金礦全尾砂長距離輸送系統(tǒng)設計 —— 文章正文2015-03-18
倉上金礦新立礦區(qū)是露天礦閉坑后的主要接替礦區(qū)，計劃2006年生產(chǎn)能力達到2500t/d，采用高濃度全尾砂上向分層充填法開采，充填制備站與選廠有6km之遙，尾砂供給系統(tǒng)的確定對礦山生產(chǎn)有重要影響，原使用的汽車運輸分級尾砂，由于存在運輸成本高、生產(chǎn)連續(xù)性差、充填供砂濃度低等諸多問題，礦山?jīng)Q定試驗管道輸送全尾砂充填方式。
一、基本設計參數(shù)及經(jīng)驗公式
（一）基本設計參數(shù)
倉上金礦尾砂基本性質與管路設計選型所需的基本參數(shù)如表1所示。
表1 尾砂輸送管路設計基本參數(shù)
（二）漿體管道輸送相關計算經(jīng)驗公式
1、臨界流速計算公式。比較著名的臨界流速計算公式主要有如下幾個：
（1）杜蘭德公式。
式中：
Ukp－臨界流速，m/s；
FL－淤積開始時的福氏修正系數(shù)，對于一定系統(tǒng)為常數(shù)；
g－重力加速度，9.8m/s2；
D－管徑，m；
Ps－固體的密度，kg/m3；
ph－水的密度，kg/m3。
（2）瓦斯普公式。
式中：
ds－固體顆粒直徑，mm；
其它符號同上。
（3）C.A.Shook公式。
式中：
Cx為固體顆粒沉降阻力系數(shù)，式中，Cx為固體顆粒沉降阻力系數(shù)，
（4）秦皇島黑色冶金礦山設計院公式。
（5）長沙礦冶研究院公式。
（6）鞍山黑色冶金礦山設計研究院公式。
CQm＝0.3～0.45時K＝2.167，a＝0.256，b＝0.45。
2、管道輸送摩阻損失計算經(jīng)驗公式。比較著名的管道輸送摩阻損失計算經(jīng)驗公式主要有如下幾個：
（1）金川鎳鉆研究所公式。
式中：
10－清水水力坡度，mH2O/m；
CQv－固液兩相流流量體積濃度，%；
U－漿體平均流速，耐5；
CX－反映固體顆粒沉降特性的阻力系數(shù)，
ds－固體顆粒粒徑，Ilun；
ω－固體顆粒的自由沉降速度，cm/s。
（2）長沙礦冶研究院公式。
式中：
p－漿體的密度，kg/m3；
其它符號同上。
（3）鞍山礦山設計院公式。
式中：
n－指數(shù)，
－加權平均沉降速度，cm/s；
ds－沉降速度為 的當量粒徑，mm；
μ－兩相流動力豁性系數(shù)。
（4）北京有色冶金設計研究總院公式。
式中：
CQm－固液兩相流質量濃度；
其它符號意義同上。
（5）焦家金礦公式。
符號意義同上。
（6）陜西水科院公式。
符號意義同上。
二、管路系統(tǒng)的一般設計
（一）以總砂且100%輸送計算
已知Q＝0.0709m3/s，參考有關資料得Ukp＝1.4m/s，則由公式：
得：
選用標準管徑D＝250mm，則實際流速U＝
＝1.45m/s，U＞Ukp。
泵送總揚程通過下式計算：
式中：
Hj－泵送砂漿時（折合為清水）所需要的總揚程，m；
H－需要的幾何高差，m；
pw－水的密度，t/m3；
pp－砂漿的密度，t/m3；
L－包括直管彎頭、閘門、三通等阻力損失折合為直管的總長度，m；
i－管道清水阻力損失；
h－剩余壓頭，m。
dcp＝0.09mm；砂漿密度pp＝1.287t/m3，；管長L＝6000m；幾何揚高H＝27.5m；
剩余壓頭h＝2m，查閱有關設計資料1＝0.0228，按總揚程計算公式得：
即選用的泵的揚程應高于123.sm（合壓力損失2.69MPa）。
為保證輸送安全可靠，確定安全系數(shù)為1.2，則工作流速確定為1.7m/s，根據(jù)需要輸送的尾砂總量，計算得所需管徑為230lun，實際流速為1.71m/s，高于臨界流速。工作流速為1.7m/s時，利用總揚程公式確定泵的總揚程不變，仍為213.5m。
（二）以總砂70%輸送進行計算
若以總砂量的70%進行輸送，則Q＝0.04693m3/5，工作流速為1.7m/s，由公式得：
取標準管徑109mm，實際流速為1.57m/s，高于臨界流速。總揚程不變，仍為213.5m。
三、輸送濃度的確定
根據(jù)礦石的日處理量以及產(chǎn)砂率，計算出每天需要輸送的尾砂漿總量，在輸送總量一定的條件下，確定管徑與流速之間的關系，在不同輸送濃度下，管徑與流速之間的對應關系見圖1、2。
圖1 輸送濃度30%時管徑與流速對應關系
圖2 輸送濃度35%時管徑與流速對應關系
在輸送量一定的條件下，增加管徑可以降低流速，但意味著管路投資加大，而減少管徑，需要增高流速，則意味著提高輸送動力。
選礦廠尾礦排出濃度經(jīng)測定為35%～38%，一種方案是按此濃度直接采用泵壓輸送，即將尾礦漿料排人油隔離泵攪拌筒內，用礦山現(xiàn)有的兩臺油隔離泵或新增一臺大功率油隔離泵送至充填砂倉內。另一種方案是將選廠尾礦采用濃密機或主旋流器濃縮至50%左右的高濃度，再用油隔離泵送至砂倉內。第一方案輸送壓力低，工作環(huán)節(jié)少，可盡可能利用現(xiàn)有輸送設備；第二方案輸送濃度高，倉內沉淀快，尾砂利用率高。采用45%以上的高濃度輸送可以增加輸送能力，減少砂倉內細粒尾砂溢流，提高充填濃度，但輸送動力需要大幅增加，而且尾砂脫水工藝較為復雜。經(jīng)過計算，只需將刀%的尾砂送至砂倉即可滿足井下供砂需要，因此設計確定輸送濃度35%。
四、臨界流速與管路損失計算
（一）臨界流速計算
利用不同經(jīng)驗公式計算質量濃度35%時不同管徑所對應的臨界流速如表2。
表2 利用經(jīng)驗公式計算砂漿濃度35%時不同管徑的臨界流速
（二）管路摩阻損失計算
運用不同的摩阻損失經(jīng)驗公式計算砂漿質量濃度為35%，管徑分別為180mm、20mm和220mm條件下不同流速所對應的摩阻損失，見表3、表4和表5。
表3 質量濃度35%管徑D二180nun流速與對應的摩阻損失
表4 質量濃度35%管徑D＝200mm流速與對應的摩阻損失
表5 質量濃度35%管徑D＝220mm流速與對應的摩阻損失
結果表明，隨著管徑的增加，摩阻損失隨之減少，并且隨著流速的增加，摩阻損失隨之增加。
（三）輸送且一定時摩阻損失計算
如果將總產(chǎn)砂量的70%通過一路管道輸送到砂倉用于井下充填，而另外30%直接排放到尾礦庫，則需要流量為0.04963m3/5，若工作流速為1.7m/s，則需要管徑為193mm，不同公式計算管道阻力損失如表6。
表6 輸送70%時的摩阻損失
五、輸送系統(tǒng)的確定
（一）輸送設備參數(shù)確定
利用設計手冊中的設計方法和經(jīng)驗公式計算，充填尾砂輸送泵選用輸出壓力4MPa、流量180m3/h的輸送泵為宜。利用設計手冊中的揚程計算公式計算得管路的總摩阻損失為2.69MPa，利用比較接近現(xiàn)場實際情況的經(jīng)驗公式如金川公式、焦家金礦公式、北京有色院公式等計算所得的摩阻損失均小于4MPa，所以選用輸出壓力為4MPa的輸送泵可以完全保證輸送的安全平穩(wěn)進行，同時為今后進一步擴大輸送能力留有足夠的空間。
（二）輸送管路確定
在保證尾砂輸送能力的前提下，經(jīng)過與采用兩套直徑165m管路同時輸送的方案比較，決定采用一套直徑200mm鋼管進行輸送，管路長度為5985m。采用一套大管徑管路輸送具有節(jié)省投資，操作簡單，方便管理，檢修工作量小等優(yōu)點。
（三）輸送設備類型選擇
鑒于油隔離泵具有輸出壓力高、運行費用低、流量隨壓力變化小、輸送物料粒徑與尾砂相適應等優(yōu)點，設計推薦選用油隔離泵為輸送動力設備。
六、結論
倉上金礦一年多的試運行結果表明，采用設計推薦的輸送系統(tǒng)進行全尾砂長距離管道輸送是成功的。而且系統(tǒng)運行可靠，選礦廠和充填站濃度和粒級分析表明管內未發(fā)生堵塞、管內沉降等事故。
參考文獻
1、E.J.瓦斯普.固體物料漿體管道輸送.黃河水利委員會科研所，北京:水利出版社，1980
2、費祥俊.漿體粒狀物料輸送水力學.北京:清華大學出版社,1994.
3、孫恒虎.膏體充填自流輸送系統(tǒng)特征參數(shù)分析.有色金屬,2000,52(3):7～10.
4、張興榮.高濃度漿體在管道輸送中水流結構及運動機理研究.水力采煤與管道運輸,1997(4):20～28.
作者單位
北京礦冶研究總院（付毅、張長鎖）
金倉礦業(yè)有限公司倉上分礦（孫樂余）
廣東省安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局（劉玲平）
