中國礦山充填鉆孔管道故障及處理模式

鄧代強(qiáng)

（貴州理工學(xué)院 礦業(yè)工程學(xué)院，貴州 貴陽 550003）

0 引言

隨著近些年來各類礦產(chǎn)資源的不斷開發(fā)與利用，為切實(shí)做好資源采掘業(yè)的環(huán)境保護(hù)與安全生產(chǎn)，目前充填法處理采空區(qū)的開采方式已經(jīng)逐漸在國內(nèi)外推廣開來。在使用充填法開采和處理采空區(qū)的過程中，由于對(duì)各種因素的兼顧性較強(qiáng)，充填法由此而顯示出了顯著的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。從材料利用、環(huán)境保護(hù)、資源回收等方面均獲得了積極的綜合效益[1-2]。從充填開采的外在因素直觀看出，充填法雖然增加了一些充填材料、充填設(shè)施、操作運(yùn)營(yíng)、維護(hù)改造等必要成本，但經(jīng)過一段時(shí)期的應(yīng)用后就不難發(fā)現(xiàn)，充填法的使用同時(shí)也大大降低了資源的貧化率與損失率，提高了礦產(chǎn)資源的回收率，與國家大力提倡的清潔生產(chǎn)、高效回收、節(jié)能環(huán)保及安全生產(chǎn)等產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型、升級(jí)政策完美契合，為相關(guān)的工業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng)造了良好的途徑[3-4]。

鑒于充填法開采對(duì)于礦山企業(yè)維持與發(fā)展的重要作用，相關(guān)的設(shè)計(jì)、研究等工作也變得活躍起來，該領(lǐng)域科研立項(xiàng)也在逐漸增多，為資源開采的可持續(xù)性打下了較好基礎(chǔ)，尤其對(duì)于價(jià)值較高的鎳、鎢等金屬資源，其意義尤為重要[5-7]。充填鉆孔作為金屬礦山充填工程的重要環(huán)節(jié)，其高效運(yùn)行關(guān)乎地表與井下的工藝銜接，流暢的充填料漿輸送系統(tǒng)將會(huì)為高效開采、循環(huán)生產(chǎn)創(chuàng)造良好條件，同時(shí)連續(xù)無故障運(yùn)轉(zhuǎn)的充填系統(tǒng)及流暢的工藝流程也是降低充填成本的有效途徑之一。為此一些相關(guān)的研究也在圍繞此類問題進(jìn)行研究分析，從不同的角度解決現(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)問題[8-10]。例如，一些研究中對(duì)充填管道的使用過程進(jìn)行了詳細(xì)的分析，為解決堵管問題提供了參考[11]；鄭晶晶等[12]對(duì)充填鉆孔材質(zhì)進(jìn)行研究，為充填管道內(nèi)壁降低磨損提供了借鑒；研究者對(duì)充填管道輸送壓力與管道修復(fù)開展的技術(shù)研究，也為延長(zhǎng)充填管道的使用年限提供了依據(jù)，從而為降低充填成本創(chuàng)造可行的工藝條件[13-14]。本研究結(jié)合近些年來國內(nèi)金屬礦山充填鉆孔的使用情況，加以歸納總結(jié)，著重從充填鉆孔管道的構(gòu)成與連接方式進(jìn)行分析，以期為解決一些充填料漿鉆孔管道輸送問題提供參考。

1 充填鉆孔構(gòu)造特征及工程應(yīng)用

對(duì)于不同生產(chǎn)與工程條件的金屬礦山，在充填系統(tǒng)的工藝流程設(shè)計(jì)過程中，一般均會(huì)根據(jù)具體的礦巖性質(zhì)、工程條件進(jìn)行因地制宜的充填管網(wǎng)設(shè)計(jì)，根據(jù)其井巷走向與分布進(jìn)行充填管道的架設(shè)與安裝[15-16]。對(duì)于充填料漿輸送工藝流程中，充填制備的能力、充填集料的準(zhǔn)備、充填物料的顆粒尺寸、礦物成分、顆粒形狀及安裝位置對(duì)充填管網(wǎng)的正常運(yùn)用影響很大，尤其對(duì)于連接地表與井下的充填鉆孔，還往往受到管道安裝同心度與垂直度的影響。分析國內(nèi)外充填技術(shù)資料與工程應(yīng)用，主要的充填鉆孔安裝布設(shè)有管箍連接、管道焊接、管道井連接、復(fù)合鋼絲編織管直接連接等形式。

由于各類金屬管道的材質(zhì)、壁厚、受力等級(jí)有所不同，且其在特定工程地點(diǎn)的受力環(huán)境差別迥異，從而導(dǎo)致充填鉆孔會(huì)產(chǎn)生不同類型的損壞[17]。對(duì)于各類充填管道連接方式，在生產(chǎn)過程中，由于運(yùn)用不當(dāng)或材質(zhì)在使用過程中力學(xué)性能逐漸退化，從而存在故障發(fā)生的隱患，當(dāng)管壁損傷和磨損達(dá)到一定程度時(shí)，就會(huì)在不均勻受力的過程中遭受料漿的輸送壓力而致使管道磨穿、爆裂破壞。充填鉆孔任何形式的破壞都將對(duì)充填作業(yè)與井下開采產(chǎn)生極大的負(fù)面影響。因此，許多相關(guān)的研究者與礦山生產(chǎn)企業(yè)都在積極開拓技術(shù)思路，如降壓增阻或采用光滑內(nèi)壁的鉆孔材料，采用特殊材料或有效的工藝裝置，以此來應(yīng)對(duì)鉆孔破壞危害，使其更好地為安全生產(chǎn)服務(wù)。

2 充填鉆孔故障模式及其處理分析

根據(jù)各類充填礦山的現(xiàn)場(chǎng)工程條件，不同的礦山根據(jù)自身情況的工程現(xiàn)場(chǎng)差異，進(jìn)行充填鉆孔的施工與連接，以便確保充填作業(yè)有效銜接。對(duì)于不同鉆孔連接方式的充填鉆孔，其鉆孔管道故障的隱患、演變、顯現(xiàn)、破壞等各環(huán)節(jié)形式均有所差異，但也有許多共同之處，因此可以通過對(duì)事故類型系統(tǒng)地歸類、處理經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，結(jié)合類似案例加以處置[18-19]。為便于了解充填鉆孔的漸進(jìn)破壞過程及模式，以下就現(xiàn)在國內(nèi)較為常見的幾種充填鉆孔連接模式及其故障特征展開敘述與分析。

2.1 管箍連接鉆孔管道

作為較常見充填鉆孔管道連接方式的管箍連接，其在充填工程中的應(yīng)用較為廣泛，該方式在國內(nèi)各類充填礦山的運(yùn)用時(shí)間也較長(zhǎng)，技術(shù)也較為成熟。由于該種連接方式安裝速度較快，通常由絲扣對(duì)旋緊固，下管與緊固過程的施工工藝相對(duì)便捷，對(duì)于規(guī)范的安裝工藝，其安裝質(zhì)量也較為可靠，因此在充填管網(wǎng)設(shè)計(jì)中較為常見。此種鉆孔安裝形式在發(fā)生故障時(shí)處理較為簡(jiǎn)便，對(duì)于需要處理的管段，可利用鉆孔電視可視化技術(shù)，探明故障管段的準(zhǔn)確位置，了解管道的內(nèi)壁破壞形式，并進(jìn)行勘探與查驗(yàn)。對(duì)于發(fā)生故障的管道，可將該部位管段抽取出來，然后更換新管，將絲口旋緊并做好密封防漏后將其還原至原來位置，連接好地表與井下管道后繼續(xù)投入運(yùn)行使用。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件要求，皖北某礦采用的管箍連接方式充填鉆孔管道如圖1所示。管箍連接的鉆孔管道工藝過程中，其管道材質(zhì)通常為無縫鋼管內(nèi)襯耐磨層，由于該種連接方式通常采用高標(biāo)號(hào)水泥漿固井，因此管道受力較為均勻，鉆孔管道由于受到鉆孔空間的限制，管道不會(huì)擺動(dòng)，其破壞形式以管壁磨穿形式較為常見。因此該種充填鉆孔連接方式中，需要加強(qiáng)鉆孔偏斜率控制，以盡量減少管道磨損。

圖1 管箍連接方式充填鉆孔管道Fig.1 Filling hole pipe with pipe hoop connection

2.2 無縫管焊接鉆孔管道

由于現(xiàn)場(chǎng)條件及施工方式、工程材料、投入等方面的不同，一些礦山的充填鉆孔需采用無縫鋼管直接焊接充填鉆孔管道的連接方式，該連接方式較為簡(jiǎn)便，管道連接處密封較好，能夠有效防止充填料漿壁后竄漿，在充填工藝技術(shù)中也較為常見。其安裝過程是將一定長(zhǎng)度的耐磨管或厚壁無縫鋼管下到一定高度的位置，在兩節(jié)管段連接處沿圓周焊接為一體，避免有缺焊的沙眼存在，在細(xì)骨料充填管網(wǎng)布置中較為常用。由于該種鉆孔管道采用焊接方式連接，不需要較粗的管箍構(gòu)件，因此該充填鉆孔不受管箍尺寸限制，此時(shí)鉆孔直徑可以適當(dāng)減小。該類鉆孔管道通常采用高標(biāo)號(hào)水泥漿壁后固井，其壁后均為水泥漿實(shí)體，因此即使管體因年久使用而磨穿，也不會(huì)產(chǎn)生太大的影響，只需定期查明故障，加以修復(fù)即可?？紤]到長(zhǎng)期運(yùn)行成本及管理，結(jié)合礦山充填材料性質(zhì)，華東某礦采用的無縫鋼管焊接充填鉆孔管道如圖2所示。無縫管焊接鉆孔管道連接方式多見于較細(xì)尾砂充填的工藝過程中，其管道材質(zhì)常見為普通無縫鋼管或內(nèi)襯耐磨層的耐磨管道，管道受力方式與管箍連接類似，由于要求對(duì)管道磨損較小，因此在施工過程中，通常同樣需要加強(qiáng)鉆孔偏斜率控制。

圖2 無縫鋼管焊接充填鉆孔管道Fig.2 Seamless steel pipe welding and filling drilling pipe

2.3 管道井連接鉆孔管道

充填工程運(yùn)用中，為了降低充填成本和備料方便，一些礦山采用粗集料作為骨料進(jìn)行充填料漿的制備與輸送，以此來達(dá)到較為合理的成本投入，并同時(shí)獲得較好的充填材料物理力學(xué)性能。對(duì)于采用戈壁集料、破碎廢石、棒磨砂等粗骨料充填的礦山，充填鉆孔在粗集料的磨刷與撞擊下破壞的概率大大增加，為了便于更換損壞部位的鉆孔管道，其充填鉆孔可采用管道井作為引導(dǎo)。管道井的一側(cè)壁面上布置有固定充填管道的管架，管道井尺寸需滿足安全可靠，且行人便利，安裝方便。當(dāng)安裝充填管道時(shí)，逐段將充填管道固定于管道井壁上的管架上，并逐段對(duì)口法蘭連接，同時(shí)用膠墊壓縫，做好防漏漿處理。當(dāng)定期檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)管壁磨破的問題，可將備用的管道在原位將破損管道更換即可，而更換下來的破損管道，也可以根據(jù)破損情況進(jìn)行修補(bǔ)或加固，以便盡可能地重復(fù)利用，從而可適當(dāng)降低管道的材料成本。為便于日常的生產(chǎn)管理與維護(hù)，西北某礦采用豎井連接方式的充填管道如圖3所示。對(duì)于管道磨損較為頻繁的較粗顆粒充填工藝過程，需要定期更換充填管道，通常采用施工充填管道井的方式來連接鉆孔管道，該連接方式中的管道材質(zhì)多見為加厚的無縫鋼管，內(nèi)襯耐磨材料，以延長(zhǎng)充填管道的使用壽命。該種安裝方式中的管道受力偶有不均，管道安裝時(shí)需采用可靠的固定方式，以防止充填管道擺動(dòng)帶來的危害。

圖3 管道豎井連接方式充填管道Fig.3 Filling pipe for pipe shaft connection

2.4 鋼編管連接鉆孔管道

鋼編管連接方式在階段鉆孔中使用較為普遍，在一些高差不大的主充填鉆孔管道中也有所運(yùn)用。其工藝要求的條件是鉆孔頂端與末端的高差通常不大，充填料漿的管道輸送壓力也較小，同時(shí)該種管段位置不便安裝剛性管道，因此具有一定耐壓能力的柔性復(fù)合鋼絲編織管便可在此處得到較好的運(yùn)用。通常為將復(fù)合鋼絲編織管穿過管道鉆孔，上部管道與鋼絲編織管上管口法蘭連接，下部管道與鋼絲編織管下管口法蘭連接，由于鋼絲編織管穿過鉆孔管而受到限制，因此不需在鉆孔中注漿固井，以此也便于更換鋼絲編織管，而與鋼絲編織管連接的上部管道與下部管道則需要?jiǎng)傂詷?gòu)件加以固定，以免因鋼絲編織管四處搖晃而使法蘭連接處松動(dòng)造成漿體泄露。華東某礦采用鋼編管法蘭連接階段充填鉆孔管道如圖4所示。鋼編復(fù)合管道連接鉆孔施工便捷，可利用已有的井巷工程，常見于多中段同時(shí)開采的礦山充填工藝，該種方式一般作為階段鉆孔使用，管道材質(zhì)多為輕質(zhì)耐壓材料，雖然縱向高度并不大，但同樣需注意安裝時(shí)確保管道固定可靠，以防止管道受力不均而帶來的危害。

圖4 鋼編管法蘭連接充填鉆孔管道Fig.4 Steel pipe flange connecting and filling drilling pipe

3 結(jié)語

由于國內(nèi)的礦山賦存條件日趨復(fù)雜，因此對(duì)于采用充填法開采的礦山，其充填管道布置也較為煩瑣，通常需要根據(jù)礦山的具體情況加以安設(shè)布置，采用適當(dāng)管徑的充填鉆孔管道，結(jié)合壁后注漿工藝加固鉆孔及鉆孔管道。一些礦山采用雙金屬耐磨管，也有的一些礦山采用陶瓷套管配合陶瓷耐磨管、16Mn無縫鋼管、鑄石管、內(nèi)襯復(fù)合陶瓷鋼管等耐磨耐壓材質(zhì)的鉆孔管道。通過大量的應(yīng)用實(shí)踐證明，一些經(jīng)過特殊處理的充填鉆孔管道對(duì)延長(zhǎng)充填鉆孔的使用壽命起到了非常明顯的效果，從而可獲得較為可觀的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)保效益，為礦山企業(yè)的科學(xué)管理創(chuàng)造良好的技術(shù)條件。

隨著近些年來材料科學(xué)的大力發(fā)展，各種高性能的工程材料也逐漸在充填工程的管道輸送中得到應(yīng)用，為降低管道輸送阻力，減小管道輸送壓力，維護(hù)整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)步運(yùn)行起到了重要的作用。結(jié)合現(xiàn)代的固井護(hù)壁技術(shù)手段和方法，可以大大延長(zhǎng)鉆孔管道的使用年限，從而為高效處理大宗礦山企業(yè)固體廢棄物，形成資源化應(yīng)用模式提供可靠的技術(shù)保障。針對(duì)目前充填鉆孔破壞的磨損、爆管、脫焊、偏斜等技術(shù)難題，處理模式與加固材料也在不斷跟進(jìn)，生產(chǎn)企業(yè)對(duì)降低充填系統(tǒng)的故障率也在逐漸增高，因此對(duì)于充填鉆孔故障的隱患、發(fā)展及顯現(xiàn)的研究也就越發(fā)重要。本文述及了幾種常見的充填鉆孔管道連接方式，進(jìn)行了故障類型的分析與應(yīng)對(duì)策略，對(duì)此方面的研究將會(huì)對(duì)礦山安全開采、循環(huán)利用固體廢棄物、充分回收寶貴的自然資源起到積極的促進(jìn)作用。