膏體管道輸送現(xiàn)狀分析與技術(shù)研究

邱曉偉

(河北礬山磷礦有限公司， 河北 涿鹿 075600)

1 前言

隨著礦山開采程度的增大，國家對礦山環(huán)境保護的重視，膏體充填的應(yīng)用和推廣越來越廣泛，膏體充填成為未來采礦技術(shù)的重點研究發(fā)展方向。在膏體充填過程中，料漿的輸送對充填的質(zhì)量和效率起著關(guān)鍵性的作用，為了確保充填的穩(wěn)定性，有必要對料漿輸送進行研究。

2 膏體充填的發(fā)展和特點

2.1 膏體充填的發(fā)展

膏體充填技術(shù)最早應(yīng)用于1979年德國的格倫德金屬礦，隨后膏體充填技術(shù)在世界各國礦業(yè)引起了極大興趣。我國是在格倫德充填系統(tǒng)正式投產(chǎn)5年后，才立項展開研究，經(jīng)過12年大量工作已經(jīng)取得重大進展，并建立了金川膏體泵送充填系統(tǒng)和銅綠山膏體泵送充填系統(tǒng)[1]。

2.2 膏體充填特點

膏體充填具有一般充填采礦法的特點,解決了礦山地表塌陷問題和環(huán)境保護問題，實現(xiàn)綠色開采，提高資源采出率。

膏體是一種質(zhì)量濃度在75%以上，-20μm的顆粒含量在15%～35%，不沉降，不離析，具有良好的穩(wěn)定性、可塑性、流動性的牙膏狀膠結(jié)體,其流變模型近似于賓漢姆體；在重力或泵壓作用下以柱塞流的形態(tài)輸送到采空區(qū)完成膏體充填[2-3]。

膏體充填充填體強度大，充填成本低；在充填過程中膏體可在管道中停止、停頓和重新啟動，操作簡便；膏體充填采區(qū)泌水量小，井巷污染??；充填接頂效果好，利于礦山作業(yè)。

膏體充填中泵壓管道輸送應(yīng)用范圍廣，充填質(zhì)量高、系統(tǒng)經(jīng)營費用低，但是其引進設(shè)備昂貴，系統(tǒng)復(fù)雜，運轉(zhuǎn)和操作要求高；泵壓輸送要求質(zhì)量合格的飽和膏體才能輸送。自流輸送阻力損失小，對礦山的賦存條件要求較高，其要求充填倍線介于1.1～1.2之間。膏體管道輸送存在的主要問題是摩擦損失大、管道內(nèi)壓力大，容易引起管道堵塞、爆管等。

3 膏體管道輸送研究現(xiàn)狀分析

目前，國內(nèi)外對膏體管道輸送的研究主要集中在膏體的流變特性上，并建立了環(huán)管實驗系統(tǒng)進行了一系列的泵送膏體閉環(huán)路輸送實驗。

1)膏體充填輸送阻力損失

鞍山黑色金屬礦山設(shè)計院對膏體充填輸送阻力進行了研究，其計算公式為[4]

(1)

(2)

式中：i0——水平直管清水水力坡度；

ij——平均阻力坡度；

vpc——加權(quán)平均沉降速度，cm/s；

v——輸送速度，m/s；

d——vpc當量粒徑，cm；

ρj——砂漿密度；

μ——動力黏度，Pa/s；

ρk——固體顆粒密度。

沈家華針對深井礦山膏體自流充填管道磨損問題進行了研究，分析了深井充填管道磨損的機理為

(3)

式中：ρ——漿體密度；

h1——垂直管道空氣柱高度；

υ1——進入管道的初速度；

S——管道截面積。

減少管道磨損的一些措施：通過改善輸送滿管狀態(tài)來減小管道磨損、減小管徑和增大管道長度。針對會澤鉛鋅礦的實際情況，進行了小管徑增阻減磨實驗，結(jié)果表明：當小管徑時，滿管效率有了很大的提高，有效減少了管道磨損。

王新民，丁德強，肖富國，徐東升[5-6]采用礦山附近火電廠的粉煤灰和其他材料制成了5種膏體材料，以膏體充填力學(xué)參數(shù)為基礎(chǔ)，運用ANSYS軟件對膏體管道輸送進行了模擬，分析了管道內(nèi)膏體的流速，顯示流速呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)流的特點;分析了膏體參數(shù)對阻力損失的影響，得出了影響充填管道輸送阻力損失的2個重要因素為膏體密度和有效黏度，阻力損失值隨膏體密度和有效黏度的增加而增大。

王新民，張德明等[7]結(jié)合某礦充填系統(tǒng)的實際情況，運用Flow- 3D軟件，建立物理模型，模擬膏體自流充填始終處于滿管狀態(tài)，針對不同充填倍線，對管道壓力，膏體的流速和彎道處的壓力(N)進行了分析，得到了以下結(jié)論：充填管道出口壓力隨充填倍線的增大而減小，系統(tǒng)總壓力基本保持不變，當N<3時，則剩余壓力過大，造成管道輸送不穩(wěn)定，當N>3.5時，管道阻力損失過大，則容易造成管道堵塞；充填管道的長度增加，則沿程阻力損失增加；彎道處的阻力損失隨膏體流速的減慢而減小，當流速過小時，大顆粒沉降于管底，此時壓力損失也比較大。因此，結(jié)合礦上情況，選擇充填倍線N=3為最佳。

王劼，楊超，張軍，王洪武[8]針對云南某礦的料漿流變特性進行了研究，分析了膏體輸送過程中的流變特性，流變模型近似于非牛頓流體，可視為塑性結(jié)構(gòu)流，并應(yīng)用賓漢流變模型來研究。將管流沿程阻力與管壁上的流體摩擦阻力結(jié)合起來，推導(dǎo)出了沿程阻力的理論計算模型為

(4)

式中：jm——管流沿程阻力；

D——管道內(nèi)徑；

τ0——初始切應(yīng)力；

η——黏度系數(shù)；

v——流速。

通過試驗建立了膏體流變，參數(shù)與濃度間的數(shù)學(xué)關(guān)系式，建立了濃度與流變參數(shù)的數(shù)學(xué)計算公式為

jm=(16/3D)×aeb·Cw+(cCW+d)×32v/D2

(5)

式中：a、b、c、d——均為系數(shù)；

CW——料漿的質(zhì)量濃度；

D——管道內(nèi)徑；

υ——流速。

王新民，丁德強等[9]分析了管道內(nèi)膏體的流速分布特點：管道沿程除出入口和轉(zhuǎn)彎處，流速分布基本均勻，呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)流特點，但在彎管處有較明顯的梯度分布。改變各個參數(shù)后對結(jié)果進行了分析，得出了以下結(jié)論：在垂直高差一定的條件下，阻力損失隨水平管道長度的增長(即充填倍線越大)而增大；管道管徑越大，阻力損失越小；阻力損失隨流速的增大而增大；阻力損失隨膏體密度的增大而增大；水頭損失隨料漿黏度的增大而增大。

2)膏體充填管道安全壓力檢測

張新國，郭惟嘉，王恒，李楊楊，曹忠[10]分析了充填采礦法的發(fā)展歷程，借助KJ216煤礦頂板壓力檢測系統(tǒng)和自己研制的液壓控制卸料閥門以及MPM480壓力傳感器，開發(fā)了壓力預(yù)警系統(tǒng)，實現(xiàn)了管道沿線壓力實時檢測及管路堵塞早期預(yù)警，實現(xiàn)了長距離管道安全輸送。

李秀山，柳成懋[11]分析了管道壓力檢測的研究現(xiàn)狀，說明了實施壓力檢測是保證管道系統(tǒng)安全運行的必要條件，說明了傳統(tǒng)的壓力檢測的優(yōu)點和缺點，并對檢測系統(tǒng)的設(shè)計和工作原理進行了說明，通過具有壓力檢測的堵管卸料閥門和進行過特殊設(shè)計的硅壓力傳感器，將信號進行轉(zhuǎn)換，輸送到計算機系統(tǒng)中，完成充填系統(tǒng)壓力的實時在線檢測。

3)膏體充填管道清洗方面研究

清洗管道這方面現(xiàn)在常用方法是在泵口的管道中放入海綿膠球；壓縮空氣加少量清水清洗；德國的埃森DMT公司研究了一種小型液壓變徑活塞清除井下工作面短管膏體的機械。

吉學(xué)文[12]首先對礦山常采用的清洗方法進行了分析，例如海綿球或橡膠柱清洗方法、壓縮空氣加少量清水清洗、利用非膠結(jié)膏體清除管道內(nèi)的膠結(jié)膏體、采用液壓變徑活塞清除膠結(jié)膏體等。分析表明以上幾種清洗方法都難以達到很高的清洗質(zhì)量，在此基礎(chǔ)上研發(fā)利用了滿管自流清洗技術(shù)，保證了膏體輸送正常，防止了管道堵塞及其他意外事故的發(fā)生。

4 總結(jié)與建議

膏體管道輸送過程中存在的問題主要集中在阻力損失、管道磨損、管內(nèi)壓力檢測和管道清洗等主要方面，這幾個方面提出一些建議：

(1)研發(fā)引進先進的膏體制備、儲存、輸送等系統(tǒng)，使料漿的濃度，流速的穩(wěn)定性有所加強，使膏體充填的穩(wěn)定性有整體的提高。例如，設(shè)計制備膏體的深錐濃密機系統(tǒng)，引進加拿大的液態(tài)化制備膏體技術(shù)，采用活化攪拌技術(shù)改善料漿流動性等。

(2)通過環(huán)管實驗研發(fā)更多切實有效的減阻材料，對減小阻力損失，緩解管道堵塞有重要的作用；采用耐磨抗腐蝕性能更好的新型管材，例如內(nèi)襯鑄石、陶瓷等耐磨管材。

(3)最大程度的保證滿管充填，可以通過制備高質(zhì)量的料漿、適當增大充填倍線、減小管徑等措施，對阻力損失的減小和減輕管道堵塞有重要的作用。

(4)礦山多采用膏體自流輸送，膏體自流充填的阻力損失小于泵壓管道輸送，所以盡可能的采用自流充填，在一些礦山充填倍線較大的礦山，可以在水平段采用泵送，或安裝噴射器，其他輸送段采用自流輸送。在一些充填倍線過小的礦山，由于充填倍線過小，不能保證滿管充填，所以對管壁的磨損嚴重，應(yīng)采取一些措施，例如在井下管道垂直段采用兩段或多段階梯法布置。

(5)注重對管道的清洗和對管內(nèi)壓力的檢測，針對輸送過程中出現(xiàn)的管內(nèi)壓力過大，研發(fā)和引進更加方便高效的方法。根據(jù)礦山情況，實行切實高效的水泥添加方式，對管道的清洗起關(guān)鍵的作用。