全磷废料高浓度充填两相流环管试验研究

doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2018.05.615

全磷废料高浓度充填两相流环管试验研究

刘冰¹^,², 李夕兵¹^,²

1 中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙 410083

2 中南大学深部金属矿产开发与灾害控制湖南省重点实验室，湖南长沙 410083

Study on Two-phase Flow Loop Test of High Concentration Backfill with Total Phosphorus Waste

LIU Bing¹^,², LI Xibing¹^,²

1 School of Resources and Safety Engineering，Central South University，Changsha 410083，Hunan，China

2 Hunan Provincial Key Laboratory of Resources Exploitation and Hazard Control for Deep Metal Mines，Changsha 410083，Hunan，China

收稿日期: 2018-07-25 修回日期: 2018-08-31

基金资助:

国家自然科学基金项目“深部资源开采诱发岩体动力灾害机理与防控方法研究”. 41630642
和国家重点研发计划项目“深部高应力诱导与能量调控理论”. 2016YFC0600706

Received: 2018-07-25 Revised: 2018-08-31

作者简介 About authors

刘冰（1987-），男，湖北潜江人，博士研究生，从事矿山充填研究工作iceliu2006@csu.edu.cn 。

摘要

为了获取不同浓度的磷石膏充填料浆在管道输送过程中沿程阻力的变化趋势，采用剪切流变试验和环管试验对磷石膏充填料浆的流动性能进行研究。结果显示：磷石膏充填料浆沿程阻力随浓度的增加呈梯度增长，且浓度越高阻力增长越快。在既有充填管网和充填配比情况下，当磷石膏充填料浆管输流量低于190 m³/h时，50%～54%质量浓度的充填料浆沿程阻力变化不大，充填料浆质量浓度可提高至54%进行管道输送。鉴于充填管网的复杂性、弯头和坡度等均会导致充填管道输送总阻力损失的增加，充填系统设计须留有余量。

关键词： 磷石膏 ; 充填料浆 ; 废料充填 ; 屈服应力 ; 沿程阻力 ; 环管试验

Abstract

In order to obtain the variation trend of frictional resistance in different concentration phospho-gypsum backfill slurry，the flow performance of the slurry was studied by shear rheological experiment and loop test.The results show that the frictional resistance of phosphogypsum backfill slurry increases multistep with the increase of concentration，and the higher the concentration，the faster the resistance increases.The research results show that under the condition of existing filling pipe network and filling ratio，displacement volume is less than 190 m³/h，frictional resistance change little with concentration of 50%~54%.Therefore，backfill slurry concentration can be raised to 54% for pipeline transportation，at this point the pipeline frictional resistance is around 0.2 kPa/m.In view of the complexity of mine backfill pipeline，the total resistance of transported backfill slurry will be increased，so the design of mine backfill system should make allowances for additional resistance due to the bend pipeline and slope.

Keywords： phosphogypsum ; backfill slurry ; waste backfill ; yield stress ; frictional resistance ; loop test

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本文引用格式

刘冰, 李夕兵. 全磷废料高浓度充填两相流环管试验研究[J]. 黄金科学技术, 2018, 26(5): 615-621 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2018.05.615

LIU Bing, LI Xibing. Study on Two-phase Flow Loop Test of High Concentration Backfill with Total Phosphorus Waste[J]. Gold Science and Technology, 2018, 26(5): 615-621 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2018.05.615

矿山在充填法开采中，为了更好地节约充填成本，通常将充填料浆通过管道以固液两相流的方式输送至采空区。但是固液两相流的充填料浆通常浓度较低，在井下会产生大量泌水，并且容易造成地下水环境污染。在磷石膏充填实践过程中，流动性好且泌水量少的似膏体充填技术已有突破性进展，试验已取得成功^[1,2]。然而，采用似膏体充填技术需要矿山相关部门规模化改造充填管网和泵送系统，根据矿山生产实际，原有充填管路系统的改造是一项复杂的工程，会给矿山的正常生产带来影响，并增加其运营成本。如果能在现有充填管网基础上实施两相流高浓度充填，找到低浓度与似膏体充填之间的契合点——在增大充填料浆浓度的同时，沿程阻力不会产生大的变化，充填阻力的变化又在现有充填管网可控的范围之内，这将对减少井下泌水量，提高现阶段充填效率具有十分重要的意义。为了研究高浓度磷石膏充填料浆沿程阻力的变化趋势，针对高浓度磷石膏充填料浆进行剪切流变试验和环管试验，以期得到其沿程阻力的变化规律。

1 研究方法

充填料浆的流动性能主要通过屈服应力、料浆塌落度和沿程阻力等指标进行衡量^[3,4,5]。浆体屈服应力是料浆开始流动所需克服的剪应力，是考察充填料浆流动性能的关键要素之一，因此国际上常把屈服应力作为高浓度充填、似膏体充填和膏体充填分类的判断依据^[6,7,8]，如Jewell等^[5]和Fall等^[7]均认为当料浆的屈服应力大于200 Pa时，充填料浆可视为膏体。屈服应力的测量有多种方法：CSS测试和CSR测试^[9]。CSS测试主要是通过剪切应力变化的流动曲线来确定屈服点；CSR测试主要是通过使用剪切流变仪，根据剪切速率线性变化的流动曲线来测量屈服应力，通过函数模型Bingham、Herschel-Bulkey或拟合公式计算得到屈服应力值，屈服点通常是曲线和Y轴的焦点^[10,11]。

目前常用流变模型过于简单，阻力计算经验公式也局限于特定的浆体，如国内的金川公式、国外的杜兰德公式（Durand）和托马斯公式（Thomas）等^[12,13]。考虑到充填料浆两相流的复杂性和充填材料的差异性，这些经验公式对不同充填材料的普适性较差。因此，模拟真实充填管路环境的环管试验是目前计算充填阻力损失最有效的方法之一，国内外诸多企业和研究单位均根据自己的需要建立了环管试验平台^[6]。环管管道敷设试验模拟了真实的井下管路输送环境，是最接近实际生产的有效试验方法，其直接通过测量充填管道两端的压力降值精确预测井下充填阻力，能够有效减小利用经验公式计算沿程阻力时带来的误差。沿程阻力计算方法如下：

Δ P = \frac{P_{2} - P_{1}}{L}

（1）

式中：P₁为充填管路高压端的压力值；P₂为充填管路低压端的压力值；L为高压端与低压端两点之间的管长；ΔP为所测管道的沿程阻力。

2 试验过程

2.1 剪切流变试验

剪切流变试验设备采用德国HAAKE公司生产的 VT550型数字旋转黏度计。试验充填骨料和胶凝材料分别选用磷石膏和以黄磷渣为基础配制的新型砂浆，其中磷石膏与新型砂浆配比为4∶1。磷石膏和黄磷渣均为磷化工废料，磷石膏粒径较细（0.030～0.106 mm），易于制浆和管道输送；黄磷渣的化学成分与天然硅灰石和普通硅酸盐水泥相近，具有潜在的胶凝活性^[6]。2004年开磷集团经过大量试验后，成功使用磷石膏和黄磷渣进行井下胶结充填，目前矿山充填常用配比是磷石膏∶新型砂浆=4∶1。

将充填料与水搅拌混匀配制成不同浓度的磷石膏充填料浆进行剪切流变试验，如图1所示。从图1可以看出，不同浓度磷石膏充填料浆浆体形态各不相同。浆体质量浓度越低，沉降速度越快；浆体质量浓度越高，浆体越稠密。

图1

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图1 不同浓度的磷石膏充填料浆剪切流变试验(据文献［6］修改)

Fig.1 Shear rheological test of backfill slurry with different concentrations of phosphogypsum (modified according to reference ［6］)

选用不同浓度磷石膏充填料浆进行剪切流变试验，在相同剪切速率区间得出不同浓度磷石膏充填料浆的平均剪切应力，如图2所示。

图2

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图2 不同浓度磷石膏充填料浆的平均剪切应力

Fig.2 Average shear stress of backfill slurry with different concentrations of phosphogypsum

从图2中明显可以区分出充填料浆质量浓度在44%～54%、56%～58%、60%～64%和66%～68% 4个阶段的平均剪切应力。当充填料浆质量浓度为56%、60%和66%时，剪切应力均出现了大幅跃升。根据试验得出的剪切应力和剪切速率变化曲线拟合出不同浓度充填料浆的屈服应力值，如图3所示。由图可以看出，54%和66%质量浓度为充填料浆屈服应力增长的2个拐点。浆体屈服应力对浆体质量浓度的改变较为敏感，当质量浓度较低时，水膜对浆体细颗粒之间有润滑作用，但质量浓度持续升高会造成颗粒之间直接接触，使得细颗粒的黏结力和粗颗粒的黏性摩擦力突然增大^[15,16]。

图3

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图3 不同质量浓度下磷石膏充填料浆屈服应力值

Fig.3 Yield stress of phosphogypsum backfill slurry with different mass concentrations

2.2 环管沿程阻力试验

环管试验在某磷矿环管试验基地上进行。环管试验测试平台由进料装置、搅拌装置、泵送装置及由水平管道和垂直管道组成的环状闭合输送管路等组成。管道的敷设主要是采用外径219 mm、壁厚6 mm、内径为207 mm的无缝钢管焊接而成。

输送管道上安装有压力传感器、温度传感器和流量计，并由计算机数据采集系统自动采集数据，图4为环管试验装置示意图^[14]。由于开展的是两相流高浓度试验，结合屈服应力测试结果，设定磷石膏充填料浆质量浓度分别为50%、52%、54%、56%、58%和60%，对每一组浓度试验测定不同流速下的压力降值。

图4

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图4 磷石膏充填料浆环管试验装置

Fig.4 Loop test devices of phosphorusgypsum backfill slurry

根据环管试验测试数据，由式（1）计算出50%～60%质量浓度的磷石膏充填料浆在不同流速下的管道沿程阻力（图5）。根据图5中A、B和C曲线，50%、52%和54%质量浓度充填料浆在充填流速低于1.7 m/s（对应流量为190 m³/h）时，沿程阻力随着流速的增加保持平稳，说明在此区间（50%～54%）料浆浓度的提高对沿程阻力的变化影响不大。当充填料浆的流速大于1.7 m/s时，沿程阻力出现较大幅度的增长，此时流速越大，沿程阻力增长越快，造成充填能耗增高且易发生堵管现象。因此，为了降低磷石膏充填料浆管输过程中的沿程阻力，流速应低于1.7 m/s。

图5

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图5 磷石膏充填料浆不同流速下的沿程阻力

Fig.5 Frictional resistance of phosphogypsum backfill slurry at different velocities

由图5中D、E和F曲线可以看出，在相同流速的情况下，56%、58%和60%质量浓度的充填料浆直管沿程阻力明显高于其他浓度的充填料浆，而且其沿程阻力起始就随着流速的增大而缓慢增长，特别是充填料浆质量浓度为58%的E曲线和质量浓度为60%的F曲线在流速为2 m/s时出现陡增。如果磷石膏充填料浆浓度高于58%时，充填料浆的管道输送流速应低于2 m/s。

3 试验结果分析

（1）屈服应力测量能够在一定程度上反映料浆流动性能，剪切流变试验与环管试验结果相互验证，在充填料浆质量浓度增大的情况下，均出现了阶梯式增长，这说明了2个试验结果的一致性，在以后设计试验方案时，可以减少重复试验，提高效率。

（2）在目前全磷废料充填生产中，磷石膏充填料浆质量浓度约为50%，流速一般介于1～2 m/s之间。环管试验中58%～60%质量浓度的充填料浆流速大于2 m/s时，沿程阻力急剧增大的现象在实际生产中基本不会出现。

（3）磷石膏充填料浆质量浓度介于50%～60%之间时，充填料浆形态多变，充填阻力变化较大。结合剪切流变试验和环管试验结果，将充填料浆质量浓度由原来的50%提高至54%，在充填流速低于1.7 m/s （对应流量为190 m³/h）的情况下，其管道沿程阻力增长缓慢（50%、52%和54%质量浓度的充填料浆在低流速的情况下沿程阻力相差不大），故在提高浓度的同时，其充填阻力较为稳定，对其原有充填敷设管路不会有太大影响。

（4）为了更好地分析充填料浆浓度对沿程阻力的影响，计算出不同浓度充填料浆在流速低于2 m/s时的平均沿程阻力，结果如图6所示。由图可以看出，50%～54%质量浓度下充填料浆的平均沿程阻力相差不大，56%～58%质量浓度下充填料浆管道输送的沿程阻力为50%～54%质量浓度时的3倍，60%质量浓度下充填料浆的沿程阻力是50%～54%浓度充填料浆沿程阻力的近6倍。因此，磷石膏充填料浆浓度的改变对其充填管道输送阻力会有较大影响，过快提高充填料浆浓度会对现有输送管网造成压力，容易造成堵管和爆管，影响安全生产。

图6

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图6 不同浓度磷石膏充填料浆平均沿程阻力

Fig.6 Average frictional resistance of phosphogypsum backfill slurry at different concentrations

4 工业验证

矿山充填管网设计十分复杂，充填料浆输送管网的总阻力由直管阻力、局部弯头阻力和高差引起的阻力损失等组成。由于磷石膏剪切流变试验和和环管试验只是简单模拟充填浆体的流动性能并预测其沿程阻力的变化趋势，实际阻力损失还需通过工业试验验证。为了防止沿程阻力突增引起不可控的堵管和爆管事件，工业试验的浓度和流速均有限制。结合环管试验结果，磷石膏充填料浆质量浓度不能超过54%，流速不能超过1.7 m/s。

由于开阳磷矿井下输送管网复杂、充填倍线较大，自流充填无法实现正常生产，必须进行泵送充填。磷石膏高浓度充填工业试验在开阳磷矿进行，从一级泵站到充填站的距离为17.9 km（图7），高程为80 m，采用外径为219 mm、壁厚为6 mm和内径为207 mm的无缝钢管组成的管道进行输送，充填浆体输送管道包含了水平直管道、倾斜上行管路、倾斜下行管路和弯管等。

图7

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图7 一级泵站到充填站的距离

Fig.7 Calculated distance from primary pump station to phosphorusgypsum backfill station

根据充填输送管道上安装的压力和流量传感器，可以得出不同质量浓度（46%、48%、50%、52%和54%）、不同流速（1m/s、1.2m/s、1.6m/s）条件下一级泵站到充填站的沿程阻力（水力坡度）和总阻力损失，如图8和图9所示。

图8

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图8 不同浓度磷石膏充填料浆工业试验沿程阻力

Fig.8 Frictional resistance of industrial test of phosphogypsum backfill slurry at different concentrations

图9

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图9 不同浓度磷石膏充填料浆工业试验总阻力损失

Fig.9 Total resistance of industrial test of phosphogypsum backfill slurry at different concentrations

图8显示，沿程阻力随质量浓度的增加呈缓慢上升趋势，平均沿程阻力在0.2 kPa/m上下浮动。由图9可以看出，按照直管沿程阻力计算，总阻力损失应该在4～5 MPa之间，但质量浓度为54%的充填料浆总阻力损失接近6 MPa。由于浆体输送管路的复杂性，局部弯头阻力和高差引起的重力势能均可增加总阻力损失，因此，在进行充填泵的选型时，泵送能力至少要有20%的余量。

5 结论

（1）为了在现有充填管网基础上尽量提高磷石膏充填质量浓度，减少井下排水并缩短生产周期，当管径为200 mm时，实际生产充填料浆质量浓度提高至54%左右较为合适，而充填料浆流速低于1.7 m/s较好，此时其管道直管沿程阻力约为0.2 kPa/m。

（2）环管试验结果表明，料浆质量浓度和流速对沿程阻力的影响均较大。充填料浆的浓度并非越高越好，阻力在特定浓度下会突增。工业试验表明，弯管和坡度对充填管网总阻力损失的影响较大，充填管网的设计应尽可能遵循“少弯头、低坡度”的原则。

（3）充填料浆质量浓度提高至56%以上，其沿程阻力会成倍增加，给充填管网带来极大压力，可能造成堵管和爆管事件。因此，为了更好地进行高浓度充填或似膏体充填，使用更好的耐压管道和更先进的泵送系统进行充填管网的改造是重要举措。

参考文献

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文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

李夕兵，周健，王少锋，等.

深部固体资源开采评述与探索

[J].中国有色金属学报，2017，27（6）：1236-1262.