深井礦山充填系統(tǒng)管路爆管問題的應(yīng)對措施

姜洪波，李世珺，姚 銳，黃明然

(中國有色集團(tuán)撫順紅透山礦業(yè)有限公司，遼寧 撫順 113321)

1 前言

紅透山銅礦充填系統(tǒng)于1973年建立，在國內(nèi)屬于較早建立水砂充填系統(tǒng)的礦山。礦山經(jīng)過近60年的開采，目前總的開拓深度已經(jīng)達(dá)到1 600m以上，單中段水平長度超過2 500m，與此同時，各中段管路長度不一，差異很大，充填管線總長度約5 000m，致使充填倍線變化大，從而造成充填料輸送過程中管路內(nèi)壓力大，經(jīng)常引起上向管路連接處壓開、墊片壓壞、爆管等事故，嚴(yán)重干擾生產(chǎn)。

礦山通過優(yōu)化系統(tǒng)管路布局和干式充填工藝技術(shù)的研究與應(yīng)用[1]，使充填系統(tǒng)管路爆管的情況得到了較好的緩解。

2 充填系統(tǒng)存在的主要問題

紅透山礦充填系統(tǒng)管路由于管線長、跨越中段多，管路分多期安裝，材質(zhì)各異，故障點(diǎn)多，堵管和管路爆裂是其中最典型也是最容易出現(xiàn)的問題。當(dāng)系統(tǒng)某處發(fā)生了故障時就必須全線停車，進(jìn)行搶修處理，這樣直接影響生產(chǎn)效率。跑砂嚴(yán)重時，還可能帶來災(zāi)難性后果。產(chǎn)生這些問題的原因主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

(1)管路落差大，充填倍線變化復(fù)雜。紅透山礦為典型的深部開采礦山，最底部采場充填管路末端出口(標(biāo)高-767m)與最上端進(jìn)料口(標(biāo)高+253m)間落差超過1 000m；與此同時，各中段管路長度不一，差異很大，充填管線總長度約5 000m，致使充填倍線變化大[1]，如在-347m中段以上不大于2，在-467m中段以下充填倍線為4～6。-467m中段以下為主要生產(chǎn)作業(yè)區(qū)域，礦體急劇向東側(cè)伏，多數(shù)中段充填管路水平長度超過400～500m，越往深部發(fā)展，單中段水平管路長度預(yù)期將繼續(xù)增大。

(2)管線模式固定，改造困難。礦山經(jīng)過近60年的生產(chǎn)，目前，結(jié)束的和正在采礦的共有近20個中段，系統(tǒng)充填管路垂直的連接方式，都是通過在各中段間施工的直徑為100mm的上向巖石鉆孔連接，因此，很難采用改變巖石孔徑和管路直徑的辦法來調(diào)整管線技術(shù)參數(shù)。

(3)管路連接及使用管材存在缺陷。由于部分中段管路及其構(gòu)成部件不能承擔(dān)其內(nèi)部過大的輸送壓力，在各中段管路連接的上、下向及管線的連接部位，如彎頭、法蘭盤、橡膠圈等部位，易造成擠壓破壞，需要經(jīng)常維修，成本高，勞動強(qiáng)度大。

系統(tǒng)管路使用的材料主要有兩類，主干管路使用鋼管內(nèi)襯鑄石管，分支管路則廣泛采用厚壁鋼管。主干的襯鑄石管雖然耐磨性能好，但安裝復(fù)雜，勞動強(qiáng)度大，一旦鑄石片有碎裂，極易造成堵管事故；而分支鋼管容易磨損，使用期限短，更換頻繁。

3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)防爆管技術(shù)

針對上述管路爆管這一核心問題，主要采取優(yōu)選適宜充填管材和均勻分布管內(nèi)壓力的辦法解決。

3.1 優(yōu)選充填管路材質(zhì)

為解決爆管問題，首先考慮管路材質(zhì)優(yōu)化方案。礦山經(jīng)過實(shí)踐應(yīng)用比較，對鑄石管、陶瓷復(fù)合管、襯膠管和超高分子鋼緊襯耐磨復(fù)合管等4種不同管材，全面分析其特點(diǎn)，確定了不同的應(yīng)用范圍。

(1)鑄石管。具有耐磨性能好、成本低的突出優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是材料笨重，管路壓力大時易出現(xiàn)鑄石片炸裂現(xiàn)象，可適用于部分充填系統(tǒng)水平主管路。該類管材目前在紅透山礦已經(jīng)很少使用。

(2)陶瓷復(fù)合管。該管路將陶瓷的高硬度和鋼優(yōu)良性能集于一體，具有硬度高、耐磨損、耐腐蝕、耐高溫、抗沖擊等良好的綜合性能，使用壽命是普通鋼管的3～5倍，在相似產(chǎn)品中成本較低；缺點(diǎn)仍然是較為沉重，有時鋼管內(nèi)襯陶瓷也有脫落現(xiàn)象，造成管路堵塞。既適用于主管路也可用于充填分支管路。該類管材目前在紅透山礦應(yīng)用最為普遍。

(3)襯膠管。具有耐磨、耐酸、耐水解老化，抗沖擊等優(yōu)點(diǎn)，但是也存在襯膠容易脫落甚至局部撕裂現(xiàn)象，容易堵管，而且成本較高，使用壽命是普通鋼管的6～8倍。該類管材應(yīng)用較少，部分用于紅透山礦的管路上、下向連接處的彎頭。

(4)超高分子鋼緊襯耐磨復(fù)合管。具有陶瓷復(fù)合管的一般優(yōu)點(diǎn)，有高塑性的優(yōu)異性能，使用壽命是普通鋼管的8～10倍，但成本較高。該類管材適應(yīng)性強(qiáng)，目前在紅透山礦的應(yīng)用有增加的趨勢。

3.2 系統(tǒng)管路降壓工程改造

根據(jù)理論計算和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，確定礦山充填系統(tǒng)水平管路的合理上限長度應(yīng)為400m左右，并以此作為充填網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化依據(jù)[2]。參數(shù)及計算如下。

礦山尾砂充填料的充填濃度平均為60%，充填量V1=50m3/h，容重ρv=1.95t/m3，固體密度ρk=2.7t/m3。流體密度ρ1=1/(0.6/2.7+0.4)=1.613t/m3，秒流量Q=V1×ρv/(60%×ρ1×3 600)=0.019m3/s；流體體積濃度CV=(0.6/2.7)/(0.6/2.7+0.4)=0.355。尾砂平均粒徑0.089mm，其中+0.106mm占22.45%。

根據(jù)以上條件，在管道平整的情況下，充填濃度60%時單中段水平輸送距離S=中段高度×料漿密度/(水力坡度×系數(shù))-中段高度= 425m。

礦山原有充填主干系統(tǒng)主要位于13～14勘探線附近，井下-407m中段以上的采礦作業(yè)區(qū)域，充填管路水平距離長度均在300m以內(nèi)，不再需要優(yōu)化改造。

其下部的生產(chǎn)中段，充填管路水平距離長度都超過上述長度上限，因此由-407m中段起開始進(jìn)行系統(tǒng)管路布局調(diào)整。相關(guān)的充填管路調(diào)整持續(xù)多年，歷經(jīng)4個階段，使得整體系統(tǒng)逐漸得到完善，見圖1。

(1)第一次減壓改造。由于-467m中段以下礦體向東急劇側(cè)伏，原有充填管路已經(jīng)無法對-587m中段部分采場進(jìn)行充填，系統(tǒng)管路由-407m中段起開始向東平移調(diào)整，綜合考慮充填倍線的合理性，改造的同時將-347m中段充填系統(tǒng)管路一并平移，平移后單中段水平管路延伸增加，緩解垂直壓力，起到降壓作用，相應(yīng)深部中段水平管路也向東平移。

圖1 充填管路減壓示意圖

(2)第二次減壓改造。對-407m中段充填管路進(jìn)行平移。經(jīng)過兩年的運(yùn)行，隨著-587m中段19號勘探線以西采場采礦結(jié)束，充填管路又一次暴露出對-587m中段東部采場充填能力不足問題。本次減壓改造充分考慮將來深部中段采場充填問題，將-407m中段上向平移330m，達(dá)到單中段水平距離設(shè)計上限。經(jīng)過本次減壓管路改造后，解決-587m中段22采以西所有采場的充填問題。

(3)第三次減壓改造。隨著礦山生產(chǎn)能力的提高和采礦作業(yè)地點(diǎn)向東部集中，充填管路面臨滿負(fù)荷運(yùn)行，考慮充填料漿濃度和分支管路長度、安裝條件、安裝成本等諸多問題，決定適當(dāng)放寬單中段水平管路上限，達(dá)到510m，一次性解決了-587m中段所有采場的充填問題，同時也為深部中段水平管路平移創(chuàng)造條件。實(shí)際運(yùn)行表明，單中段水平管路局部超過400m也是可行的，從采場的充填濃度和膠結(jié)地面看，滿足了采礦要求。

(4)第四次減壓改造。本次改造涉及多個中段水平管路同時平移。即-527m中段平移300m，-587m中段平移230m，-647m中段平移280m，-707m中段平移260m。此次改造，將上述4個中段管路同時改造，一次性解決當(dāng)前采礦所涉及到的所有作業(yè)點(diǎn)的充填問題。

4 端部采場干式充填工藝

端部采場由于所處的位置是在充填系統(tǒng)管路的最末端，在采場充填期間，管路的壓力最大，充填系統(tǒng)的爆管率也是最高的。礦山通過對端部的分層充填法采場進(jìn)行干式充填工藝研究[2]，有效減少了末端采場充填量和時間，減少了系統(tǒng)管路的爆管故障率。

(1) 實(shí)例一：-767m中段25采，上向尾砂分層充填法采場，采場面積2 900m2，采用木支護(hù)以后，施工上向回采孔，孔深3m。采場采礦和出礦是分東西兩個區(qū)域進(jìn)行的，當(dāng)西側(cè)采礦出礦結(jié)束以后，立即對采場西側(cè)進(jìn)行廢石充填。此時，采場西側(cè)的廢石充填工作和采場東側(cè)的出礦作業(yè)同時進(jìn)行。采場東側(cè)出礦結(jié)束后，再對東側(cè)進(jìn)行廢石充填，廢石充填結(jié)束后，對采場進(jìn)行尾砂充填。地面膠結(jié)厚度由原來的500mm減少到100mm。

(2)實(shí)例二：-827m中段20采，充填法采場，采場面積1 100m2，采場分為上下盤兩部分，下盤寬脈部分面積800m2，采用上向回采孔施工，一次性落礦，采礦后用鏟運(yùn)機(jī)出礦。上盤窄脈部分300m2，礦脈平均寬度1.8m，采用水平壓眼采礦，利用電耙子出礦。采場全部采礦、出礦結(jié)束后，進(jìn)行溜井密閉施工和廢石充填工作，只充填100mm厚的膠結(jié)地面。

實(shí)踐證明，通過采用分層充填法全廢石干式充填技術(shù)，使采場分層充填廢石量由原來的40%提高到90%。地面尾砂膠結(jié)厚度由500mm減少到100mm，單個采場地面膠結(jié)減少水泥用量200t，而且提高了地面膠結(jié)強(qiáng)度。

由于減少了采場水砂膠結(jié)總量，使充填系統(tǒng)故障率降低62.5%，減少維修和清理巷道污染費(fèi)用10萬元，減少水泥成本10萬元，廢石運(yùn)輸費(fèi)用10萬元。每分層充填減少30萬元投入，按照3個分層/年計算，單個采場總的充填成本減少90萬元。

5 結(jié)語

充填系統(tǒng)管路爆管的問題是深井礦山常見的技術(shù)問題，充填深邊部采場時，水平管路較長、管內(nèi)壓力較大，是充填系統(tǒng)管路爆管的主要原因之一。紅透山礦在深井開采條件下，面對充填系統(tǒng)管路構(gòu)成復(fù)雜的情況，通過合理選用充填管材，科學(xué)調(diào)整充填管路的水平長度，使爆管的情況得到基本緩解，系統(tǒng)綜合故障率降低80%以上。礦山通過對上向尾砂分層充填法采用干式充填工藝技術(shù)，有效地提高充填地面質(zhì)量，在降低充填成本的同時，最大程度地降低了充填系統(tǒng)管路的爆管幾率，有利于礦山礦產(chǎn)資源清潔生產(chǎn)。值得具有同樣問題的深采礦山參考應(yīng)用。

[1] 劉 勇,王 俊，等.充填采礦工程設(shè)計手冊[M].北京：礦山工業(yè)科技出版社, 2008.41,105.

[2] 費(fèi)子文，張濟(jì)中.采礦手冊[M].北京：冶金工業(yè)出版社,1990.251，272.