践显 示，在料浆输送系统的垂直段中，管道的磨损率随管道直径的减小而增大，其所 用垂直钻孔的直径主要有①３００ｍｍ、①２４０ｒａｍ、①２１９ｍｍ、①２００ｍｍ、①１７９ｍｍ、 ①１５２ｍｍ六种，使用寿命最长的是直径为①３００ｍｍ的管道，最短的则是直径为 ①１５２ｍｍ的管道【４¨。为什么会出现这种情况呢？分析其产生原因，不难发现主 要是矿山采用的是自由下落输送系统，管径的变化区间难以引起自由下落带的高 度发生较大的变化，而使用较大的管径会使料浆在垂直下落段时，相对减轻料浆 对管壁的直接冲击与摩擦，这样就延长了管道的使用寿命。但是，如果将垂直管 道的直径进一步减小到①１００ｍｍ左右，就会出现另外一种情况。此时料浆在垂 直管道中的自由下落带的高度会明显减小，因为其阻力损失在急剧增加，这样使 得系统基本接近于满管输送状态，那么管道磨损率必然会大大的降低。 管道的敷设状况也影响着管道的磨损率，例如：倾斜段管道的磨损大于水平 管道，弯管段比直管段磨损更为严重。这是因为弯管段的料浆流向发生急剧变化， 料浆离心作用较为明显，其对管道的法向冲击力将突然增大，导致弯管处管壁穿 孔现象非常严重。垂直管道安装的垂直度和同心度对管道的磨损率也有一定的影 响，管道安装的垂直度和同心度越好，磨损率会越低。 （３）充填倍线的影响 充填系统设计的一个很重要指标是充填倍线，它的大小也是影响管道磨损的 重要因素。充填倍线越小，则使垂直管道中自由落体区域的高度越大，料浆对管 道内壁的冲击力加大，磨损就越严重。同时还会增大管道的压力，导致磨损率的 提高。且料浆在管道中的流速增大，也会导致磨损率的增加。此外，充填倍线的 减小，会使料浆在管道的出口剩余压力过大，管道振荡剧烈，损坏非常严重。 在矿山充填系统中，除了以上各因素外，管道的磨损还与系统有关，例如：

２０

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第二章充填料浆管道水力输送的：【程特性

垂直管道高度过大引起管道承压过大等。因此，很有必要在对管道磨损情况做定 量的分析研究的基础上，进行更全面、深入的了解。 ２．３．２管道磨损与料浆输送速度

通过上述分析研究得知，管道的磨损率随料浆输送速度的增大而增大，然而 两者之间的定量关系尚无确切答案。例如：输送速度与磨损率之间的确切关系、 矿山充填系统管道输送所能承载的最大流速等问题。只是在南非等国家有一个较 为统一的看法，就是磨损量正比于速度的几次方。因此，要具体确定两者的关系， 需使用管道磨损测定仪进行长时间的现场跟踪测量、获取数据、分析研究。对于 某一个矿山而言，磨损测量仪可以定量确定浆体流速与管道磨损的关系，从而进 一步得出合理的充填料浆的输送速度‘柏１。 管道磨损率的定义有两种说法，一种是按照单位时间（一般为一年）内充填 管壁减小的最大厚度，另一种是按照单位时间管道重量损失量。由于矿山输送系 统的管道不可能是均匀的磨损，因此第二种定义存在缺陷，本文将采用第一种定 义方法进行研究。 巴洛从压力角度给出管壁许用厚度的计算方法，见公式（２．２１）：
，

＝—二 ｔ：型
２Ｓ

（ ） （２一－２一。１）

，，

式中：Ｐ——压力 矽——管道外径 Ｓ——横向应力
如果用己来表示管道的磨损率，那么依据前述中南非等国家趋于统一的那 种看法，巴与料浆流速之间的关系可写成： 己＝加“
（２－２２）

式中：七——磨损试验常数 １，——料浆流速，ｍ／ｓ 刀——流速影响指数
式（２．２２）揭示，确定料浆对不同管道磨损的试验系数ｋ，即可确定充填管的 磨损率与料浆流速关系。 设系统的最小服务年限为Ｔ，管壁的原始厚度为Ｂ，则有：

Ｔ≤ｐ—ｆ）／乞
将式（２．２２）代入上式，则可圈定出磨损量要求的料浆最高流速：

（２－２３）

２１

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第二章充填料浆管道水力输送的：Ｉ：程特性

’，≤２／丝 Ｖ船’
或：

Ｖ一≤√等
的类型和管路的敷设状况等因素决定。 因此，在使用式（２．２４）的时候，应注意以下几方面：

协２４，

式（２．２４）表明，料浆的最高流速受管道磨损实验常数、系统的服务年限和管 道的许用厚度等诸多因素制约，而磨损系数ｋ由管道自身的材质、矿山所用料浆

（１）如果圈定的充填料浆流速比较大，则对管道耐磨性的要求可以放宽些， 进而选择造价相对较低的管材； （２）如果圈定的充填料浆流速过低，说明此时系统处于高速磨损状态，我 们可以通过提高管道的抗磨损能力等技术措施来减小管道的磨损； （３）通过式（２．２４）圈定的料浆流速应约等于或基本接近于按充填能力计 算得出的流速，此时系统运行处于较为稳定的状态，管道磨损可以接受； （４）式（２．２４）应用于自由下落输送系统时，它的最大速度指浆体在自由 下落带中料浆的终端流速；应用于满管流输送系统时，其最大速度指料浆的输送 速度。 ２．３．３管道磨损的计算

在矿山充填中，尤其对于深井矿山的充填，其管道磨损的问题非常严重， 它关系到充填系统是否能够进行正常运转、达到服务年限。因此，定量描述管道 的磨损，具有很大的现实意义【加１。 首先，管道的磨损与充填材料有关，依据前面分析的结果，管道磨损与充 填料浆骨料的硬度系数６９、料浆的输送浓度ｍ：（或料浆的体重丫ｉ）、固体颗粒的 粒径ｄｃｐ、颗粒形状不规则系数、｜，ｇ等成正比关系。因此，可按式（２．２５）确定反映 料浆对管道磨损的系数ｋｉ：

ｋ，＝毛ｌｆ（Ｙ』，以，ｙｇ，ｄ印） 式中：ｋｌｌ一料浆对管道磨蚀的修正系数。

（２－２５）

其次，管道的磨损率与管道自身有关，当管道材质越好、即耐磨系数１１ＩｌＩ值 越大时，管道的耐磨性能越好、磨损率也就越小；同时，管道直径对磨损率也有 直接影响，管道的磨损率随管道直径的减小而增大。因此，可按式（２．２６）确定管

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第二章充填料浆管道水力输送的工程特性

道因素对磨损率的影响系数ｋａ：

ｋｄ；掣（２－２６）
Ｋ２２

式中：ｋ２广管道敷设状况决定的磨损系数。
再次，管道的磨损在本质上是由于充填材料与管道内壁相互摩擦引起，因 此管道的磨损率与料浆和管道之间的摩擦力有关，可按式（２—２７）确定摩擦力： ｆ＝／ｔ?Ｐ
（２－２７）

式中：卜摩擦阻力系数（由管壁粗糙度与骨料特性决定）；
Ｐ一料浆对管壁的压力。
可见，料浆与管壁之间的摩擦力由摩擦阻力系数和料浆对管壁的压力决定， 这也在一定程度上证明了磨损率与压力之间的关系。 通过分析式（２．２５）、式（２—２６）、式（２－２７），并综合考虑各个影响管道磨损的 因素，水平管道的磨损率Ｐｍ可写为以下表达式：

己珈ｋｊ≮半
式中：Ａ—试验综合系数； ｖ一料浆流速。

（２－２８）

上述表达式（２．２８）基本上包含了影响管道磨损率的诸多因素，可以作为定量 分析矿山充填管道系统设计和计算磨损的重要技术依据。式中参数的确定需要进 一步的研究，但有些可以依靠现成的，有些可以通过室内试验和现场测定结合的 方式进行确定。

２．４自流输送破管机理分析
２．４．１自流输送不满管流的产生

国外某金属矿，开采深度已达１２００ｍ，采用自流输送膏体胶结充填，该矿的 充填管路布置示意如图２－６。据资料记载，从１９９４年至１９９８年期间，充填管路 严重堵塞事故共发生１２次，其中由于管路破坏引起的堵塞事故７次，有时充填 仅６０００ｔ就发生管路破坏。为了处理事故和实施井下充填，先后钻厂３个充填钻 孔，管路直径先后改变了６次，充填流量变化了５次，膏体的塌落度也时常改变。

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第二章充填料浆管道水力输送的工程特性

这些事故不仅造成丁近１ １０万美元的直接经济损失【４１１。

图２－６某矿的充填管路布置

在充填料浆的管道输送中，如果自然落差较大，管流除克服满管流的阻力外 还会有剩余的位能，如果不采取措施消能，管道内浆体就会自动加速，形成不满 管流。 ２．４．２料浆相变过程中的破坏作用

（１）料浆相变引起的汽蚀 浆体在垂直竖管内下落加速运动由最初的浆体柱逐渐被拉成一小段、一小段 的分段体，再由小段体离散成小团和颗粒状，呈射流形式向下运动。在由浆体柱 变成小段体的过程中，在小段体与小段体之间的空间内将产生真空度。当该处压 力低于当时温度下水的饱和蒸汽压力时，浆体中的水就开始沸腾，形成气泡。还 有，原来溶解在水中的空气也都游离出来，形成许多由蒸汽和气体混合的小气泡， 这些小气泡混杂在松散的浆体小团和颗粒的集合中。 当浆体下落到达浆液面附近时，浆体在下游受阻而上游流速加大的情况下， 小团和颗粒浆体就会撞击到先前产生的气泡，发生所谓真空弥含水击，气泡将迅 速破裂，并重新凝结。在气泡所占的破裂空间处将产生负压，于是桨体颗粒会从

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第二章充填料浆管道水力输送的工程特性

四周向气泡中心加速冲来。在凝结的一瞬间，颗粒相互撞击，产生根高的局部压 力。根据费祥俊著《桨体与粒状物料输送水力学》一书中的介绍，由高速摄影得 到的气泡溃灭时间为１０’３ｓ或更小，由牛顿第二定律计算和实验量测到气泡溃灭 压力可达１０９＿１０１０Ｐａ。如果这些气泡靠近管道壁面，此处壁面在大压力、高频 率的连续打击下，将逐渐疲劳而破坏，即形成机械剥蚀。而且，气泡中还杂有一 些活泼气体（如氧），当气泡凝结放出热量时就会对金属起化学腐蚀作用，加速管
道损坏。

（２）料浆相变引起的冲蚀磨损 在垂直竖管部分，不满管落差区浆体加速下落时，由于小团和颗粒的滚翻和 相互撞击作用，沿程它们将会以小角度冲蚀管壁，根据冲蚀磨损理论，将使管壁 受切削或薄片剥落磨损；另外，在启动阶段当浆体到达垂直管道与水平管道转弯 处时，它们将会以大角度（９００）冲蚀管壁，使管壁受变形磨损。不论是切削磨损， 还是薄片剥落磨损，或是变形磨损，冲蚀磨损量与冲蚀速度间有如下关系：
占＝Ｋｕ”

（２—２９）

式中：￡＿一种蚀磨损量；

Ｋ一系数；
ｕ——冲蚀速度；

Ｉ卜＿ｊ密度指数，对浆体来说，ｎ＝１．６２—２．１２。
如果取ｎ＝２，那么，冲蚀磨损量就与冲蚀速度平方成正比。另外，冲蚀磨 损量还与磨粒的质量成正比，磨粒的质量愈大，磨损量也愈大。说明冲蚀磨损与 磨粒的动能直接有关。 当不满管落差区较大时或两相流管输启动时在垂直竖管与水平管道转弯处， 离散成射流的浆体具有很高的动能，因而引起对管壁快速的冲蚀磨损，使管壁变 薄，强度大大降低。当磨损达到一定程度后，在射流压力和桨体柱有效高度压头 的作用下，当其总压力超过管壁的强度时，管壁就要破裂，并引起堵管。 不满管流以及因其引起的料浆相变是产生汽蚀、高速冲蚀磨损等引起破管、 堵管的一大根源，因此保持满管流是消除破管、堵管事故的必要条件。

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第二章充填料浆管道水力输送的工程特性

２．５本章小结
本章主要介绍了充填料浆管道水力输送的相关工程特性，以及在输送过程中 可能产生磨损和破管的机理分析： （１）通过对不同流变模型和固液两相流的管流特性分析比较，揭示管道自 流输送的特性，基本确定全尾砂浆体为宾汉体；引用相关的理论和经验公式，为 自流输送系统有关参数的确定奠定基础。 （２）对管道磨损机理和自流输送破管机理进行深入分析，得出了管道磨损 的主要影响因素，以及自流输送不满管流的产生原因和料浆相变过程的破坏作用 方式。 （３）不满管流状态下，料浆在管路中的运动将会出现由固液两相流转变为 固液汽三相流，再还原为固液两相流的相变过程；在相变过程中伴随产生的汽蚀、 冲蚀磨损、射流效应等共同作用是管路破坏的根源，其中的汽蚀破坏作用尤为突
出。

２６

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第二章黄沙坪矿充填系统现状分析

第三章

黄沙坪矿充填系统现状分析

黄沙坪矿铅锌矿１９６７年采用了干式充填采矿法，同年铜矿也曾试验采用充 填法。上世纪七十年代，矿山又建设了我国较现代的立式砂仓充填系统，开始推 广使用尾砂胶结充填。后因矿山采矿方法变更的影响以及充填系统中存在问题的 制约，矿山采用了废石充填，因而尾砂胶结充填系统闲置不用。目前，矿山处在 扩大生产规模阶段，也因尾矿库尾砂存量较大等综合原因，决定重新启用胶结充 填系统。因此，对矿山现有采矿方法和充填料性质需要有进一步的研究，从而对 优化管网参数提供一定的依据。

３．１黄沙坪矿多金属矿床开采现状
黄沙坪矿在开采铅锌资源的同时，也启动多金属资源的综合利用，多金属资

源的工业类型为岩浆期后接触交代矽卡岩型气化一高温热液多金属矿床，属低品
位铁、钨、钼、铋、锡多金属矿床。 岩体形态的变化直接影响着矿体群的分布，其范围在１０１线至１２９线之间， 走向南北，长１０００ｍ，宽３００，．－６００ｍ，矿体赋存最高部位为３８０ｍ标高，最深钻 孔在－４２０ｍ标高仍有矿体，并非见收敛趋势，矿体总深超过８４０ｍ。铁矿体主要 分布在．２００ｍ水平以上，已圈定的钨、钼矿体主要集中分布在．１００ｍ水平以下，

直达．４５０ｍ标高。
矿体形态较为复杂，在任何水平断面上均为不规则的环带状、弧状，围绕花

岗斑岩分布，近花岗斑岩者较为稳定。矿体大小不等，走向长一般为７０＂－．－＇４００ｍ，
沿倾向长一般８０＂－＇２４０ｍ，最长３６０ｍ，矿体厚ｌＯ＂－－＇３０ｍ，最厚６０ｍ。在地质剖 面上，单个矿体呈似扁豆状、舌状、新月状、带状等。 从已开拓和采准出来的Ｗ１．１钨钼多金属矿体看，矿体走向呈南北向，产状 近乎直立，矿体不同部位矿化连续性差异大，品位跳跃性强，钨钼均有顺裂隙矿 化而呈网脉状嵌布的特点，且矿体与非矿体围岩界线模糊，无法用肉眼界定。 该矿采矿方法见图３．１：一个矿块沿倾向划分为底柱和分段，底柱高度由底 部结构确定，采用双电耙单侧斗川配堑沟的底部结构，其高度为６．４ｍ，斗川交 错布置，当矿体厚度小于８ｍ时，采用单电耙单侧斗川配堑沟的底部结构；分段 高度则由矿体厚度和分段巷道的位置来确定，矿体厚度小于１５ｍ且分段巷道居

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第三章黄沙坪矿充填系统现状分析

中时分段高度应小于１５ｍ： 矿体厚度大于１ ５ｍ且分段巷道居中时分段高度应小
于１２ｍ。

由于地表不允许塌陷， 也为了保证安全回采过程，需要对空区进行充填。

１．阶段运输平巷２．出矿进路３．人行设备天井４．放矿溜井
５．分段联络道６．分段凿岩巷道７．拉底巷道

图３．１分段凿岩阶段空场嗣后充填采矿法标准方案图

ｊ

３．２黄沙坪矿充填系统现状。
黄沙坪矿铅锌矿是湖南省著名的采选综合企业，也是我国使用充填最早的地 下矿山之一。１９６７年，黄沙坪铝锌矿采用了干式充填采矿法，同年铜矿也曾试 验采用充填法。上世纪七十年代，矿山又建设了我国较现代的立式充填系统，开 始推广使用尾砂胶结充填，为黄沙坪铅锌资源的开采和我国采矿事业的发展作出 了很大的贡献。 后因矿山采矿方法变更的影响以及充填系统中存在问题的制约，矿山采用了 废石充填，因而尾砂胶结充填系统闲置不用。

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第三章黄沙坪矿充填系统现状分析

３．２．１黄沙坪矿干式充填系统

黄沙坪一直用干式充填法开采。矿块结构子典型方案相似。阶段高３６米， 顶柱厚３～４米，府柱高５米（由于品位高，有时不留底柱，间柱宽７～８米，矿 房沿走向布置时，矿块长３０＂－＇６０米。切走向布置时，矿房宽１０＂－＇－＇１２米。矿房的 水平暴露面积一般控制在５００ｍ２内。在使用干式充填时，多数是矿井上部就近 设备采石场，采下的岩石通过溜井下放进行充填，在可能的条件下，尽量利用自 重运输。干式充填系统如下方图３．２所示。

［－秘黼ｊＦｌ矧…一劫避］．一一赳堂≥亟蚕钢
图３－２干式充填系统示意图

匡疆谚卜≯豸隧删一一—专匪勉酾型卜一灏蓟哑

实际生产中，当开采深度不大，且地表采石条件方便时，可采用多充填井下 料。这种可以减少坑内水平运输工作。 当采用主充填井下料方式时，为了不与运矿系统互相干扰，充填井多布置在 矿体上盘，力求形成单独充填运输系统。当充填工作量较大时，还应放设专门的 水平巷道来运送充填料。

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图３－３黄沙坪干式充填系统图

２９

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第三章黄沙坪矿充填系统现状分析

３．２．２黄沙坪矿尾砂胶结充填系统

（１）地表充填站基本情况 黄沙坪铅锌矿尾砂胶结充填系统始建于上世纪七十年代，为我国使用立式充 填系统的先驱。它的构成与其他类似充填矿山一样，包括： １）充填材料的开采、破碎筛分、分级和运输： ２）充填料的制备和输送， ３）充填供水充填废水的沉淀和排水排泥设施； ４）充填系统的通讯联络等。 黄沙坪铅锌矿充填系统的配置采用集中配置方案，集中配置便于集中管理， 可以减少岗位工作人员，减少设备，从而降低矿山经营费用。 黄沙坪铅锌矿地面充填站主要由砂仓、水泥仓、搅拌站等设施组成。其搅拌 站的布局根据充填工艺的流程采用单阶式布置，自上而下布置料仓、给料机、计 量装置、搅拌设备、浆体输送设备及管道。单阶式布置占地面积小，布置紧凑， 原材料流经各工序时间短，工艺流程合理，生产效率高，便于实现机械化和自动

化生产。搅拌站内部设施与装置考虑到检修和操作的方便，留有足够的空剐４３１。
黄沙坪铅锌矿物料制备系统中的全尾砂来源于铅锌矿选厂，尾砂输送主要依 靠砂泵来泵送，最终泵送到充填站的砂仓内。在物料制备系统中值得注意的是： 胶结充填材料中的胶凝材料、水和添加剂不需预处理，而粗细骨料如块石、棒磨 砂、尾砂等一般均要预处理。

ｌ－Ｉ号１０００ｍ３尾砂仓；２－１３０ｔ水泥仓；３－２号１０００ｍ３，尾砂仓：４．水池；５．电动阀；

６．螺旋输送机；７．水泵；８一马尔斯泵；９．搅拌筒；１０．充填管：１１．通往尾砂库 图３４黄沙坪矿尾砂充填系统流程示意图

黄沙坪矿原有井下管路设计，由冶金工业部长沙有色冶金设计院于１９８０年 设计完成。设计管道用材为钢管，管径１０４ｍｍ，壁厚４ｍｍ。后来在往深部开采 时，使用复合陶瓷管【４４１。其充填管线示意图如图３－５，立体模型图如图３－６。

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图３－５井下充填管线示意图

（ａ）

（ｂ）

图３－６井下充填管线ｓｕｒｐａｃ模型立体图

３ｌ

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第三章黄沙坪矿充填系统现状分析

３．３充填材料及其物理化学性质

３．３．１充填材料基本性质

由于充填费用是充填采矿成本的重要组成部分，因此降低充填成本是提高充 填采矿法经济效益的一个重要途径。通过对充填材料及充填料浆配合比的试验研 究，选择廉价的、满足生产条件的充填材料和选择合理的充填料浆配合比是降低 充填成本的有效方法。 胶结充填料由骨料、胶凝剂和水三部分拌和组成。常用的骨料有尾砂、河砂、 碎石集料和磨砂等。常用的胶凝剂是普通硅酸盐水泥，近年又开发了高水材料、 粉煤灰水泥、炉渣水泥等新型胶凝材料【４５】。 尾砂作为一种廉价的矿山废料，大量用于矿山充填具有十分重要的意义，一 方面可以解决矿山充填材料的来源问题，另一方面解决了矿山工业废料造成环境 污染和占用耕地的问题。 （１）胶凝材料 胶结充填材料包括胶凝材料、粗骨料、细骨料和水等。胶凝材料主要是水泥 及其代用品，如石灰、粉煤灰、细磨炉渣等。粗骨料多用碎石、砾石，粒径５～ ５０ｍｍ。细骨料多用河沙、山砂、尾砂、水淬炉渣等。 矿山充填采用４２５号普通硅酸盐水泥，其密度为３０００Ｋｇ／ｍ３，容重为１０００＂－－ １６００Ｋｇ／ｍ３，常取１３００ Ｋｇ／ｍ３，采用１２ｔ水泥罐车将散装水泥从水泥厂运到充填 站，然后用风力输送到充填站水泥库。 （２）充填骨料 根据方案比较选择，其充填骨料为尾砂和碎石，全尾砂的物理参数见表３．１， 充填料的物理力学性质实验表见表３．２：
表３．１全尾砂的物理参数

３２

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第二章黄沙坪矿充填系统现状分析

表３．２充填料的物理力学性质试验表
项目 单位 全尾砂
０．１４８

水泥

平均粒径“ｍｍ
容重ｒａ 比重ｒｋ
孑Ｉ

０．０８ｒａｍ筛、筛余ｇ．７％
１３００

Ｋｇ／ｍ３

２２００

Ｋｇ／ｍ３

２７９０

３０００

Ｉ冶弦ｅ，．．

ｏ／．

９１

１气

气６ ７

表３．３全尾砂块１４天单轴抗压强度实验结果表（单位：ＭＰａ）

（３）全尾砂的物理化学性质 充填用的全尾砂直接来自于选厂当班生产排放的尾砂浆，并经浓缩过滤脱水 而成。脱水后的尾砂滤饼含水率为１８％＇２２．６％，尾砂比重为２７９０Ｋｇ／ｍ３，容重
为２２００ Ｋｇ／ｍ３，尾砂渗透系数为０．２５＂－－０．３８ｃｍ／ｈ。尾砂化学成分见表３．４，不同

试验期间的尾砂物理性质见表３．５。尾砂粒级组成见表３－６，脱水后尾砂含水率
见表３．７。

表３４全尾砂化学成分（％）

３３

表３－６全尾砂粒级组成表

竺级、
：％’）
产率

＋ｏ．１

ＬｍｍＪ

＋０．０７＋０．０５＋０．０４＋０．０３８＋０．０２＋０．０ １＋０．００５－０．００５

９．３２

３．１ １

７?７６

１０．８７

１４?２１

２４．８４

５．３２

１４?７５

９．３２

瑟

％２

－２．４

２眈３ｍ６

４５舶７叭ｔ

７５粥９嘶８

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表３．７脱水后含水率测定表

给矿量（㈣

３ １．９９

３４．３０

４５．９９

４５．９７

４３．６５

３９．００

４７．６０

滤饼譬 （ｎｕｎ）

３０．ｏ

２４．ｏ

１６．５

１７．５

专妻于

２０．７７

氓９８

魄??

拽。２

２¨５

慨３。

２ｍ９

强度值与表３．８中不一定相同，因为后者取的是若干个试块的平均值。分析试验 过程及各图表数据可以得出如下结论：
表３－８充填试件强度测试结果

３５

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第三章黄沙坪矿充填系统现状分析

图３．７表３－８中ＨＡｌ试块２８ ｄ单轴抗压强度应力—应变曲线图

图３．８灰砂比ｌ：４时充填体抗压强度与养护时间的关系曲线

图３－９灰砂比１：６时充填体抗压强度与养护时间的关系曲线

图３．１０灰砂比ｌ：８时充填体抗压强度与养护时间的关系曲线

３７

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第三章黄沙坪矿充填系统现状分析

图３．１１灰砂ｌ：１０时充填体抗压强度与养护时间的关系曲线

（２）推荐配比 尾砂充填强度试验结果表明： １）对早期强度有一定要求的条件下，如嗣后充填，间柱需要回采： 水泥：尾砂＝１：６（质量比）； 质量浓度＝７０％。 该配比技术指标是： ７ｄ、１４ｄ、２８ｄ抗压强度分别为０．４８０ＭＰａ、１．３０５ＭＰａ和１．４４５ＭＰａ； 体重１６６０
Ｋｇ／ｍ３

质量泌水率５．２１％。 ２）对早期强度要求不高的条件下，如嗣后充填，不需要回采间柱： 水泥：尾砂＝１：１０（质量比）； 质量浓度＝７０％。 该配比技术指标是： ７ｄ、２８ｄ、６０ｄ抗压强度分别为Ｏ．１５ＭＰａ、０．３４ＭＰａ和０．４８ＭＰａ； 体重１６８０
Ｋｇ／ｍ３：

质量泌水率４．１２％。
３８

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第三章黄沙坪矿充填系统现状分析

或者直接干式尾砂充填或废石充填，保证不发生大规模的岩层移动，能过安 全回采即可。 ３）黄沙坪多金属矿床开采中需要在充填体上作业，要求强度较高，其２８ｄ 强度应该达到３．５ Ｍｐａ以上，用水泥做充填体胶凝剂，需要高配比，势必会造成 大成本。因此考虑用充填细料作为胶凝剂进行充填，结果满足要求，实验结果如
下： 表３－９尾砂胶结充填强度试验表

３．４本章小结
本章主要深入分析了黄沙坪矿充填系统的现状，包括正在使用的干式充填系 统和已闲置不用的尾砂胶结充填系统，并对充填材料的基本理化性质、配比及力 学实验进行了研究。 （１）黄沙坪矿在使用干式充填时，多数是矿井上部就近设备采石场，采下 的岩石用留井下进行充填，在可能的条件下，尽量利用自重运输。但因生产能力 提高，废石量不足以回填至空区，提出重新启用尾砂充填系统。 （２）黄沙坪铅锌矿尾砂胶结充填系统始建于上世纪七十年代，为我国使用 立式充填系统的先驱。地面充填站主要由砂仓、水泥仓、搅拌站等设施组成。 （３）黄沙坪多金属矿床开采中需要在充填体上作业，要求强度较高，其２８ｄ 的强度应该达到３．５ Ｍｐａ以上，用水泥做充填体胶凝剂，需要高配比，势必会造 成大成本。因此考虑用充填细料作为胶凝剂进行充填，结果满足要求。

３９

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第四章黄沙坪矿充填自流输送系统存在问题及改造优化

第四章

黄沙坪矿充填自流输送系统存在问题及改造优化

黄沙坪铅锌矿是湖南省著名的采选综合企业，也是我国使用尾砂胶结充填最 早的地下矿山之一。上世纪七十年代，矿山建设了我国较现代的立式充填系统， 为黄沙坪铅锌资源的开采和我国采矿事业的发展作出了很大的贡献【蚓。 受矿山采矿方法变更的影响以及充填系统中存在问题的制约，矿山采用了废 石充填，因而尾胶充填系统闲置不用，造成原尾胶系统充填管路与系统报废，充 填仪表与设备损坏，技术与操作人员流失，国有资产严重贬值等诸多问题。

４．１充填系统存在的问题

４．１．１地表充填站设施存在的问题

黄沙坪铅锌矿立式砂仓充填系统建立较早，但因采矿方法的变更以及当时系 统存在的技术不成熟因素，已经闲置不用近二十余年。年久失修，再加上一些人 为破坏，其设施受损严重。 （１）人工操作系统复杂 黄沙坪铅锌矿立式砂仓充填系统始建于上世纪七十年代，在当时的技术条件 下，这种充填系统是较为先进的。但其操作系统也比较复杂，放砂、放水、输送 水泥以及相互之间的协调均有人手工操作完成。因此，稍有时间上的耽误，砂浆 的质量就难以保障，其充填效果也会大受影响。 （２）系统造浆方式不合理 传统的立式砂仓造浆方式为风水混合造浆，其造浆环管为三层，只能在环向 造浆，且造浆流体选用高压水，存在放砂浓度低的问题。黄沙坪铅锌矿尾砂本身 粒级细、含泥多，需要较高浓度才能保证充填效果。 （３）充填站设备损坏严重 充填站设备因老化、年久失修等原因，破损非常严重。如图４．１至４．４。

图４－３严重腐蚀的仓底

图４＿４垃圾堵塞的搅拌井

４．１．２井下充填管路存在的问题

根据现场历史资料记录和现场观测，井下充填管路在＋２００中段时就会出现 破管现象，分析主要存在以下几个方面的问题： （１）充填倍线太小：充填系统管路在设计使用初期，基本能满足矿山生产 建设需要。但随着矿山向深部发展，管路的高程在不断增加，然而管路的水平距 离增加幅度却小于高程的增加值，导致充填倍线变小，影响了输送能力； （２）砂浆浓度低：受充填倍线变小的影响，砂浆在长距离输送过程中，会 有不同程度的沉降，导致浓度变化。且原充填系统制浆浓度也偏低； （３）充填体强度低：低浓度浆体在进入采场后，形成的充填体强度较低， 胶结性能也差，不利于下一步工作面的回采工作； （４）脱水工作量大：充填料浆浓度低、胶结性能差，使得料浆中的大部分 水需要排放，工作量大而且对巷道人行、设备使用造成很大的麻烦。

４１

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第四章黄沙坪矿充填自流输送系统存在问题及改造优化

４．２地表充填站改造方案

４．２．１充填站改造方案

为了提高砂浆浓度，同时保证良好的造浆效果，提出如下改造方案： （１）对砂仓内外活化造浆环节进行全面改造，调整造浆环管位置，更换新 式造浆喷嘴等； （２）对砂仓放砂管及放砂形式进行改造； （３）全尾砂充填仓内增设破泥架： （４）为方便控制，便于操作将搅拌桶基础标高提到．２．００米（即搅拌桶上边 比充填站地板高０．４米）： （５）集中各控制环节的位置，如：充填流量搅拌桶放砂、砂仓放砂、砂仓 造浆控制阀门都集中在搅拌桶及砂仓底部外； （６）两个充填钻孔、套管、充填管按原设计要求焊接至标高３．５米以上； （７）在副桶与搅拌井壁之间，标高．３．５米至．２．０米设一个①２．２米的污水井 （备用水池，充填管在池中）； （８）原充填钻孔处：即标高．１２米～３．５米回填，．３．５米至．２．０米部分回填： （９）搅拌桶基础按原基础尺寸打至．１．７米； （１０）增设副桶，以便排除气泡、观察液位及浓度； （１１）配２块仪表，浓度计１台，流量计１台（２次仪表分体）二次仪表安 装在搅拌桶周围便于操作工观察控制流量、浓度、下灰量等： （１２）搅拌桶与钻孔实行全封闭式放砂。

４２

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第四章黄沙坪矿充填自流输送系统存在问题及改造优垡

４３

主堕人学硕＋论文

第四章黄沙坪矿充填自流输送系统存在问题及改造优化

图４．７黄沙坪铅锌矿尾砂充填系统改造立面示意图

图４－８黄沙坪铅锌矿尾砂充填系统改造仓内环管及支架加工图

图４．１０黄沙坪铅锌矿尾砂充填系统改造仓内破泥架图

４５

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第四章黄沙坪矿充填自流输送系统存在问题及改造优化

４．２．２充填站设备更新

为了满足设备上述技术改造，设备更新如下： （１）更换２０００ｘ２１００双叶轮高浓度搅拌桶１台，电机３５ＫＷ； （２）更换３５００ｘ（ＤＮ２５０或ＤＮ２００）双管螺旋喂料机一台，（１１－３４ｍ３／ｈ或 ８砣５ｍ３／ｔ１）流量，电机（１ｌＫＷ或７．５ＫＷ）带变频调速。根据胶结料类型选定喂 料机型号； （３）砂仓配ＤＮｌ５０铸石耐磨电动球阀２台（每个仓１台）； （４）配流量４０以上、扬程１００米以上请水泵２台； （５）配２ Ｐ泥浆泵１台； （６）配１０ ｒｎ３空压机ｌ台； （７）水泥仓除尘器建议自行修复（改为手动振打）； （８）搅拌桶除尘自制； （９）副桶、液位计自制。

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第四章黄沙坪矿充填自流输送系统存在问题及改造优化

４．３充填管路的改造及优化计算
４．３．１管路改造的优化目标和原则

充填管路的布置首先要满足生产的需要。充填管输送系统优化设计的目标就 是要合理地设计充填倍线和管输参数，达到满足生产需要的同时，实现充填工作 的高质、高效、安全、经济【４
７１。

要达到这个目标，充填管路优化设计应遵循以下几个原则： （１）技术可行，主要指管路的输送能力满足生产需要； （２）经济合理，就是要综合考虑各因素，使管输系统最经济； （３）安全可靠，主要指管路的破管、堵管几率降到最小。 ４．３．２管路优化的主要步骤

根据以上的目标和原则，管路优化设计的步骤主要是： （１）选择合适的全尾砂料浆浓度Ｃｗ，确定充填流量Ｑ 在满足全尾砂料浆安全输送的条件下，浓度应尽可能地提高，以达到充填的 高质、高效。充填流量应保证满足生产需要。 （２）确定充填管路的直径Ｄ 选取管径的大小不仅影响充填能力而且还关系到充填系统工作的稳定性和 安全性。管径太小，充填能力受限，不能满足矿山生产的实际要求；管径太大， 不仅是大材小用，而且会导致不满管流现象，使管路中产生射流冲击、汽蚀等破 坏作用，减少管道的使用寿命。因此需要选用合理的管径，达到经济适用的目的。 （３）保证满管流的措施 在设计管道系统时，首先要考虑确定的是管径Ｄ和全尾砂浆的浓度Ｃｗ。为 保证系统的稳定和正常运行，在日常生产中，这两个参数尽量保持不变，可通过 增加或减小盘管长度方法来达到改变充填管路的长度，进而实现满管流的目的。 （４）管路布置的优化（即充填倍线的调整） 矿山建设生产中，阶段高度是确定的，那么到达某一个中段的高程是一定的， 只有通过改变充填管线的水平长度来调整充填倍线，使充填倍线值在一定的合理 的范围内。根据工程经验，一般认为自流输送充填倍线大于７时，浆体基本不能 流动；充填倍线太小，又容易破管。故取值在３—６之间。

４７

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第四章黄沙坪矿充填自流输送系统存在问题及改造优化

４．４充填管路改造基本参数计算

４．４．１充填能力计算

（１）矿山年平均充填量

Ｑ：Ｑｋ
以

ｚ

（４．１）

式中：Ｑｎ——矿山年平均充填能力，ｍ３／ａ； Ｑｋ——矿山充填法年产量，ｔ／ａ； 以——矿石体重，ｔ／ｍ３； Ｚ——采充比，ｒｎ３／ｍ３一般取Ｏ．８～ｌ。
代入数据：

Ｑ＝筹小２．ｏ×１０５
（２）矿山日平均充填量 《采矿设计手册》（ｇ－床开采卷），有公式：

ｍ３屈 （４＿２）

矿山日平均充填量是指矿山在年充填时间内，平均每同应充填的体积。根据

绕２警×；舭
式中：

件３，

Ｑ年——充填法年采出矿石量，以；

６Ｔ＿——矿石容重，ｔ／ｍ３；蹄３．５ｔ／ｍ３：
Ｔ．——矿山年工作Ｒ数，叭；Ｔ＝３３０天；

卜采充比，ｍ３／ｍ３（即每生产ｌｍ３矿石应回填入采空区的充填料

体积之比），一般情况下，Ｚ＝０．８５＂－０．９８ｍ３／ｍ３，为使充填设施留有余地， 设计中一般取Ｚ＝Ｉ．０ｍ３／ｍ３ 代入数据得：

ｏＱｄ／３ｍ１．６０：×Ｌ— ７： １丁×丽×２’
２

（４．４）

（３）充填材料日平均供应量 充填材料日平均供应量指充填材料来源地（采石场、采砂场、破碎筛分站或 尾砂分级站）供应给充填设施的每同平均量。根据《采矿设计手册》（矿床开采 卷），有公式：

输过程中的损失，Ｋ２＝１．００，－一１．０２； 故全尾砂的日平均供应量： Ｑｌ＝Ｋ，Ｋ２Ｑｏ ２ １．０５ｘ （４）矿山日充填能力 由于黄沙坪铅锌矿所采用的采矿方法系中深孔爆破充填采矿法，故其充填方 式为分段嗣后充填，根据《采矿设计手册》（矿床开采卷），有公式：
１?０５ｘ ６０６?１＝６６８?２

ｍ３／ｄ：

（４．６）

Ｑｃ＝觋

（４．７）

式中：ＱＣ＿Ｊ山日充填能力，ｒｎ３／ｄ；
Ｋ——充填作业的不均匀系数，一般取Ｋ＝２＂－３：
取不均匀系数Ｋ＝２，得尾砂的日充填能力为：
”

Ｑ＝磁＝２ｘ６０６?１＝１２１２?ｌｍ３／ｄ
（５）输送能力的验证

（４．８）

浆体输送能力应满足两个要求：综合考虑开拓、采矿方法、充填系统的特点

及充填工作组织等诸因素的影响；按最大充填倍线（Ｎ一）校核输送能力，保证
输送能力等于最大充填量的１．０５到１．１倍；浆体浓度应使水砂比值最佳。 浆体输送能力（Ｑｊ）按下式计算：

岛＝３６００（吆）’，＝９００ｚｒＤ２ｖ，ｍ３／ｈ
式中：Ｄ一充填管路内径；
ｖ——最终确定的管流工作流速，一般为管道出口流速，ｍ／ｓ

（４．９）

９＝３６００（吆）Ｖ＝９００×３．１４×０．１０４２×３＝９１．６９ｍ３／ｈ
４９

（４－１０）

充填工作制度按照每天两班轮流，每天工作１４小时，那么输送能力Ｑｊ＞充

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第四章黄沙坪矿充填自流输送系统存在问题及改造优化

填量Ｑｃ，符合设计要求。 ４．４．２充填管网参数计算

充填料浆由固体颗粒与水构成，是一种两相流。其在管道中的运动形式主要 由水的紊流特性决定，同时也受到颗粒间的相互干涉与扰动影响。 紊流的主要特性是脉动现象，固体颗粒受脉动影响可能向上运动，在管道中 呈现三种运动形式，分别是：１）不连续跳跃状；２）间歇性悬浮状；３）完全悬 浮状态。不连续跳跃是水流速度很小时固体颗粒不动，当水流速度达到某一临界 值时，固体颗粒沿管道底部作滑动并不连续跳跃运动的一种形式。间歇式悬浮状 是当流速进一步增大时，固体颗粒处于间歇式悬浮状态，即在管底与水流中作不 规则运动。完全悬浮态是介质流速达到某一高速后固体颗粒不再沉入管底的现象
【４８】
Ｏ

决定固体颗粒处于何种状态，主要取决于固体颗粒的大小与介质的流速。理 论上说，介质流速越高，产生垂直脉动速度也越大，从而悬浮的力量也就越大； 另外，在相同速度下，固体颗粒物质直径越大，越难以悬浮；相反，颗粒越细， 则悬浮越容易。 实际料浆输送过程中，颗粒的运动状态不可能相同，固体颗粒相互干扰，相 互碰撞，导致颗粒呈不规则上下运动状态，管道内同时出现固体颗粒的多种运动 形态。实践证明，颗粒群的运动状态与颗粒浓度大小、粒径及速度有关。因此在 管道压力作用下，管道中的颗粒分布主要呈四种流动状态，１）均匀悬浮流动；２） 非均匀悬浮流动；３）有滑动场非均匀流动；４）管底有沉淀层的流动。在水平管 道水力输送时，固体颗粒开始沉淀时相应的流速则称为临界流速。理论证明，只 有当固体颗粒的移动速度大于临界流速时，才不会使某些颗粒沉淀在管底，使管 道的有效断面积减少，导致管道的输送阻力加大。临界流速对浆体管道稳定输送 十分重要，它象征着安全运行的下限。比临界流速更低的流速将导致管底形成固 体颗粒沉积床，造成管道堵塞。 （１）Ｂ．Ｃ．克诺罗兹公式 因混合充填料加权平均粒径以。＜０．０７ｒａｍ，在已知浆体流量Ｑ和要求的浆 体质量浓度ｅ，的条件下，采用Ｂ．Ｃ．克诺罗兹公式（选矿设计手册Ｅ４０６）联立以 下两式联解，可以求出充填所需临界管径Ｄ，和临界流速Ⅵ：
Ｄｔ＝ （４．１１）

Ｑ—ｏ．１

５７Ｄｔ２∥（－ｎ４３厄形）
５０

（４．１２）

ｖｔ＝０．７８ｍ／ｓ

（２）杜拉德公式 当管径Ｄ小于２００ｍｍ时，可利用杜拉德公式，求出临界流速Ｍ：

州再

（４．１３）

式中：互一与粒径、浓度等有苯的速度系数，巧＝ｏ．７２： ｇ一重力加速度，ｇ＝９．８１ｍ／ｓ２； 乃一载体密度，在本计算中，以取为水的密度。
代入按照Ｂ．Ｃ．克诺罗兹公式计算所得临界管径Ｄ，，可得，
Ｍ＝１．７４ｍ／ｓ。

（３）经验临界流速Ｍ 根据混合料密度及浆体浓度，经验临界流速Ⅵ＝１．６，８＝２．１８ｒｎ／ｓ。 （４）临界流速Ⅵ和管径Ｄ的最终确定

黜喊ｒ靛ｖｔ＝１．７龇ｑ＝赝圳…
根据计算结果，选择Ｄ＝１０４ｒｎｍ的复合陶瓷管。 （５）实际工作流速１， 合理的工作流速，应是输送能力大、灰砂Ｌｌ二ｄ，、２１２作稳定的流速，按

５ｌ

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第四章黄沙坪矿充填自流输送系统存在问题及改造优化

下式计算（金属矿山充填采矿法设计参考资料）：

Ｖ＝３．３历．，Ｖ匝Ｘ．Ｎ：
４．５本章小结

（４．１４）

代入管径Ｄ、灰砂比Ｘ、充填倍线Ｎ等参数，可得实际工作流速 ｖ＝３．０４ｍ／ｓ，实际工作流速是临界流速的１．４倍，因而，工作是可靠的。

本章依据上一章节对尾砂充填系统的全面分析，找出了影响系统管路输送存 在的两个问题：地表充填站的制浆和井下管线布置方式。并改变了充填站的制浆 方式，更换了相关设备。阐述了井下管路的改造优化目标和原则，计算出用于改 造的管网基本参数。 （１）黄沙坪铅锌矿立式砂仓充填系统建立较早，但因采矿方法的变更以及 当时系统存在的技术不成熟因素，已经闲置不用近二十余年。年久失修，再加上 一些人为破坏，其设施受损严重。出现了诸多问题：人工操作系统复杂：系统造 浆方式不合理；充填站设备损坏严重；充填倍线太小；砂浆浓度低：充填体强度 低；脱水工作量大等。 （２）改变造浆方式，作出改造设计图纸，并更换相关设备。 （３）充填管路的布置首先要满足生产的需要。充填管输送系统优化设计的 目标就是要合理地设计充填倍线和管输参数，达到满足生产需要的同时，实现充 填工作的高质、高效、安全、经济。针对于此，提出了主要目标和重要原则，并 计算出用于改造的管网基本参数。

５２

方案ＡＮＳＹＳ模拟及优化

模拟及优化

由于矿山管道输送工艺及其力学结构存在的复杂性，因此目前尚无对管道输 送工程实际问题的精确解。目前通过经验公式对两相流输送进行的有关参数的计 算已成为实际工程采取的最常用的方法。近年来，随着计算机工程的发展，通过 对管道两相流的仿真分析和数值模拟，对两相流参数的确定后提供了有效的方 法。本文采用大型有限元ＡＮＳＹＳ软件对充填管道进行相关参数的数值仿真模拟， 进一步得出流速、粘度及阻力损失等相关参数，为全尾砂满管流输送理论与技术 提供一种新的研究方法。

５．１

ＡＮＳＹＳ有限元分析简介
随着计算机技术的发展，自２０世纪５０年代以来，有限单元法逐渐成为力学

领域的一种有效的数值分析方法。例如在飞行器制造方面的结构静力学计算、地 震等动力学方面的分析研究均起着重要的作用。 大型通用有限元软件具有功能强大，计算结果可靠性大，工作效率高等特点 逐渐成为结构仿真数值模拟分析中主要的工具。近些年来，大型通用有限元程序 从单一的结构分析逐渐扩展到物理各场分析方面中来；从最初简单的线性分析发 展到较为复杂的非线性分析；从单一的个场分析到若干多场耦合综合分析；有限 元分析逐渐成为最有效的分析方式之一。大型有限元ＡＮＳＹＳ分析软件是目前应 用较为广泛的通用有限元程序之一，是在１９７０年由Ｊｏｈｎ Ｓｗａｎｓｏｎ博士研制开发 出来的，集结构、热、流体、电磁场、声场和耦合场分析于～体的大型通用有限 元分析软件，广泛应用于土木建筑、水利、航空航天、能源、交通运输、、电子、 生物医学、机械、和教学科研等众多领域【４９】；它能够很好的适用于微机平台系 统的分析。

５．２ ＦＬＯＴＲＡＮ ＣＦＤ简介

（１）ＡＮＳＹＳ分析中ＦＬＯＴＲＡＮ特点 ＦＬＯＴＲＡＮ分析是ＡＮＳＹＳ分析中的一种模块，包括ＦＬＵＩＤｌ４１、ＦＬＵＩＤｌ４２

５３

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第五章自流输送管路改造方案ＡＮＳＹＳ模拟及优化

两种单元形式，这两种单元形式可以计算粘性流体的各种参数分布情况，包括二 维和三维流动、压力和温度分布等参数。 ＦＬＵＩＤｌ４１、ＦＬＵＩＤｌ４２两种单元形式在计算粘性流体的各种参数分布情况 是有不同的形式和使用情况。两种单元形式的特征分别如下：

口

●＿－ｌ＿ｌ＿。啼

（ａ）ＦＬＵＩＤｌ４１单元

（ｂ）ＦＬＵＩＤｌ４２单元

图５．１ ＦＬＯＴＲＡＮ单元结构示意图

１）ＡＮＳＹＳ中ＦＬＵＩＤｌ４１单元特征如下 该单元为二维平面单元模型；呈四节点四边形或三节点三角形两种分布特 征；包括速度、温度、压力、紊流动能、紊流能量耗散等六种流体不同自由度在 综合质量中各自不同质量所占的不同份额。 ２）ＦＬＵＩＤｌ４２单元特征如下 该单元为三维立体空间单元模型；呈四节点四面体或八节点六面体两种分布 特征；包括速度、温度、压力、紊流动能、紊流能量耗散等六种流体不同自由度 在综合质量中各自质量所占的不同份额。 （２）ＡＮＳＹＳ中ＦＬＯＴＲＡＮ分析主要步骤如下：

图５－２

ＦＬＯＴＲＡＮ分析７个主要步骤之间的相互关系

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第五章自流输送管路改造方案ＡＮＳＹＳ模拟及优化

大型通用有限元软件ＡＮＳＹＳ中ＦＬＯＴＲＡＮ分析中主要有以下步骤组成： 所分析问题区域的确定、确定所分析问题的流体状态、针对所分析问题的有限元 网格的划分、该有限元分析问题中边界条件的施加，最后通过分析参数的设置进 行该分析问题的求解并进一步进行分析结果的检验，确定该仿真数值模拟分析与 实际结果的一致性。具体分析步骤如图（５．２）所示。 （３）实际流体分析中各相关因子在ＦＬＯＴＲＡＮ分析中收敛的监测 在ＦＬＯＴＲＡＮ分析中，务必使各主要求解因子达到均收敛的最佳效果。因 此，使模型网格的划分达到分析所需的要求，所施加的边界条件满足实际工程分 析的需要时有限元分析中的必要条件。具体说明如下： １）求解过程中迭代数目的确定 在有限元分析过程中，计算所需的迭代是对相关控制方程的求解是按一定序 列进行的，且在求解过程中流体的性质岁空间和时间的变化而作相应的变化，以 满足实际问题求解的需要。 ２）求解过程中所需的收敛监测量的确定 求解过程中收敛监测量是相邻两次迭代过程之间的结果增量的归一化值；它 可以用①来进行表示。①可用来表示任一自由度，且其收敛监测量可由下式表示：
．Ⅳ

ｙｌ①ｆ一①■ｌ

收敛监测量＝型—矿—一 ｙＩ①ｆＩ
智‘…
对值进行求和而得到的。

（５．１）

其中，收敛监测量通过变量在相邻两次迭代结果ｐ和（ｋ．１）也的结果之间差 值的总和与当前值的总和的比值来进行表示的，是通过对所有节点上的差值的绝

５．３管路的ＦＬＯＴＲＡＮ ＣＦＤ模拟与分析

（１）模拟流体的条件假设 原有管路的模拟和改造后管路的模拟优化时，对流体以下几个方面赋予较为 理想化的处理（对模拟结果影响不大）：粘性浆体具有恒粘性，不随温度、时间 的变化而变化；浆体为宾汉体；不考虑热交换；不考虑振动、地压波等对管道输 送的影响。 （２）载荷的施加 管道自流输送充填料浆的载荷施加及分析，主要考虑以下四个方面：给定浆 体在管道中的进口速度；对管道壁施加无滑动位移边界条件；管道出口气压与井
５Ｓ

中南人学硕十论文

第五章自流输送管路改造方案ＡＮＳＹＳ模拟及优化

上管道进口的大气压相等，即相对气压为零；重力载荷，即在垂直负方向上的重 力加速度。在计算中施加的载荷将不随单元方向变化而改变，始终保持它们最初 的方向，表面载荷作用在单元表面的法向。 （３）建模及分析的主要操作步骤 １）设置分析选择，进入Ｍａｉｎ Ｍｅｎｕ＞Ｐｒｅｆｅｒｅｎｃｅ，点取ＦＬＯＴＲＡＮ ＣＦＤ项。
２）

定义单元类型，

进入Ｍａｉｎ

ＭｅＩｌｕ＞Ｐｒｅｐｒｏｃｅｓｓｏｒ＞Ｅｌｅｍｅｎｔ

Ｔｙｐｅ＞Ａｄｄ／Ｅｄｉｔ／Ｄｅｌｅｔｅ，选取２Ｄ

ＦＬＯＴＲＡＮ １４１。

３）创建关键点，连接关键点生成线。 ４）线倒角操作。 ５）连接线生成。 ６）定义单元形状并划分有限元网格。 ７）生成并应用新的工具栏按钮。 ８）施加边界条件：在模型的进口处加Ｙ方向速度（为负值）、其它方向速 度为零的进口速度条件；在所有壁面处加两个方向速度都为零的速度条件，出口 处加零压力边界条件。
９）

设置

ＦＬＯＴＲＡＮ

分析选项和流体性质进入Ｍａｉｎ
ｏｒ

Ｍｅｎｕ＞Ｓｏｌｕｔｉｏｎ＞ＦＬＯＴＲＡＮ Ｓｅｔｕｐ＞Ｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｏｐｔｉｏｎｓ，将弹出菜单的“Ｌａｍｉｎａｒ

ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ”域设为“Ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ”，进入Ｍａｉｎ Ｍｅｎｕ＞Ｓｏｌｕｔｉｏｎ＞ＦＬＯＴＲＡＮ

Ｓｅｔｕｐ＞Ｆｌｕｉｄ

Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，将弹出菜单的“Ｄｅｎｓｉｔｙ＇’域设为“Ｃｏｎｓｔａｎｔ”，将恒值密度设为１５７０，恒 值粘性设为０．１ １ ８。进入Ｍａｉｎ
Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ＞Ｇｒａｖｉｔｙ，

Ｍｅｎｕ＞Ｓｏｌｕｔｉｏｎ＞ＦＬＯＴＲＡＮ

Ｓｅｔｕｐ＞Ｆｌｏｗ

选择Ｙ方向一栏填入．９．８。进入Ｍａｉｎ
Ｓｅｔｕｐ＞Ｅｘｅｃｕｔｉｏｎ

Ｍｅｎｕ＞Ｓｏｌｕｔｉｏｎ＞ＦＬＯＴＲＡＮ

Ｃｏｎｔｒｏｌ，在弹出菜单的“Ｇｌｏｂａｌ

ｉｔｅｒａｔｉｏｎｓ”域输入ｌＯ，点取ＯＫ。
１

０）进入Ｍａｉｎ Ｍｅｎｕ＞Ｓｏｌｕｔｉｏｎ＞Ｒｕｎ ＦＬＯＴＲＡＮ，开始进行求解。

１１）观察湍流分析的结果。

５．３．１原有管路的模拟与分析

鉴于现场勘察得知，在＋２００中段管路就会出现破管现象，对原有管路的模 拟与分析主要考虑充填下料Ｄ＋３６０至＋２００中段之间的管路。 （１）建立几何模型 模型按照原有管路系统实际长度建立，几何模型参数如下： 线路长度：＋３６０至＋３３７垂直高度为２３ｍ，＋３３７至＋３０９斜长为５５ｍ，＋３０９ 中段内水平长度为４０ｍ，＋３０９至＋２００垂直高度为１０９ｍ。
５６

图５．３原管路模型图

图５－４

网格划分图

图５．５

沿程流速变化图

图５－６垂直弯管处流速变化图

图５．７水平弯管处流逮变化图

图５－８

出口处流速变化图

５７

中南大学硕士论文

第五章自流输送管路改造方案ＡＮＳＹＳ模拟及优化

图５－９进口处流速分布图

图５．１０出口处流速分布图

对原有管路的沿程速度、弯管处速度及出口处速度的分布图和变化图分析， 可以得出以下结论： （１）沿程速度变化大。初始速度为３ｒｒｄｓ，最大速度为６．３３８ｍ／ｓ，变化量超 过一倍多，故系统运行不稳定。速度值最大的点磨损严重。 （２）出口处速度大。出口处最大速度接近５ｍ／ｓ，这会使管道出口处振荡厉 害，料浆输送效果不好，引起充填质量降低。 从管道输送料浆的运行速度分析，原有管路的输送系统稳定性差、安全性能 低，在局部阻力损失大，极易造成破管。故有必要进行改造。 ５．３．２管路改造方案的数值模拟

为了保证充填体的质量，料浆的浓度Ｃｗ＝７５％不能改变，则密度ｐ＝１５７０Ｋｇ／ｍ３ 不变，粘度系数ｖ＝０．１１８Ｐａ?ｓ也不会变。矿山使用的管材为固定的，故其直径 Ｄ＝１０４ｍｍ。由于管径和充填能力的确定，料浆的流速Ｖ＝３ｍ／ｓ可以保持不变。根 据第四章中的优化目标和原则，只有充填倍线Ｎ是变量，可以做出相应的调整。 Ｎ取值范围在３．０～６．０之间。 （１）模型简化处理 本次优化模拟为黄沙坪矿＋３６０至＋２００充填管道的简化模型（只有一个弯角 连接互成９００的竖直管道和水平管道）。垂直管道长为１６０ｍ，且始终保持不变， 充填倍线是３．０，－－，６．０，管路总长见表５．１。
表５．１充填倍线与管长对应关系

（２）模型相似处理
５８

拟及优化

考虑到按照实际管长来模拟网格划分难度大，计算容易不稳定，结果说服力

差的原因。文章拟采用ｍ数（雷诺数）相似准则公式（５．２）对模型相似处理，
对于本文分析的管路系统，Ｐ、，、∥几个参数是不变的，给定特征初速度相同。 对于管路垂直高度和水平距离均缩小１０倍，模拟效果不变。

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式中：ｐ一为流体密度； ，一物体特征长度，如对圆管流动取管直径；
ｙ—特征速度，如对圆管流动取管内平均速度；

／ａ—运动粘性系数。
模型相似简化处理后，其管路长度见表５．２。管径不变Ｄ＝１０４ｍｍ，垂直管 道长度为１６ｍ。
表５．２充填倍线与管长对应关系

（３）模型分析结果图 建立管路自流输送模型，并施加载荷运算，各自由度收敛监测值如图５．１１。
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图５．１１各自由度收敛监测值

最终各充填倍线满管流状态下的流速变化图、压力变化图，如图５．１２至５ —１８所示。
５９

中南大学硕士论文
（ａ）

第五章自流输送管路改造方案ＡＮＳＹＳ模拟及优化
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图５．１２

Ｎ＝３．０

（ａ）管道沿程流速变化图；（ｂ）弯管处流速变化图；（ｃ）出口处流速变化图； （ｄ）出口处流速分布图；（ｅ）管道沿程压力变化图；（ｆ）进口处压力变化图

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图５．１３

Ｎ＝３．５

（ａ）管道沿程流速变化图；（ｂ）弯管处流速变化图；（ｃ）出口处流速变化图； （ｄ）出口处流速分布图；（ｅ）管道沿程压力变化图；（ｆ）进口处压力变化图

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图５．１４

Ｎ＝４．０

（ａ）管道沿程流速变化图；（ｂ）弯管处流速变化图；（ｃ）出口处流速变化图； （ｄ）出口处流速分布图；（ｅ）管道沿程压力变化图；（ｆ）进口处压力变化图

６２

中南大学硕士论文

第五章自流输送管路改造方案ＡＮＳＹＳ模拟及优制

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图５．１５

Ｎ＝４．５

（ａ）管道沿程流速变化图：（ｂ）弯管处流速变化图；（Ｃ）出口处流速变化图； （ｄ）出口处流速分布图；（ｅ）管道沿程压力变化图；（ｆ）进口处压力变化图

中南大学硕士论文

第五章自流输送管路改造方案ＡＮＳＹＳ模拟及优化

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图５－１７

Ｎ＝５．５

（ａ）管道沿程流速变化图；（ｂ）弯管处流速变化图；（ｃ）出口处流速变化图； （ｄ）出口处流速分布图；（ｅ）管道沿程压力变化图；（ｆ）进口处压力变化图

６５

中南大学硕士论文

第五章自流输送管路改造方案ＡＮＳＹＳ模拟及优化

（ａ）

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图５．１８

Ｎ＝６．０

（ａ）管道沿程流速变化图；（ｂ）弯管处流速变化图；（ｃ）出口处流速变化图； （ｄ）出口处流速分布图；（ｅ）管道沿程压力变化图；（ｆ）进口处压力变化图

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第五章自流输送管路改造方案ＡＮＳＹＳ模拟及优化

５．３．３管路改造方案的数据统计与分析

（１）数据的离散性 由于网格划分的尺度有细微偏差，尤其在弯管处的划分会有不同，故软件计 算的精确度会有细小变化，但结果的整体性和趋势还是比较明显的，对分析不会 造成很大的影响。 （２）阻力与倍线的关系 由于出口压力值为０，故进口的压力即为整个管道输送的阻力损失值。随着 充填倍线的增加，进口压力增大，说明管路阻力增大。压力损失的增加，意味着 流体受到管壁的摩阻加大，即管壁的磨损增加，减低了充填系统的使用寿命，增 加了充填系统的使用成本，且竖直管道与水平管道连接处是整个充填管道系统最 脆弱的地方。但当倍线太小时，依据前文分析浆体对管道冲击压力增大，使得弯 管出局部压力增大，也即增加了管道的磨损。选择充填倍线时，必须把弯管处的 压力损失作为重要的因素加以考虑。由图５．１９中可以看出，当充填倍线Ｎ＝３．５ 时，进口压力最小，也即阻力最小，作为优化值考虑可行。
表５－３充填倍线与进口压力对应关系

图５．１９充填倍线与压力

６７

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第五章自流输送管路改造方案ＡＮＳＹＳ模拟及优化

（３）流速与倍线的关系 根据模拟所得数据，在初始速度相同的条件下，不同充填倍线下出口速度、 沿程速度最大值及速度变化量如表５－４和图５．２０。 １）倍线与出口速度。随着倍线的增加，出口处速度的最大值，呈现出增大 的趋势。而出口最大速度增大，会明显引起管Ｅ１的振荡，使料浆输送不稳定，直 接影响充填体的质量。 ２）倍线与沿程最大速度。随着倍线的增加，沿程最大速度也呈现增大的趋 势。而且变化量较大，这样使得系统在局部的损失增大，磨损相应加强，容易破 管，从各种充填倍线下的速度变化图可以明显看出，在弯管处的变化最大，也最 容易破坏。沿程速度变化大，同时给系统运行造成不稳定因素。在充填倍线Ｎ＝３、 ３．５时，变化量较小，可以作为优化值考虑。
表５－４充填倍线与出口速度、最大速度及速度变化量对应关系

充填倍线与速度
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充填倍线Ｎ

图５．２０充填倍线与速度

中南大学硕士论文

第五章自流输送管路改造方案ＡＮＳＹＳ模拟及优化

５．４管路改造方案的评价
通过模拟和分析原有管路，找出了管路运行不稳定、易破管的重要因素，为 改造指明了方向和目标。改造方案依据黄沙坪矿的特殊情况，锁定充填倍线Ｎ 为优化目标。一般工程经验认为，充填倍线Ｎ在３．Ｏ￣６．Ｏ之间，管道能够进行自 流输送。因此，对Ｎ连续取值，并建立模型模拟和分析。根据Ｎ对压力的影响， 取得优化值Ｎ＝３．５。根据Ｎ对速度的影响，取得优化值Ｎ＝３和Ｎ＝３．５。综合考虑， 黄沙坪矿充填自流输送管路系统改造理想充填倍线为Ｎ＝３．５。

５．５本章小结
本章对ＡＮＳＹＳ软件中的ＦＬＯＴＲＡＮ ＣＦＤ分析功能进行了简要的介绍，利用 该分析模块对原有管路分析，得出管路不稳定、安全运行的依据。并对改造方案 进行数值模拟，以及数据的统计与分析。 （１）ＡＮＳＹＳ软件中的ＦＬＯＴＲＡＮ ＣＦＤ分析功能是一个用于分析二维及三 维流体流动场的先进的工具，使用ＡＮＳＹＳ中用于ＦＬＯＴＲＡＮ ＣＦＤ分析的
ＦＬＵＩＤ １４１和ＦＬＵＩＤ

１４２单元，可解决如下问题：１）弯管中流体的复杂的三维

流动；２）作用于气动翼（叶）型上的升力和阻力；３）超音速喷管中的流场。 （２）从管道输送料浆的运行速度分析，原有管路的输送系统沿程速度变化 大、出口处速度大，造成系统稳定性差、安全性能低，在局部阻力损失大，极易 造成破管。故有必要进行改造。 （３）随着充填倍线的增加，进口压力增大，说明管路阻力增大。压力损失 的增加，意味着流体受到管壁的摩阻加大，即管壁的磨损增加，减低了充填系统 的使用寿命，增加了充填系统的使用成本，且竖直管道与水平管道连接处是整个 充填管道系统最脆弱的地方。 （４）随着倍线的增加，出口处速度的最大值，呈现出增大的趋势。而出口 最大速度增大，会明显引起管口的振荡，使料浆输送不稳定，直接影响充填体的 质量。 （５）随着倍线的增加，沿程最大速度也呈现增大的趋势。而且变化量较大， 这样使得系统在局部的损失增大，磨损相应加强，容易破管，从各种充填倍线下 的速度变化图可以明显看出，在弯管处的变化最大，也最容易破坏。沿程速度变 化大，同时给系统运行造成不稳定因素。

中南人学硕十论文

第六章结论与展望

第六章结论与展望

６．１结论

传统的尾砂胶结充填技术在矿山的应用，促进了充填采矿技术的发展。但随 着这项技术的广泛应用，也暴露出一系列的突出问题：充填体强度低、养护周期 长、尾砂利用率低、管道输送容易堵管和破管等。本文基于工程流体力学、两相 流体动力学、计算流体动力学、管道自流输送等相关理论，结合湖南省黄沙坪铅 锌矿业股份有限公司原有立式砂仓充填系统的实际情况，运用ＡＮＳＹＳ软件中的
ＦＬＯＴＲＡＮ

ＣＦＤ分析模块，建立二维实体模型对其进行管路改造，并系统地研究

了管路自流输送特性，主要研究成果如下： （１）从流变模型、固液两相流的管流特性等方面进行分析研究，揭示了全 尾砂浆的管流特性。在正常工作阶段，可以近似地认为全尾砂浆的运动属于稳定 流（即速度、压力及浓度等运动要素不随时间变化），其流变模型属于宾汉体； （２）深入分析自流输送破管机理，对自流输送不满管流的产生和料浆相变 过程中的破坏作用进行了详细的阐述： （３）阐述了黄沙坪矿充填系统的历史沿革，全面分析了充填站、井下管路 的设置情况，并对充填材料基本性质、配比以及力学实验进行了深入研究，认为 目前的干式（废石）充填已经不能满足矿山的生产要求，从经济、安全的角度出 发，需采用全尾砂胶结充填。通过实验研究，发现尾砂粒级较细，原有充填系统 不能满足输送要求。 （４）建立黄沙坪矿原有立式砂仓充填系统管路的二维实体模型，对管路的 输送特性进行模拟分析，得出了管路磨损和破坏的直观依据。根据管路改造及优 化模式，给出了管路改造的方向和目标：对充填管路系统的倍线进行调整。 （５）为了满足回采要求，通过实验得出了充填料浆的最优配比和充填体的 强度。在不同充填倍线下，充填料浆的性质是确定的，但流量是可控的。为了满 足生产要求，同时能安全运行，对相同管径、料浆性质和流速下，不同的倍线进 行模拟对比，优化管路布置。 （６）运用ＡＮＳＹＳ软件中的ＦＬＯＴＲＡＮ ＣＦＤ分析模块模拟充填自流输送系 统管道线路运行特征参数，有效地弥补了充填系统从设计到现场工业实验到最终 稳定运行需耗费大量的人力、物力、财力和时间的缺点。直观而全面地反映了系

７０

第六章结论与展望

充填系统设计与运行向

６．２展望
文章在系统全面阐述管道自流输送理论的基础上，结合黄沙坪矿充填系统的 相关参数，利用ＡＮＳＹＳ软件中的ＦＬＯＴＲＡＮ ＣＦＤ分析模块进行数值模拟分析。分 析结果证明了，全尾砂自流输送管道充填系统具有技术已经较为完善，应用前景 广泛。矿山可以根据自身实际来模拟研究充填系统运行特征参数的设置。本文作 为探索性应用研究，取得了一定的成果。但也存在诸多不足的方面，今后可以从 以下几个方面来探讨、研究、完善和发展： （１）本文由于各种因素的限制，只模拟了原有管路一千米以内的管道输送。 但随着矿山开采向深部发展的速度越来越快，更长距离的管道模拟有待继续研 究，为深井充填设计提供强大的支持。作为集结构、热、流体、电磁场、声场和 耦合场分析于一体的大型通用有限元分析软件，ＡＮＳＹＳ可以进行深入的探索性 模拟研究。 （２）充填管道自流输送系统纷繁复杂，不同充填料组合的料浆，其两相流 的基本理化性质和流体动力学性质也不尽相同。本文只对全尾砂胶结充填料浆， 做了一定的研究。要对自流输送系统有系统、全面、深刻的认识和分析，需要对 各种情况详细模拟，对数据进行统计学分析，才能得出具有广泛应用的结果。 （３）论文中模型的建立需要依托充填料浆的基本性质，流体的两相流流动 模态和流体的动力学性质，这些参数的取得很大程度上是依靠室内试验和经验公 式计算，数据的准确性和精确度有待提高。 （４）论文中模型是单一化的流体模型，对其施加边界条件，但边界条件是 不能完全代替管道约束的。因此，同时建立管道的固体模型和流体模型，并对输 流管道进行流固耦合特性分析，意义重大，有待进一步深入的研究。 （５）ＡＮＳＹＳ软件中的ＦＬＯＴＲＡＮ ＣＦＤ分析模块本身虽然很强大计算功能， 但对于很多影响流体性质和流动状态因素的考虑是忽略或者理想化处理，如温 度、磨损等因素，这有待对软件的二次开发和研究。

７ｌ

中南大学硕士论文

参考文献

参考文献

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ｃｏｏｌｉｎｇ ａｎｄ

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ｂａｃｋｆｉｌｌ
ｓｏｉｌ
ｏｎ

ｌｏａｄ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ

ａｓ ａ

ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｆｒｅｅｚｉｎｇ ｏｆ

ｗａｌｌｓ

ｏｆ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ

ｃｒｏｓｓｉｎｇ．Ｓｏｉｌ

Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ

Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｖ ２４，ｎ ６，Ｐ ２５８－２６ １，Ｍａｙ １ ９８８

［１２］Ｓｍｉｔｈ，Ｊ．Ｄ．１；Ｍｉｔｃｈｅｌｌ，Ｒ．Ｊ．Ｄｅｓｉｇｎ

ａｎｄ

ｃｏｎｔｒｏｌ

ｏｆｌａｒｇｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｂａｃｋｆｉｌｌ

ｐｏｕｒｓ．Ｃａｎａｄｉａｎ Ｍｉｎｉｎｇ ａｎｄ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ Ｂｕｌｌｅｔｉｎ，ｖ ７５，ｎ ８３８，１０２?１１， Ｆｅｂ．１９８２

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ｆｏｒ
ｕｓｅ

ｔｏ

ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｔｈｅ ｓｕｉｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ａ ｇｅｏｔｅｘｔｉｌｅ

ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｎｔａｉｎｍｅｎｔ ｏｆ ｈｙｄｒａｕｌｉｃａｌｌｙ ｐｌａｃｅｄ ｂａｃｋｆｉｌｌ．Ｇｅｏｔｅｘｔｉｌｅｓ ａｎｄ

Ｇｅｏｍｅｍｂｒａｎｅｓ，ｖ １ ４，ｎ９，ｐ４６５?４８０，Ｓｅｐ，１ ９９６

７２

中南人学硕士论文

参考文献

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ｅｆｆｅｃｔ

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ｏｎ

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Ｓｅｒｉｅｓ，ｎ３，ｐ２０７?２０９，１９９８

［１ ６］Ｒｏｙ

Ｒ．，Ｋｏｍａｒｎｅｎｉ Ｓ．Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ

ｏｖｅｒｐａｃｋ（＝ｂａｃｋｆｉｌｌ）ｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｎｕｃｌｅａｒ Ｒｅｐｏｒｔ．Ｗｏｒｋｓｈｏｐ
ｏｎ

Ｗａｓｔｅ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ

Ｐｒｏｇｒａｍ Ｓｕｍｍａｒｙ

Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ

Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｎｅｅｄｓ ｉｎ Ｂａｃｋｆｉｌｌ ｆｏｒ Ｌｏｎｇ Ｔｅｒｍ Ｓｔｏｒａｇｅ ｏｆ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｗａｓｔｅ ｉｎ
Ｄｅｅｐ Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ

Ｒｅｐｏｓｉｔｏｒｉｅｓ（ＮＢＳ—ＳＰ－６６８），２ １－３ ７，１

９８３

【１ ７】Ｌｅ
ｏｆ

Ｒｏｕｘ，Ｋｉｍ，Ｂａｗｄｅｎ Ｗｉｌｌｉａｍ Ｆ．，Ｇｒａｂｉｎｓｋｙ，Ｍｕｒｒａｙ Ｆ．Ｆｉｅｌｄ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ

ｃｅｍｅｎｔｅｄ

ｐａｓｔｅ ｂａｃｋｆｉｌｌ ａｔ ｔｈｅ Ｇｏｌｄｅｎ Ｇｉａｎｔ ｍｉｎｅ．Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ

Ｉｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ

ａｎｄ

Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ，Ｓｅｃｔｉｏｎ Ａ：Ｍｉｎｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，

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【１ ８］Ｗａｎ，Ｃ．Ｖｉｌｌａｅｓｃｕｓａ，Ｅ．Ｂａｃｋｆｉｌｌ ｒｅｓｅａｒｃｈ

ａｔ ｔｈｅ

Ｗｅｓｔｅｒｎ Ａｕｓｔｒａｌｉａｎ

ｓｃｈｏｏｌ

ｏｆ ｍｉｎｅｓ．Ａｕｓｔｒａｌａｓｉａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ ａｎｄ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ
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ｔｅｓｔｉｎｇ ｆｏｒ ｐａｓｔｅ ｂａｃｋｆｉｌｌ

ｌｉｎｉｎｇ ａｂｒａｓｉｏｎ

ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ．Ｍｉｎｅｒａｌｓ

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Ｅｒｏｌ ｌ，Ｅｒｃｉｋｄｉ Ｂａｙｒａｒｎ．Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｐａｓｔｅ ｂａｃｋｆｉｌｌ ｓｕｌｐｈｉｄｅ－ｒｉｃｈ ｍｉｌｌ ｒａｉｌｉｎｇｓ ａｎｄ
ｖａｒｙｉｎｇ

ｃｅｍｅｎｔ

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ｆａｃｔｏｒｓ ａｆｆｅｃｔｉｎｇ

２００９ Ａｓｉａ－Ｐａｃｉｆｉｃ Ｐｏｗｅｒ ａｎｄ

Ｅｎｅｒｇｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，ＡＰＰＥＥＣ Ａｓｉａ－Ｐａｃｉｆｉｃ Ｐｏｗｅｒ
Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ

２００９－Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，２００９，２００９

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７４

中南人学硕士论文

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Ｋ．

ＶＥＲＳＴＥＥＧ

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Ａｎ

ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ

ｔｏ

ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｆｌｕｉｄ ｄｙｎａｍｉｃｓ－Ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｖｏｌｕｍｅ ｍｅｔｈｏｄ．Ｌｏｎｇｍａｎ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ＆ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ

７５

中南大学硕＋论文

参考文献

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７６

中南人学硕士论文

致谢

致

谢

本文是在导师李夕兵教授、博导的悉心指导下得以完成的，从论文的选题到 最后定稿，李老师倾注了大量的心血，并在百忙之中多次指导。李老师在工作上 兢兢业业，在治学上严谨求实，在生活上平易近人，对学生关怀无微不至，不仅 为我提供了良好的工作和学习环境，而且引领我走上科研之路。在师从李老师的 三年时间里，我不仅学到了专业知识，还在科研意识、做人处事等许多方面受到 他良好的熏陶。导师渊博的知识、严谨的学风和对科学研究的无私奉献精神，深 深地感染和影响着我。所有这一切，都使我永记不忘，终身受益。天涯海角有穷 时，只有师恩无尽处，完稿之际，谨向李老师表达我最诚挚的谢意！ 感谢赵国彦教授、刘爱华教授、刘志祥教授、李启月教授、邓义芳老师、周 子龙老师、王卫华老师、刘希灵老师、彭述权老师对论文与学习的无私指导和生 活上的照顾。 感谢师母王老师在学习和生活上的关心与照顾。 感谢我的父母为我付出的辛勤劳动，弟弟王晓瑞对我学业至始至终的支持。 感谢师兄宫凤强、李地元、陈红江、李志国、王晋、殷志强、陶明几位博士 在学习、生活中，给我提供的支持与帮助。 感谢师弟杜坤、姚银佩、彭康、林业、刘高、刘立顺、黄治成、邹洋、秦二 涛、吴帮标、贺显群，师妹董蕾、杜晶、赵晓听、栗红玉、刘海燕、程岩、刘欣 宇在我论文的完成过程中提供的帮助。 感谢中南大学地学与环境工程学院马慧硕士、政治学与行政管理学院刘训硕 士、信息科学与工程学院罗浩铭硕士在工作、生活上给予的关心。 感谢山西大学牛大为硕士、牛小青硕士、清华大学丁瑞生硕士、北京师范大 学范丽宏硕士、丁建兰硕士在学习、生活中给予的帮助。 感谢我们班的全体同学，向他们致以衷心的感谢和诚挚的祝福。 感谢资源与安全工程学院的全体老师，感谢他们为我付出的辛勤劳动。 感谢各位专家在百忙之中评阅本文。 感谢作者攻读学位期间所有给予过支持、关心和帮助的人们。仅以此文献给 他们！

作者：王海瑞 ２０１０年５月于中南大学

中南火学硕士论文

攻读学位期间主要研究成果

攻读学位期间主要研究成果

一、参与科研项目
（１）中南大学与贵州开磷集团低高程长距离管道阻力与输送技术研究； （２）中南大学与河南灵宝金源矿业公司多金属矿采矿方法优化设计研究； （３）中南大学与山东黄金三山岛金矿新立矿区高效采矿方法选择论证； （４）国家重点基础研究发展计划（９７３）煤矿突水机理与防治基础理论研究； （５）中南大学资安院与湖南省黄沙坪铅锌矿原尾砂充填站的改造技术研究。

二、发表学术论文 一、仅衣子小Ｔ匕义
王海瑞，李夕兵，赵国彦．低高程长距离充填输送管网参数及阻力研究．金 属矿山，２００９，１０（总第４００期），７７＂－＇８０

二、宋狱关聊 三、荣获奖励
２００９年５月，湖南省高校优秀研究生干部 ２００９年５月，中南大学十佳青年 ２００８年５月，中南大学优秀研究生会干部 ２００８年７月，资源与安全工程学院优秀班导师 ２００８年１２月，中南大学优秀硕士研究生干部 ２００８年１２月，金诚信助学奖学金 ２００８年１２月，中南大学暑期社会实践先进个人 ２００９年５月，中南大学优秀研究生会干部 ２００９年７月，中南大学优秀班导师 ２００９年１２月，湖南省中南大学开拓奖学金

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全尾砂胶结充填自流输送管路改造及优化
作者： 学位授予单位： 被引用次数： 王海瑞 中南大学 1次

本文读者也读过(3条) 1. 廖国燕 全磷渣自胶凝充填的胶凝机理及配比优化研究[学位论文]2009 2. 龚正国 充填料管道水力输送特性的数值分析与研究[学位论文]2008 3. 何哲祥 高浓度充填料浆管道挤压输送理论与应用研究[学位论文]2008

引证文献(1条) 1.陶平凯 基于ANSYS FLOTRAN的管道输送参数优化[期刊论文]-金属矿山 2012(11)

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