充填料漿管道輸送可靠性研究現(xiàn)狀

高 鋒，甘德清，2，邵靜靜，陳 超，2，王之東

（1．河北聯(lián)合大學(xué)，河北 唐山063009；2．河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，河北 唐山063009）

礦區(qū)尾礦庫和采空區(qū)危害日益突出，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2003～2012年，我國尾礦庫事故發(fā)生30余起，造成大量的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。我國采空區(qū)誘發(fā)災(zāi)害的城市數(shù)量達(dá)到36個(gè)，每年直接經(jīng)濟(jì)損失超過40億元。消除尾礦庫和治理采空區(qū)的有效方法是充填法，將尾砂充填于采空區(qū)。近年來，我國出臺(tái)了一系列關(guān)于尾礦庫和空區(qū)安全與治理的文件?！蛾P(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)尾礦庫監(jiān)督管理工作的指導(dǎo)意見（2012年3月）》強(qiáng)調(diào)：新建金屬非金屬地下礦山必須對(duì)能否采用充填采礦法進(jìn)行論證，并優(yōu)先推行充填采礦法。

隨著國家工業(yè)化對(duì)礦產(chǎn)資源需求的增大和采礦設(shè)備與充填技術(shù)的進(jìn)步，充填法開采的礦山產(chǎn)能不斷增加，促進(jìn)了大能力高濃度全尾砂膠結(jié)充填技術(shù)和膏體充填技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展。充填管道系統(tǒng)是礦山充填作業(yè)的瓶頸，充填能力和料漿濃度的提高對(duì)充填料漿管道輸送效率和可靠性提出了更高的要求［1］。很多學(xué)者進(jìn)行了充填料漿管道輸送方面的研究，取得了豐碩的成果，但也存在一定的問題。

1 充填料漿管道輸送特性

按固體顆粒粒徑對(duì)料漿輸送的影響，充填料漿流體類型分為均質(zhì)流、非均質(zhì)流、均質(zhì)非均質(zhì)混合流［2－4］。根據(jù)切變率和切應(yīng)力的關(guān)系，流變模型分為牛頓體、非牛頓體，充填料漿流變模型如圖1所示［5－7］。充填料漿流變模型中牛頓體1和賓漢塑性體5的切應(yīng)力和剪切速率呈線性關(guān)系，高濃度料漿呈現(xiàn)塑性膨脹體4，賓漢塑性體5和塑流偽膨脹體6的性質(zhì)，具有初始切應(yīng)力和黏度。

通過料漿流動(dòng)雷諾數(shù)計(jì)算值與臨界雷諾數(shù)Rec＝2100的大小對(duì)比，料漿管道內(nèi)流態(tài)分為層流和紊流［8］。充填料漿管道輸送流動(dòng)雷諾數(shù)計(jì)算公式見式（1）。

式中：ρ—料漿密度，kg／m3；U —料漿流速，m／s；D —管徑，mm；η—料漿黏度，mm2／s。

1．1 水力坡度

圖1 充填料漿管道輸送流變模型曲線Fig．1 Rheological pattern curve of backfill slurry pipeline delivery

目前，由于實(shí)驗(yàn)條件和技術(shù)的不同，計(jì)算料漿輸送阻力的經(jīng)驗(yàn)公式很多，如前蘇聯(lián)煤炭科學(xué)研究院公式、尤芬公式、長沙礦冶研究院公式、鞍山黑色金屬礦山設(shè)計(jì)院公式等，其計(jì)算值與實(shí)測值相比較，誤差小于20%，視具體情況使用。其中比較適合于高濃度的輸送阻力計(jì)算的是鞍山黑色金屬礦山設(shè)計(jì)院公式，金川公式適用于結(jié)構(gòu)流的水力坡度計(jì)算［9］。

鞍山黑色金屬礦山設(shè)計(jì)院公式見式（2）。

式 中：vav—加 權(quán) 平 均 沉 降 速 度，cm／s；da—vav的當(dāng)量粒徑，cm；ρp—料漿密度，t／m3；ρs—固體顆粒密度，t／m3；iw—清水輸送水力坡度，米水柱／m；v—料漿平均流速，m／s；μ—料漿的黏性系數(shù)。

金川公式見式（4）。

公式（4）的試驗(yàn)條件為：粒徑小于3mm的磨砂，成非均勻狀砂漿；D＝100mm；ρs＝2．72t／m3；Cx＝3．315；mi＝0．373 2～0．542 3；v＝1．2～2．6m／s。

1．2 料漿臨界流速

臨界流速為料漿流動(dòng)時(shí)使流動(dòng)阻力最小的流速，當(dāng)充填管道直徑小于200mm時(shí)，常用公式（5）杜蘭德公式計(jì)算［10－11］。

1．3 充填倍線

充填倍線的幾何定義是充填管道總長度與出、入料口垂直高差之比，反映了充填系統(tǒng)能力和輸送綜合阻力［12－13］。隨著充填工業(yè)泵的引進(jìn)與研發(fā)，泵送充填投資不斷降低，料漿輸送穩(wěn)定性得到提高?？紤]泵壓的影響，充填倍線的計(jì)算公式見式（6）。

式中：L—充填管道總長度，m；H—管道入料口與出料口之間的自然壓頭，m；α—泵壓與料漿自然壓頭的比值。

充填料漿滿管輸送時(shí)，滿足公式（7）：

式中：ip—水力坡度；β—局部阻力損失與沿程阻力損失之比。

將公式（6）代入（7）中，得到滿管流輸送條件下水力坡度與充填倍線之間的關(guān)系式：

2 充填料漿管道輸送可靠性研究

目前，礦山充填料漿管道輸送可靠性研究主要包括充填管道磨損機(jī)理、大倍線管道自流輸送工藝、料漿流變特性、水力坡度經(jīng)驗(yàn)公式等。

2．1 充填管道磨損機(jī)理研究

沈家華［14］、王賢來［15］、張德明［16］在研究礦山現(xiàn)場充填管道磨損問題時(shí)，一致認(rèn)為不滿流是引起管道磨損的主要原因，提出了管道磨損機(jī)理，如圖2所示。沈家華結(jié)合會(huì)澤鉛鋅礦深井充填系統(tǒng)工程改造實(shí)踐為背景，研究得出通過增大水力坡度來改善系統(tǒng)的滿管狀態(tài)的結(jié)論。該礦通過進(jìn)行水平輸送變徑增阻工業(yè)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用小直徑管道，提高了滿管率，有效減輕管道磨損。王賢來、張德明在金川礦區(qū)充填管道磨損情況調(diào)查及磨損原因分析中還發(fā)現(xiàn)，粒徑級(jí)配、顆粒剛度、鉆孔施工質(zhì)量、管道安裝質(zhì)量、充填倍線、料漿濃度等都是管道磨損的影響因素，金川公司認(rèn)為充填倍線宜控制在1．5～2．5。

2．2 大倍線充填管道自流輸送研究

圖2 充填鉆孔內(nèi)管道沖擊磨損機(jī)理示意圖Fig．2 Impact wear mechanism sketch of pipeline in backfilling drill

周旭、王佩勛［17］研究介紹了煎茶嶺鎳礦超大倍線高濃度料漿自流輸送充填工藝，詳細(xì)分析了充填倍線在管道輸送系統(tǒng)中的重要性，并給出充填倍線過小或過大問題的影響和一般解決辦法。煎茶嶺鎳礦采用小流量、低流速、大管徑減小輸送阻力損失，并適當(dāng)提高料漿濃度，增加垂直鉆孔料漿柱工作壓力，成功解決了超大倍線自流輸送問題，開創(chuàng)了國內(nèi)超大倍線自流輸送技術(shù)的先例，達(dá)到國際先進(jìn)水平。另外，解釋說明了流量、流速、管徑及料漿濃度在管道輸送中的相互影響、確定方法和注意事項(xiàng)。

鄧代強(qiáng)等［18］介紹了霍邱吳集鐵礦的充填倍線為11左右，選用輕質(zhì)低阻管道，根據(jù)充填倍線大小隨采場位置的變化，適當(dāng)降低料漿濃度，使其實(shí)現(xiàn)自流輸送，在輸送過程中未發(fā)生堵管。料漿濃度在70%上下浮動(dòng)，濃度達(dá)到72%時(shí)，黏度較高，呈“柱塞流”輸送。

張卓成等［19］研究金川二礦區(qū)充填系統(tǒng)存在的問題時(shí)，發(fā)現(xiàn)1 600m水平料漿管道輸送倍線太大，堵管現(xiàn)象嚴(yán)重。通過改變充填鉆孔位置，將充填倍線從6．36降至3．19后，經(jīng)過一年的生產(chǎn)實(shí)踐檢驗(yàn)，通過現(xiàn)場觀察，幾乎看不到任何物料沉積或淤積殘留現(xiàn)象。另外1 350m水平輸送倍線太小，沖刷磨漏現(xiàn)象較劣。通過增加水平充填道長度，把充填倍線從1．88提高到2．98，料漿流動(dòng)穩(wěn)定，管道磨損情況大大減輕。

考慮到大倍線高濃度自流輸送和膏體泵送技術(shù)的缺陷，何哲祥教授、古德生院士［20］研究了一種利用機(jī)械力、漿體重力、膏體屈服應(yīng)力和慣性力的擠壓輸送充填料的新方法，即在水平充填管的合適位置安裝擠壓輸送設(shè)備。經(jīng)理論推導(dǎo)給出了求解管道內(nèi)漿體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的方程和方法，并闡述了擠壓輸送時(shí)漿體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。自制水力充填管道擠壓輸送試驗(yàn)系統(tǒng)，模擬試驗(yàn)證明，對(duì)于不能自流輸送的料漿管輸送系統(tǒng)，采用擠壓裝置能夠?qū)崿F(xiàn)高濃度充填料漿的輸送，在原理上驗(yàn)證了擠壓輸送方法在超大倍線充填系統(tǒng)中的可行性。擠壓輸送裝置結(jié)構(gòu)簡單，易磨損件少，投資少，運(yùn)行成本低。

2．3 基于自流輸送的料漿配比研究

王新民教授［21］通過測定孫村煤礦不同煤矸石的管道輸送性能，驗(yàn)證了制備膏體充填料漿的可行性。通過充填料漿配比、充填體強(qiáng)度和料漿流動(dòng)性能正交試驗(yàn)，確定保證充填強(qiáng)度和適合管道輸送的最佳配比（水泥∶粉煤灰∶骨料＝1∶4∶15）和濃度（72%～75%），添加1%～5%的復(fù)合減水劑，制成似膏體料漿，成功應(yīng)用于孫村煤礦深井自流輸送系統(tǒng)。

2．4 基于環(huán)管試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)公式研究

山東理工大學(xué)王劼教授［22］針對(duì)會(huì)澤鉛鋅礦膏體充填，推導(dǎo)出根據(jù)流變參數(shù)（塑性黏性系數(shù)η和屈服剪切應(yīng)力τ0）計(jì)算管道沿程阻力的理論計(jì)算模型，并給出利用膏體環(huán)管試驗(yàn)求得流變參數(shù)的方法。環(huán)管試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，料漿濃度Cw對(duì)流變參數(shù)影響最大。根據(jù)料漿組分，配置不同濃度料漿，分別測出流變參數(shù)，用計(jì)算機(jī)程序回歸計(jì)算，得到會(huì)澤鉛鋅礦不同組分料漿的沿程阻力經(jīng)驗(yàn)公式。利用該經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)D150mm水平管道阻力進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相差不大，證實(shí)了該經(jīng)驗(yàn)公式的適用性。

3 充填管道系統(tǒng)可靠性評(píng)估

充填料漿管道輸送系統(tǒng)可靠性評(píng)估方式中，系統(tǒng)性和針對(duì)性較強(qiáng)的評(píng)估方式主要有模糊評(píng)估、可拓學(xué)理論評(píng)估和未確知測度理論評(píng)估。

3．1 模糊評(píng)估

鄭晶晶等［23］介紹了系統(tǒng)失效模式與影響分析（FMEA）技術(shù)的概念和特點(diǎn)，引入模糊數(shù)學(xué)理論。利用FMEA對(duì)金川礦區(qū)充填管道輸送系統(tǒng)進(jìn)行分析，將致命度分為四個(gè)等級(jí)，得出FMEA表。針對(duì)金川管輸系統(tǒng)，先后建立因素集和因素水平集、備擇集和評(píng)估集、因素水平權(quán)重集和因素權(quán)重集，經(jīng)過兩級(jí)模糊綜合評(píng)估、失效模式影響綜合評(píng)估以及加權(quán)平均排序，得出豎直、水平管道的磨損、堵塞和爆裂是充填管道系統(tǒng)主要失效模式的結(jié)論。

馮巨恩等［24］認(rèn)為在了解管線的失效概率和管道輸送系統(tǒng)的可接受失效概率后，方能對(duì)充填管道進(jìn)行可靠性評(píng)價(jià)。馮巨恩通過層次分析并利用二級(jí)模糊綜合評(píng)判方法，確定在深井充填系統(tǒng)管道設(shè)計(jì)水平高、材料和施工質(zhì)量一般、運(yùn)行環(huán)境較差和事故后果嚴(yán)重的條件下，事故的可接受概率為7．743×10－4～12．915×10－4。利用國內(nèi)外研究成果類比和經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的方法，深井充填系統(tǒng)的可接受失效概率為［10－4，10－2］。

3．2 可拓學(xué)與未可知測度理論評(píng)估

中南大學(xué)張欽禮教授等［25］在總結(jié)可靠度分析研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，把物元概念的可拓學(xué)理論應(yīng)用到充填管道輸送安全評(píng)價(jià)中。把10項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)劃分成4個(gè)安全等級(jí)，基于專家意見建立充填管道輸送可靠度評(píng)價(jià)體系；經(jīng)過評(píng)價(jià)指標(biāo)無量綱化、物元可拓評(píng)價(jià)分析，對(duì)充填管道輸送進(jìn)行安全評(píng)判，避免單因素決策的片面性和人們主觀認(rèn)識(shí)差異所引起的決策失誤，得到金川龍首礦的輸送安全等級(jí)為Ⅱ級(jí)，安全性較差，與礦山實(shí)際情況一致。

王新民教授等［26］針對(duì)充填管道堵塞風(fēng)險(xiǎn)，建立了充填管道堵塞風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)體系，并構(gòu)建10個(gè)指標(biāo)的測度函數(shù)，查出單指標(biāo)測度值。以國內(nèi)四個(gè)典型充填礦山為評(píng)價(jià)對(duì)象，通過查閱文獻(xiàn)和咨詢專家得到這些評(píng)價(jià)對(duì)象的10項(xiàng)指標(biāo)值。根據(jù)未確知測度理論，推算相應(yīng)的測度矩陣，得到以上四個(gè)礦山管道堵塞風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，具有宏觀指導(dǎo)意義。

4 總結(jié)與建議

1）充填料漿管道輸送特性參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式應(yīng)用范圍窄，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)通過物理試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法加以驗(yàn)證，對(duì)相應(yīng)的參數(shù)和系數(shù)進(jìn)行修正。

2）對(duì)于充填料漿管道輸送問題的研究比較單一，充填料漿管道輸送系統(tǒng)的可靠性涉及很多因素，這些因素相互影響、相互制約。解決現(xiàn)場實(shí)際問題時(shí)，應(yīng)多因素綜合考慮，找出輸送系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響因素之間的相關(guān)關(guān)系，使管道輸送系統(tǒng)整體優(yōu)化。

3）充填系統(tǒng)可靠性評(píng)估方法較多，但針對(duì)性不強(qiáng)，面向充填料漿管道輸送系統(tǒng)或該系統(tǒng)某種失效方式的評(píng)估方法少，導(dǎo)致評(píng)估結(jié)果籠統(tǒng)，難以指導(dǎo)現(xiàn)場生產(chǎn)。充填管道輸送系統(tǒng)可靠性評(píng)估應(yīng)向大能力、大倍線管道輸送系統(tǒng)、具體失效模式風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的方向發(fā)展。

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