·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·