深井礦山高濃度充填料漿自流輸送管道磨損研究

石宏偉，黃吉榮，喬登攀，滕高禮，茶強華，王 彬

(1.馳宏科技工程股份有限公司，云南曲靖 655000；2.昆明理工大學，昆明 650093；3.馳宏鋅鍺股份有限公司，云南 曲靖 655000)

隨著國家對安全環(huán)保意識的不斷加強，在國家“綠水青山就是金山銀山”的發(fā)展理念和政策導向下，充填采礦法因具有安全系數(shù)好、資源回收率高、環(huán)境破壞小、尾礦利用率高和能有效控制深部地壓等優(yōu)點[1-4]，近年來，在國內(nèi)外礦山得到了廣泛應用，也是未來采礦發(fā)展的主要方向[2]。但隨著礦山開采深度不斷加深，礦山充填管線不斷變長、充填倍線逐步增大、充填管網(wǎng)系統(tǒng)越來越復雜[5]。如何順利將高濃度充填料漿自流輸送至深井礦山井下充填采場[6]，同時保證礦山充填系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性、安全性、可靠性和高效性成為目前許多礦山面臨的技術瓶頸[6-12]。若在充填料漿管道輸送過程中因管道磨損破裂而導致充填料漿跑漿、漏漿或管爆事故，將會給礦山造成重大安全事故和經(jīng)濟損失。

國內(nèi)外許多專家學者對礦山充填自流充填管道磨損進行了研究。如：美國材料試驗學會采用經(jīng)典米勒試驗測定料漿的米勒數(shù)，對其磨損性能進行評估[3-10]；威華塔斯蘭得金礦[10]采用滾筒機進行了管道磨損試驗；張德明等[5]、張欽禮等[6]、王賢來等[7]、王新民等[8]對深井充填鉆孔和管道磨損機理和措施進行了研究。目前，對于礦山充填料漿輸送管道磨損的研究主要以流變學理論為指導，對管道磨損因素及機理作定性分析，定量計算時采用經(jīng)驗公式計算[8-10]。但隨計算機科學技術發(fā)展，計算流體力學軟件在研究管道內(nèi)流體輸送特性中逐漸展現(xiàn)其優(yōu)越性，通過計算機三維數(shù)值模擬軟件可較直觀表示和判斷管道磨損部位[11-13]。

因此，本文以云南某礦山深井高濃度自流充填實踐為基礎，從充填料漿自流管道輸送管爆機理、動量和能量守恒角度分析，采用ANSYS FLUENT軟件進行三維數(shù)值模擬，結合礦山充填管道管壁實際監(jiān)測結果對深井礦山自流充填管道磨損研究，分析充填管道磨損影響因素及其關系，提出有效降低管道磨損方法及措施，為礦山充填管道輸送系統(tǒng)持續(xù)、穩(wěn)定、安全、高效運行提供技術保障。

1 礦山充填系統(tǒng)概況

云南某礦山充填系統(tǒng)自2006年開始使用，現(xiàn)礦山主要采用高濃度自流輸送充填，年充填能力約18萬m3。井下充填管網(wǎng)系統(tǒng)主要分為QL廠和KS廠兩部分，現(xiàn)使用的充填鉆孔有副3#鉆孔、4#鉆孔、5#鉆孔。井下充填管線主要由鉆孔、充填井和沿采準斜坡道布設的充填管組成，最長充填管線達到12 000 m左右，充填倍線為3～6。因此，礦山井下充填管網(wǎng)系統(tǒng)具有管網(wǎng)系統(tǒng)復雜、充填管線長、部分管道高差大、不同采場的充填倍線變化較大等特點。礦山目前充填管材質(zhì)主要采用碳素鋼管、地泵錳鋼管和聚乙烯管。

2 深井礦山自流充填管道磨損機理

2.1 深井礦山自流充填料漿在管道輸送中的運動機理

在采用自流充填管道輸送礦山，充填漿體進入豎直管路或鉆孔后會自由落體運動，直至空氣-砂漿交界面。根據(jù)文獻[10]可建立高濃度充填料漿自由下落區(qū)，漿體宏觀運動狀態(tài)區(qū)域見圖1，自流輸送料漿沖擊磨損物理模型見圖2，其中H為管口到砂漿-空氣交界面高度；v1為充填料漿初始速度，v2為空氣-砂漿交界面速度。

圖1 充填料漿自由下落區(qū)Fig.1 Free falling area of filling slurry

圖2 自流輸送料漿沖擊磨損物理模型Fig.2 Physical model of slurry impact wear in gravity conveying

通過模型研究分析可發(fā)現(xiàn)：高濃度充填料漿在鉆孔或管道內(nèi)會有自由下落區(qū)，主要做勻加速運動。當充填漿體流速達到某一值后，充填鉆孔(或豎直管道)內(nèi)的充填料漿會收縮，甚至脫離充填鉆孔孔壁(或豎直充填管道管壁)形成收縮流區(qū)；當充填料漿流速繼續(xù)加大超過某一值時，充填料漿運動狀態(tài)再次發(fā)生變化，會形成散射流區(qū)域，若充填骨料中含有機制砂、水淬渣或戈壁砂，其散射區(qū)的滾動或不連續(xù)跳躍運動現(xiàn)象越明顯。

2.2 深井礦山自流輸送充填管道破壞機理

根據(jù)深井礦山充填料漿管道輸送過程中充填料漿流動特點，由于充填料漿流動不穩(wěn)定，在局部管道瞬時淤塞會引起上游充填管道內(nèi)漿體產(chǎn)生壓力波水擊；或鉆孔、斜井腳、斜坡道腳與水平充填管道連接處因速度變化形成余壓后，可能易產(chǎn)生真空彌合水擊現(xiàn)象，易產(chǎn)生氣蝕，從而導致管道破壞。根據(jù)水擊現(xiàn)象可建立水擊波波速計算公式[10]：

(1)

2.3 深井礦山自流輸送充填管道磨損機理

根據(jù)深井礦山充填料漿自流輸送充填鉆孔或管道磨損位置主要在空氣-砂漿交界面，從動量與能量角度分析研究其磨損機理。

深井礦山自流充填料漿空氣-砂漿交界面料漿流速：

(2)

深井礦山自流充填料漿在空氣-料漿交界面[8]動量有：

(3)

深井礦山自流充填料漿能量守恒方程推導出[10]：

(4)

(5)

空氣-料漿交界面高度[9]：

(6)

式中：s—充填管道橫截面積，m2；a—修正系數(shù)；v—自流輸送充填料漿流速，m/s；Q—自流輸送料漿流量，m3/s；Ew—管壁單位面積耗能量，J；σ—充填料漿與鉆孔(充填管)管壁有效接觸面積的修正參數(shù)(0

通過方程及文獻研究表明，料漿的密度、流量、流速、料漿下落高度與充填鉆孔(充填管道)壁面有效接觸面積和管道磨損程度成正比；與充填自流輸送管徑成反比。因此，在礦山實際充填設計中根據(jù)空氣-料漿交界面高度合理設計充填鉆孔長度和水平管道長度。即合理控制充填倍線，從而實現(xiàn)合理控制充填鉆孔或豎直充填管道的目的。

3 深井礦山自流充填管道磨損影響因素分析

3.1 充填料漿特性與自流充填管道磨損關系

根據(jù)云南某礦山十多年來的實際充填生產(chǎn)經(jīng)驗，充填料漿特性是自流輸送充填管道磨損主要影響因素之一，對充填管道磨損速率起著至關重要作用。其主要表現(xiàn)為：

1)深井礦山自流充填料漿濃度越大，充填管道磨損速率越大。

2)充填骨料顆粒形狀對管道磨損有較大影響，隨著骨料剛度、粒度和顆粒形狀的增大，自流充填管道磨損速率呈增大趨勢。近年礦山在充填骨料中添加機制砂代替水淬渣后，由于機制砂的顆粒形狀、大小和剛度均大于水淬渣，雖提高了礦山充填體強度，但由于機制砂棱角尖銳、不規(guī)則顆粒較多，對礦山充填管道磨損較嚴重。

3)充填料漿的腐蝕性對自流充填管道磨蝕性也有較大影響，強酸或強堿充填料漿均會造成充填管道磨蝕。因此，在礦山實際充填中要全面掌握充填料漿的化學性能，優(yōu)化充填配比，合理控制料漿pH值，充填料漿制備過程中要有效降低料漿中氧含量[9]，從而降低對自流充填管道腐蝕。

3.2 充填鉆孔與自流充填管道磨損關系

根據(jù)云南某礦山1#、2#、副3#、4#和5#充填鉆孔自流輸送相關數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析研究可得出以下規(guī)律：

1)充填鉆孔布置方式、材質(zhì)、偏斜率等與鉆孔磨損有極大關系，鉆孔偏斜率越大，鉆孔磨損越嚴重。充填鉆孔磨損主要集中在鉆孔入口處、空氣-料漿交界面和鉆孔腳三處，尤其鉆孔中下部空氣-料漿交界面磨損最為嚴重，其余位置磨損較小。

2)礦山充填量與鉆孔磨損呈線性相關，充填量越多對充填鉆孔磨損越大。云南某礦山充填鉆孔自流充填輸送量達80萬m3后，鉆孔管道磨損破壞較為嚴重，鉆孔基本無法正常投入使用。

3)在采用自流充填管道輸送礦山，滿管輸送對充填鉆孔磨損要遠小于不滿管輸送。自流輸送時充填鉆孔很難實現(xiàn)滿管輸送，只能采用變徑管、合理控制鉆孔長度和水平管距離實現(xiàn)接近滿管流輸送狀態(tài)。

4)隨自流充填管道輸送管道直徑增大，自流充填管道磨損率減小。結合云南某礦山實際和國內(nèi)外研究成果，垂直鉆孔直徑最優(yōu)順序排序[9]為300、245、219、200、179、152 mm。

3.3 充填管道材質(zhì)參數(shù)與自流充填管道磨損關系

通過統(tǒng)計云南某礦山四種管道材質(zhì)——高質(zhì)量加厚無縫鋼管(壁厚22 mm)、塑鋼耐磨管、地泵錳鋼管、聚乙烯管，結合國內(nèi)外充填管道材質(zhì)研究結果表明：

1)耐磨管抗耐磨性比普通管強，聚乙烯管安裝比較輕便，但其抗壓性和耐磨性較差，只適合在采場進路內(nèi)及口部短期使用。同種材質(zhì)充填管道壁厚越厚，其耐磨性越好，管道壽命也越長。

2)深井礦山自流輸送充填中流量相同時，管徑越大充填管道磨損率越小。

3)深井礦山自流輸送充填管道彎管角度越大，充填管道磨損率就越大。相同條件下直管磨損率最小，15°彎管次之，90°彎管最大。

3.4 充填倍線與自流充填管道磨損關系

充填倍線對深井礦山自流充填管道磨損有較大影響。深井自流充填管道總倍線或分段倍線太小均容易導致充填鉆孔(或豎直充填管)管段中自由落體區(qū)域高度變大，從而導致自流充填料漿到達空氣-料漿交界面時速度、散射流區(qū)域、彈狀流區(qū)域過大，充填料漿中機制砂(水淬渣)會在散射區(qū)滾動或不連續(xù)跳躍運動，對充填鉆孔或豎直充填管道管壁沖擊力和管道輸送壓力越大、磨損越嚴重，減少充填管道壽命，甚至可能造成充填鉆孔(或管道)破壞。而充填倍線過大則會造成管道阻力過大，難以實現(xiàn)自流輸送。

因此，在礦山實際充填要控制合理充填倍線，根據(jù)云南某礦山實際生產(chǎn)經(jīng)驗和國內(nèi)外研究結果表明：自流充填合理充填倍線在4左右為最優(yōu)。

4 ANSYS FLUENT三維數(shù)值模擬和實際管壁壁厚監(jiān)測

云南某礦山目前主要采用自流充填輸送，為較好研究礦山自流輸送充填管道磨損情況，結合礦山充填實際充填管路，選擇礦山QL廠1 451 m中段采場為模型構建。充填管線：地表充填制備站→副3#鉆孔→2 053 m中段平巷道→4#鉆孔→1 751 m中段平巷→2#斜井(29°)→1 571 m中段平巷→1 571 m中段至1 451 m中段斜坡道(9°)→1 451 m中段平巷→1 451 m中段(圖3)，充填管線長度為4 295 m，充填倍線為3.95。用ANSYS FLUENT軟件中前處理程序Gambit生成計算區(qū)域幾何體，再進行有限元劃分。本次主要采用配比為3.5∶0.5∶1.35(尾砂∶機制砂∶水泥)、濃度78%、料漿密度為2 040 kg/m3、料漿流速為1.0和1.5 m/s。最后輸出計算，經(jīng)過迭代883次后模型收斂。由于篇幅關系，主要附圖4～7。管道壁厚監(jiān)測結果見表1。

圖3 管道幾何模型Fig.3 Geometric model of pipeline

圖4 4#鉆孔口管道動壓云圖Fig.4 Contours of dynamic pressure at 4# drilling hole

圖5 4#鉆孔腳處管道動壓云圖Fig.5 Contours of dynamic pressure at 4# drilling foot

圖6 1 751 m中段水平管動壓云圖Fig.6 Contours of dynamic pressure at 1 751 m middle horizontal pipe

表1 云南某礦山管道壁厚監(jiān)測結果Table 1 Wall thickness monitoring results of a mine pipeline in Yunnan

圖7 4#鉆孔腳處管道動壓監(jiān)測面Fig.7 Contours of dynamic pressure surface at 4# drilling foot

由三維數(shù)值模擬研究結果和深井礦山自流充填管道管壁監(jiān)測實際數(shù)據(jù)(表1)可得出：

1)深井礦山自流充填管道輸送中存在“邊界效應”，在管壁處動壓、總壓和流速為零或接近零。水平管道在管道中心稍偏下區(qū)域存在“流核區(qū)”，該區(qū)域動壓、總壓和流速最大；沿著該區(qū)域向充填管道壁呈梯度減小趨勢對稱分布。結合充填管道壁厚監(jiān)測數(shù)據(jù)表明：水平管道磨損位置主要在充填管道下部、左右兩側管壁，上部充填管道基本無磨損。因此，為延長充填管道壽命，可定期對充填管道進行翻轉使用。

2)深井礦山自流充填管道90°彎管和15°彎管中，自流充填料漿最大動壓、總壓和最大流速主要分布在彎管處靠近彎管圓心向外方向。因此，在該部分磨損最嚴重，且充填彎管角度越大，其磨損越嚴重；而充填彎管圓心向內(nèi)方向自流磨損較小。表明深井礦山自流充填管彎管曲率半徑越小，充填料漿流向越易發(fā)生急劇改變，深井自流充填料漿對管壁法向沖擊力越大[10]，也較容易發(fā)生管壁穿孔現(xiàn)象。

3)在深井礦山自流充填中隨自流充填料漿質(zhì)量濃度和流速增大，充填鉆孔和管道磨損越大。

5 深井礦山自流充填降低管道磨損技術措施

深井礦山自流充填生產(chǎn)中合理有效降低自流充填管道磨損的技術措施一直是許多礦山面臨的技術難題。根據(jù)國內(nèi)外研究成果和云南某礦山長期實踐經(jīng)驗，可采取以下措施達到降低深井礦山自流充填管道磨損目的。

1)在深井礦山自流充填中盡可能實現(xiàn)自流滿管流輸送，可有效降低自流充填料漿對管道磨損。

2)對于深井礦山自流輸送充填倍線過小或壓力過大的礦山，可采用降壓輸送系統(tǒng)或增阻輸送系統(tǒng)，降低充填料漿對管壁的壓力。同時，在充填管網(wǎng)系統(tǒng)設計時要合理控制充填倍線，將充填倍線控制在4左右。

3)深井礦山自流充填水平管段管道的磨損以底部管壁和左右管道管壁磨損為主，上部充填管道管壁基本無磨損，為延長充填管水平管道使用壽命，可定期對管道進行翻轉使用。或可采取特制加厚耐磨材料、加大彎管曲率半徑、采用丁字管或緩沖盒彎頭等方式來減小管道磨損。

4)對于深井礦山自流充填鉆孔或豎直充填管道提高管道安裝，有效提高充填鉆孔或充填管道的非同心度，確保充填垂直度、同心度偏差在±0.5%。

5)深井礦山在選擇充填管道材質(zhì)時，根據(jù)礦山自流充填實際情況合理選擇充填管道材質(zhì)，確保礦山安全輸送又能低成本。

6 結語

1)根據(jù)云南某礦山深井自流充填實際情況，對深井礦山自流充填料漿在管道輸送的運動機理、破壞機理和磨損機理進行了研究。通過高濃度自流充填料漿的速度、動量和能量守恒角度對管道磨損機理進行分析，得出深井礦山充填鉆孔或豎直管道的最大磨損位置在空氣-砂漿交界面。

2)分析了深井礦山自流充填礦山的充填料漿特性、充填鉆孔、充填管道材質(zhì)參數(shù)、充填倍線與自流充填管道磨損關系，得出充填料漿骨料組成、化學性質(zhì)、濃度和流速，充填鉆孔和管道的安裝質(zhì)量、材質(zhì)，自流充填倍線對充填管道磨損的關系。

3)基于ANSYS FLUENT的深井礦山自流充填管道磨損研究和充填管壁實際監(jiān)測值，研究得出水平管道的管道磨損位置主要在下部，管壁左右管壁次之，上部最小；彎管的主要磨損位置在圓心向外側。

4)提出了有效降低深井礦山高濃度充填料漿自流充填管道磨損技術及方法。采用滿管流輸送、降壓輸送、合理控制充填倍線、提高充填鉆孔及管道安裝質(zhì)量等措施，可有效實現(xiàn)降低充填管道磨損。