深井低倍线充填管道调压技术研究 sup _sup _郑伯坤.pdf

深井低倍线充填管道调压技术研究 ＊ 郑伯坤１ ，２，３， 张鹏强３， 尹旭岩１，２， 王玉山３ （ 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． 国家金属采矿工程技术研究中心， 湖南 长沙 ４ １ ０ ０ １ ２；３．金川集团股份有限公司 镍钴资源综合利用国家重点实验室， 甘肃 金昌市 ７ ３ ７ １ ０ ０） 摘 要 从理论角度分析了充填竖管或钻孔底部压力的影响因素， 得到水平管道越长， 阻 力系数越大， 则竖管底部压力越大。倍线较大时， 充填料浆自重不能克服竖管及水平管段 沿程阻力损失， 仍能维持较小的自流输送流量。根据分析结果， 介绍了井下料仓分配系 统、 小直径竖管大直径水平管系统、 节流板调压装置、 压力耗散器调压４种常见的深井充 填管道调压方法。研究成果为实现金川二矿区充填系统的稳定、 安全运行提供指导。 关键词 深井充填； 低倍线； 管道调压； 节流板， 压力耗散器 随着浅部资源的逐渐枯竭和深部资源勘探力度 的加强， 我国将步入深井开采国家行列。近年来已 有一些埋藏深度达１ ０ ０ ０ｍ左右的矿床正在开发， 如金川二矿区就属于其中［ １－３］。深井开采面临诸多 问题， 如地压增大、 岩温增高、 岩爆等， 而采用充填采 矿法是不可替代的深井采矿方法。金川二矿区开采 深度已超千米， 低倍线充填导致管道磨损严重， 管道 处于高压状态， 爆裂等现象时有发生， 严重影响矿山 安全正常生产［ ４－６］。为确保充填系统安全， 实现高浓 度棒磨砂充填料浆的顺利自流输送， 必须对深井充 填系统进行减压增阻研究， 提高管道使用寿命， 实现 料浆的顺利输送。 １ 充填管道压力的影响因素 考虑最危险情况 充填料浆向敞口式竖管或充 填钻孔放料、 管道 Ｌ 型布置， 垂直管道底部的压力 最大， 计算公式为 Ｐ＝γｈ－ｉｖｈ＝ｉｓＬ （ １） 式中，Ｐ为垂直管道底部压力， ｋ Ｐ ａ；γ为充填料浆重 度，ＫＮ／ｍ３； ｈ为竖直管段满管流高度，ｍ；ｉｖ为竖管 充填料浆流动阻力， ｋ Ｐ ａ／ｍ；ｉｓ为水平管充填料浆阻 力，ｋ Ｐ ａ／ｍ； Ｌ为水平管道长度，ｍ； ｉｖ、ｉｓ可由充填料浆流变参数测定数据进行计 算， 即 ｉ＝１ ６ τ０ ３Ｄ ＋３ ２ ηＶ Ｄ２ （ ２） 式中， τ０为充填料浆屈服剪切应力，Ｐ ａ； η为充填料 浆的粘性系数，Ｐ ａｓ；Ｄｖ为竖直管或充填钻孔直 径，ｍ； Ｄｓ为水平管直径，ｍ；Ｖｖ为充填料浆在竖直管 或充填钻孔中的流速，ｍ／ｓ； Ｖｓ为充填料浆在水平管 中流速，ｍ／ｓ； 流速Ｖ＝ Ｑ ３ ６ ０ ０ π ４Ｄ ２ （ ３） 式中，Ｑ为充填料浆流量， ｍ ３／ ｈ。 对上述计算公式分析得， 充填竖管或钻孔底部 的压力与充填料浆在水平管道中的流动阻力、 水平 管道长度及管径、 料浆性质等多个因素有关。 式（ １） 的含义可解释为充填料浆的自重压头 γｈ减去竖管或充填钻孔的沿程阻力ｉｖｈ用于 克服水平管道沿程阻力ｉ ｓＬ。水平管道Ｌ越长， 阻力系数ｉ ｓ越大， 则竖管底部压力越大。 由式（ ２） 分析得， 沿程阻力系数ｉ与充填料浆流 变参数τ０、 η及料浆流速成正比、 与管道直径的一次 方及二次方成反比。当流量一定时， 充填料浆流速 与管径平方成反比。充填料浆的τ０、 η与充填材料 各组分性质、 粒级组成、 浓度、 灰砂比等因素有关。 对特定矿山而言， 一旦选定充填材料及配比， τ０、 η 则取决于充填料浆浓度。 根据充填管网布置， 如竖管高度Ｈ较大， 水平 管道较短时，Ｈ－ｈ段为自由下落段， ｈ段为满管 段。如水平管路长度较大， 或充填倍线较大时， 自由 Ｉ Ｓ Ｓ Ｎ １ ６ ７ １－２ ９ ０ ０ Ｃ Ｎ ４ ３－１ ３ ４ ７／Ｔ Ｄ 采矿技术 第１ ９卷 第１期 Ｍ ｉ ｎ ｉ ｎ ｇ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ，Ｖ ｏ ｌ ． １ ９，Ｎ ｏ ．１ ２ ０ １ ９年１月 Ｊ ａ ｎ ． ２ ０ １ ９ ＊基金项目 镍钴资源综合利用国家重点实验室资助项目（ 金科矿２ ０ １ ７－０ １）． ChaoXing 下落段变小， 当ｉ ｓＬ大于γＨ时， 则充填料浆自 重无法克服竖管及水平管段沿程阻力损失， 这时管 道流速降低， 流动阻力减小、 流量下降， 但仍维持更 小流量的自流输送。 ２ 管道输送系统调压技术与措施 结合前述理论分析， 深井充填管道常见的调压 方法有井下料仓分配系统、 小直径竖管大直径水平 管系统、 节流板调压装置、 压力耗散器调压等。 ２．１ 井下料仓分配系统 井下料仓分配系统调压方式如图１所示， 该方 法可理解为分段接力输送。其充填管网基本布置形 式为， 地表制备好的充填料浆通过竖井中管道或充 填钻孔输送至井下上部中段水平， 在离该竖管底部 不远的水平巷道或硐室中布置敞口式料仓， 地表充 填料浆通过竖管输送至该料仓中， 然后通过另一组 管道分配至下部中段各充填地点（ 见图１） 。 图１ 井下料仓分配系统 由于采用该种布置形式， 可视为将原有的总高 差Ｈ分为２段或多段， 每一段的竖管底部压力均遵 循式（ １） 所计算的压力分布原则， 即使某一段产生堵 管， 其最大压力不会累积， 从而大幅度地降低了管道 压力。该种布置方式的缺点是井下分配料仓需设置 搅拌及分配装置， 增加了作业环节和作业人员。 ２．２ 小直径竖管大直径水平管系统 该种布置形式为竖井中管道或充填钻孔采用小 直径管道， 其内径通常为７ ０～８ ０ｍｍ， 而水平管内 径为１ ０ ０～１ １ ０ｍｍ。由于沿程阻力系数与管道内 径的１次方及４次方成反比， 所以料浆在竖管中的 流速急剧增大， ｉ值同样急剧增大， 从而使竖管阻力 急剧增大， 竖管内料浆的自重压头直接耗散在竖管 的流动过程中。同时由于水平管道直径较大， 料浆 流速趋于正常， 流动阻力较小， 竖管剩余压头较小即 可克服水平管道流动阻力， 从而实现低压满管流自 流输送。 图２分析计算了当流量为８ ０ｍ ３／ ｈ、Ｌ型敞口布 置、 竖管和水平管不同管径配备时竖管的最大压力。 图２ （ ａ） 为竖管及水平管内径同为１ ０ ２ｍｍ、 竖 管高度１ ８ ８ ５ｍ、 水平管长度１ ０ ０ ０ｍ时， 充填料浆在 竖管及水平管中流速同为２．７ｍ／ｓ， 竖管底部最大 压力１． ８ＭＰ ａ， 满管段高度为１ １ ５ｍ， 自由下落段高 度达１ ７ ７ ０ｍ， 所以称为低压自由下落系统。该种布 置形式虽然竖管底部压力小， 但由于自由下落段过 高， 充填料浆自由下落速度可达４ ０ｍ／ｓ以上， 对管 道或钻孔产生严重的冲刷， 从而使竖管或钻孔磨损 严重， 大大缩短了竖管的使用寿命。 图２（ｂ） 为竖管高度１ ８ ８ ５ｍ、 内径１ ０ ２ｍｍ， 而 水平管长度１ ０ ０ ０ｍ、 内径５ ７ｍｍ， 充填料浆在竖管 中的流速为２．７ｍ／ｓ， 而水平管流速达８． ７ｍ／ｓ。由 于水平管流速很大， 所以其沿程阻力很大， 竖管底部 压力达到３ ０．７ ＭＰ ａ， 且竖管中充满了料浆， 料浆的 自重压头主要用于克服小直径水平管过高的输送阻 力， 所以被称为高压头满管流系统。该种布置形式 竖管中流速较小且呈满管状态， 不存在自由下落段， 所以可减少竖管的磨损和冲击， 但水平管流速过大， 管道中最大压力过高， 生产中存在风险。 图２ （ ｃ） 中竖管高度２ ０ ０ ０ｍ、 内径６ ７ｍｍ， 水平 管长度１ ０ ０ ０ｍ、 内径１ ０ ２ｍｍ， 充填料浆在竖管中的 流速为６．３ｍ／ｓ， 水平管流速为２． ７ｍ／ｓ。由于水平 管流速低， 所以输送阻力较小， 竖管底部最大压力为 １．８ＭＰ ａ， 而竖管中由于流速大， 所以阻力大， 充填 料浆的自重压头主要用于克服竖管的沿程阻力， 所 以竖管中为满管流。由于整条管道均处于满管流状 态且压力较低所以称为低压满管流系统。 ２．３ 节流孔板或节流壶调压装置 节流孔板或节流壶一般沿垂直管道３ ０ ０ｍ 安 装一个， 其结构如图３所示。节流孔板中孔的直径 为正常管段的１／２， 且节流段由陶瓷等耐磨性能良 好的材料制作。充填料浆到达该构件时， 由于节流 孔直径缩小一半， 阻止了料浆的直接下落， 从而使孔 板上方出现一段满管段， 料浆通过孔板的流速增大 ４倍， 料浆进入下一管段时， 没有压力累积现象， 调 ２３ 采矿技术 ２ ０ １ ９，１ ９（１） ChaoXing 整节流孔板之间的高差可将竖管压力控制在合理的 范围内。但生产实际表明， 该种布置形式存在诸多 问题， 其一为节流孔板下游的管道磨损极快， 料浆通 过孔板的流速急剧增大， 形成高速砂浆射流冲击下 游管壁。节流孔板之间的管道空间内空气、 砂浆等 处于一种密闭压缩状态， 砂浆冲击、 气蚀等综合作 用， 使下游管壁迅速磨穿， 在管道中心未对直的情况 下， 这种现象更为严重。 图２ Ｌ型管道敞口布置、 不同管径配备时管道最大压力 图３ 节流孔板降阻降速系统 ２．４ 压力耗散器（ 能量消耗器） 该装置同样安装于管道中， 壳体内设置耐磨性 能良好的陶瓷球， 或在壳体中使料浆流道或流速发 生改变， 使料浆在耗散器内部产生高速流动， 从而增 大内部流动阻力， 使单位长度压力损失达到很高。 如南非阿散蒂金矿在主垂直管道底部安装２台压力 耗散器， 每台可耗散压力４．５ ＭＰ ａ。采用该种调压 装置应配套采用安全阀， 一旦出现管道堵塞或故障， 安全阀自动打开以卸压， 否则管道压力将达到很高 水平。 ３ 结 论 （ １）充填竖管或钻孔底部压力与充填料浆在水 平管道中流动阻力、 水平管道长度及管径、 料浆性质 等因素有关。水平管道越长， 阻力系数越大， 则竖管 底部压力越大。充填倍线较大时， 充填料浆自重不 能克服竖管及水平管段沿程阻力损失， 管道流速降 低， 流动阻力减小、 流量下降， 但仍能维持较小流量 的自流输送。 （ ２）结合上述理论分析， 介绍了国内外深井充 填管道常见的调压方法 井下料仓分配系统、 小直径 竖管大直径水平管系统、 节流板调压装置、 压力耗散 器调压。 参考文献 ［１］孟繁华， 石长岩．金属矿山深部开采若干问题及思考［Ｊ］．有色 矿冶，２ ０ １ ７， ３ ３（５） １ １－１ ３． ［２］刘晓辉， 吴爱祥， 王洪江， 等．深井矿山充填满管输送理论及 应用［Ｊ］．北京科技大学学报， ２ ０ １ ３，３ ５（９） １ １ １ ３－１ １ １ ８． ［３］章庆松．深井开采技术应用研究思考［Ｊ］．黄金，２ ０ １ ６，３ ７（６） ４ ６－４ ８． ［４］杨需帅． 深井充填管道输送系统减压技术探讨［Ｊ］． 资源信息 与工程，２ ０ １ ５（４） ８ ８－８ ９． ［５］王洪江， 吴爱祥， 姚振巩， 等． 井充填低压满管流输送技术研 究［Ｊ］．矿业研究与开发， ２ ０ ０ ４，２ ４（Ｓ １） ２ ２ ９－２ ３ ３． ［６］郑伯坤． 尾砂充填料流变特性和高浓度料浆输送性能研究 ［Ｄ］． 长沙 长沙矿山研究院，２ ０ １ １． （ 收稿日期 ２ ０ １ ８－０ ８－０ ３） 作者简介 郑伯坤（１ ９ ８ ４－） ， 男， 广东汕头人， 工程师， 从事充 填技术与采矿技术方面的研究，Ｅｍ ａ ｉ ｌ ４ １ ３ ７ ７ ８ ８ ４ ６＠ｑ ｑ ．ｃ ｏ ｍ。 ３３ 郑伯坤， 等 深井低倍线充填管道调压技术研究 ChaoXing