高浓度料浆充填环管试验仿真系统.pdf

一种高浓度料浆充填环管试验仿真系统，包括：参数输入单元，用于输入多个参数，用以计算管道对充填料浆的阻力系数；参数选择和设定单元，用于从输入的多个参数中选择一个参数并设定为变量，同时将其余参数设定为常量，计算单元，用于以预定的关系式利用所述多个参数计算出所述阻力系数，以便得到所述料浆的阻力系数与所选择的一个参数的对应关系，存储单元，用于存储所述计算单元计算出的料浆的阻力系数；和输出单元，用于输出存储在存储单元内的料浆的阻力系数。利用根据本发明的高浓度料浆充填环管试验仿真系统，操作简单，适用范围广，无需在矿山上实际地进行环管试验，节省了成本，减少了矿山的建设周期。

1、  一种高浓度料浆充填环管试验仿真系统，包括：
参数输入单元，用于输入多个参数，所述多个参数包括充填料浆的体积浓度、流速、充填料浆中的固体物料密度、和管道的管径，用以计算管道对充填料浆的阻力系数；
参数选择和设定单元，用于从输入的多个参数中选择一个参数并设定为变量，同时将其余参数设定为常量；
计算单元，用于以预定的关系式利用所述多个参数计算出所述料浆的阻力系数，以便得到所述料浆的阻力系数与所选择的一个参数的对应关系，所述预定的关系式为：
ij=i0{1+106.9mt4.42(gD(γk-1)v2Cx)1.78}]]>
其中：
i_j-单位长度的水平管道对充填料浆的阻力系数；
i₀-单位长度的水平管道对清水的阻力系数；
m_t-充填料浆的体积浓度；
g-重力加速度；
D-管道的管径；
v-充填料浆的流速；
Cx-充填料浆中固定物料颗粒的沉降阻力系数；
γ_k-充填料浆中的固体物料的密度，
其中所述单位长度的水平管道对清水的阻力系数i₀由计算单元以下面的关系式利用流速计算出：
i₀＝0.0215v²-0.0218v+0.0171；
存储单元，用于存储所述计算单元计算出的料浆的阻力系数；和
输出单元，用于输出存储在存储单元内的料浆的阻力系数。

2、  根据权利要求1所述的高浓度料浆充填环管试验仿真系统，进一步包括步长设定单元，用于设定所选择的一个参数变化的步长。

3、  根据权利要求2所述的高浓度料浆充填环管试验仿真系统，其中所述料浆的阻力系数与所选择的一个参数的对应关系为曲线图或表格的形式。

4、  根据权利要求1-3中任一项所述的高浓度料浆充填环管试验仿真系统，其中所述固体物料颗粒的沉降阻力系数由计算单元以下面的关系式计算出：
Cx=1308(γk-γ0)dpω2]]>
其中ω由计算单元以下面的关系式计算出：
ω=1187.2dp2+46.273dp+0.1809]]>
其中：
d_p-充填料浆中固体物料颗粒的平均粒径；
ω-充填料浆中固体物料颗粒的平均沉降速度；
γ₀-水的密度。

5、  根据权利要求4所述的高浓度料浆充填环管试验仿真系统，其中所述流速由计算单元以下面的关系式利用作为参数通过输入单元输入的充填料浆的流量计算出：
v=4QπD2]]>
其中：
Q-充填料浆的流量。

6、  根据权利要求5所述的高浓度料浆充填环管试验仿真系统，其中所述充填料浆中的固体物料主要包括尾砂和各种添加材料，
其中所述充填料浆中固体物料的密度由计算单元以下面的关系式利用作为参数通过输入单元输入的固体物料中的尾砂的密度、充填料浆中的各种添加材料的密度、和尾砂与各种添加材料的重量比计算出：
γk=1+ΣMi1γw+Σi=1nMiγi]]>
其中：
γ_k-充填料浆中的固体物料的密度；
γ_w-固体物料中的尾砂的密度；
γ_i-充填料浆中的各种添加材料的密度；
M_i-尾砂与各种添加材料的重量比。

7、  根据权利要求6所述的高浓度料浆充填环管试验仿真系统，其中所述充填料浆的体积浓度由计算单元以下面的关系式利用作为参数通过输入单元输入的充填料浆的重量浓度计算出：
mt=γjγkmz]]>
且充填料浆的比重由计算单元以下面的关系式计算出：
γj=γ0γkγk-mz(γk-γ0)]]>
其中：
m_z-充填料浆的重量浓度，
γ_j-充填料浆的比重。

8、  根据权利要求7所述的高浓度料浆充填环管试验仿真系统，其中所选择的一个参数为充填料浆的重量浓度、充填料浆的比重、充填料浆中固体物料的密度、和固体物料的平均粒径之一。

9、  根据权利要求1所述的高浓度料浆充填环管试验仿真系统，其中所选择的一个参数为流速或管径之一。

10、  根据权利要求1所述的高浓度料浆充填环管试验仿真系统，其中所述输出单元为显示器、打印机、绘图仪、和磁盘其中之一。

高浓度料浆充填环管试验仿真系统
技术领域
本发明涉及一种充填环管试验仿真系统，尤其是涉及一种高浓度料浆充填环管试验仿真系统，该高浓度料浆充填环管试验仿真系统能够模拟进行高浓度料浆充填环管试验并且低成本、快速高效、适用范围广，从而可以替代在矿山实地的工业充填环管试验。
背景技术
在矿山开采中，在开采过程中会留下许多采空区，这些采空区会导致周围岩体崩落，从而危及正常的开采。另外，大量的采出废石，特别是选矿尾砂，堆积在地面会对环境造成污染。
充填采矿法是将开矿采出的废石，特别是选矿尾砂，形成充填料浆利用管道充填到采空区的矿山开采方法，该方法能够提高矿物回采率，减少贫化率，充分利用现有资源，有效地控制地压和地表塌陷，优化矿区周围环境等特点，因而得到了广泛的应用。
在利用尾砂等形成的充填料浆充填采空区的矿山充填工艺中，充填环管试验是一个重要的准备环节。由于矿山受开采工艺、充填料来源、成本、环境保护等众多因素的影响，充填的矿山，矿山尾矿的组分和粒级组成千差万别，因此必须在矿山实地进行环管输送试验，以便测定充填料浆的流体指标和流变指标、例如环管(管道)对充填料浆的阻力系数和充填料浆的临界流速，作为设计充填环管的依据，也就是说，在矿山上进行充填环管试验的目的是为了获得充填管道对料浆的阻力系数和充填料浆在管道内的临界流速。
根据料浆质量浓度的高低，料浆充填可以分为水力充填、高浓度料浆充填和膏体充填，其中从水力充填到膏体充填，充填料浆的质量浓度依次增高。
目前，为了设计用于特定矿山的高浓度料浆充填环管，必须在该特定矿山上实地进行全尺寸的高浓度料浆充填环管试验，即，在矿山上设置管路和设备进行高浓度料浆充填环管试验。另外，在一个特定矿山进行的工业高浓度料浆环管试验，得到流体指标和流变指标也仅仅适用于该特定矿山。因此，对于每个特定的矿山，一般都要进行针对该矿山的工业高浓度料浆环管试验。
但是，要实地进行一个全尺寸的工业环管试验，不但需要耗费大量的人力、物力和财力，而且要经历漫长地时间，延长了矿山的建设周期。
以某矿业股份有限公司的充填环管实验为例，从制定方案、筹备、实验、数据汇总与分析、得出有关数据等一系列的环节，花费时间超过一年，投入的实验资金超过百万元，还耗费了大量的人力，并且该环管试验得到的数据无法直接应用于其他矿山。
发明内容
本发明的目的是提出一种高浓度料浆充填环管试验仿真系统，利用该高浓度料浆充填环管试验仿真系统能够针对各种条件的矿山，得到一系列高浓度料浆充填料浆的流体参数和流变参数，例如管道对充填料浆的阻力系数，作为矿山充填工艺系统设计的依据或参考，由此替代真正的工业高浓度料浆充填环管试验，从而节省人力、物力和财力。
本发明的另一目的是提出一种高浓度料浆充填环管试验仿真系统，该高浓度料浆充填环管试验仿真系统的精度比实际的工业高浓度料浆充填环管试验的精度更高，而且速度快，系统构造简单。
根据本发明的第一实施例，提出一种高浓度料浆充填环管试验仿真系统，包括：参数输入单元，用于输入多个参数，所述多个参数包括充填料浆的体积浓度、流速、充填料浆中的固体物料密度、和管道的管径，用以计算管道对充填料浆的阻力系数；参数选择和设定单元，用于从输入的多个参数中选择一个参数并设定为变量，同时将其余参数设定为常量；计算单元，用于以预定的关系式利用所述多个参数计算出所述料浆的阻力系数，以便得到所述料浆的阻力系数与所选择的一个参数的对应关系，所述预定的关系式为：
ij=i0{1+106.9mt4.42(gD(γk-1)v2Cx)1.78}]]>
其中：
i_j-单位长度的水平管道对充填料浆的阻力系数；
i₀-单位长度的水平管道对清水的阻力系数；
m_t-充填料浆的体积浓度；
g-重力加速度；
D-管道的管径；
v-充填料浆的流速；
Cx-充填料浆中固定物料颗粒的沉降阻力系数；
γ_k-充填料浆中的固体物料的密度，
其中所述单位长度的水平管道对清水的阻力系数i₀由计算单元以下面的关系式利用流速计算出：
i₀＝0.0215v²-0.0218v+0.0171；
存储单元，用于存储所述计算单元计算出的料浆的阻力系数；和
输出单元，用于输出存储在存储单元内的料浆的阻力系数。
根据本发明第二实施例的高浓度料浆充填环管试验仿真系统还包括步长设定单元，用于设定所选择的一个参数变化的步长。
根据本发明的第三实施例，所述料浆的阻力系数与所选择的一个参数的对应关系为曲线图或表格的形式。
根据本发明的第四实施例，高浓度料浆充填环管试验仿真系统，其中所述固体物料颗粒的沉降阻力系数由计算单元以下面的关系式计算出：
Cx=1308(γk-γ0)dpω2]]>
其中ω由计算单元以下面的关系式计算出：
ω=1187.2dp2+46.273dp+0.1809]]>
其中：
d_p-充填料浆中固体物料颗粒的平均粒径；
ω-充填料浆中固体物料颗粒的平均沉降速度；
γ₀-水的密度。
根据本发明的第五实施例，所述流速由计算单元以下面的关系式利用作为参数通过输入单元输入的充填料浆的流量计算出：
v=4QπD2]]>
其中：Q-充填料浆的流量。
根据本发明的第六实施例，所述充填料浆中的固体物料主要包括尾砂和各种添加材料，其中所述充填料浆中固体物料的密度由计算单元以下面的关系式利用作为参数通过输入单元输入的固体物料中的尾砂的密度、充填料浆中的各种添加材料的密度、和尾砂与各种添加材料的重量比计算出：
γk=1+ΣMi1γw+Σi=1nMiγi]]>
其中：
γ_k-充填料浆中的固体物料的密度；
γ_w-固体物料中的尾砂的密度；
γ_i-充填料浆中的各种添加材料的密度；
M_i-尾砂与各种添加材料的重量比。
根据本发明的第七实施例，所述充填料浆的体积浓度由计算单元以下面的关系式利用作为参数通过输入单元输入的充填料浆的重量浓度计算出：
mt=γjγkmz]]>
且充填料浆的比重由计算单元以下面的关系式计算出：
γj=γ0γkγk-mz(γk-γ0)]]>
其中：m_z-充填料浆的重量浓度，
γ_j-充填料浆的比重。
根据本发明的第八实施例，所选择的一个参数为充填料浆的重量浓度、充填料浆的比重、充填料浆中固体物料的密度、和固体物料的平均粒径之一。或者所选择的一个参数为流速或管径之一。
根据本发明的第九实施例，所述输出单元为显示器、打印机、绘图仪、和磁盘其中之一。
根据本发明的高浓度料浆充填环管试验仿真系统，能够模拟地进行高浓度料浆充填环管试验，从而替代在采矿中必须实地进行的高浓度料浆充填环管试验，并且速度快，精度比实际的高浓度料浆充填试验更高，结构简单，成本低，同时能够针对各种条件的矿山获得设计充填系统所需的数据，因此适用范围广泛。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解。
附图说明
图1是根据本发明实施例的高浓度料浆充填环管试验仿真系统构成的框图；
图2是根据本发明实施例的高浓度料浆充填环管试验仿真系统的示意图；
图3是根据本发明实施例的高浓度料浆充填环管试验仿真系统的操作流程图；
图4是在料浆浓度为80％时料浆的阻力系数与流速的关系曲线图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同的标号表示相同的元件。下面通过参考附图描述实施例以便解释本发明，所述实施例是示例性的，而不能解释为对本发明的限制。
下面参考附图对根据本发明实施例的高浓度料浆充填环管试验仿真系统进行描述。如图1所示，根据本发明实施例的高浓度料浆充填环管试验仿真系统包括参数输入单元1、参数选择和设定单元2、计算单元4、存储单元5和输出单元6。
参数输入单元1用于输入与充填料浆和管道相关的多个参数，所述多个参数用以计算管道对充填料浆的阻力系数i_j。所述多个参数可以包括充填料浆的体积浓度m_t、流速v、充填料浆中的固体物料密度γ_k、和管道的管径D。
需要说明的是，上述参数可以不直接从参数输入单元输入，而是由计算单元依据一定的关系式利用从输入单元输入的其他参数计算得到，这将在下面描述。
另外，对于管道对清水的阻力系数i₀和充填料浆中固定物料颗粒的沉降阻力系数Cx可以由计算单元以下面将要描述的关系式利用通过参数输入单元1输入的参数得到，也可以通过具体的试验获得，作为常量直接通过输入单元1输入，供计算单元4使用。
参数选择和设定单元2用于从所述多个参数中选择一个参数，例如流速，并设定为变量，同时将其余参数设定为常量，从而计算单元4能够依据下面将要描述的关系式利用输入的参数计算充填料浆的阻力系数。
例如，参数选择和设定单元2将流速作为变量，计算单元4计算出作为变量的流速v与料浆的阻力系数i_j之间的对应关系，例如曲线图或表格形式的对应关系，如图4所示，其中料浆的质量浓度为80％；然后料浆的阻力系数i_j与流速v的对应关系被存储到存储单元5内。存储在存储单元5内的料浆的阻力系数i_j能够通过输出单元6输出，所述输出单元6包括但不限于显示器、打印机、绘图仪、和磁盘。例如，存储单元5内的料浆的阻力系数i_j与流速v的对应关系能够显示在显示器上，同时能够通过打印机打印出，或通过绘图仪绘出相应的曲线图，或直接下载到磁盘内，供设计矿山的充填系统时使用。
根据本发明的高浓度料浆充填环管试验仿真系统包括步长设定单元3，该步长设定单元3用于设定流速v的变化的步长，例如，流速v每次变化一个单位。
需要说明的是，对于本领域的普通技术人员能够理解，作为变量的参数也可以是个常量，即步长变化为0，从而计算单元4利用输入的、都为常量的参数计算出一个具体的料浆的阻力系数。
另外，各个参数可以以一个范围输入，而参数选择和设定单元2从这些参数的范围内选择一个值作为参数的常值。当然，每个参数也都可以以一个常量输入，这时，如上所述，被选择为变量的参数的步长为零，从而计算单元4仅计算出一个管道对料浆的阻力系数。
另外，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解的是，由于本发明的充填环管试验仿真系统是用于模拟高浓度料浆充填的环管试验，因此，当充填料浆的质量浓度m_z超出一定的范围，即，料浆的浓度超出高浓度料浆充填的浓度范围时，参数输入单元1将判定m_z为无效参数。在矿山充填领域，一般而言，当料浆的质量浓度50％≤m_z≤76％时，充填为水力充填，而当料浆的重量浓度76％≤m_z时，充填为高浓度料浆充填或膏体充填，这取决于具体的充填料浆。而且，上述具体的数值界线也仅仅是大致的界线值，而非绝对的分界值，具体分界值决定于具体的充填料浆。
更具体而言，计算单元4利用输入的参数以下面的关系式计算料浆的阻力系数。
参考图2，通过输入单元1输入充填料浆的体积浓度m_t、流速v、充填料浆中的固体物料密度γ_k、和管道的管径D，计算单元4利用下面的关系式(1)计算料浆的阻力系数：
ij=i0{1+106.9mt4.42(gD(γk-1)v2Cx)1.78}···(1)]]>
其中：
i_j-单位长度的管道对充填料浆的阻力系数(或称为料浆的阻力系数或管道的阻力系数)，单位：kPa/m；
i₀-单位长度的管道对清水的阻力系数(简称为清水的阻力系数)，单位：kPa/m；
m_t-充填料浆的体积浓度，单位：百分比(％)；
g-重力加速度，单位：m/s²；
D-管道的管径，单位：m；
v-充填料浆的流速，单位：m/s；
Cx-充填料浆中固定物料颗粒的沉降阻力系数；
γ_k-充填料浆中的固体物料的密度，单位：t/m³。
从上述公式可以看出，在其中一个参数为变量而其他参数为常量的情况下，计算单元4能够得到料浆的阻力系数i_j与变量参数的对应变化关系，参考图4-图9。
为了得到清水的阻力系数i₀，计算单元4可以用下面的关系式(2)计算得到：
i₀＝0.0215v²-0.0218v+0.0171               ...(2)
另外，关系式(1)中的固体物料颗粒的沉降阻力系数Cx可以由计算单元以下面的关系式(3)计算出：
Cx=1308(γk-γ0)dpω2···(3)]]>
其中ω由计算单元以下面的关系式(4)计算出：
ω=1187.2dp2+46.273dp+0.1809···(4)]]>
其中：
d_p-充填料浆中固体物料颗粒的平均粒径，单位cm；
ω-充填料浆中固体物料颗粒的平均沉降速度，单位cm/s；
γ₀-水的密度。
在此，需要说明的是，本发明申请同时申请待审的另一所述高浓度料浆充填环管试验仿真系统中，管道对清水的阻力系数和料浆中固体物料颗粒的平均沉降速度的计算非常复杂，相比而言，根据本发明的实施例，对管道和清水的阻力系数以及固体物料颗粒的平均沉降速度进行了改进，从而管道对清水的阻力系数和沉降速度的计算相对简单，精度更高。
计算得到的管道对料浆的阻力系数从计算单元4传送到存储单元5，然后通过输出单元6输出，如图2所示。
需要说明的是，虽然计算单元4利用公式(2)-(4)通过输入单元输入的另外的参数计算得到关系式(1)-(4)中的部分参数和/或系数。然而，这不是必须的，这些参数或/系数，例如充填料浆中固定物料颗粒的沉降阻力系数Cx、清水的阻力系数i₀、充填料浆的体积浓度m_t以及充填料浆中的固体物料的密度γ_k，可以根据具体的矿山条件通过试验获得，作为常量通过输入单元输入供计算单元4使用，以便简化计算单元4的运算，加快运行速度。
另外，如上面的描述和下面将要进行的描述，在通过参数输入单元1输入的部分参数不是关系式(1)所用的参数时，计算单元4可以根据相应的关系式利用从输入单元1输入的其他参数计算得到。
例如，当通过参数输入单元1输入的是料浆的流量而不是流速时，计算单元4可以依据下面的关系式(5)利用流量计算出流速：
v=4QπD2···(5)]]>
其中Q为充填料浆的流量
再如，当充填料浆中的固体物料主要包括尾砂和各种添加材料的情况下，充填料浆中固体物料的密度由计算单元4以下面的关系式(6)计算出：
γk=1+ΣMi1γw+Σi=1nMiγi···(6)]]>
其中：
γ_k-充填料浆中的固体物料的密度；
γ_w-固体物料中的尾砂的密度；
γ_i-充填料浆中的各种添加材料的密度；
M_i-尾砂与各种添加材料的重量比。
进而，例如，当输入的料浆的浓度不是体积浓度而是质量浓度时，计算单元4依据下面的关系式(7)利用质量浓度计算出体积浓度：
mt=γjγkmz···(7)]]>
其中充填料浆的比重γ_j由计算单元4依据下面的关系式(8)计算出：
γj=γ0γkγk-mz(γk-γ0)···(8)]]>
其中m_z为充填料浆的质量浓度，单位：百分比(％)，而γ_j为充填料浆的比重。
需要说明的是，本发明中的上述关系式(1)-(8)为矿山充填领域内的经验公式，因此，各个参数的单位(量纲)不能严格按照关系式推导，除非特别指出，各个参数在关系式中的单位都使用各自的单位，也就是说，关系式仅仅表示各个参数的数值关系，而不表示他们单位之间的关系。因此，各个参数的单位之间的关系在本发明中不适用上述关系式。
下面参考图3描述根据本发明实施例的高浓度料浆充填环管试验仿真系统的操作流程。
首先，通过参数输入单元1输入参数(步骤1)，接着，参数输入单元1判断输入的料浆的质量浓度是否在高浓度料浆充填的浓度范围内，如果浓度不在高浓度料浆充填的浓度范围内，在参数输入单元1判定该浓度为无效参数，则流程返回到开始状态。如果浓度位于高浓度料浆充填的浓度范围，则参数选择和设定单元2选择流速作为变量并将其他参数设置为常量(步骤2)。接下来，步长设定单元3设定流速的变化的步长(步骤3)。计算单元4利用输入的相应的参数和关系式计算料浆的阻力系数并进行描点(即在曲线图上描述流速与料浆的阻力系数的对应点)(步骤4)。
接着，计算单元4在流速每增加一个步长的情况下重复进行步骤4，直到流速到达上限，那么计算单元4就计算得到料浆的阻力系数与流速变化的曲线图或表格，参考图4，其中，从图4所示的曲线图能够导出对应的表格。并且存储到存储单元5(步骤5)。存储到存储单元5内的曲线图或表格例如可以显示在显示器上，或者通过打印机输出。
上述描述是以流速作为变量描述的高浓度料浆充填环管试验仿真系统的操作流程。对于本领域的普通技术人员可以理解，其他参数，例如管径、充填料浆的质量浓度、充填料浆的比重、充填料浆中固体物料的密度、和固体物料的平均粒径等都可以作为变量，操作流程与上述过程类似，这里不再赘述。
由此，根据图4示出的曲线图，能够容易地针对各种条件的矿山得到所需的管道对料浆的阻力系数，由此进行矿山高浓度料浆充填系统的设计，替代了在矿山上进行的实际的环管试验，节省了成本，而且速度快、适用范围广泛。
所以，利用根据本发明的高浓度料浆充填环管试验仿真系统，操作简单，并且能够得到用于各种条件的矿山的充填料浆的阻力系数，从而为设计充填系统提供设计依据，而不必在矿山上实际地进行环管试验，节省了成本，减少了矿山的建设周期。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。