金矿全尾砂长距离输送系统设计 —— 文章正文2015-03-18
仓上金矿新立矿区是露天矿闭坑后的主要接替矿区，计划2006年生产能力达到2500t/d，采用高浓度全尾砂上向分层充填法开采，充填制备站与选厂有6km之遥，尾砂供给系统的确定对矿山生产有重要影响，原使用的汽车运输分级尾砂，由于存在运输成本高、生产连续性差、充填供砂浓度低等诸多问题，矿山决定试验管道输送全尾砂充填方式。
一、基本设计参数及经验公式
（一）基本设计参数
仓上金矿尾砂基本性质与管路设计选型所需的基本参数如表1所示。
表1 尾砂输送管路设计基本参数
（二）浆体管道输送相关计算经验公式
1、临界流速计算公式。比较著名的临界流速计算公式主要有如下几个：
（1）杜兰德公式。
式中：
Ukp－临界流速，m/s；
FL－淤积开始时的福氏修正系数，对于一定系统为常数；
g－重力加速度，9.8m/s2；
D－管径，m；
Ps－固体的密度，kg/m3；
ph－水的密度，kg/m3。
（2）瓦斯普公式。
式中：
ds－固体颗粒直径，mm；
其它符号同上。
（3）C.A.Shook公式。
式中：
Cx为固体颗粒沉降阻力系数，式中，Cx为固体颗粒沉降阻力系数，
（4）秦皇岛黑色冶金矿山设计院公式。
（5）长沙矿冶研究院公式。
（6）鞍山黑色冶金矿山设计研究院公式。
CQm＝0.3～0.45时K＝2.167，a＝0.256，b＝0.45。
2、管道输送摩阻损失计算经验公式。比较著名的管道输送摩阻损失计算经验公式主要有如下几个：
（1）金川镍钻研究所公式。
式中：
10－清水水力坡度，mH2O/m；
CQv－固液两相流流量体积浓度，%；
U－浆体平均流速，耐5；
CX－反映固体颗粒沉降特性的阻力系数，
ds－固体颗粒粒径，Ilun；
ω－固体颗粒的自由沉降速度，cm/s。
（2）长沙矿冶研究院公式。
式中：
p－浆体的密度，kg/m3；
其它符号同上。
（3）鞍山矿山设计院公式。
式中：
n－指数，
－加权平均沉降速度，cm/s；
ds－沉降速度为 的当量粒径，mm；
μ－两相流动力豁性系数。
（4）北京有色冶金设计研究总院公式。
式中：
CQm－固液两相流质量浓度；
其它符号意义同上。
（5）焦家金矿公式。
符号意义同上。
（6）陕西水科院公式。
符号意义同上。
二、管路系统的一般设计
（一）以总砂且100%输送计算
已知Q＝0.0709m3/s，参考有关资料得Ukp＝1.4m/s，则由公式：
得：
选用标准管径D＝250mm，则实际流速U＝
＝1.45m/s，U＞Ukp。
泵送总扬程通过下式计算：
式中：
Hj－泵送砂浆时（折合为清水）所需要的总扬程，m；
H－需要的几何高差，m；
pw－水的密度，t/m3；
pp－砂浆的密度，t/m3；
L－包括直管弯头、闸门、三通等阻力损失折合为直管的总长度，m；
i－管道清水阻力损失；
h－剩余压头，m。
dcp＝0.09mm；砂浆密度pp＝1.287t/m3，；管长L＝6000m；几何扬高H＝27.5m；
剩余压头h＝2m，查阅有关设计资料1＝0.0228，按总扬程计算公式得：
即选用的泵的扬程应高于123.sm（合压力损失2.69MPa）。
为保证输送安全可靠，确定安全系数为1.2，则工作流速确定为1.7m/s，根据需要输送的尾砂总量，计算得所需管径为230lun，实际流速为1.71m/s，高于临界流速。工作流速为1.7m/s时，利用总扬程公式确定泵的总扬程不变，仍为213.5m。
（二）以总砂70%输送进行计算
若以总砂量的70%进行输送，则Q＝0.04693m3/5，工作流速为1.7m/s，由公式得：
取标准管径109mm，实际流速为1.57m/s，高于临界流速。总扬程不变，仍为213.5m。
三、输送浓度的确定
根据矿石的日处理量以及产砂率，计算出每天需要输送的尾砂浆总量，在输送总量一定的条件下，确定管径与流速之间的关系，在不同输送浓度下，管径与流速之间的对应关系见图1、2。
图1 输送浓度30%时管径与流速对应关系
图2 输送浓度35%时管径与流速对应关系
在输送量一定的条件下，增加管径可以降低流速，但意味着管路投资加大，而减少管径，需要增高流速，则意味着提高输送动力。
选矿厂尾矿排出浓度经测定为35%～38%，一种方案是按此浓度直接采用泵压输送，即将尾矿浆料排人油隔离泵搅拌筒内，用矿山现有的两台油隔离泵或新增一台大功率油隔离泵送至充填砂仓内。另一种方案是将选厂尾矿采用浓密机或主旋流器浓缩至50%左右的高浓度，再用油隔离泵送至砂仓内。第一方案输送压力低，工作环节少，可尽可能利用现有输送设备；第二方案输送浓度高，仓内沉淀快，尾砂利用率高。采用45%以上的高浓度输送可以增加输送能力，减少砂仓内细粒尾砂溢流，提高充填浓度，但输送动力需要大幅增加，而且尾砂脱水工艺较为复杂。经过计算，只需将刀%的尾砂送至砂仓即可满足井下供砂需要，因此设计确定输送浓度35%。
四、临界流速与管路损失计算
（一）临界流速计算
利用不同经验公式计算质量浓度35%时不同管径所对应的临界流速如表2。
表2 利用经验公式计算砂浆浓度35%时不同管径的临界流速
（二）管路摩阻损失计算
运用不同的摩阻损失经验公式计算砂浆质量浓度为35%，管径分别为180mm、20mm和220mm条件下不同流速所对应的摩阻损失，见表3、表4和表5。
表3 质量浓度35%管径D二180nun流速与对应的摩阻损失
表4 质量浓度35%管径D＝200mm流速与对应的摩阻损失
表5 质量浓度35%管径D＝220mm流速与对应的摩阻损失
结果表明，随着管径的增加，摩阻损失随之减少，并且随着流速的增加，摩阻损失随之增加。
（三）输送且一定时摩阻损失计算
如果将总产砂量的70%通过一路管道输送到砂仓用于井下充填，而另外30%直接排放到尾矿库，则需要流量为0.04963m3/5，若工作流速为1.7m/s，则需要管径为193mm，不同公式计算管道阻力损失如表6。
表6 输送70%时的摩阻损失
五、输送系统的确定
（一）输送设备参数确定
利用设计手册中的设计方法和经验公式计算，充填尾砂输送泵选用输出压力4MPa、流量180m3/h的输送泵为宜。利用设计手册中的扬程计算公式计算得管路的总摩阻损失为2.69MPa，利用比较接近现场实际情况的经验公式如金川公式、焦家金矿公式、北京有色院公式等计算所得的摩阻损失均小于4MPa，所以选用输出压力为4MPa的输送泵可以完全保证输送的安全平稳进行，同时为今后进一步扩大输送能力留有足够的空间。
（二）输送管路确定
在保证尾砂输送能力的前提下，经过与采用两套直径165m管路同时输送的方案比较，决定采用一套直径200mm钢管进行输送，管路长度为5985m。采用一套大管径管路输送具有节省投资，操作简单，方便管理，检修工作量小等优点。
（三）输送设备类型选择
鉴于油隔离泵具有输出压力高、运行费用低、流量随压力变化小、输送物料粒径与尾砂相适应等优点，设计推荐选用油隔离泵为输送动力设备。
六、结论
仓上金矿一年多的试运行结果表明，采用设计推荐的输送系统进行全尾砂长距离管道输送是成功的。而且系统运行可靠，选矿厂和充填站浓度和粒级分析表明管内未发生堵塞、管内沉降等事故。
参考文献
1、E.J.瓦斯普.固体物料浆体管道输送.黄河水利委员会科研所，北京:水利出版社，1980
2、费祥俊.浆体粒状物料输送水力学.北京:清华大学出版社,1994.
3、孙恒虎.膏体充填自流输送系统特征参数分析.有色金属,2000,52(3):7～10.
4、张兴荣.高浓度浆体在管道输送中水流结构及运动机理研究.水力采煤与管道运输,1997(4):20～28.
作者单位
北京矿冶研究总院（付毅、张长锁）
金仓矿业有限公司仓上分矿（孙乐余）
广东省安全生产监督管理局（刘玲平）
