膏体料浆管道输送压力损失的影响因素

工程科学学报，第37卷，第1期：7-12,2015年1月 Chinese Journal of Engineering,Vol.37,No.1:7-12,January 2015 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2015.01.002:http://journals.ustb.edu.cn 膏体料浆管道输送压力损失的影响因素 王少勇2，吴爱祥区，尹升华”，韩斌”，王洪江” 1)北京科技大学金属矿山高效开采与安全教有部重点实验室，北京100083 2)中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，徐州221116 ☒通信作者，E-mail:wuaixiang(@126.com 摘要为研究膏体料浆管道输送过程中的压力损失，本文建立了新型闭路环管试验测试平台，研究了管径、料浆流速、料浆 中固相含量和物料粒径对膏体料浆管道输送压力损失的影响.流速对压力损失的影响分两个阶段：当流速小于黏性过渡流 速时，压力损失随流速呈线性增加：当流速大于黏性过渡流速时，压力损失随着流速增加呈1~2次多项式增加，且增加速率 远大于流速增加速率。压力损失随管径增大呈负幂指数减小，随料浆中固相质量分数的增加呈指数增加.在相同工况条件 下，细粒级较粗粒级料浆管输压力损失更大，且黏性过渡流速较大，压力损失随流速增加相对缓慢， 关键词采矿：膏体料浆：管道输送：压力损失：影响因素 分类号TD926.4 Influence factors of pressure loss in pipeline transportation of paste slurry WANG Shao-yong,WU Ai-xiang,YIN Sheng-hua,HAN Bin,WANG Hong jiang" 1)Key Laboratory of High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines (the Ministry of Education),University of Science and Technology Beijing,Bei- jing 100083,China 2)China Key laboratory for Coal Resources and Safe Mining,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China Corresponding author,E-mail:wuaixiang@126.com ABSTRACT A new pipe loop test platform was built to study the influence factors and levels of pressure loss in slurry pipe transpor- tation.The influences of pipe inner-diameter,flow velocity,slurry concentration and particle size on the pressure loss were investiga- ted.It is found that the influence of flow velocity on the pressure loss can be divided into two stages:when the flow velocity is less than the viscous transition flow rate,the pressure loss increases linearly with the increasing of flow velocity;but when the flow velocity is greater than the viscous transition velocity,the pressure loss increases in linear to quadratic polynomials with the increase of flow ve- locity,and the increasing rate is greater than that of flow velocity.The pressure loss negative-power decreases with the increasing of pipe diameter,but it exponentially increases with increasing slurry concentration.Under the same working condition,the pressure loss of fine-grained slurry is greater than coarse-grained slurry,the viscous transition velocity of fine-grained slurry is larger,but the in- crease in pressure loss of fine-grained slurry with flow velocity is relatively slow. KEY WORDS mining:paste slurry:pipeline transportation;pressure loss:influencing factors 充填采矿法将地表堆积废料回填到井下处理空脱水，充填体强度增长迅速，充填质量好，效率高，成本 区，成为矿山最安全、高效和环保的采矿方法.其中膏 低等优点，成为充填采矿的主要发展方向四.膏体 体充填以其不离析，不沉淀，且采场脱水量少，甚至不 料浆由于细粒级物料含量高且浓度高，黏性系数必然 收稿日期：2013-10-29 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51304011,51374034)：中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(FRF-TP-14060A0；“十二五” 国家科技支撑计划资助项目(2012BAB08B02):中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室开放研究基金资助项目(12KF03)

工程科学学报，第 37 卷，第 1 期: 7--12，2015 年 1 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 37，No． 1: 7--12，January 2015 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2015． 01． 002; http: / /journals． ustb． edu． cn 膏体料浆管道输送压力损失的影响因素 王少勇1，2) ，吴爱祥1) ，尹升华1) ，韩 斌1) ，王洪江1) 1) 北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083 2) 中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，徐州 221116  通信作者，E-mail: wuaixiang@ 126． com 摘 要 为研究膏体料浆管道输送过程中的压力损失，本文建立了新型闭路环管试验测试平台，研究了管径、料浆流速、料浆 中固相含量和物料粒径对膏体料浆管道输送压力损失的影响． 流速对压力损失的影响分两个阶段: 当流速小于黏性过渡流 速时，压力损失随流速呈线性增加; 当流速大于黏性过渡流速时，压力损失随着流速增加呈 1 ～ 2 次多项式增加，且增加速率 远大于流速增加速率． 压力损失随管径增大呈负幂指数减小，随料浆中固相质量分数的增加呈指数增加． 在相同工况条件 下，细粒级较粗粒级料浆管输压力损失更大，且黏性过渡流速较大，压力损失随流速增加相对缓慢． 关键词 采矿; 膏体料浆; 管道输送; 压力损失; 影响因素 分类号 TD926. 4 Influence factors of pressure loss in pipeline transportation of paste slurry WANG Shao-yong1，2) ，WU Ai-xiang1)  ，YIN Sheng-hua1) ，HAN Bin1) ，WANG Hong-jiang1) 1) Key Laboratory of High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines ( the Ministry of Education) ，University of Science and Technology Beijing，Bei￾jing 100083，China 2) China Key laboratory for Coal Ｒesources and Safe Mining，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China  Corresponding author，E-mail: wuaixiang@ 126． com ABSTＲACT A new pipe loop test platform was built to study the influence factors and levels of pressure loss in slurry pipe transpor￾tation． The influences of pipe inner-diameter，flow velocity，slurry concentration and particle size on the pressure loss were investiga￾ted． It is found that the influence of flow velocity on the pressure loss can be divided into two stages: when the flow velocity is less than the viscous transition flow rate，the pressure loss increases linearly with the increasing of flow velocity; but when the flow velocity is greater than the viscous transition velocity，the pressure loss increases in linear to quadratic polynomials with the increase of flow ve￾locity，and the increasing rate is greater than that of flow velocity． The pressure loss negative-power decreases with the increasing of pipe diameter，but it exponentially increases with increasing slurry concentration． Under the same working condition，the pressure loss of fine-grained slurry is greater than coarse-grained slurry，the viscous transition velocity of fine-grained slurry is larger，but the in￾crease in pressure loss of fine-grained slurry with flow velocity is relatively slow． KEY WOＲDS mining; paste slurry; pipeline transportation; pressure loss; influencing factors 收稿日期: 2013--10--29 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51304011，51374034) ; 中央高校基本科研业务费专项资金资助项目( FＲF--TP--14--060A1) ; “十二五” 国家科技支撑计划资助项目( 2012BAB08B02) ; 中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室开放研究基金资助项目( 12KF03) 充填采矿法将地表堆积废料回填到井下处理空 区，成为矿山最安全、高效和环保的采矿方法． 其中膏 体充填以其不离析，不沉淀，且采场脱水量少，甚至不 脱水，充填体强度增长迅速，充填质量好，效率高，成本 低等优点，成为充填采矿的主要发展方向［1 － 2］． 膏体 料浆由于细粒级物料含量高且浓度高，黏性系数必然

·8 工程科学学报，第37卷，第1期 增加，致使管道输送阻力大幅度增加B习，对料浆的 管道输送带来困难.因此，研究膏体料浆管道输送压 为管道输送中单位管道长度内料浆所受的阻力，即 dl 力损失的影响因素与影响水平对料浆管道输送管道设 为管道输送的压力损失。因此，只要研究光的影响因 计具有重要的现实意义.目前国内外矿山充填系统的 设计和管道运行特征参数的确定，大都是通过类比法、 素及对其的影响规律，就不难了解料浆在输送过程中 经验公式环管实验和数值模拟来完成6.其中，环 的阻力变化规律. 管实验法最为准确，最符合工程实际，但由于系统较笨 2实验 重，建设成本高，需要时间长，在很大程度上限制了其 发展与应用.为此，本文建立了一套实验室规模的 2.1实验材料 膏体料浆闭路环管实验平台，克服了传统环管实验的 矿样取自贵州某金矿，尾砂一共有三种：全尾砂、 缺点，具有操作方便、可重复利用、自动化程度高和测 旋流器底流尾砂以及旋流器溢流尾砂.采用BT一 量准确的优点.基于此实验平台上，分析料浆中固相 9300S型激光粒度分布仪测定其粒级分布曲线如图2. 含量、输送速度、物料粒径和管道直径等因素对管道输 100 90 送压力损失的影响 0 ◆◆ ■溢流尾砂COF 1膏体料浆在管道输送中的受力分析 0 ·浮选尾砂FPT ◆◆ 60 ▲底流尾砂CUF 膏体料浆中固相含量高，具有不离析，不沉淀的特 50 点，其流变性能不同于固液两相流和牛顿流体，对于矿 40 山及类似工程应用研究，把膏体料浆看作黏度较大的 30 非牛顿体o-W.Wasp等网把固体物料在管道中的流 动状态分为均质流和非均质流，膏体料浆组成粒级细， 10 固相含量高，屈服应力大，稳定好，一般都视为均质流 109 10 10 处理，在管道中呈柱塞流网.根据流变特性的不同，一 粒径m 般采用赫谢尔-布尔克莱(Hershel--Bulkey)模型国来 图2不同类型尾砂级配曲线 描述膏体料浆的流变特性.流体具有一定初始抗剪切 Fig.2 Particle size distribution of different type tailings 变形能力，即屈服应力也叫初始切应力.膏体料浆在 管道输送过程中的受力分析见图1，其中D为管道内 三种物料的物理性质见表1.-20um含量都超 过20%，符合膏体料浆制备条件回.比表面积溢流尾 径，R为管道半径，T为剪切应力，为料浆流动速度 VZ27777777777777777777777777 砂最大，约为底流尾砂的5倍 表1物料性质 Table 1 Properties of different type tailings 密度/平均粒径/比表面积/-20Lm质量 尾砂种类 (g'cm-3) m (m2g) 分数/% 溢流尾砂 2.6 8.53 1.01 91.71 Z7727777777777777777777777777777777777777777777 浮选尾砂 2.7 18.24 0.73 69.81 图1管道输送中膏体料浆受力分析 底流尾砂 2.71 46.04 0.27 25.99 Fig.I Force analysis of paste in a pipeline 取压差dp、长度dl及半径为r的圆柱体料浆微 2.2实验装置 元，根据管流静力学平衡理论，膏体料浆的受力方程为 全尾砂料浆能否顺利实现管道自流输送与其粒级 (p dp)wr2=pur+2wr-dl, (1) 分布、固相含量、流量、流速、管径、材质、管网布置等多 整理得 因素有关.基于此，设计料浆管道输送闭路环管实验 平台，如图3所示：包括料浆制备系统、管道输送系统、 r dp =2 dl (2) 泵送系统和数据采集系统.其中料浆制备系统包括 膏体料浆管道输送时，「=R=D2,料浆管道输送的阻 1.5m'搅拌罐和20kW搅拌机，与变频器连接控制搅 力数值等于料浆流动时的管壁切应力T。: 拌速率；管道输送系统包括40、50、80和100mm四种 D dp 管径的钢管：泵送系统包括渣浆泵和30kW电机，通过 T.=4 dl (3) 变频器控制电机转速；数据采集系统通过通信电缆与

工程科学学报，第 37 卷，第 1 期 增加，致使管道输送阻力大幅度增加［3 － 5］，对料浆的 管道输送带来困难． 因此，研究膏体料浆管道输送压 力损失的影响因素与影响水平对料浆管道输送管道设 计具有重要的现实意义． 目前国内外矿山充填系统的 设计和管道运行特征参数的确定，大都是通过类比法、 经验公式、环管实验和数值模拟来完成［6 － 8］． 其中，环 管实验法最为准确，最符合工程实际，但由于系统较笨 重，建设成本高，需要时间长，在很大程度上限制了其 发展与应用［9］． 为此，本文建立了一套实验室规模的 膏体料浆闭路环管实验平台，克服了传统环管实验的 缺点，具有操作方便、可重复利用、自动化程度高和测 量准确的优点． 基于此实验平台上，分析料浆中固相 含量、输送速度、物料粒径和管道直径等因素对管道输 送压力损失的影响． 1 膏体料浆在管道输送中的受力分析 膏体料浆中固相含量高，具有不离析，不沉淀的特 点，其流变性能不同于固液两相流和牛顿流体，对于矿 山及类似工程应用研究，把膏体料浆看作黏度较大的 非牛顿体［10 － 11］． Wasp 等［12］把固体物料在管道中的流 动状态分为均质流和非均质流，膏体料浆组成粒级细， 固相含量高，屈服应力大，稳定好，一般都视为均质流 处理，在管道中呈柱塞流［9］． 根据流变特性的不同，一 般采用赫谢尔--布尔克莱( Hershel--Bulkey) 模型［13］来 描述膏体料浆的流变特性． 流体具有一定初始抗剪切 变形能力，即屈服应力也叫初始切应力． 膏体料浆在 管道输送过程中的受力分析见图 1，其中 D 为管道内 径，Ｒ 为管道半径，τ 为剪切应力，v 为料浆流动速度． 图 1 管道输送中膏体料浆受力分析 Fig． 1 Force analysis of paste in a pipeline 取压差 dp、长度 dl 及半径为 r 的圆柱体料浆微 元，根据管流静力学平衡理论，膏体料浆的受力方程为 ( p + dp) πr 2 = pπr 2 + τ·2πr·dl， ( 1) 整理得 τ = r 2 ·dp dl ． ( 2) 膏体料浆管道输送时，r = Ｒ = D /2，料浆管道输送的阻 力数值等于料浆流动时的管壁切应力 τw : τw = D 4 ·dp dl ． ( 3) dp dl 为管道输送中单位管道长度内料浆所受的阻力，即 为管道输送的压力损失． 因此，只要研究dp dl 的影响因 素及对其的影响规律，就不难了解料浆在输送过程中 的阻力变化规律． 2 实验 2. 1 实验材料 矿样取自贵州某金矿，尾砂一共有三种: 全尾砂、 旋流器 底 流 尾 砂 以 及 旋 流 器 溢 流 尾 砂． 采 用 BT-- 9300S 型激光粒度分布仪测定其粒级分布曲线如图 2． 图 2 不同类型尾砂级配曲线 Fig． 2 Particle size distribution of different type tailings 三种物料的物理性质见表 1． － 20 μm 含量都超 过 20% ，符合膏体料浆制备条件［9］． 比表面积溢流尾 砂最大，约为底流尾砂的 5 倍． 表 1 物料性质 Table 1 Properties of different type tailings 尾砂种类 密度/ ( g·cm － 3 ) 平均粒径/ μm 比表面积/ ( m2 ·g － 1 ) － 20 μm 质量 分数/% 溢流尾砂 2. 6 8. 53 1. 01 91. 71 浮选尾砂 2. 7 18. 24 0. 73 69. 81 底流尾砂 2. 71 46. 04 0. 27 25. 99 2. 2 实验装置 全尾砂料浆能否顺利实现管道自流输送与其粒级 分布、固相含量、流量、流速、管径、材质、管网布置等多 因素有关． 基于此，设计料浆管道输送闭路环管实验 平台，如图 3 所示: 包括料浆制备系统、管道输送系统、 泵送系统和数据采集系统． 其中料浆制备系统包括 1. 5 m3 搅拌罐和 20 kW 搅拌机，与变频器连接控制搅 拌速率; 管道输送系统包括 40、50、80 和 100 mm 四种 管径的钢管; 泵送系统包括渣浆泵和 30 kW 电机，通过 变频器控制电机转速; 数据采集系统通过通信电缆与 ·8·

王少勇等：膏体料浆管道输送压力损失的影响因素 ·9· 1一搅拌器：2一搅拌罐：3一电动机：4一渣浆泵：5一变颍器控制柜：6一数据采集器：7一电磁流量计：8一取样口：9一40mm管道：10一压 力变送器：11一80mm管道：12一100nmm管道：13一50mm管道 图3膏体料浆管道输送环管实验平台 Fig.3 Pipe loop experiment platform of paste slurry transportation 管道上的压力变送器和电磁流量计相连，压力变送器 (6)重复实验步骤(1)~(4)，完成溢流尾砂和底 之间的距离1=5m,实时监测流量Q、进料管道上游压 流尾砂的料浆管道输送压力损失测试 力P,、下游压力P,以及回料管道上游压力P和下游 (7)更换不同直径的管道，重复实验步骤(1)~ 压力P·数据采集器每秒记录一次压力值与流量值， (6),最终完成实验 并保存为Excel文件. 2.3.3数据分析 2.3实验方法 (1)将数据采集器记录的压力值进料管P,和P2, 2.3.1系统调试 回料管P,和P,流量Q,则得出一定管道长度1两端的 (1)管道输送系统通过软管跟泵送系统跟搅拌系 压差△P,即可算出管道输送的压力损失△P几. 统连接，压力变送器安装在管道系统中并通过信号线 (2)料浆流速v根据下式得出： 与数据采集器连接 t= 0 (5) (2)将系统中加入清水并生成水曲线，调整系统 TD2 3600 4 使水曲线与标准水曲线吻合，确保每个组件正常工作. 式中：v为流速，ms:Q为流量，m3h:D为管道直 2.3.2参数测试 径，m (1)加入浓度较高的浮选尾砂及水至搅拌罐中， (3)绘制不同固相质量分数、不同管径和不同料 调节变频器使搅拌机以一定的转速运行，待料浆具有 浆级配的流速与压力损失△P几的关系曲线. 一定的流动性后，启动渣浆泵，使料浆开始在管道中循 环，先低速运行排除气泡 3结果与讨论 (2)调节料浆中固相质量分数，达到需要测试的 3.1流速与管输压力损失的关系 最大值C,并记录系统中的料浆体积V. 本文研究了不同管径、不同固相质量分数和不 (3)调节泵送电机变频器，使管道压力达到压力 同料浆粒径的流速与管输压力损失的关系.由图4~ 变送器量程的80%，然后逐渐降低电机频率到料浆停 图6可以看出，管输压力损失与流速的关系都有个 止运动，再重新提高频率，达到压力变送器量程的 共同的规律，即随着料浆流速的增加，管道输送压力 80%,最后降低频率直到流速为零，测试结束.每个频 损失分两个阶段增加：当流速较小时，压力梯度与流 率持续运行20s,以便获得足够的数据. 速的一次方成正比，称为线性增长阶段：当流速较大 (4)测试顺序从固相质量分数最高值向最低值 时，压力损失与流速的1~2次方成正比，称为多项 进行，通过计算向搅拌罐中加入一定量的水稀释料 式增长阶段，此时，压力损失的增加速率远大于流速 浆，得到较低固相质量分数C,重复实验步骤(3)， 增加速率.这两个阶段转折点对应的流速就称为黏 直到测试完成需要的固相质量分数，加水量m计算 性过渡流速.因此，在输送过程中应保持料浆流速低 公式如下： 于黏性过渡流速，以防止管输压力损失过大 (C-C)V 图4为不同管径下相同固相质量分数的料浆流速 m (4) C. 与压力损失的关系.可见，管输压力损失随着流速的 (5)排净料浆并用水清洗系统 增加呈线性增加，且管径越小，直线的斜率越大，管输

王少勇等: 膏体料浆管道输送压力损失的影响因素 1—搅拌器; 2—搅拌罐; 3—电动机; 4—渣浆泵; 5—变频器控制柜; 6—数据采集器; 7—电磁流量计; 8—取样口; 9—40 mm 管道; 10—压 力变送器; 11—80 mm 管道; 12—100 mm 管道; 13—50 mm 管道 图 3 膏体料浆管道输送环管实验平台 Fig． 3 Pipe loop experiment platform of paste slurry transportation 管道上的压力变送器和电磁流量计相连，压力变送器 之间的距离 l = 5 m，实时监测流量 Q、进料管道上游压 力 P1、下游压力 P2以及回料管道上游压力 P3 和下游 压力 P4 ． 数据采集器每秒记录一次压力值与流量值， 并保存为 Excel 文件． 2. 3 实验方法 2. 3. 1 系统调试 ( 1) 管道输送系统通过软管跟泵送系统跟搅拌系 统连接，压力变送器安装在管道系统中并通过信号线 与数据采集器连接． ( 2) 将系统中加入清水并生成水曲线，调整系统 使水曲线与标准水曲线吻合，确保每个组件正常工作． 2. 3. 2 参数测试 ( 1) 加入浓度较高的浮选尾砂及水至搅拌罐中， 调节变频器使搅拌机以一定的转速运行，待料浆具有 一定的流动性后，启动渣浆泵，使料浆开始在管道中循 环，先低速运行排除气泡． ( 2) 调节料浆中固相质量分数，达到需要测试的 最大值 C，并记录系统中的料浆体积 V． ( 3) 调节泵送电机变频器，使管道压力达到压力 变送器量程的 80% ，然后逐渐降低电机频率到料浆停 止运动，再 重 新 提 高 频 率，达到压力变送器量程的 80% ，最后降低频率直到流速为零，测试结束． 每个频 率持续运行 20 s，以便获得足够的数据． ( 4) 测试顺序从固相质量分数最高值向最低值 进行，通过计算向搅拌罐中加入一定量的水稀释料 浆，得到较低固 相 质 量 分 数 Cx，重复 实 验 步 骤( 3 ) ， 直到测试完成需要的固相质量分数，加水量 m 计算 公式如下: m = ( C － Cx ) V Cx ． ( 4) ( 5) 排净料浆并用水清洗系统． ( 6) 重复实验步骤( 1) ～ ( 4) ，完成溢流尾砂和底 流尾砂的料浆管道输送压力损失测试． ( 7) 更换不同直径的管道，重复实验步骤( 1) ～ ( 6) ，最终完成实验． 2. 3. 3 数据分析 ( 1) 将数据采集器记录的压力值进料管 P1和 P2， 回料管 P3和 P4，流量 Q，则得出一定管道长度 l 两端的 压差 ΔP，即可算出管道输送的压力损失 ΔP /l． ( 2) 料浆流速 v 根据下式得出: v = Q πD2 4 ·3600 ． ( 5) 式中: v 为流速，m·s － 1 ; Q 为流量，m3 ·h － 1 ; D 为管道直 径，m． ( 3) 绘制不同固相质量分数、不同管径和不同料 浆级配的流速 v 与压力损失 ΔP /l 的关系曲线． 3 结果与讨论 3. 1 流速与管输压力损失的关系 本文研究了不同管径、不同固相质 量 分 数 和 不 同料浆粒径的流速与管输压力损失的关系． 由图 4 ～ 图 6 可以看出，管输压力损失与流速的关系都有个 共同的规律，即随着料浆流速的增加，管道输送压力 损失分两个阶段增加: 当流速较小时，压力梯度与流 速的一次方成正比，称为线性增长阶段; 当流速较大 时，压力损失与流速的 1 ～ 2 次方成正比，称为多项 式增长阶段，此时，压力损失的增加速率远大于流速 增加速率． 这两个阶段转折点对应的流速就称为黏 性过渡流速． 因此，在输送过程中应保持料浆流速低 于黏性过渡流速，以防止管输压力损失过大． 图 4 为不同管径下相同固相质量分数的料浆流速 与压力损失的关系． 可见，管输压力损失随着流速的 增加呈线性增加，且管径越小，直线的斜率越大，管输 ·9·

·10… 工程科学学报，第37卷，第1期 压力损失越快.另外，通过40mm和50mm管道的压 力损失速率远大于流速增加速率.另外，组粒级的浮 力损失曲线可看出，较小的管径，料浆输送就越容易达 选尾砂其料浆输送的黏性过渡流速较小 到黏性过渡流速.因此，在流量一定的情况下，选择直 8 径较大的管道进行输送可以降低输送过程中的压力损 口溢流尾砂实验值 。浮选尾砂实验值 失，以达到节省能耗的目的 线性拟合曲线 6 多项式拟合曲线 10 40mm 黏性过渡流速 9 5 o 50 mm △80mm y=12.08-5.34x+0.83r2 100mm 4 J=2.47+0.32 R=0.993 R2-0,995 1 一线性拟合曲线 3 6 3=-2.976+2.307x,2=0.996 y=0.48+0.23 y=0.57-0.47x+0.33x2 =2.625+0.485x.R2-0.978 R2-0973 R2-0.999 -3.579+2.255x 3/ R-0.989 6 3 1=2.085+0.462x.R2-0.963 流速ms 4.4◆-△A笑，1.067+0202x.R2-0.987 图6不同粒径下流速与压力损失的关系 )y=0.769+0.15x.R2=0.982 0 Fig.6 Relationships of flow velocity and pressure loss at different 2 3 particle sizes 流速m· 图4不同管径下流速与压力梯度的关系 3.2管径对管输压力损失的影响 Fig.4 Relationships of flow velocity and pressure loss at different 为了研究膏体料浆在不同管径的管道中压力损 pipe diameters 失的规律，本次闭路环管实验一共测试了四种管道 图5为不同固相质量分数C的浮选尾砂料浆在 直径：40、50、80和100mm.图7为相同料浆在不同 50mm管道中输送时压力损失随流速的变化规律.从 管径下的压力损失曲线.由图可见，料浆的管输压力 图中可以清楚地看出，料浆输送过程中随着流速增加， 损失随着管径的增大而显著下降，呈负幂指数关系， 管道压力损失存在的两个阶段.另外可以看出，固相 即管径越大，阻力损失越小，减小趋势与管径的次 含量越高，黏性过渡流速越大，说明高固相含量料浆的 方成正比(n<0).因此，在输送过程中可以通过增 压力损失线性增长阶段更宽 大管道直径来降低管输压力损失，从而达到更长的 输送距离 口C=36.65% y=3.097-1.801x+0511x2o 0 7 C-45.38% R2-0.993 4 △C=49.29% 黏性过渡流速=2396r-425214 拟合曲线 y=442.4x42 口=2ms 6 R=0.9799 o=lms 5 R2-0.9966 35362r- △t-0.5m*gl R-0.9999 拟合曲线 4 1=0.421x+2.131 R2=0.979、 3 2 =0.2+1.059.R2-0.9785=0.294033+0.227x 2 R2-0.999 y=286.5x1 R-0.9934 3y=0.167x+0.229.R-0.988 0 1 2 3 4 5 流速/m·s 20 40 60 80 100 图5不同固相质量分数下流速与压力梯度的关系 管径mm Fig.5 Relationships of flow velocity and pressure loss at different 图7管径与压力损失的关系 slurry concentrations Fig.7 Relationships of pipe diameter and pressure loss 图6为相同固相质量分数、不同粒径的料浆（溢流 3.3固相含量对管输压力损失的影响 尾砂和浮选尾砂)在直径50mm的管道中输送时，流速 图8为料浆流速为=1m·s时，浮选尾砂、溢流 与压力损失的关系图.由图可见：当流速小于黏性过 尾砂和底流尾砂在直径为50mm的管道中输送，管道 渡流速时，管输压力损失随着流速呈线性关系，且力度 输送压力损失与料浆中固相质量分数的关系曲线.可 越大斜率越大，压力损失速率越快：当流速大于黏性过 以看出，料浆中固相质量分数对压力损失的影响极为 渡流速时，压力损失随流速增加呈两次多项式增加，压 显著，压力损失随着固相质量分数的增加呈指数增加

工程科学学报，第 37 卷，第 1 期 压力损失越快． 另外，通过 40 mm 和 50 mm 管道的压 力损失曲线可看出，较小的管径，料浆输送就越容易达 到黏性过渡流速． 因此，在流量一定的情况下，选择直 径较大的管道进行输送可以降低输送过程中的压力损 失，以达到节省能耗的目的． 图 4 不同管径下流速与压力梯度的关系 Fig． 4 Ｒelationships of flow velocity and pressure loss at different pipe diameters 图 5 为不同固相质量分数 Cwt的浮选尾砂料浆在 50 mm 管道中输送时压力损失随流速的变化规律． 从 图中可以清楚地看出，料浆输送过程中随着流速增加， 管道压力损失存在的两个阶段． 另外可以看出，固相 含量越高，黏性过渡流速越大，说明高固相含量料浆的 压力损失线性增长阶段更宽． 图 5 不同固相质量分数下流速与压力梯度的关系 Fig． 5 Ｒelationships of flow velocity and pressure loss at different slurry concentrations 图6 为相同固相质量分数、不同粒径的料浆( 溢流 尾砂和浮选尾砂) 在直径50 mm 的管道中输送时，流速 与压力损失的关系图． 由图可见: 当流速小于黏性过 渡流速时，管输压力损失随着流速呈线性关系，且力度 越大斜率越大，压力损失速率越快; 当流速大于黏性过 渡流速时，压力损失随流速增加呈两次多项式增加，压 力损失速率远大于流速增加速率． 另外，组粒级的浮 选尾砂其料浆输送的黏性过渡流速较小． 图 6 不同粒径下流速与压力损失的关系 Fig． 6 Ｒelationships of flow velocity and pressure loss at different particle sizes 3. 2 管径对管输压力损失的影响 为了研究膏体料浆在不同管径的管道中压力损 失的规律，本次闭路环管实验一共测试了四种管道 直径: 40、50、80 和 100 mm． 图 7 为相同料浆在不同 管径下的压力损失曲线． 由图可见，料浆的管输压力 损失随着管径的增大而显著下降，呈负幂指数关系， 即管径越大，阻力损失越小，减小趋势与管径的 n 次 方成正比( n ＜ 0) ． 因此，在输送过程中可以通过增 大管道直径来降低管输压力损失，从而达到更长的 输送距离． 图 7 管径与压力损失的关系 Fig． 7 Ｒelationships of pipe diameter and pressure loss 3. 3 固相含量对管输压力损失的影响 图 8 为料浆流速为 v = 1 m·s － 1时，浮选尾砂、溢流 尾砂和底流尾砂在直径为 50 mm 的管道中输送，管道 输送压力损失与料浆中固相质量分数的关系曲线． 可 以看出，料浆中固相质量分数对压力损失的影响极为 显著，压力损失随着固相质量分数的增加呈指数增加 · 01 ·

王少勇等：膏体料浆管道输送压力损失的影响因素 11* 趋势，在较低固相含量下缓慢增长，当超过一定固相含 4结论 量时急剧增长.这是由于随着充填料浆中固相含量提 高，料浆的黏性系数增加，黏性越高浆体的稳定性越 (1)随着料浆流速的增加，管道输送压力损失分 好，流动性就差，黏滞阻力也较大，管道输送压力损失 两个阶段增加：当流速较小时，压力梯度与流速的一次 大幅度增加 方成正比，称为线性增长阶段：当流速较大时，压力损 失与流速的1~2次方成正比，称为多项式增长阶段， 口浮选尾砂实验值 。底流尾砂实验值 Jy=1.2x10-e022n 此时，压力损失的增加速率远大于流速增加速率.这 △溢流尾砂实验值 -0.9898 6- 拟合曲线 两个阶段转折点对应的流速就称为黏性过渡流速.因 此，在输送过程中应保持料浆流速低于过渡黏性流速， 以防止管输压力损失过大 4 J=0.026e3m R2-0.9536a (2)料浆管道输送的压力损失随着管道内径的增 3=0.011e91 R2-0.9988 大而显著下降，呈幂指数关系，即管径越大，阻力损失 越小，减小趋势与管径的n次方成正比，在输送过程中 可以通过增大管道直径来降低管输压力损失，从而达 到更长的输送距离 30 40 50 60 70 质量分数/% (3)料浆中固相质量分数对压力损失的影响极为 敏感，压力损失随着固相质量分数的增加呈指数增加 图8料浆中固相质量分数与压力损失的关系 趋势，在较低含量下缓慢增长，当超过一定含量时急剧 Fig.8 Relationships of slurry concentration and pressure loss 增长. 3.4粒径对管输压力损失的影响 (4)相同固相质量分数、相同流速下细粒级料浆 粒径对料浆输送影响更为复杂，可以改变料浆 管输压力损失较大，输送需要更大的压力.这是由于 的自然属性.无法对粒径与压力损失进行定量描述， 细粒级料浆较粗粒级料浆总的表面积增加，与管道接 只能从其级配曲线区分出粗粒级、中粒级和细粒级 触面积增加，摩擦阻力增大.粗粒级料浆的黏性过渡 料浆，定性分析其在输送过程中的压力损失规律.图 流速较小，表明粗粒级的料浆随着流速的增加后期压 6和图9为在相同固相质量分数下两种不同级配料 力损失速率较快 浆在同一种管道中的压力损失随流速的变化曲线. 可以看出，同一流速下细粒级料浆管输压力损失较 参考文献 大，输送需要更大的压力.这是由于细粒级料浆较粗 ] Liu T Y.Technology and Application of Filling Mining.Beijing: 粒级料浆总的表面积增加（从表1中可见，溢流尾砂 Metallurgical Industry Press,2001 的比表面积1.01m2g>浮选尾砂0.73m2·g> (刘同有.充填采矿技术与应用.北京：治金工业出版社， 底流尾砂0.27m2·g),与管道壁接触面积增加，摩 2001) 擦阻力增大. 2] Deng DQ,Gao Y T,Yang Y L,et al.Rheological properties of full tailings slurry in pipeline transportation based on the hydrome- chanics theory.J Unie Sci Technol Beijing,2009,31(11)1380 1 口浮选尾砂实验值 y=4.31+1.45x10-e R2=0.997 (邓代强，高永涛，杨耀亮，等.基于流体力学理论的全尾砂 0 底流尾砂实验值 6- 一拟合曲线 浆管道输送流变性能.北京科技大学学报，2009,31(11)： 黏怡过度流速 1380) y=0.479x+2.83.R=0.997 B]Li H,Wang H J,Wu A X,et al.Research on waste of Ge for 4 paste theological properties and gravity transport law.Wuhan 3 Univ Technol,2012,34(12)113 (李辉，王洪江，吴爱祥，等.锗废渣对膏体流变性能及自流 =0.2x+0.13.R2=0.968 y=0.28x2+028031.R2-0.999 输送规律研究.武汉理工大学学报，2012,34(12)：113) g Wang X M,Zhao J W,Xue J H,et al.Features of pipe transpor- tation of paste-ike backfilling in deep mine.J Cent South Uni 2 3 Technol,2011,18(5):1413 流速(m·g [5]Xu Y H,Xu X Q.Rheologic behavior of high density backfill and 图9粒径流速与压力损失的关系 reasonable determination of the parameters for its gravity-low Fig.9 Relationships of flow velocity and pressure loss at different transport.Min Metall,2004,13(3):16 particle sizes (许毓海，许新启.高浓度（膏体）充填流变特性及自流输送

王少勇等: 膏体料浆管道输送压力损失的影响因素 趋势，在较低固相含量下缓慢增长，当超过一定固相含 量时急剧增长． 这是由于随着充填料浆中固相含量提 高，料浆的黏性系数增加，黏性越高浆体的稳定性越 好，流动性就差，黏滞阻力也较大，管道输送压力损失 大幅度增加． 图 8 料浆中固相质量分数与压力损失的关系 Fig． 8 Ｒelationships of slurry concentration and pressure loss 3. 4 粒径对管输压力损失的影响 粒径对料浆输送影响更为复杂，可 以 改 变 料 浆 的自然属性． 无法对粒径与压力损失进行定量描述， 只能从其级配曲线区分出粗粒级、中粒级和细粒级 料浆，定性分析其在输送过程中的压力损失规律． 图 6 和图 9 为在相同固相质量分数下两种不同级配料 浆在同一种管道中的压力损失随流速的变化曲线． 可以看出，同一流速下细粒级料浆管输压力损失较 大，输送需要更大的压力． 这是由于细粒级料浆较粗 粒级料浆总的表面积增加( 从表 1 中可见，溢流尾砂 的比表面积 1. 01 m2 ·g － 1 ＞ 浮选尾砂 0. 73 m2 ·g － 1 ＞ 底流尾砂 0. 27 m2 ·g － 1 ) ，与管道壁接触面积增加，摩 擦阻力增大． 图 9 粒径流速与压力损失的关系 Fig． 9 Ｒelationships of flow velocity and pressure loss at different particle sizes 4 结论 ( 1) 随着料浆流速的增加，管道输送压力损失分 两个阶段增加: 当流速较小时，压力梯度与流速的一次 方成正比，称为线性增长阶段; 当流速较大时，压力损 失与流速的 1 ～ 2 次方成正比，称为多项式增长阶段， 此时，压力损失的增加速率远大于流速增加速率． 这 两个阶段转折点对应的流速就称为黏性过渡流速． 因 此，在输送过程中应保持料浆流速低于过渡黏性流速， 以防止管输压力损失过大． ( 2) 料浆管道输送的压力损失随着管道内径的增 大而显著下降，呈幂指数关系，即管径越大，阻力损失 越小，减小趋势与管径的 n 次方成正比，在输送过程中 可以通过增大管道直径来降低管输压力损失，从而达 到更长的输送距离． ( 3) 料浆中固相质量分数对压力损失的影响极为 敏感，压力损失随着固相质量分数的增加呈指数增加 趋势，在较低含量下缓慢增长，当超过一定含量时急剧 增长． ( 4) 相同固相质量分数、相同流速下细粒级料浆 管输压力损失较大，输送需要更大的压力． 这是由于 细粒级料浆较粗粒级料浆总的表面积增加，与管道接 触面积增加，摩擦阻力增大． 粗粒级料浆的黏性过渡 流速较小，表明粗粒级的料浆随着流速的增加后期压 力损失速率较快． 参 考 文 献 ［1］ Liu T Y． Technology and Application of Filling Mining． Beijing: Metallurgical Industry Press，2001 ( 刘同有． 充 填 采 矿 技 术 与 应 用． 北 京: 冶金工业出版社， 2001) ［2］ Deng D Q，Gao Y T，Yang Y L，et al． Ｒheological properties of full tailings slurry in pipeline transportation based on the hydrome￾chanics theory． J Univ Sci Technol Beijing，2009，31( 11) : 1380 ( 邓代强，高永涛，杨耀亮，等． 基于流体力学理论的全尾砂 浆管道输送流变性能． 北京科技大学学报，2009，31 ( 11) : 1380) ［3］ Li H，Wang H J，Wu A X，et al． Ｒesearch on waste of Ge for paste theological properties and gravity transport law． J Wuhan Univ Technol，2012，34( 12) : 113 ( 李辉，王洪江，吴爱祥，等． 锗废渣对膏体流变性能及自流 输送规律研究． 武汉理工大学学报，2012，34( 12) : 113) ［4］ Wang X M，Zhao J W，Xue J H，et al． Features of pipe transpor￾tation of paste-like backfilling in deep mine． J Cent South Univ Technol，2011，18( 5) : 1413 ［5］ Xu Y H，Xu X Q． Ｒheologic behavior of high density backfill and reasonable determination of the parameters for its gravity-flow transport． Min Metall，2004，13( 3) : 16 ( 许毓海，许新启． 高浓度( 膏体) 充填流变特性及自流输送 · 11 ·

·12 工程科学学报，第37卷，第1期 参数的合理确定.矿治，2004,13(3)：16) of unclassified-tailings paste for backfill mining.IUni Sci Tech- 6]Chu K W,Kuang S B,Yu A B,et al.Particle scale modelling of nol Beijing,2011,33(7):795 the multiphase flow in a dense medium cyclone:effect of fluctua- (翟永刚，吴爱祥，王洪江，等.全尾砂膏体充填临界质量分 tion of solids flowrate.Miner Eng,2012,33:34 数.北京科技大学学报，2011,33(7)：795) ]Hewitt D.Allard S,Radziszewski P.Pipe lining abrasion testing [11]Cheng CJ.Li B.Zhao H W.Application and development of for paste backfill operations.Miner Eng,2009,22:1088 theology.Contemp Chem Ind,2008,37(2):221 8]Fei X J.Transportation Hydraulics of Slurry and Grainy Material. (陈朝俊，李斌，赵宏伟流变学的应用与发展.当代化工， Beijing:Tsinghua University Press,1994 2008,37(2):221) (费祥俊.浆体与粒状物料输送水力学.北京：清华大学出版 [12]Wasp E J,Kenny J P,Gandhi B L.Solid-iquid Flow Slurry 社，1994) Pipeline Transportation.Clausthal:Trans Tech Publication, Yu R C.Mining Engineers Handbook.Beijing:Metallurgical In- 1977 dustry Press,2009 [13]Hallbom DJ,Norwood W J.Fuzzy rheology and smooth running (于润仓.采矿工程师手册.北京：治金工业出版社，2009) paste systems /Proceedings of the Tenth International Seminar [10]Zhai Y G,Wu A X,Wang H L,et al.Threshold mass fraction on Paste and Thickened Tailings.Perth,2007:199

工程科学学报，第 37 卷，第 1 期 参数的合理确定． 矿冶，2004，13( 3) : 16) ［6］ Chu K W，Kuang S B，Yu A B，et al． Particle scale modelling of the multiphase flow in a dense medium cyclone: effect of fluctua￾tion of solids flowrate． Miner Eng，2012，33: 34 ［7］ Hewitt D，Allard S，Ｒadziszewski P． Pipe lining abrasion testing for paste backfill operations． Miner Eng，2009，22: 1088 ［8］ Fei X J． Transportation Hydraulics of Slurry and Grainy Material． Beijing: Tsinghua University Press，1994 ( 费祥俊． 浆体与粒状物料输送水力学． 北京: 清华大学出版 社，1994) ［9］ Yu Ｒ C． Mining Engineers Handbook． Beijing: Metallurgical In￾dustry Press，2009 ( 于润仓． 采矿工程师手册． 北京: 冶金工业出版社，2009) ［10］ Zhai Y G，Wu A X，Wang H L，et al． Threshold mass fraction of unclassified-tailings paste for backfill mining． J Univ Sci Tech￾nol Beijing，2011，33( 7) : 795 ( 翟永刚，吴爱祥，王洪江，等． 全尾砂膏体充填临界质量分 数． 北京科技大学学报，2011，33( 7) : 795) ［11］ Cheng C J，Li B，Zhao H W． Application and development of rheology． Contemp Chem Ind，2008，37( 2) : 221 ( 陈朝俊，李斌，赵宏伟． 流变学的应用与发展． 当代化工， 2008，37( 2) : 221) ［12］ Wasp E J，Kenny J P，Gandhi B L． Solid-liquid Flow Slurry Pipeline Transportation． Clausthal: Trans Tech Publication， 1977 ［13］ Hallbom D J，Norwood W J． Fuzzy rheology and smooth running paste systems / / Proceedings of the Tenth International Seminar on Paste and Thickened Tailings． Perth，2007: 199 · 21 ·