深井長(zhǎng)距離膏體自流輸送技術(shù)研究與應(yīng)用*

沈家華

(云南馳宏鋅鍺股份有限公司， 云南 曲靖市 654211)

0 前 言

膏體充填技術(shù)自20世紀(jì)80年代初于德國(guó)普魯薩格金屬公司巴德格隆德鉛鋅礦成功試用后，相繼在美國(guó)、澳大利亞和南非等許多國(guó)家應(yīng)用，經(jīng)過不斷地研究探索與礦山實(shí)踐，該理論技術(shù)已逐漸成熟[1]。由一種或多種充填材料與水進(jìn)行合理組合，制備成為具有良好穩(wěn)定性、流動(dòng)性和可塑性的牙膏狀膠結(jié)體，在重力或外加力(泵壓)作用下，以柱塞流的形態(tài)輸送到采空區(qū)完成充填作業(yè)的過程叫做膏體充填[2]。膏體充填具有充填體不需脫水、井下無充填污染、充填體強(qiáng)度高、凝固時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，因而特別適用于深部高應(yīng)力區(qū)采空區(qū)的充填。但該技術(shù)也存在一些缺點(diǎn)，如充填系統(tǒng)投資高，充填管道容易堵塞等[4]。在礦山膏體充填中，管道阻力的大小是影響整個(gè)膏體充填管道輸送系統(tǒng)工藝正常運(yùn)行最主要的因素[5]。

膏體充填初期采用國(guó)外生產(chǎn)的雙活塞液壓泵加壓輸送，由于該方案存在控制技術(shù)難度大、維護(hù)成本高、清洗困難等諸多的難題，技術(shù)人員于2007年4月采用膏體自流輸送，并取得了較好的效果，其工藝流程如圖1所示。

1 膏體自流輸送方式

1.1 膏體自流輸送可行性分析

1.1.1 膏體的流動(dòng)特性

砂漿在管中流動(dòng)時(shí)可能呈現(xiàn)各種不同的形態(tài)，砂漿的濃度、流速、固體顆粒的粒度和密度等是影響砂漿流動(dòng)形態(tài)的決定因素。相對(duì)于膏體，料漿的體積濃度超過50%時(shí)，成為一種似均質(zhì)的固液混合物，在黏度和濃度的影響下，料漿中的固體顆粒粘在一起，不能自由沉降離析，在沒有外力作用的情況下，這時(shí)料漿將保持固定的形狀和體積，其靜止?fàn)顟B(tài)只有當(dāng)作用其上的外力大于屈服應(yīng)力時(shí)才會(huì)被破壞，這種漿體的流動(dòng)具有賓漢塑性流體的流變特征，作用在漿體上的外力與切變率關(guān)系如下：

(1)

作用于膏體上的剪應(yīng)力在管壁處最大，并由管壁至管軸中心逐漸減小為零。在管壁處由于剪應(yīng)力大于漿體的屈服應(yīng)力，這時(shí)膏體流速分布和牛頓流體的流速分布相同，這個(gè)區(qū)域稱為剪切流動(dòng)區(qū)。由此向內(nèi)至管線中心，當(dāng)屈服應(yīng)力大于剪切外力時(shí)，膏體內(nèi)部不會(huì)發(fā)生剪切，就沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)在這個(gè)核心區(qū)內(nèi)膏體以恒定流速整體呈柱塞狀流動(dòng)。

由此可見，作用于膏體上的外力與膏體的黏度、屈服應(yīng)力和流速是函數(shù)關(guān)系。要使膏體流動(dòng)所要消耗的能量和克服的阻力一定要高于一般砂漿流動(dòng)時(shí)所要消耗的能量和克服的運(yùn)動(dòng)阻力,只有保證流速在層流范圍內(nèi)才能使膏體實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定安全的輸送。

1.1.2 膏體流變特性

圖1 泵送工藝流程

(2)

式中：I-壓力損失;D為管徑。

(3)

式中：V為膏體的斷面平均流速；D為管徑。

由公式(3)可得知，不同固態(tài)物料所制備成的膏體的流變參數(shù)不同，同時(shí)這些參數(shù)會(huì)因膏體濃度升高而發(fā)生急劇變化，對(duì)不同類型膏體的研究結(jié)果表明，膏體濃度即使發(fā)生微小的變化，也將會(huì)使其流變參數(shù)大幅提高，并呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系。因此，膏體的濃度是決定其管流阻力和流動(dòng)性態(tài)的關(guān)鍵因素。

1.1.3 膏體管道內(nèi)沿程壓力損失分析

膏體管流沿程壓力損失由公式(4)確定，由于膏體具有較大的屈服應(yīng)力和黏度，因此壓力損失要高于低濃度砂漿。影響膏體沿程阻力的因素包括濃度、流速和管徑。

(4)

膏體充填生產(chǎn)實(shí)測(cè)膏體沿程阻力為1.014 MPa/km。

1.1.4 高濃度膏體長(zhǎng)距離輸送條件

膏體自流輸送是以自身的勢(shì)能為動(dòng)力克服管道沿程阻力，實(shí)現(xiàn)自流的條件是膏體在系統(tǒng)中具備的勢(shì)能必須大于流經(jīng)管道系統(tǒng)時(shí)克服沿程阻力所須消耗的能量[7]。根據(jù)能量守恒定律的基本原則，自流的必要條件可用公式(5)表示。管道的長(zhǎng)度(L)和管道的進(jìn)出口之間的高度差(H)是決定膏體能否自流的關(guān)鍵因素。對(duì)于礦山充填來說，隨著采區(qū)的延伸，管線不斷加長(zhǎng)，管線沿程總阻力也越大，膏體輸送能力逐漸降低。當(dāng)阻力達(dá)到極限值時(shí)，膏體停止流動(dòng)。在實(shí)際運(yùn)行中，隨著輸送管線的延伸，垂直管道中膏體的高度都在自行調(diào)整，以提供相應(yīng)的壓力，滿足公式(5)中的條件。公式(5)表示的自流條件既適用于整個(gè)管道輸送系統(tǒng)，也適用于管線的每個(gè)區(qū)段自流系統(tǒng)，這也是判斷整個(gè)輸送系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)連續(xù)自流的基本原則。

H·γ≥I·L

(5)

式中：H—管線垂直落差,m；

γ—膏體密度,N/m3；

I—膏體在管道中單位壓力損失,Pa/m；

L—膏體流經(jīng)管道長(zhǎng)度,m；

云南馳宏公司會(huì)澤采選廠充填地表至井下采空區(qū)1331中段其垂直落差為1207 m，膏體的密度實(shí)測(cè)約為2080 kg/m3，井下管線最長(zhǎng)為5.188 km，根據(jù)公式(5)計(jì)算可得式(6)、式(7)：

H·γ=2.496×106kg/m2≈24.60 MPa

(6)

I·L≈5.26MPa

(7)

經(jīng)計(jì)算，由式(6)和式(7)作比較得H·γ>I·L，膏體從鉆孔至井下可以實(shí)現(xiàn)自流。

而在地表，膏體輸出管口至地面的落差為4 m，流經(jīng)的管線長(zhǎng)21 m，由式(5)可以計(jì)算知道，膏體由二級(jí)攪拌槽至鉆孔口其落差高度滿足自流充填條件，即膏體滿足地表自流條件，膏體在地表可實(shí)現(xiàn)自流輸送。經(jīng)計(jì)算管線全程都滿足膏體自流輸送條件，可實(shí)現(xiàn)膏體自流輸送。

1.2 自流輸送實(shí)施方案

1.2.1 下料工藝設(shè)備改造

膏體不經(jīng)雙缸柱塞泵而將其輸送至井下，需將地表的輸送管線進(jìn)行部分改造，具體是將二級(jí)攪拌槽下料口處用一個(gè)三通連接后在另外兩個(gè)出口處都安裝上閘閥來控制，其中一個(gè)出口連接到雙缸柱塞泵料斗，另一個(gè)出口連接到雙缸柱塞泵出口前端，同時(shí)將雙缸柱塞泵出口安裝上閘閥,再安裝上洗管用的污水管，即實(shí)現(xiàn)膏體自流充填改造。管線改造如圖2所示。

圖2 地表膏體輸送管線改造

1.2.2 排氣穩(wěn)壓裝置安裝

1.2.2.1 必要性

膏體自流輸送初期，未采用排氣穩(wěn)壓裝置，充填過程存在的主要問題如下：

(1) 膏體攪拌槽噴漿、返料，極易引起堵管。在改為自流輸送后膏體直接由二級(jí)攪拌槽進(jìn)入輸送管線，同時(shí)伴有大量空氣隨著膏體進(jìn)入管線，如圖3所示。

圖3 空氣進(jìn)入輸送管線

空氣伴隨著膏體進(jìn)入輸送管線后，由于膏體在管道中快速的流動(dòng)，迫使管道中的空氣逆向回排(見圖4)，造成二級(jí)攪拌下料口處出現(xiàn)噴漿情況嚴(yán)重。同時(shí)，空氣的進(jìn)入使得管內(nèi)壓力不穩(wěn)定，不能保障膏體穩(wěn)定輸送，極易引發(fā)堵管。

(2) 管道磨損嚴(yán)重。垂直管道中存在空氣柱，當(dāng)充填時(shí)，造成充填料漿速度很高，高速流動(dòng)的膏體對(duì)管壁的遷移沖刷導(dǎo)致管路的高速磨損如圖4所示，長(zhǎng)時(shí)間磨損會(huì)導(dǎo)致管道最終被磨穿。

(3) 在膏體輸送過程中瞬間壓力過大造成的充填管掉落、爆管現(xiàn)象。由于空氣柱的存在，膏體高速下落的過程中擠壓空氣，造成管道局部受力過大，造成管道震動(dòng)、擺幅過大，以致充填管掉落或爆裂。

1.2.2.2 排氣穩(wěn)壓實(shí)施措施

膏體充填利用自然高差輸送膏體，充填管路系統(tǒng)為開路方式。在地表通過21 m的平巷后垂直進(jìn)入充填鉆孔。在地表管線與鉆孔管線連接處正上方安裝一個(gè)排氣箱穩(wěn)壓裝置，適時(shí)排出充填管線內(nèi)的氣體。排氣箱與充填管線連接處和排氣箱頂部安裝調(diào)壓閥，控制排氣量來實(shí)現(xiàn)管線內(nèi)膏體壓力調(diào)節(jié)，把穩(wěn)壓調(diào)節(jié)技術(shù)運(yùn)用到膏體輸送系統(tǒng)內(nèi)，具體設(shè)計(jì)見圖5。

圖4 充填管沖刷磨損現(xiàn)狀及機(jī)理

圖5 排氣穩(wěn)壓裝置及箱內(nèi)流體狀態(tài)

在充填管線網(wǎng)上應(yīng)用排氣箱及穩(wěn)壓裝置技術(shù)來消除鉆孔內(nèi)空氣，防止充填管線內(nèi)氣囊的形成。排氣箱底部設(shè)計(jì)時(shí)采用錐形，在排完空氣后，跟隨氣體返出的膏體又重新返回到充填管線中，排氣箱內(nèi)流體狀態(tài)如圖5所示。這樣避免了膏體的浪費(fèi)，解決了環(huán)境污染問題，同時(shí)減少了人工處理費(fèi)用。

在排氣箱上安裝設(shè)計(jì)穩(wěn)壓裝置，對(duì)輸送膏體進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)，使膏體在管道中的層狀、波狀、氣團(tuán)流態(tài)等對(duì)管道沖擊力較大的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變?yōu)榄h(huán)流狀態(tài)(如圖6所示)，減少對(duì)管道的磨損。對(duì)輸送膏體進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)，使得充填鉆孔系統(tǒng)中所能提供的有效壓力克服充填管道沿程的阻力外，系統(tǒng)沒有剩余壓頭，處于滿管流狀態(tài)。料漿的平穩(wěn)流動(dòng)，鉆孔的磨損不會(huì)出現(xiàn)交界面以上的沖刷現(xiàn)象，管道內(nèi)壁的磨損比較均勻，磨損率也較低。

圖6 膏體不同流動(dòng)示意

地表設(shè)計(jì)排氣穩(wěn)壓裝置已取得了明顯的效果，能夠保證膏體平穩(wěn)輸送至采場(chǎng)，保證無返料現(xiàn)象的發(fā)生，減緩了充填管的磨損，延長(zhǎng)了充填管線的使用壽命。

2 膏體自流輸送應(yīng)用成效及經(jīng)濟(jì)效益

2.1 膏體充填量

膏體充填系統(tǒng)投入生產(chǎn)四年多以來，截止2010年12月共輸送膏體已達(dá)49.25萬m3，其中外加力輸送(雙缸柱塞泵加壓輸送)膏體0.84萬m3，自流輸送膏體48.41萬m3。

2.2 自流輸送膏體充填倍線

膏體充填的管道輸送主干管線見圖7。充填料漿經(jīng)雙軸葉片與雙軸螺旋攪拌后由地表(標(biāo)高2538 m)通過1#鉆孔到達(dá)+2053 m中段，之后充填管線分為兩條，一條通往1#礦體，一條通往8#、10#礦體。通往1#礦體的管線經(jīng)過+2053 m中段，接著經(jīng)過2#斜井到達(dá)采場(chǎng)；通往8#、10#礦體的管線經(jīng)過一個(gè)盲鉆孔到達(dá)+1751 m中段，接著經(jīng)過2#斜井后分別到達(dá)各自采場(chǎng)。隨著開采深度的不斷增加，管線的距離不斷延長(zhǎng)，充填倍線不斷減小，其中1#礦體1764 m中段管線總長(zhǎng)為3200 m，充填倍線為4.13；8#礦體1331 m中段管線總長(zhǎng)為3513 m，充填倍線為2.91；10#礦體1331 m中段管線總長(zhǎng)為4117 m，充填倍線為3.41。

目前生產(chǎn)中管道輸送主要技術(shù)參數(shù)為：充填料漿重量濃度：78%～80%；充填料漿流量：45～60 m3/h；充填管內(nèi)徑：150 mm；充填料漿灰砂比：1∶8～1∶10；充填料漿固體物料組成：全尾砂+水淬渣+水泥。

圖7 膏體自流管線及倍線

2.3 管道磨損及消耗

(1) 進(jìn)行技術(shù)改造后，使管道內(nèi)氣囊形成規(guī)律氣流，有效減少垂直管道的磨損(見表1)，增加垂直管道使用壽命，磨損率由4.90%～12.79%降低至1.95%～2.28%。

表1 排氣穩(wěn)壓裝置前后管壁厚度變化

(2) 防止了充填管線因瞬時(shí)壓力過大造成的爆管、堵管。

(3) 通過在管線上方安裝局部排氣箱，實(shí)現(xiàn)小量返料的自動(dòng)回流，有效減少了膏體損失和返料處理時(shí)間。

(4) 通過分段減壓技術(shù)，降低了因膏體壓力震蕩對(duì)充填管線造成的損害，增加排氣裝置至今并無因壓力震蕩造成管線脫落。

2.4 膏體自流輸送經(jīng)濟(jì)效益

自膏體自流輸送技術(shù)成功應(yīng)用后，該項(xiàng)目創(chuàng)收經(jīng)濟(jì)效益1520.08萬元。

自2007年4月全面實(shí)現(xiàn)膏體自流充填至2010年12月止，節(jié)約充填用水、用電等大量成本，帶來了一定的經(jīng)濟(jì)效率，共計(jì)節(jié)約用水、用電成本331.23萬元，節(jié)約崗位工資50.68萬元，年均節(jié)約12.67萬元，較加壓輸送產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益合計(jì)381.91萬元。

排氣穩(wěn)壓技術(shù)應(yīng)用于+2538 m+2053 m水平段充填管，通過分段減壓、排氣及穩(wěn)壓措施，減少充填管內(nèi)氣壓囊的形成，避免壓力錘對(duì)充填管造成的損害，實(shí)現(xiàn)充填管道均勻磨損，延長(zhǎng)鉆孔的使用壽命。根據(jù)國(guó)內(nèi)膏體充填使用充填鉆孔情況看，鉆孔的平均使用壽命為膏體充填40萬m3。會(huì)澤采選廠充填鉆孔至今已充填膏體49.25萬m3，仍在使用，節(jié)省了新鉆孔投入費(fèi)用500萬元，年平均節(jié)約125萬元。排氣穩(wěn)壓技術(shù)的應(yīng)用合計(jì)節(jié)約成本1138.17萬元。

3 結(jié) 論

(1) 在膏體充填采礦法中，首次將高濃度(79%～81%)、長(zhǎng)距離(5188 m)膏體自流輸送技術(shù)成功應(yīng)用于會(huì)澤礦山深井采礦。

(2) 排氣穩(wěn)壓裝置及分段減壓技術(shù)的應(yīng)用，排除了管道內(nèi)的空氣柱，防止了返料現(xiàn)象的發(fā)生；使膏體流動(dòng)更加平穩(wěn)，防止了爆管及大面積堵管現(xiàn)象的發(fā)生；同時(shí)減少了膏體對(duì)管道的磨損，延長(zhǎng)了輸送管道和鉆孔的使用壽命。

(3) 該技術(shù)自2007年4月成功應(yīng)用至今已輸送膏體48.41萬m3，共計(jì)節(jié)約各項(xiàng)生產(chǎn)成本1138.17萬元。

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