深井長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、澳大利亞和南非等許多國家應(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 膏體的流動特性

砂漿在管中流動時可能呈現(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形態(tài)的決定因素。相對于膏體，料漿的體積濃度超過50%時，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)力時才會被破壞，這種漿體的流動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，這時膏體流速分布和牛頓流體的流速分布相同，這個區(qū)域稱為剪切流動區(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，膏體內(nèi)部不會發(fā)生剪切，就沒有相對運(yùn)動，此時在這個核心區(qū)內(nèi)膏體以恒定流速整體呈柱塞狀流動。

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。要使膏體流動所要消耗的能量和克服的阻力一定要高于一般砂漿流動時所要消耗的能量和克服的運(yùn)動阻力,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，同時這些參數(shù)會因膏體濃度升高而發(fā)生急劇變化，對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)測膏體沿程阻力為1.014 MPa/km。

1.1.4 高濃度膏體長距離輸送條件

膏體自流輸送是以自身的勢能為動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)中具備的勢能必須大于流經(jīng)管道系統(tǒng)時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。對于礦山充填來說，隨著采區(qū)的延伸，管線不斷加長，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，膏體停止流動。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管道輸送系統(tǒng)，也適用于管線的每個區(qū)段自流系統(tǒng)，這也是判斷整個輸送系統(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)管道長度,m；

云南馳宏公司會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)測約為2080 kg/m3，井下管線最長為5.188 km，根據(jù)公式(5)計算可得式(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21 m，由式(5)可以計算知道，膏體由二級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，具體是將二級攪拌槽下料口處用一個三通連接后在另外兩個出口處都安裝上閘閥來控制，其中一個出口連接到雙缸柱塞泵料斗，另一個出口連接到雙缸柱塞泵出口前端，同時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攪拌槽進(jìn)入輸送管線，同時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，迫使管道中的空氣逆向回排(見圖4)，造成二級攪拌下料口處出現(xiàn)噴漿情況嚴(yán)重。同時，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，造成充填料漿速度很高，高速流動的膏體對管壁的遷移沖刷導(dǎo)致管路的高速磨損如圖4所示，長時間磨損會導(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、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排氣箱穩(wěn)壓裝置，適時排出充填管線內(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)計時采用錐形，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，同時減少了人工處理費(fèi)用。

在排氣箱上安裝設(shè)計穩(wěn)壓裝置，對輸送膏體進(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)等對管道沖擊力較大的運(yùn)動狀態(tài)變?yōu)榄h(huán)流狀態(tài)(如圖6所示)，減少對管道的磨損。對輸送膏體進(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，鉆孔的磨損不會出現(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 膏體不同流動示意

地表設(shè)計排氣穩(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，保證無返料現(xiàn)象的發(fā)生，減緩了充填管的磨損，延長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；通往8#、10#礦體的管線經(jīng)過一個盲鉆孔到達(dá)+1751 m中段，接著經(jīng)過2#斜井后分別到達(dá)各自采場。隨著開采深度的不斷增加，管線的距離不斷延長，充填倍線不斷減小，其中1#礦體1764 m中段管線總長為3200 m，充填倍線為4.13；8#礦體1331 m中段管線總長為3513 m，充填倍線為2.91；10#礦體1331 m中段管線總長為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)小量返料的自動回流，有效減少了膏體損失和返料處理時間。

(4) 通過分段減壓技術(shù)，降低了因膏體壓力震蕩對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，避免壓力錘對充填管造成的損害，實(shí)現(xiàn)充填管道均勻磨損，延長鉆孔的使用壽命。根據(jù)國內(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%)、長距離(5188 m)膏體自流輸送技術(shù)成功應(yīng)用于會澤礦山深井采礦。

(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；同時減少了膏體對管道的磨損，延長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，共計節(jié)約各項(xiàng)生產(chǎn)成本1138.17萬元。

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