东乡铜矿膏体充填管道输送自流初探.pdf

Total 109铜业工程总第 109 期 No． 3 2011COPPER ENGINEERING2011 年第 3 期 东乡铜矿膏体充填管道输送自流初探 黄苏锦 江西铜业集团公司东乡铜矿， 江西 东乡331800 摘要 本文通过对影响东乡铜矿水力坡度计算的充填材料物理性质进行测试， 并对当前该矿井下管道布置 情况展开调研， 以确定其最大充填倍线， 依据固体颗粒的沉降速度来计算其临界流速， 选择金川经验公式对该矿进 行水力坡度计算， 研究表明该矿膏体充填在当前管道布置下能够实现自流。 关键词 膏体充填; 管道输送; 水力坡度; 管网; 自流 中图分类号 TF853． 34文献标识码 A文章编号1009 －3842 2011 03 －0010 －03 收稿日期2011 －05 －16 作者简介 黄苏锦 1968 － ， 男， 汉族， 浙江淳安人， 高级工程师， 硕士， 主要从事矿山生产管理工作， E － mail sjhuang2006126． com Exploring on Paste Filling Gravity Pipeline Transport in Dongxiang Copper Mine HUANG Su － jin Dong xiang Copper Mine of JCC， Dongxiang，Jiangxi，China 331800 Abstract Through test the physical filling material which can influence hydraulic slope calculation of Dongxiang Copper Mine， and research on the current situation of underground piping layout to determine maximum filling － line． According to solid particle sed- imentation rate to calculate critical flow speed． Use Jinchuan＇s experience to caculate hydraulic slope of Dongxiang copper mine，re- search result improve that mining paste can gravity flowing under the current piping layout． Key words Paste filling ; Pipeline transportation ; Hydraulic gradient ; Pipe network; Gravity 1前言 矿山管道充填输送充填料浆主要有自流和泵压 两种方式， 自流输送时， 若遇到充填倍线大的地方， 只能采用低浓度输送， 给矿山充填工作带来了诸多 不便。常伴随水泥流失、 料浆离析、 排水费用增加、 井下环境恶劣 ［1， 3 ］等问题的出现。而高浓度膏体泵 压充填不受充填倍线的限制， 但常出现料浆堵管、 密 封装置坏损严重、 系统故障多等现象 ［4， 5 ］。东乡铜 矿为扩大产量， 对深部 V 矿体进行开采并出于提高 充填体强度， 增强充填体稳定性及减少地下废水排 放量的考虑， 拟采用膏体充填， 而浓度的提高必然引 起管道摩擦阻力的增大， 极大地考验了砂浆在当前 管道系统下自流的成败， 为此对该矿进行自流验算 显得尤为必要。 2充填材料物理性质测试 充填材料的物理性质是管道输送水力坡度计算 及砂浆排水性的重要因素， 这包括尾砂颗粒的比重、 密度、 容重、 颗粒粒径大小及组成等。 表 1充填材料物理性质 干比重 kN/m3 干密度 kN/m3 干容重 kN/m3 孔隙率 平均粒径 um 14． 8331． 51911． 5822． 7681． 65 3东乡铜矿管道布置情况及充填倍线计算 东乡铜矿井下充填管道布置以 －75m 中段为例， 其输送路径为从西部充填站→西风井→－75m 中段83 线穿脉口→81 线回风道→81 线穿脉→81 线顶板上山 →－73．8m 分层充填平巷→－73．8m 分层充填穿脉→ 各单元采空区。充填管线布置详见图2．1。 77 线以东充填管最大长度 西部充填站搅拌桶 出口→西风井井口 44m， 西风井斜长 277． 86m， 西风 井落平点→81 线穿脉交叉口 115． 23m， 81 线穿脉 87． 48m， 81 线顶板上山→－73． 8m 分层充填平巷口 约 20m 含 2 个 6． 9m 拐弯 ，－ 73． 8m 分层充填平 巷 132． 68m 含3 个6． 9m 拐弯 ， 77 线以东， 充填穿 脉长度 66． 11m， 故 L 743． 36m。 01 黄苏锦 东乡铜矿膏体充填管道输送自流初探2011 年第 3 期 图 1东乡铜矿管道布置情况 81 线以西充填管最大长度 西部充填站搅拌桶 出口→－ 73． 8m 分层充填平巷口共 544． 57m， －73． 8m分层充填平巷 20． 41m 含 1 个 6． 9m 拐 弯 ， 81 线以西充填穿脉 49． 76m， 故 L 614． 74m。 西部充填站搅拌桶出口标高 70． 33m，－ 75m 中段矿房充填时充填料出口标高 － 73． 8m， 故 H 144． 13m。 81 线以西 N L H 614． 74 144． 13 4． 26; 77 线以东 N L H 743． 36 144． 13 5． 16。 4管道自流计算 4． 1临界流速的计算 临界流速可以根据输送骨料的沉降速度来求得， 其中输送细颗粒时 UL 5 ～ 10 W0， m/s， 而输送粗 颗粒的临界流速为 UL 3 ～ 4 W0， m/s。 ［ 6 ］尾砂 颗20μm。由于东乡铜矿高浓度全尾砂水泥胶结充填 料浆是一种颗粒很细 dj0． 08165mm ＜0． 12mm 的 微粒悬浮液， 故可将其按球体层流 均质流 或介于层 流与过渡流之间的输送状态计算。 若按层流 斯托克斯公式 计算 W0 54． 5d2 j ρh － ρ 0 μ 54． 5 0． 0081652 3． 56 － 1 0． 01 0． 93014cm/s 若按小雷诺数过渡流 阿连公式 计算 W0 28． 8dk〕 3 ρh － ρ 0 ρ 槡 0 2 25． 8 81． 65 10 －4 2． 560． 67 102/3 1． 849cm/s 式中 dj为固体颗粒的直径， 取0．008165cm; ρk 为 固体颗粒的密度， 取3．56 g/cm3 ; ρ 0为清水的密度， 取 1．0 g/cm3; μ 为清水的粘性系数， 取10 －3Pa． s。 取临界流速 8 0． 147 m/s。 应该指出 在 自流管道输送系统中， 砂浆流速主要由砂浆柱形成 的自然压头 ρjH 和管道直径 D 等因素决定， 目 前尚无可靠的办法进行调控， 因此， 实际流速往往大 大超过临界流速。 4． 2充填量的计算 ① 按东乡铜矿年充填量计算 按西部出矿能力 500t/d 即矿山生 产 能 力 1000t/d， 东、 西部各占 50 Qn Qk γk Z 式中 Qn为矿山年平均充填能力， m3/a; Qk为矿 山年产量， t/a; γk为矿石比重， t/m3; Z 为采充比， 无 因次， 一般取 0． 8 ～ 1，考虑到充填体难于完全结顶 11 Total 109铜业工程总第 109 期 和采出部分附产矿石等因素使充采比 ＜ 1， 据矿山 实际调查统计约为 0． 85 Qn Qk γk Z 15 104 0． 85 3． 56 104m3/a ② 矿山日平均充填量， 以每年工作 300 天来算 Qd Qk d 3． 58 104 300 119Zm3/d ③ 折合成每秒充填量， 充填作业按 13h/d 即 2 班、 6． 5h/ 班计 Qs Qd 3600nh 119 3600 13 0． 002542735m3/s 4． 3计算临界管径 DL Qj π 4 UL2UL m3/s 管道所需的临界管径 DL 4Qj πU 槡 L 4 0． 002542735 3． 1416 0． 槡 09595 0． 183688989m 按照选取的标准管径 D 略小于计算临界管径 DL 的原则， 选用钢编管型材标准型号为 GP180 钢塑复合 管或 GF150 钢骨架塑料复合管或 PF180 钢丝编织钢 塑复合管， 且水力输送管径按 D 150 mm 计算。 GP180 钢塑复合管 钢管型号 180 6、 公称内 径 150 mm、 衬层厚度 7 mm、 工作压力为 4 MPa、 工 作压力 2 为 2． 5 MPa。 GF150 钢骨架塑料复合管 内径 150 mm、 壁厚 14 mm、 工作压力 3 MPa。 PF180 钢丝编织钢塑复合管 公称内径 148 mm、 总壁厚 16 mm、 耐磨层厚 12 mm、 工作压力 1 为 1． 6 MPa、 工作压力 2 为 2． 0 MPa。 4． 4计算实际流速 V V 4Qj πD 2 0． 14388937 m/s 4． 5充填能力验算 Qj π 4 D2V 3． 1416 0． 152 0。 14389/4 119 m3/d 正好满足设计充填能力的要求。 4． 6选择管道摩擦阻力系数 λ 根据管道的绝对粗糙度 ε 值和管径 D， 可查得 管道摩擦阻力系数 λ 值。 本研究取 ε 0． 5， 并据 D 150mm， 相应取 λ 0． 0270。 4． 7计算水力坡度 若按金川公式计算水力坡度 ij i01 108mi3． 96 gD ρk－ 1 1． 13 V2槡C 1， 8995ō 104 1 108 0． 39593． 96 9． 8 0． 15 3． 56 － 1 1． 12 0． 143 2 3． 槡 315 0． 0945 mH2O/m 式中 i0为清水的阻力， mH2O/m; i0 λ V2 2gD 0．00018995 mH2O/m; mi为砂浆体积浓度， mi ρj ρk m2 39．59276; ρj为 浆 体 的 体 重， t/m3 ; ρ j ρkρ0 ρkm2 ρ k － ρ 0 3．56 1．0 3．560．7 3．56 － 1．0 2．01357466 t/m3; C 为颗粒沉降系数， 取 3．315。 4． 8计算局部阻力 hj 局部阻力主要是弯头、 三通管、 分叉管、 吸入管、 法兰盘、 排气孔、 检查孔、 测量仪表、 管道变径 / 膨缩 等引起两相流特性改变产生的， 总局部阻力等于各 种 个 管件的局部阻力之和， 即 hj∑ n i 1 hju i ∑ n i 1 ξ V2 2g ， ， mH2O/m 式中 ξ 为局部阻力系数; 或者 hj 0． 1ijL， 即 按管道沿程阻力损失的 10 计算。 4． 9剩余压头 hx 剩余压头 hx V2 2gmH2O 通常取 2 ～ 5 mH2O， 本研究取 5 mH2O。 4． 10计算总水压头 H H ρj ρ0 Z2－ Z1 ijL 0． 1 ijL hx － 210． 7815mH2O H － 210． 7815 ＜ 0， 可实现自流输送， 不需要 加泵。 式中 Z1为充填站搅拌桶出口标高， Z1 70．33m; Z2为井下充填料浆出口标高， Z2 － 73．8m; L 为充填 管全长， L 743．36m 77 线以东 。 5结论与建议 1 东乡铜矿全尾砂料浆在重量 下转第20 页 21 Total 109铜业工程总第 109 期 5结语 系统升级改造从 2007 年 8 月开始至 2008 年 1 月结束，在原有系统基础上，采用新技术新方法完 成。原系统存在的主要问题得到解决，数据存储在 后台数据库中，不再直接存放在开放的文件夹中， 安全性得到保证;系统参数及数据与程序完全分 开; 在原有的采场爆堆数据的采集计算图形绘制等 功能基础上又增加了勘探数据处理方面的功能，基 本涵盖地质测量等日常工作所需的基础功能。地质 测量日常工作流程得到整合、基础数据实现共享， 可为矿山生产快速准确地提供地测方面的基础 数据。 系统升级改造后数据与程序完全分离， 为矿体 模型、 采矿、 爆破、 选矿等方面的进一步开发应用和 拓展研究奠定了坚实的基础。系统开放程度提高， 操作简单， 系统已在在相似类型的露天矿山如银山 铅锌矿露采、 城门山铜矿先后推广应用。 REFERENCES ［ 1］张莉． SqlServer 数据库原理及应用教程［M］． 北京 清华大学 出版社， 2003． ［ 2］李世国． Autocad2000 ObjectARX 编程指南［M］ ． 北京 机械工 业出版社， 2000． ［ 3］闵落明， 王霄． VC 环境下 ObjectARX 应用程序开发的关键 技术［J］． 成都 计算机应用研究， 1999， 16． ［ 4］马江平． 露天矿地质 CAD 软件系统的开发［D］． 辽宁工程技术 大学， 2005． ［ 5］李安光． 露天煤矿地质信息管理系统的开发及应用［J］ ． 抚顺 露天采矿技术， 2009， 2． ［ 6］史铁生， 孙江 ． 实用矿山测量［ M］． 哈尔滨 黑龙江科学技术出 版社， 2006． ［ 7］杨雷． ObjectARX 与 MFC 结合开发勘探点平面布置软件［J］ ． 北京 工程地质计算机应用， 2006， 櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥 2． 上接第 12 页 浓度 70 时能够实现自流， 不需要 加泵输送。 2 该矿管道布置复杂， 管道较长， 弯管众多， 建立在局部开辟充填管道， 以减少弯管， 增强自流输 送稳定性。 3 由于膏体充填管道输送水力坡度计算， 目前 尚没有统一通用的公式， 因此本文计算结果可能与实 际情况有一定误差， 还需做相关管道输送试验。 REFERENCES ［ 1］Newman P D，Pine R J， Kevin R． The optimization of high densi- ty backfill at the stratoni operations，Greece［C］/ /David S P E． Proceedings of the 7th international Symposium on Mining with Backfill． Colorado Society for Mining，Metallurgy and Explora- tion Inc SME ， 2001 273 －283． ［ 2］何哲祥， 徐从武． 武山铜矿北矿带充填存在的问题与对策［J］ ． 铜业工程， 2003 3 1 －3． ［ 3］张安康， 张国良， 冯俊刚． 金城金矿东季矿充填系统改造［J］ ． 有色金属， 2004， 56 2 90 －92． ［ 4］陈长杰， 蔡嗣经． 金川二矿区膏体充填系统试运行有关问题的 探讨［J］． 矿业研究与开发， 2001， 21 3 21 －23． ［ 5］韩斌， 吴爱祥， 陶向辉， 等． 金川二矿区分段道布置的优化［J］ ． 中南大学学报 自然科学版 2005， 36 1 138 －143． ［ 6］ 采矿手册 编辑委员会． 采矿手册 ［K］． 冶金工业出版社， 1988． 02