（环境工程专业论文）尾矿充填挤压输送过程中重力机械力耦合作用的料浆流动特性研究.pdf

硕士学位论文摘要 摘要 充填料管道挤压输送方法是一种除自流输送和传统泵压输送方 法之外，投资省、运行成本低、可远距离输送高浓度充填料的第三种 水力输送充填料的新方法。但目前仅研究单台设备的挤压输送，其输 送距离仍受到限制。本文研究了两台挤压输送设备串联输送的可行性 及充填料浆在重力一机械力一机械力耦合作用下的流动特性，并利用计 算机对其进行编程模拟。 建立了充填料串联挤压输送模型，分析了料浆在重力一机械力一 机械力耦合作用下各管道中的受力状况，以及1 2 种可能的运动状态。 推导出了在挤压输送设备活塞位移呈三角函数形式的料浆运动 相关方程，以及在两台挤压输送设备作用下，料浆在各种运动状态下 的速度和加速度方程。 用m a t l a b 语言编写计算机程序，进行串联管道挤压输送模拟。 模拟了在不同的管道长度、管道垂高、活塞运动周期与曲柄半径等条 件下，管道内料浆的流动规律。 研究结果表明，在输送距离超过自流输送的距离时，充填料浆在 重力一机械力一机械力耦合作用下，能够实现长距离的串联管道挤压输 送。调整充填管道总长度、各管道长度比、管道垂高、挤压输送设备 活塞运动周期及曲柄半径等参数中的任何一个参数，对管道内料浆的 流动特性均会产生影响。 关键词尾矿充填，水力输送，计算机模拟，串联挤压输送 硕士学位论文 a b s t r a c - i a bs t r a c t t h e t u e e z e dt r a n s i np i p e l i n ei sa i l 一 m e t h o do f s q u e e z e d - t r a n s p o r t o i o e l i n e i n n o v a t i v em e t h o do fa n h y d r a u l i ct r a n s p o r t b e s i d e s h y d r a u l i c - t r a n s p o r tb yg r a v i t y a n d c o n v e n t i o n a lt r a n s p o r tb yp u m p s ，w i t ht h ea d v a n t a g e so fl o wi n v e s t m e n t ， l o w o p e r a t i o n a lc o s ta n dl o n gd i s t a n c et r a n s p o r t a th i g hd e n s i t y h o w e v e r , t h er e s e a r c hw o r kw a sf o c u s e do nt r a n s p o r tb ys i n g l es q u e e z e d - d e v i c ei n t h e p a s t , s ot h a t t h ed i s t a n c eo ft r a n s p o r t a t i o ni ss t i l ll i m i t e d t h e f e a s i b i l i t yo fu s i n gt w os q u e e z e dd e v i c e sc o n n e c t e di ns e r i e sa n dt h e f l o w i n gc h a r a c t e r i s t i c so ff i l l i n gs l u r r yu n d e rt h ec o u p l i n gs q u e e z eo f g r a v i t y - m e c h a n i c a l - m e c h a n i c a l f o r c e sw a ss t u d i e d i n c o m p u t e r s i m u l a t i o n m o d e lo fu s i n gt w os q u e e z e dd e v i c e sc o n n e c t e di ns e r i e si np i p e l i n e w a se s t a b l i s h e d ，a n db o r n ef o r c e so ff i l l i n gs l u r r yi n s i d ep i p e l i n e sa n dt h e 12k i n d so fp o s s i b l e f l o w i n gs t a t e s u n d e rt h ec o u p l i n gs q u e e z eo f g r a v i t y - m e c h a n i c a l - m e c h a n i c a lf o r c e sw e r ea n a l y z e d o nt h ea s s u m p t i o nt h a td i s p l a c e m e n to ft h ep i s t o ni se x p r e s s e da s t r i g o n o m e t r i cf u n c t i o n ，t h er e l a t e de q u a t i o n sw e r ed e d u c e d a l lk i n d so f v e l o c i t ya n da c c e l e r a t i o n se q u a t i o n so ff i l l i n gs l u r r yw e r ea l s od e d u c e d u n d e ra c t i o no ft w os q u e e z e d - t r a n s p o r td e v i c e s c o m p u t e rp r o g r a mw a sc o m p i l e di nm a t l a b u n d e r t h ec o n d i t i o n so f d i f f e r e n tl e n g t h so fp i p e l i n e ，v e r t i c a lh e i g h t s ，m o v e m e n tc y c l e so f p i s t o n a n dc r a n kr a d i u s e s ，f l o w i n gc h a r a c t e r i s t i c so ff i l l i n g s l u r r y o ft h e c o u p l i n gs q u e e z eo fg r a v i t y - m e c h a n i c a l - m e c h a n i c a lf o r c e sw e r es t u d i e d t h er e s e a r c hr e s u l t sp r o v e dt h a tu n d e rt h ec o n d i t i o no ft h a tt h e d i s t a n c ei sm o r et h a nt h a to ft r a n s p o r tb yg r a v i t y , t w os q u e e z e dd e v i c e s c o n n e c t e di n s e r i e si np i p e l i n ec a nt r a n s p o r tf i l l i n gs l u r r yf o ral o n g d i s t a n c e f l o w i n gc h a r a c t e r i s t i c si n s i d ep i p e l i n ea r ea f f e c t e db yc h a n g i n g a n yp a r a m e t e rs u c ha sl e n g t ho fp i p e l i n e ，l e n g t hr a t i o o fp i p e l i n e ，v e r t i c a l h e i g h to fp i p e l i n e ，m o v e m e n tc y c l eo fp i s t o na n dc r a n kr a d i u se t c 1 1 硕士学位论文 a b s t r a c t k e y w o r d s ：t a i l i n gf i l l i n g ，h y d r a u l i ct r a n s p o r t ，c o m p u t e rs i m u l a t i o n ， s e r i e ss q u e e z e d - t r a n s p o r t 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： 1 拜帛 日期：上堕年鱼月日 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。 作者签名：盐导师签名魈日期：丝q 墨年上月上日 硕士学位论文第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 尾矿排放现状、问题及处置有效途径 1 1 1 排放现状及存在的问题 尾矿属选矿后的废弃物，目前年排放量占工业固体废弃物的4 0 左右。尾矿 除极小部分被利用外，绝大部分存放在地表尾矿库中。根据统计，我国已形成一 定规模的尾矿库约1 5 0 0 座，其中有色和冶金行业占8 0 ，金属矿山尾矿的排放 与处置仍然是矿山急待解决的问题之一n 1 。 由于尾矿直接携带超标的重金属、硫、砷等污染物质及残存的选矿药剂，尾 矿堆存容易直接造成环境污染；粒径极细( 1 0 肛m ) 的尾矿干燥后会随风飘扬形 成飘尘，产生大气污染；尾矿风化过程中可形成溶于水的化合物或重金属离子， 经地表水或地下水严重污染周围水系及土壤，危害人体健康，影响农作物、森林、 禽蓄和鱼类的生长和繁殖。如大部分矿山废弃物中含有硫铁矿，其风化或以化学 作用形成酸性废水，严重危害森林、农田、人类和动物的生长；尾矿露天堆放， 其中的有害成分经过风化、雨淋、地表径流的侵蚀渗入土壤，使土壤被有害物质、 放射性物质等污染，造成土壤酸化、盐渍化，导致结构改变，破坏土壤中微生物 的生长，影响作物根系生长。 此外，采用传统的尾矿库排放尾矿的矿山，在矿山建设( 扩建或新建) 时， 需要在开采矿区范围内建设与矿山生产规模相适应的尾矿库，投资巨大。2 0 0 0 年全国尾矿库的建设投资为2 3 1 亿元。此外，地面建设尾矿库还需占用大量宝 贵土地。据推算，到1 9 9 4 年全国矿山开发占用耕地面积为9 8 6 万公顷；占全国 耕地面积的1 0 4 ，由此必然加剧了我国耕地紧张的局面。推算全国矿山开发占 用林地约1 0 5 9 万公顷，我国森林面积为1 3 4 亿公顷，森林覆盖率仅为1 3 9 2 叨， 为此，矿山开发占用林地情况不容忽视。 再者，由于尾矿库堆料超过库容、超龄服役，或遇山洪暴雨，或设计不合理， 安全措施不到位等原因，可能会引起塌陷、滑坡，造成尾矿库溃池。建国以来， 我国共发生尾矿库重大事故十多起。据研究表明，在世界上9 3 种重大事故、灾 害中，尾矿库事故的危害名列第1 8 位，足见尾矿事故危害之大d 1 。每次尾矿事 故不仅造成人员伤亡，而且在经济上也造成巨大损失，在社会上影响极坏。 因此，解决尾矿的排放问题已成为十分尖锐的问题。通过新建和扩建地面尾 矿库来解决尾矿的排放，在经济和政策上越来越不适应今后矿山发展的需要，必 硕士学位论文第一章文献综述 须另辟新途径来有效的解决。 1 1 2 尾矿处置有效途径一矿山充填 为了解决传统尾矿库处置尾矿存在的问题，国内外许多矿山积极探索尾矿排 放新途径，包括尾矿干式堆存、尾矿井下排放和采矿充填等。 1 ) 尾矿干式堆存 尾矿干式堆存是近年来发展起来的一种新的尾矿处理方法，所谓“干式堆存 实际上是“半干法堆存 ，是指尾矿经过脱水处理后产出的一种高浓度膏体尾矿 砂，尾砂可脱水到不再可泵送的湿度。其特点是：尾矿脱水后，采用干法输送和 堆存设备，干式堆存于地表，或者用运输机或汽车送到尾矿场堆积，然后用推土 机推平压实，这就可形成一不饱和致密稳固的尾矿堆，而不需尾矿坝。实现膏体 尾矿干式堆存的关键在于，尾矿经过脱水后达到相当高的浓度，在堆积过程中不 发生离析、渗析水少，具有一定的支撑强度，能够自然堆积成一定高度的山脊形。 该方法可以在峡谷、低洼、平地、缓坡等地形条件下堆存，不需要建尾矿坝，基 建投资少、维护简单、综合成本低。对于高寒地区，冬季水的输送是一大难题， 而干式堆积不存在这个问题。 根据现有技术，膏体式尾砂堆积的适用条件是：相当于或大于降雨程度的干 燥气候；尾砂细度足以形成可堆积的膏体而不需要使用太多的絮凝剂；用自动浓 缩机生产具有膏体稠度的尾砂：堆积场大、较平，可借助阳光快速干燥，而且泵 送距离和扬程要求比较有利。若堆积场处在中小地震活动区，则可将这种堆积视 为填坑的有利条件。 膏体尾矿制备可采用压滤、浓缩等方法，一般需将尾矿浓缩至7 5 - - 一8 5 的 固体含量。对尾矿浓度的要求还要考虑输送方式，小型厂矿可用汽车将膏体运到 排放地点；对于大型选厂，通常采用膏体泵输送。膏体尾矿可以采用逐层堆积的 方式，只要让已堆积的膏体凝固就可以逐步堆积至设计的高度，这样可以减少占 地面积。 澳大利亚、加拿大等国家膏体尾矿处理的研究和实践表明，将尾矿脱水浓缩 后干式堆存，不仅可以节省常规尾矿库的建设和维护费用，使回水得到充分利用， 而且还可大大节省占地面积、消除尾矿库的安全隐患，并且能够在矿山生产过程 中对尾矿堆存场进行复垦，有利于环境保护。由于在特定地区尾矿干式堆存方法 较传统尾矿库排放尾矿的诸多优点，目前，应用尾矿干式堆存技术已具有较大规 模的矿山有美国格林克里克地区的矿山。此外还有加拿大的e k a t id i a m o n d 矿、 k i d dc r e e k 矿、坦桑尼亚的b u l y a n h u l u 矿、俄罗斯的k u b a k a 金矿和印度的 h i n d u s t a n 铜有限公司口1 ，国内的内蒙撰山子金矿h 1 、柴胡栏子金矿晦1 和山东归来 2 硕士学位论文第一章文献综述 庄金矿嘲等。 2 ) 采矿充填 采矿充填就是在井下采矿过程中，随着矿石不断地采出至地表，利用废石、 尾砂、河砂等惰性骨料或者在惰性骨料中加入胶凝材料，充填采空区，以保证下 一循环的采矿作业能有效的进行，充填作业是采矿过程中的一个工艺环节。上世 纪6 0 - 7 0 年代，随着对充填材料特性和以两相流理论为基础的输送机理的大量 试验与研究工作的开展，促进了分级尾砂胶结充填技术在金属矿床地下开采中日 益广泛的应用。随着提高企业经济效益和降低生态环境污染等问题的日益重视， 上世纪7 0 年代末，人们又进行了利用不分级尾砂作充填材料的研究和探索。如 前苏联亚美尼亚黄金生产联合公司在井下硐室中建设选矿站，该选矿站离采矿工 作面很近，原矿直接运到井下选矿站的矿仓贮存侯选，选矿厂的尾矿经脱水和借 助化学材料混合后直接用管道输送到采空区充填，该生产工艺不仅节约了大量的 矿石运输费用和尾矿返回到井下采空区的充填费用，而且还净化了地表的环境。 不分级尾砂充填料浆采用自流或泵压输送，由于料浆浓度，在输送过程中不离析， 呈似均质结构流体，故输送可靠，不易堵管口1 ；充填料浆在采场中不需脱水或者 少量脱水，改善了井下作业环境；充填料不产生离析、分层现象，提高了充填体 的质量，不分级尾砂的利用也为防止尾矿环境污染提供了有效途径嘲。 由于不分级尾砂中细粒级含量较多，存在着尾砂的脱水、贮存，充填料浆的 制备、输送等一系列复杂的技术问题。经过数十年的试验研究，至今为止，应用 较为成熟的技术可分为两类，一类是以德国格隆德铅锌矿率先采用的泵送技术为 代表阻1 ，先后引进该技术的矿山有奥地利的布莱堡矿，德国的莫洛波煤矿和瓦尔 苏蒙煤矿等n 们。国内金川公司于“七五 期间也引进并试验了该项技术和装备， 从应用泵送技术的矿山情况看，泵送充填对充填料的级配要求严格，除两座煤矿 外，其它矿山均在充填料中掺入部分重介质选矿尾矿或其它粗骨料。在金属矿山 中，还未见有应用泵送全部由浮选尾矿之类的全细颗粒组成的充填料的报道。另 一类即活化搅拌技术。通过活化搅拌机对含有极细颗粒量大的高浓度不分级尾砂 胶结充填料进行强力搅拌，提高充填料浆流动性和均质性，以及提高胶凝材料的 活性，降低水泥耗量，经过活化搅拌后的高浓度胶结充填料浆依靠重力输送至采 空区。应用了此项技术的矿山包括前苏联阿基塞公司的矿山、国内的凡口铅锌矿、 和张马屯铁矿1 等。 至今，我国的充填技术经历了从干式充填到水力充填，从分级尾砂、全尾砂、 高水固化胶结充填到膏体泵送胶结充填的发展过程。中国的矿山数量多，开发与 应用的充填工艺与技术类型多，尤其是近十余年来，在新的充填技术的研究开发 和推广应用方面均取得了长足进步n 幻。尾矿充填技术已经比较成熟，利用尾矿充 硕七学位论文第一章文献综述 填，既可以解决矿山充填骨料来源，又能够解决或部分解决尾矿的排放问题，一 举两得，是解决尾矿排放问题的最佳途径。 1 2 尾矿充填管道输送综述 1 2 1 尾矿充填料自流输送研究 1 ) 自流输送充填倍线的研究 水力充填方法包括自流输送和泵压输送两种，对于水力胶结充填来说，充填 料输送方法的不同将产生诸如水泥离析流失、充填料浆浓度变化大等问题，这些 问题直接影响充填质量。目前的充填料水力输送方法包括自流输送和泵压输送两 种。 自流输送是以自身的势能为动力克服管道沿程阻力而流动，实现自流的条件 是在系统中具备的势能必须大于充填料浆通过管道系统时克服沿程阻力所须消 耗的能量n 3 1 。 设计自流输送充填系统时，常暂不考虑局阻、无压区和负压区等的影响，而 以“充填倍线n 来描绘系统自流输送的难易程度。 n = l h 式中：n - 充填倍线； h 一管道进出口之间的高差，m ； l 一管道长度，m 。 如果n 值大，则表示系统输送困难，自流输送能力低，甚至不能实行自流输送 1 4 】 对于矿山充填来说，随着采区延伸，管线不断加长，倍线n 相应增大，输送能 力逐渐降低，当倍线n 增大到极限值时，充填料浆停止自流。 马树元等对阜新五龙煤矿水砂充填研究表明，充填倍线愈大，充填料输送愈 困难，表卜1 是五龙煤矿充填倍线、水砂比( 浓度) 充填能力平均数值n 射。 4 硕士学位论文第一章文献综述 表1 - 1 五龙煤矿充填倍线、水砂比( 浓度) 充填能力平均数值 方志甫根据安庆铜矿井下充填管网现状，结合西部马头山矿体和东部东马鞍 山矿体的开拓及开采的延伸，研究了该矿各采区充填管网充填料浆输送参数与充 填倍线，在料浆浓度为7 2 、充填料浆比重2 1 0 3t i n 3 条件下，得出了不同流量的 输送最大充填倍线( 表1 2 ) 蚓。 表1 - 2 料浆浓度7 2 时的最大充填倍线 料浆流量，m 3 h最大充填倍线 灰砂比1 ：5 1 6 8 7 1 4 4 2 1 2 5 7 1 1 1 4 1 0 0 0 9 0 7 8 3 0 灰砂比l ：1 0 1 4 0 9 1 1 6 6 9 8 9 8 5 6 7 5 2 6 6 9 6 o l 2 ) 自流输送低浓度充填料浆对采矿的影响 受投资和地形等因素的限制，采用自流输送充填料浆的矿山，往往一套充填 系统要服务较大范围的充填任务，造成充填倍线逐渐增大，为了将充填料输送至 充填倍线较大的地点，不得不采用低浓度输送。由此给生产带来一系列问题n 7 。埘， 包括由于料浆的离析脱水、带走部分水泥和尾砂中的细颗粒，严重地污染了井下 环境，给排水、清仓造成麻烦；胶结充填中水泥随矿石进入选厂，会给选矿带来 不良影响n 们；充填料浆的离析，使充填体表层形成一层不凝结的稀泥，对采矿作 业带来不便啪1 ；更为重要的是，水泥的流失和料浆离析，降低了充填体的强度和 o o 0 0 旧 龇 吼 m n 圪 硕士学位论文第一章文献综述 均质性，保证不了矿柱的安全正常回采，也增加了充填成本：细粒级尾砂送往尾 矿库后，增加了堆坝的困难阻；充填效率低，充入采场多余的水需要排至地表， 增加排水费用砼羽；充填难以接顶，因为每分层分一次或多次充填，由于料浆浓度极 低，大量的水从采场中滤出后，必然留下一定的空间而不能接顶乜3 1 ；低浓度的充填 料浆一方面泄水时带走大量细颗粒，另一方面所产生的静压常常压垮充填挡墙， 造成料浆流向井下巷道，污染工作环境，增加巷道清理费用乜钔。如希腊s t r a t o n i 矿 采用下向进路充填法开采铅锌矿体汹1 。由于输送存在困难，造成充填体梁常常发 生破坏。因此，依靠多添加水泥来解决，造成充填成本增加，而新建一个充填站， 在经济上又不合理 2 6 o 武山铜矿采用简易的水力充填工艺，由于充填料浆浓度低， 充填质量无法控制，使矿山达产、稳产几乎不可能田1 。金城金矿东季矿充填时常 出现低浓度砂浆充入采场，导致胶结体产生离析层，影响胶结体整体性，时常出现 落顶，为下分层采矿带来不安全因素嘲。目前的生产实践中，由于缺乏专用的充 填料输送设备，充填料浆浓度低是一个较为普遍的现象嘲1 。 1 2 2 泵压输送充填的研究概况 泵压输送充填是基于高浓度固液混合物的流变特性及其在管道内的特有流 动状态，并在泵送混凝土的基础上而发展起来的一种充填方式。膏体泵送充填可 获得高密度的高质量充填体，在井下不需脱水，由于采用加压输送，则充填不受 倍线的限制m 1 。1 9 7 9 年，德国普鲁萨格金属股份公司在格伦德铅锌矿开始试验 泵送充填，采用经过改型的b r a2 1 0 0 h 型四活塞混凝土泵输送膏体充填料口h 幻。 1 9 8 5 年，该矿正式采用泵送高浓度充填料，采用两台1 6 0 k w 经过改装的双活塞液 压混凝土泵，输送距离达到3 5 0 0 m ，充填料浆浓度为7 1 一8 2 3 3 删。1 9 8 2 年，加拿大 多姆矿( d o m em i n e ) 开始研究高浓度充填工艺嘶1 。i n c o 公司利瓦克( l e v a c k ) 也在 大约同期开发高浓度管道输送充填系统口7 。勰1 。1 9 8 6 年，利瓦克矿开始试验采用混 凝土泵( s c h w i n gb p2 5 0 ) 输送高浓度充填料1 。为确定高浓度充填料的泵送特性， 美国矿业局v i c k e r y 等人于1 9 8 9 年完成了6 次大规模泵送试验，结果表明，在 定流量下，随管道直径减小，压力梯度增加m 1 。南非在一座矿山建设了套水力输 送试验系统，利用s c h w i n gk s p l7 双缸正排量泵或w a r m a na n 3 2 离心泵进行环管 试验，研究高浓度充填料浆输送的流变性能h 1 喇。1 9 9 1 年加拿大国际镍公司加森 矿进行了泵送膏体充填料试验，充填料输送水平距离1 0 0 6 m ，垂直距离1 0 3 6 m ，膏 体充填料重量浓度为8 4 7 4 3 a 除此之外，先后试验和采用泵送高浓度膏体充 填料的矿山还有德国瓦尔苏蒙煤矿( r u h r k o h l ew a l s u mc o l l i r y ) 和莫洛波 ( m o n o p 0 1 ) 煤矿n 4 1 、加拿大l o u v i c o u r t 矿m 1 、m o r o c c o 矿州7 1 、美国l u c k yf r i d a y 6 硕士学位论文第一章文献综述 金矿等。国内金川有色金属公司蚋幻、山东铝厂湖田石灰石矿嘲、济钢张马屯 铁矿n 妇一1 、大冶有色金属公司铜绿山矿晰力、江西武山铜矿一3 等矿山先后试 验和或应用了泵送高浓度膏体充填。 不能用常规的重力自流输送的膏体经充填泵压输送不离析、不脱水，具有良 好的可塑性和稳定性，因此膏体中必须有一定量的一2 0 1 x m 细粒物料，近于不透 水状，但应保持合理的配比以保证可泵性：膏体在管路中呈柱状流动，柱塞与管 壁间的速度梯度与表面细料物润滑层的粘度有关。这种高质量的充填可获得较大 的弹性模数，特别适用于深矿井高应力采空区的回填。 1 2 3 充填料挤压输送方法及问题 采用充填采矿法的矿山，主要采用两种方法输送充填料浆，其一是基于重力 的充填料浆自流输送。其二是基于机械力的充填料浆泵压输送。基于重力自流 输送的矿山，主要问题是充填料浆浓度普遍偏低，造成料浆离析和水泥的流失严 重，以及由此给采矿后续工艺带来其他问题羽。基于机械力的泵压输送，是根据 高浓度固液混合物的流变特性及其在管道内的特有流动状态，借鉴建筑上的泵送 混凝土技术，研究开发的一种充填料的输送技术旧1 ，充填料浆的泵送性能远不如 混凝土。由于充填料级配不能满足泵送的要求，在采用泵送膏体高浓度充填料 的矿山常常出现堵管现象嘲1 。且正排量泵具有易损件寿命短，备件费用高的缺点 【酷】 0 针对上述诸多问题，何哲祥教授等人提出了一种基于重力一机械力耦合作用 的高浓度充填料浆挤压输送新方法删1 。其思路是，在井下充填管路中间安装一 种不同于传统正排量泵( 混凝土泵) 的挤压输送设备，将整个充填管道分成两部 分：从地表充填站进料口至挤压输送设备( 入口管道) 和从挤压输送设备至采空 区( 出口管道) ，输送料浆时，输送设备的活塞在输送缸内作往复运动，在重力一 机械力耦合作用下，充填料浆流向充填管道出口，实现充填料浆的输送。 大量的研究结果和工业实验证明，充填料挤压输送在合理的条件下是可行 的。影响其的因素有充填管道长度、管道垂高、充填料浆浓度和流变参数、挤压 输送设备活塞运动周期、曲柄半径和安装置( 入口管道长度) 等参数。 充填料挤压输送能够解决长距离问题，但对于充填管道太长，一台挤压输送 设备不能解决问题时，能否采用两台压输送设备串联工作，仍需要从理论上进行 分析与实验研究。 7 硕士学位论文第一章文献综述 1 3 本课题研究内容及目的意义 1 3 1 研究的主要内容 本论文在重力一机械力耦合作用的高浓度充填料浆挤压输送新方法的基础上 对其进行改进，使其在充填管道距离太长时，采用两台挤压输送设备串联工作。 通过理论分析、计算机模拟研究，研究充填料串联管道挤压输送方法的原理及其 工业应用的可行性。主要研究内容如下： ( 1 ) 充填料管道串联挤压输送料浆受力分析。根据流体力学理论与方法， 分析充填料浆在“挤压状态下的受力状况。 ( 2 ) 充填料管道串联挤压输送速度和加速度方程推导。通过推导建立入口 管道和出口管道内充填料浆速度和加速度方程，通过对运动方程及受力分析，研 究挤压输送方法原理的可行性。 ( 3 ) 充填料串联挤压输送计算机编程及模拟计算。根据充填料串联挤压输 送原理，通过编程模拟计算某一时刻入口管道和出口管道内料浆的运动速度和加 速度以及三通内料浆的受力状态，从而研究分析料浆的流动规律。 1 3 2 目的意义 自1 8 6 4 年在美国宾夕法尼亚州的一个煤矿区进行了第一次水砂充填以保护 一座教堂的基础以来，水力充填技术已在国内外金属矿山广泛推广应用n 。水力 充填除了作为充填采矿的一个必须的环节外，它还是矿山固体废料资源化的有效 手段，通过矿山充填将矿山废料转化为矿山内部资源，最大限度地降低向地表排 放矿山废料量，可以从根本上解决矿山环境污染问题。实现绿色资源开采旧刊。 至今为止，采用充填采矿法的矿山，主要采用两种方法输送充填料浆，其一是基 语种力的充填料浆自流输送。其二是基于机械力的充填料浆泵压输送。然而，这 两种方法仍然存在许多问题。 针对基于重力的充填料浆自流输送和基于机械力的充填料浆泵压输送两种 方法存在的诸多问题，何哲祥教授等人提出了一种基于重力一机械力耦合作用的 高浓度充填料浆挤压输送新方法制，即矿山充填管道水力输送。相对于其他工 业领域，矿山充填管道水力输送具有运输物料成分复杂、充填骨料粒径变化大、 输送浓度差别大、输送距离长等特点。针对这些特点以及为了克服低浓度充填给 采矿工艺带来的问题，发展高浓度膏体泵压输送一直是矿山充填管道输送的发 展方向。然而，过去近三十年来，借鉴建筑业混凝土泵送技术而发展起来的泵送 充填，仍存在诸多方面的技术问题和难点，导致实际上成功应用泵送充填的矿山 8 硕士学位论文第一章文献综述 甚少，尤其是国内。因此，本课题研究充填料串联挤压输送过程中重力一机械力一 机械力耦合作用的料浆流动特性，为水力充填串联管道挤压输送新方法在矿业中 的应用奠定理论基础，对于提高矿山充填技术水平，节能减排，促进矿山环保， 实现绿色资源开采具有重要的意义。 9 硕士学位论文第二章充填料串联挤压输送模型及各管道受力分析 第二章充填料串联挤压输送模型及各管段受力分析 2 1 充填串联挤压输送模型建立 充填料串联挤压输送方法的基本思路是，在井下充填管路中串联挤压输送装 置，每个输送装置主要由三通、挤压输送缸和活塞、动力执行部分、润滑辅助部 分等组成，在管道分叉处也用三通连接。三通把整个充填管道分成三部分( 如图 2 1 所示) ：连接a 点处的三通和充填料制备站进料口之间的管段c a 称为入口 管段；连接a 点处三通和b 点处三通的管道称为中间管段，连接b 点处三通至 充填采场的管道b e 称为出口管段。三通的第三个接口与挤压输送装置的输送缸 相连。图为串联挤压输送基本示意图。 l 入口 。c 囊 荔dab ，。讧一，。， 。 _ 出口 b a c 为入口管段长度为l l ，b e 为出口管段长度为l 2 ，a b 为中间管段 长度为l 3 ，c d 为垂直管段高度为h l 。 图2 - 1 串联挤压输送模型图 2 2 充填料挤压输送条件假设 为便于分析，作如下假设： 1 ) 假定充填管路仅由垂直管段与水平管段组成，垂直管道、水平管道和挤压输送 装置输送缸的直径相同。 1 0 硕士学位论文第二章充填料串联挤压输送模型及各管道受力分析 2 ) 管道内充填料浆不含气泡，在挤压输送装置的机械作用下，充填料浆体积变 化很小，可视为不可压缩体，充填管道内料浆中任意一点的压力p 是向四周均匀 传播。 3 ) 充填料浆在管道内里柱塞状运动，其运动方程可用下式表示： ，8 v 、4 乙2 鳓唔) + j 式中：一管壁处剪切应力，n m 2 ； 脚一塑性粘度，n s m 2 ； 哺道内浆体平均流速，m s ； 嘴道直径，m ； 付浆体的屈服应力，n m ；。 充填料浆沿程摩阻损失用公式( 2 2 ) 计算： 1 63 2 y 卢面乞+ 可鳓 ( 2 一1 ) ( 2 - 2 ) 式中：i _ 沿程摩擦阻力，m p a 1 0 0 m 。 由式( 2 - 2 ) 可知，管道输送阻力i 与管径成反比，与浆体平均流速成正比，与 浆体的屈服应力和粘性系数成正比。泵送充填管路系统一定的情况下，当浆体流 速不变时，管道输送阻力随屈服应力( ) 和粘度系数( p ) 的增加而增大。 4 ) 管道内浆体为连续流体，输送过程中不出现离析。 2 3 设备活塞的运动规律 假设驱动电机带动曲柄作匀速园周运动，则活塞的位移呈三角函数形式变 化，挤压输送装置的活塞的运动计算可参照图2 - 2 。 硕士学位论文 第二章充填料串联挤压输送模型及各管道受力分析 图2 - 2 挤压输送装置活塞运动计算图 假定在压出行程区活塞的位移为s ，则运动方程可表示为： 式中：r 曲柄半径，r 值是滑块最大行程的一半，m 时一传动轴的角速度，r a c l s 对公式( 2 - 1 ) 微分可得活塞的速度方程： d s v = = ，国s i n o t 西 两次微分得加速度方程： a ：粤- - c o s 耐 = _，缈c - d f d r 2 4a 、b 点处速度和加速度方程 在a 点处流量平衡和受力平衡分别见图2 3 ： 1 2 ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) 硕士学位论文第二章充填料串联挤压输送模型及各管道受力分析 a 图2 - 3a 点处流量平衡分析 从前面的分析可知，在a 点处三通管内的浆体满足如下运动方程 吩2 哆一呼 2 口3 一q 式中： v ：一挤压输送装置输送缸活塞运动速度，m s ： v ：一入口管道内浆体平均流速，m s ； 试_ a b 管道内浆体平均流速，m s ： a a 一挤压输送装置输送缸活塞运动加速度，m s 2 ； 反一入口管道内浆体平均加速度，m s 2 ； 反一a b 管道内浆体平均加速度，m s 2 。 同理在b 点处流量平衡和受力平衡分别见图2 - 4 ： b 图2 - 4b 点处流量平衡分析 b 点处的三通管内的浆体满足如下运动方程： 咯= 哆一哆 = 口2 一码 硕士学位论文第二章充填料串联挤压输送模型及各管道受力分析 式中： v r 挤压输送装置输送缸活塞运动速度，m s ； 试一出1 ：3 管道内浆体平均流速，m s ， 口：一挤压输送装置输送缸活塞运动加速度，r r g s 2 ： 口：一出口管道内浆体平均加速度，m # 。 2 5 在串联作用下的浆体运动状态 根据上节活塞呈三角函数关系运动时的速度和加速度方程，并结合各管道流 量平衡和受力分析，得到在串联作用下浆体可能存在的运动状态。 2 5 1 活塞运动状态相同时串联管道浆体存在的运动状态 在活塞运动状态相同时，串联管道中浆体存在1 2 种运动状态，此1 2 种运动 状态列于图2 5 中。 1 4 硕士学位论文第二章充填料串联挤压输送模型及各管道受力分析 l 彳盯i t ( 1 )( 2 ) l li | i t盯 ( 3 ) ( 4 ) i tfi 事1 1 f ( 5 )( 6 ) i lfi 毒i l ( 7 ) ( 8 ) 1 5 硕士学位论文第二章充填料串联挤压输送模型及各管道受力分析 i lki l卜 ( 9 ) ( 1 0 ) i li l _i lh ( 1 1 )( 1 2 ) 图2 - 5 活塞运动状态相同时串联管道浆体存在的运动状态 2 5 2 两活塞运动差半个周期时串联管道浆体存在的运动状态 在两活塞运动差半个周期时，串联管道中浆体存在1 2 种运动状态，此1 2 种运动状态列于图2 - 6 中。 i 专i 善i 事h ( 1 ) ( 2 ) i 彳i 善i 董h ( 3 ) ( 4 ) 1 6 硕士学位论文第二章充填料串联挤压输送模型及各管道受力分析 卜 i tl tl l ( 5 )( 6 ) i lki 善盯 ( 7 ) ( 8 ) i li |l 善1 1 f ( 9 ) ( 1 0 ) 一 i lni li 童 ( 1 1 ) ( 1 2 ) 图2 - 6 两活塞运动差半个周期时串联管道浆体存在的运动状态 1 7 硕士学位论文第二章充填料串联挤压输送模型及各管道受力分析 2 6 串联挤压输送各管段受力分析 串联挤压输送示意图如图2 1 ，现在分别对各段串联管道进行受力分析，得 出它们的受力分析。 1 ) 在垂直管段c d 段 p o s jf jl p s 縻 习 一， 1 逐虿7 1rm g 浆体微元向下运动时 p jl 心 l縻 翔。 1 隧塑7 17 m g 1 r f 浆体微元向上运动时 图2 - 7 垂直管段浆体受力分析 浆体同卜还动时，如图2 - 7 m g p s f = m a p g h s p s f = m a 7 互一尸一吾= 詈西q p = 7 一2 反厶一( 姜丁o + 萨3 2 如h , g _ 4 i ) q 浆体向上运动时，如图2 - 7 + ，咨一p s = 聊q f + p g h i s - p s = p s h l a i p = 7 日+ 吾一詈西目 1 8 硕士学位论文 第二章充填料串联挤压输送模型及各管道受力分析 尸= 7 q 一詈矗q + 历1 6 一万3 2 坳h , ) 日 当浆体静止时，动力无法克服最大静摩擦力， 胆一芸q 只 7 马+ 历1 6 t 。h 。 在垂直管段内距入口垂高为h 处微元c 的浆体的受力分析见图2 7 。作用力 为大气压强p o 、重力和摩擦阻力。其中在管段转弯处d 点浆体压力p 与浆体移 动速度v 和浆体移动加速度a 呈如下单信分段函数： 当浆体向下运动时： 尸=，y马一2口：厶一(嚣丁o+i32脚h,g d ) q j 。 l 当浆体静止时： 7 凰一j 1 。6f 。h 。 卑 7 q + j 1 。6r 。h 。 产 ( 2 6 ) 当浆体向上运动时： p = 7 耳一2 西q + 1 6 一百3 2 如h , g d ) q j u “j 式中：a l 垂直内浆体加速度，m s 2 ； p l 垂直管内任一点浆体压力，k n m 2o p o - 大气压强，k n m ： h l 垂直管总高度，m ； r 浆体密度，k n m 3 ； v l 一垂直管内浆体运动速度，m s 。 2 ) 水平管段d a 段 取入口水平管道任意处的一微元c 对其进行受力分析： 浆体向a 点方向运动，如图2 8 ： 1 9 硕士学位论文 第二章充填料串联挤压输送模型及各管道受力分析 露s l n 网粥 。 1 ，1 隧筮盔翻 7 ) p s l n 翮溺。 1 雠趔7 7 罗 ps j 浆体微元向a 点运动时 浆体微元向d 点运动时 图2 - 8 水平d a 管段浆体受力分析 p s 一玟s f = m a p g h s p , s f = t n a y h 一层一= 詈口：厶 耳= 7 hl一2a：厶一嚣+百32如鹕,g 25 u 一 浆体同d 点万同还动，如图2 - 8 - 一丑。s + 厂+ p s = m q 一暑s + 厂+ p g h s = p 踢q 日。27 日+ 吾一詈西厶 日= ，y q 一詈口：州嚣一可3 2 州, 厶 当浆体静止时，动力无法克服最大静摩擦力， 埠。一j 1 。6r 。l 。 爿 + 面1 6f 。厶 根据对入1 2 1 管道微元进行受力分析可得如下结果： 硕士学位论文第二章充填料串联挤压输送模型及各管道受力分析 浆体向a 点运动 互= ，y 甄一詈西厶一( 嚣+ 萨3 2 如h ) 厶 浆体静止 。一面1 6 啦 暑 声。+ 西1 6 啪卜( 2 - 7 ) 浆体向。点运动互= ，y q 一詈口i 厶+ ( 嚣丁。一萨3 2 脚v l , ) 厶 根据假定，管道内充填料浆不含气泡，在挤压输送装置的机械作用下，充填料浆 体积变化很小，可视为不可压缩体，充填管道内料浆中任意一点的压强p 是向四 周均匀传播，所以三通的三个接口处料浆的压强大小一致， 日。= 日 浆体向a 点运动丑= 蜀+ ，y q 一詈西厶一岛1 6 + 歹3 2 鳓v i , ) 厶 浆体静止 ，y 县一面1 6 厶 耳 7 马+ j 1 d 6 7 。 ， 卜( 2 8 ) 浆体向。点运动e l w 昂+ ，y 局一詈西厶+ 当一可3 2 坳h ) 厶 3 ) a b 管段 对a b 管段任意处一微元c 进行受力分析： 浆体向b 运动时，如图2 - 9 g s l n 黝溺。 1 1 黝汹 7 一 ， 7 m l ! 丑。s ln 黝零溺 1 幽浏7 7 叠s 7 m g 浆体微元向b 点方向运动浆体微元向a 点方向运动 图2 - 9 水平a b 管段浆体受力分析 2 1 硕士学位论文第二章充填料串联挤压输送模型及各管道受力分析 毋s - i j s - f = 肌西 e l ls f 一昱s = p s z 3 4 日。一i j 一乏= j d 厶西 巧= 弓。一2 以厶一( - 1 6 = + 二3 丁2 坳v 3 , g 3 dd ) 厶。 r 。 浆体向a 运动时，如图2 - 9 - g s + f + p i 。s = m a ； p ! s - f - p z 。s = 一p s z 。4 乏一专一只= 一心西 乏= 异。一2 以厶+ ( = 1 6 一= 3 2 丁坳v 3 , g 3 dd ) 厶 。 当浆体静止时，动力无法克服最大静摩擦力， 。p l j 1 万6 厶 巧 丑。+ 面1 6 丁。厶 南以卜詈力分析得以下结罢： 浆体向b 点运动 乏= 丑一詈蠢厶一( 芸凡+ 罟如以) q 浆体静止 露。一面1 6 丁。厶 巧 丑。+ 西1 6 厶t ( 2 - 9 ) 浆体向a 点运动 乏= 异。一2 西厶+ ( 竺丁。一= 3 丁2 v 3 , g 3 dd ) 厶 一j _ 4 ) 出口管段b e 段 对出口管段b e 段任意处一微元c 进行受力分析： 浆体向管道e 点方向运动，如图2 1 0 硕士学位论文 第二章充填料串联挤压输送模型及各管道受力分析 l n 嬲网。 1 幽幽 7 浆体微元向e 点方向运动 黝 11 幽 戳s 浆体微元向b 点方向运动 图2 - 1 0 水平b e 管段浆体受力分析 p 2 s - f = m 如 最s f = j d 鸥口2 巧一i f = 心吻 巧= p 厶吐+ 吾 巧= 当+ 可3 2 坳鹕, + 詈吐厶 浆体背向管道出口方向即向b 点方向移动，如图2 1 0 - f - p 2 s = m