基于RSM-BBD的充填管道磨损影响因素研究.pdf

*基金项目:国家重点研发计划项目(2 0 1 8 Y F C 0 6 0 4 6 0 0);山东省重大科技创新工程项目(2 0 1 9 S D Z Y 0 5).基于R S M-B B D的充填管道磨损影响因素研究*江科1,2(1.长沙矿山研究院有限责任公司,湖南 长沙 4 1 0 0 1 2;2.金属矿山安全技术国家重点实验室,湖南 长沙 4 1 0 0 1 2)摘 要:为研究料浆质量浓度、管径、料浆流速三种因素对充填管道磨损的影响,以山东某金矿全尾砂为试验材料,组建了充填管道磨损试验平台,基于R S M-B B D法设计了1 7组试验方案,建立了三因素及其交互作用与直管段磨损量和弯管段磨损量之间的响应面回归模型,并验证了模型的可靠性,研究了三因素及其交互作用对管道磨损的影响程度。研究结果表明:充填管道的磨损量随着管径的增大而减少,磨损量随着料浆质量浓度与料浆流速的增大而增大;管径的大小对管道的磨损影响程度最大;3种因素交互作用对管道磨损的影响程度从大到小依次为料浆质量浓度与管径、管径与料浆流速、料浆质量浓度与料浆流速。关键词:R S M-B B D;料浆输送;管道磨损;交互作用0 引言充填管道磨损是影响充填系统正常运营,造成充填维护成本增加的重要原因之一12。充填管道磨损机理复杂,且影响因素众多,因此,管道磨损一直是充填领域研究的热点问题。目前已有众多学者针对充填管道磨损问题进行了研究。毛明发等3研究了深井管道的磨损机理,确定了管道的磨损形式;王恩杰等4建立了多维评估模型,对充填管道的磨损进行了评估;江科等5研究了铁矿料浆的流动性能,获得了料浆自流输送的沿程阻力,并确定了管道的最优布设地点;祝鑫等6采用数值模拟的方法模拟了充填管路的速度、阻力及磨损量;杨天雨等7建立了管输阻力的新模型并验证了其可靠性。现场工程实践证明影响管道磨损的因素众多,常规的分析方法无法准确判断各因素对管道磨损的影响。R S M-B B D法(响应面分析法)适用于多因素分析8,可准确判断多因素及其交互作用对响应值影响程度的大小,因此被广泛应用于多因素分析工程实际91 4。本文以山东某金矿全尾砂为试验材料,组建了一套小型管道磨损试验平台,基于R S M-B B D法设计了1 7组试验方案,建立了料浆质量浓度、管径与料浆流速三种因素及其交互作用对管道磨损的响应面回归模型,分析了三因素及其交互作用对管道磨损的影响程度,研究成果为保障充填料浆的正常输送,降低充填管道的维修成本,延长充填管道的使用寿命提供了一种有效方法。1 全尾砂物化特性及级配分析试验所用的充填骨料为山东某金矿全尾砂,根据室内试验得到的全尾砂物理特性见表1。采用激光粒度测试分析仪对全尾砂粒径进行测定,测定结果如图1所示,全尾砂平均粒径为1 7 6m,表1 全尾砂物理特性真密度/(g/c m3)松散密度/(g/c m3)堆积密度/(g/c m3)松散空隙率/%紧密空隙率/%2.6 51.1 51.5 45 6.64 1.9图1 全尾砂粒径分布I S S N1 6 7 1 2 9 0 0C N4 3 1 3 4 7/T D采矿技术 第2 3卷 第3期M i n i n gT e c h n o l o g y,V o l.2 3,N o.32 0 2 3年5月M a y.2 0 2 3d1 0=5.9 8m、d3 0=2 7m、d6 0=1 4 4m、d9 0=4 8 1m,属细粒级尾砂。根据测定结果得出全尾砂的不均匀系数=2 4.0 8,曲率系数C=0.8 5,可见该矿山全尾砂颗粒粗细差异较大,中间粒径颗粒缺少,级配不均。对全尾砂进行化学成分分析,分析结果见表2。由表2可知,该金矿全尾砂的S i O2、A l2O3含量较高,说明该全尾砂是一种较好的惰性材料,无毒无害,可用于井下充填。表2 全尾砂主要化学成分分析%S i O2K2OF e2O3A l2O3C a OM g ON a2OC O26 2.9 0 5.8 61.1 61 5.2 02.3 10.9 03.1 07.2 0C lT i O2C r2O3M n ON i OS r OB a OZ r O20.5 50.2 20.0 40.0 30.0 20.2 00.3 00.0 12 充填管道磨损试验2.1 试验平台为进行管道磨损试验,搭建了小型的管道磨损试验平台,如图2所示。试验平台由下料斗、渣浆泵、充填管道、料浆桶、输送管道组成。图2 管道磨损试验平台试验先将管道拼接组装,前段连接下料斗,后端连接料浆桶,将制备好的料浆倒入下料斗,由渣浆泵泵送至料浆桶,料浆再自流至输送管道进行循环输送,经过固定的输送时间后卸下并拆解充填管道,用游标卡尺测量管道的磨损厚度,判断出管道的磨损情况。2.2 试验设计试验以料浆质量浓度、管道直径、料浆流速为管道磨损的控制因素,以试验1 2 0h后直管段及弯管段的磨损量作为响应值,研究三种因素及其交互作用对管道磨损的影响规律。根据前期的室内管道试验及矿山工程经验,确定充填料浆最佳质量浓度为7 0%7 8%,管道为 1 3 5 1 5 5mm的耐磨钢管,料浆流速在0.52.5m/s之间。采用R S M-B B D设计方法对该管道磨损试验进行了三因素三水平的设计,见表3。表3 响应量影响因素及水平水平料浆质量浓度A/%管径B/mm料浆流速C/(m/s)-17 01 3 50.507 41 4 51.517 81 5 52.53 试验结果及分析3.1 试验结果基于R S M-B B D共设计出1 7种试验方案,试验方案及试验结果见表4。采用D e s i g n-E x p e r t软件对试验结果进行多元回归分析,获得的直管段与弯管段磨损量响应面函数见式(1)、式(2),其中X1、X2、X3分别表示料浆质量浓度、管径及料浆流速,Y1、Y2分别表示直管段磨损量与弯管段磨损量。表4 响应面试验设计与结果序号料浆质量浓度A/%管径B/mm料浆流速C/(m/s)直管段磨损/mm弯管段磨损/mm1-1100.1 4 40.2 2 320000.2 3 50.3 1 830000.2 1 70.3 3 640-1-10.3 9 40.4 7 751-100.4 8 20.5 2 96-1010.2 0 10.3 1 470110.1 6 90.2 5 480-110.3 6 70.4 4 890000.2 3 70.3 2 71 010-10.3 1 50.3 7 61 101-10.1 5 90.2 2 41 2-10-10.1 6 40.2 8 71 30000.2 5 30.3 0 41 41010.3 3 60.4 2 81 5-1-100.2 6 70.3 8 91 61100.1 8 50.2 9 51 70000.2 4 90.3 2 5131江科:基于R S M-B B D的充填管道磨损影响因素研究 Y1=0.2 3 8 2+0.0 6 7 8X1-0.1 0 6 6X2+0.0 0 5 1X3-0.0 4 3 5X1X2-0.0 0 4 0X1X3+0.0 0 9 3X2X3+0.0 0 6 5X1 2+0.0 2 4 8X2 2+0.0 0 9 3X3 2(1)Y2=0.3 2 2 0+0.0 5 1 9X1-0.1 0 5 9X2+0.0 1 0 0X3-0.0 1 7 0X1X2+0.0 0 6 2X1X3+0.0 1 4 7X2X3+0.0 1 8 7X1 2+0.0 1 8 2X2 2+0.0 1 0 5X3 2(2)3.2 误差分析为验证拟合函数的准确性,对响应面回归模型进行方差分析,分析结果见表5。由表5可知,直管段磨损量Y1,弯管段磨损量Y2两模型的F值均大于3.8 6,失拟项P值小于0.0 0 5,说明两种模型的回归效果显著。两种模型的相关系数R2分别为0.9 8 8 4,0.9 8 6 5,均接近于1,证明两个回归方程的拟合效果良好。图3为直管段磨损量与弯管段磨损量的实际值与预测值的对比。由图3可知,实际值的散点较为均匀地分布在回归方程直线周围,且各点分布偏差不超过5%,说明两种模型的拟合程度良好。表5 响应面回归模型方差分析变异来源平方和均方F值P值Y1Y2Y1Y2Y1Y2Y1Y2模型0.1 3 9 20.1 1 7 90.0 1 5 50.0 1 3 16 6.2 85 6.7 2 0.0 0 0 1 0.0 0 0 1X10.0 3 6 70.0 2 1 50.0 3 6 70.0 2 1 51 5 7.3 59 3.2 1 0.0 0 0 1 0.0 0 0 1X20.0 9 1 00.0 8 9 70.0 9 1 00.0 8 9 73 8 9.7 43 8 8.2 7 0.0 0 0 1 0.0 0 0 1X30.0 0 0 20.0 0 0 80.0 0 0 20.0 0 0 80.9 0 0 43.4 60.3 7 4 30.1 0 5 0X1X20.0 0 7 60.0 0 1 20.0 0 7 60.0 0 1 23 2.4 35.0 10.0 0 0 70.0 6 0 3X1X30.0 0 0 10.0 0 0 20.0 0 0 10.0 0 0 20.2 7 4 20.6 7 6 50.6 1 6 70.4 3 7 9X2X30.0 0 0 30.0 0 0 90.0 0 0 30.0 0 0 91.4 73.7 70.2 6 5 20.0 9 3 4X210.0 0 0 20.0 0 1 50.0 0 0 20.0 0 1 50.7 6 8 26.4 10.4 0 9 80.0 3 9 1X220.0 0 2 60.0 0 1 40.0 0 2 60.0 0 1 41 1.0 76.0 70.0 1 2 60.0 4 3 2X230.0 0 0 40.0 0 0 50.0 0 0 40.0 0 0 51.5 52.0 10.2 5 2 90.1 9 9 2残差0.0 0 1 60.0 0 1 60.0 0 0 20.0 0 0 2(a)直管段磨损量 (b)弯管段磨损量图3 响应面模型预测值与试验值比较3.3 试验结果分析3.3.1 单因素对管道磨损的影响由表5可知,管径X2对应的直管段磨损Y1、弯管段磨损Y2的F值最大,说明管径对管道的磨损程度影响最大,对比X1、X2、X3在Y1、Y2中F值的大小可知,其大小关系依次为管径X2、料浆质量浓度X1、料浆流速X3,即管径的大小对管道的磨损影响程度大于料浆质量浓度,同时又大于料浆流速,料231采矿技术2 0 2 3,2 3(3)浆流速对管径磨损的影响程度最小。由上述磨损试验可知,管道的磨损量随着充填管径的增大而逐渐降低,磨损量随着料浆质量浓度及料浆流速的增大而逐渐增大。其原因是,随着管径的减小,充填时管道的满管率会增大,进而加大了料浆与管道的接触面积,增大磨损率;随着料浆质量浓度的增大,浆液内的含固率会提高,进而加大了固体颗粒与管道之间的磨损;随着料浆流速的增大,管道所受的冲击力会提高,因此会增大管道的磨损率。同时,对比试验结果,弯管段的磨损程度明显高于直管段,因此在充填料浆输送中,为保证充填系统的正常运营,需重点保护及维修充填管道的弯管段。3.3.2 交互作用对管道磨损的影响由表5可知,X1X2在直管段磨损Y1、弯管段磨损Y2中的F值最大,说明料浆质量浓度与管径的交互 作 用 对 管 道 的 磨 损 程 度 影 响 最 大。对 比X1X2、X1X3、X2X3三种交互作用在Y1、Y2中F值的大小可知,其大小关系依次为料浆质量浓度与管径X1X2、管径与料浆流速X2X3、料浆质量浓度与料浆流速X1X3,即料浆质量浓度与管径交互作用对管道磨损的影响程度大于管径与料浆流速的交互作用,同时大于料浆质量浓度与料浆流速的交互作用,料浆质量浓度与料浆流速的交互作用对管道磨损的影响程度最小。图4、图5为三因素交互作用对直管段与弯管段磨损影响程度的响应曲面。图4(a)、图5(a)为料浆流速为1.5m/s时,料浆质量浓度与管径交