低倍線高濃度充填料漿增阻圈增阻減壓研究*

岳 斌，鄭伯坤，孫文杰，鄧高嶺，黃騰龍，尹旭巖

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低倍線高濃度充填料漿增阻圈增阻減壓研究*

岳 斌1，鄭伯坤2，孫文杰1，鄧高嶺2，黃騰龍2，尹旭巖2

(1.金川集團股份有限公司 鎳鈷資源綜合利用國家重點實驗室，甘肅 金昌市 737100；2.長沙礦山研究院有限責任公司，湖南 長沙 410012)

深井開采礦山，由于充填倍線較小，垂直管段產生的勢能大于沿程阻力損失，將產生剩余壓頭問題。剩余壓頭導致系統(tǒng)無法滿管輸送，加劇充填管壁磨損，導致管道輸送處于極不穩(wěn)定的狀態(tài)，使充填系統(tǒng)無法正常運行。因此，開展低倍線高濃度充填料漿增阻圈增阻減壓研究，實現深井充填系統(tǒng)的滿管流輸送，對于降低管道沖擊磨損、保障礦山正常生產，具有非常重要的工程意義。

低倍線；高濃度；增阻圈；增阻減壓；管道輸送

金川公司二礦區(qū)開采深度超過1000 m，屬深井開采，主要采用膏體充填處理采空區(qū)。由于膏體料漿長時間摩擦管壁，管道磨損嚴重甚至磨穿管壁，導致部分漿液外淤，管道卸壓會導致堵管事故的發(fā)生，堵管次數隨著管線的磨蝕呈上升趨勢。為了保證深部充填管路系統(tǒng)安全，保證充填料漿均質流流態(tài)的滿管輸送，使充填垂直管道的使用壽命提高20%以上，金川公司與長沙礦山研究院有限責任公司聯合開展了低倍線高濃度充填料漿增阻圈增阻減壓研究。

1 增阻圈作用原理

由于金川公司二礦區(qū)自流輸送系統(tǒng)將充填鉆孔及井下管網與攪拌桶連成整體，并由攪拌桶底流閥調節(jié)攪拌桶料位，即采用自平衡自流輸送系統(tǒng)，在978 m水平最遠處Ⅲ盤區(qū)充填時，在充填料漿濃度為79%的條件下，充填料漿流量達161.62 m3/h，而實際生產過程中，料漿制備輸送能力為100 m3/h左右，如2010年7月31日13:00，二期充填站2#自流系統(tǒng)儀表各顯示參數為：棒磨砂給料量140.15 t/h，水泥給料量42.16 t/h，供水量29.18 t/h，攪拌桶液位1.5 m，料漿濃度78.28%。根據上述儀表顯示值反算可得出充填料漿流量為105.75 m3/h，棒磨砂含水率11.96%，實際灰砂比為1:2.93。

實際生產中料漿流量為105.75 m3/h，遠小于理論分析計算的161.62 m3/h，但充填系統(tǒng)仍平穩(wěn)運行并順利輸送的原因為：攪拌桶底流閥的節(jié)流作用、增阻圈的增阻作用及井下彎管、變徑管的局部阻力增大了料漿的輸送阻力。輸送阻力的增大，使料漿流速降低、流量減小，在充填料漿流量為100 m3/h左右亦能實現滿管流順利輸送。

攪拌桶底流閥的節(jié)流增阻作用如前所述，充填系統(tǒng)運行過程中，底流閥開度根據攪拌桶液位高度而定，其開度一般為35%～45%，相應的其過流面積為閥全開面積的35%～45%。由于過流面積突然縮小，充填料漿在該處流向突然發(fā)生變化，流速提高2.22～2.86倍。在充填料漿流量100 m3/h時，通徑為110 mm的管道其料漿流速為2.924 m/s，而通過該閥時流速達到6.49～8.36 m/s，其節(jié)流作用十分突出，從而產生很大的局部阻力。

增阻圈為多個通徑為110 mm的90°彎管及短直管組成的半圓形或圓形管道，布置于鉆孔底部或水平管道中。充填料漿通過彎管時，流向急劇變化，從而產生較大的局部阻力，多個彎頭的組合作用，產生很大的局部阻力，同樣使料漿流速降低、流量減小。

2 增阻圈的管道壓力分布

增阻圈的結構較為簡單，其材質與水平管相同，通徑同為110 mm，充填料漿流經增阻圈時，其流速不變，從而使其磨損較節(jié)流閥大為降低。

增阻圈的布置形式有多種，如駝背式、折返式、螺旋式等。金川公司一般采用為折返式及螺旋式，折返式增阻圈布置于1600 m水平A2鉆孔組的上部，其實際布置情況見圖1。螺旋式布置于1100 m中段鉆孔底部，如圖2。

增阻圈由8個(2圈)或12個(3圈)半徑為1 m、角度為90°的等直徑Φ133 mm×11.5 mm剛玉復合耐磨管組成。根據國內外生產實際經驗，每一個90°彎管折合水平管當量長度為15 m，即相當于水平管道各增長了120 m或180 m。當充填料漿濃度為79%、不考慮攪拌桶底閥節(jié)流作用且為自平衡輸送時，管道輸送參數及壓力計算結果見圖3。

圖1 1600 mA2鉆孔組上部增阻圈管道

由圖3可知，增阻圈相當于加長了水平管道長度，從而增加了輸送阻力，降低了充填料漿流量。在不考慮攪拌桶底流閥的節(jié)流作用時，實現自平衡輸送的流量由161.62 m3/h降低至133.43 m3/h，流速由4.724 m/s降至3.902 m/s。由于流速降低，輸送阻力值由5.043 kPa/m降至4.21 kPa/m，而各分段鉆孔底部壓力變化不大。

圖2 1100 m鉆孔底部增阻圈管道

圖3 加設增阻圈后的輸送參數及管道壓力(79%濃度)

實際生產過程中，增阻圈的增阻作用還可減弱攪拌桶底閥的節(jié)流作用，底閥開度可進一步加大，磨損將更小，從而有利于實現平穩(wěn)的滿管流輸送。

3 增阻圈布置原則

增阻圈只能布置于自流輸送系統(tǒng)且充填倍線較小的情況下。設置增阻圈的目的是增大充填料漿的水平輸送阻力，降低料漿流速，在實現滿管流的條件下使充填料漿流量處于合理范圍。當采用泵送充填或充填倍線較大時，增阻圈將增大泵送阻力或導致充填料漿流量不能滿足生產要求，所以不能采用。

增阻圈是否設置與設置圈數取決于充填料漿濃度。盡量提高充填料漿濃度是充填技術發(fā)展的目標。當充填系統(tǒng)能制備出呈膏體或結構流漿體的條件下，自流輸送系統(tǒng)應盡量利用其自重壓頭以克服水平管道阻力。只有在充填料漿自重壓頭過大、水平管道長度過小從而出現高度較大的自由下落段時，才有必要設置增阻圈，增阻圈的圈數亦需通過理論分析計算及生產實踐而調整優(yōu)化。

增阻圈應設置于水平管道較短的中段水平并盡量靠近豎管。充填管道階梯型布置時，階梯越平緩，管道壓力分布越均勻；分段越多，壓力越小。若某一階梯豎管段過高且水平段較小時，則豎管段底部壓力較大，這時一方面應降低豎管段高度，另一方面則應在水平管段加設增阻圈，使階梯變緩，從而降低豎管段底部壓力。增阻圈應盡量靠近豎管底部，以減少壓力較高的水平管長度。

增阻圈布置后應使當量管網布置圖處于充填料漿入口至出口的折線下。當未設置增阻圈時，由于豎管段高度過大、充填倍線較小，豎管段易出現空管，空管段料漿自由下落時流速過高從而使豎管磨損過快，這時需在水平管段設置增阻圈。合理的增阻圈布置如圖4，根據各水平管道長度設置不同圈數的增阻圈，從而使分段階梯充填倍線近似相等，同時使各當量充填管網布置于料漿入口A與出口G′的連線之下，這時不但可實現全程管道的滿管流，使全程管道壓力分布均勻，同時各分段豎管底部壓力亦近似相等。不合理的增阻圈布置如圖5，在某一水平(BC″)布置多圈增阻圈，從而使BC″當量水平管道長度過大，B點出現較高壓力，而在DE″水平段不設增阻圈，從而使C″D豎管段可能出現空管段，并于C″點處出現負壓。

圖4 合理的增阻圈布置形式

圖5 不合理的增阻圈布置形式

4 結 論

增阻圈的布置形式有多種，如駝背式、折返式、螺旋式等。實際生產過程中，增阻圈的增阻作用還可減弱攪拌桶底閥的節(jié)流作用，底閥開度可進一步加大，磨損將更小，從而有利于實現平穩(wěn)的滿管流輸送。增阻圈只能布置于自流輸送系統(tǒng)且充填倍線較小的情況下，增阻圈是否設置與設置圈數取決于充填料漿濃度，增阻圈應設置于水平管道較短的中段水平并盡量靠近豎管。

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鎳鈷資源綜合利用國家重點實驗室資助項目(金科礦2017-01).

(2018?08?07)

岳 斌(1964—)，男，甘肅隴西人，教授級高工，現從事采礦技術研究工作，Email：646127125@qq.com。