深井膏體自流充填壓力與滿(mǎn)管率優(yōu)化研究

姚高輝 李小松 劉鵬鵬 肖柏林

(1.中色非洲礦業(yè)有限公司謙比希銅礦,贊比亞 基特韋 22592;2.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院,北京 100083)

礦產(chǎn)資源的開(kāi)采逐步進(jìn)入深部,例如,遼寧紅透山銅礦、安徽冬瓜山銅礦、甘肅金川鎳礦、云南會(huì)澤鉛鋅礦、山東玲瓏金礦、廣東凡口鉛鋅礦等諸多礦山已進(jìn)入或即將進(jìn)入千米深部開(kāi)采[1-3]。中國(guó)工程院謝和平院士、蔡美峰院士等多次指出“綠色開(kāi)采、深部開(kāi)采、智能開(kāi)采”是保證礦產(chǎn)資源可持續(xù)高效開(kāi)發(fā)的三大主題和未來(lái)方向[4]。在國(guó)家政策層面,多部委連續(xù)發(fā)文,對(duì)尾礦排放、環(huán)境保護(hù)、尾礦庫(kù)建設(shè)等設(shè)立嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn),低碳、綠色可持續(xù)發(fā)展的理念深入人心。在這種大環(huán)境背景下,尾砂膠結(jié)充填法被越來(lái)越多改建及新建礦山所應(yīng)用,具有可實(shí)現(xiàn)尾砂零排放、避免征地筑壩、便于地壓管理、資源回收率最大化等優(yōu)勢(shì),是金屬礦山深部綠色安全開(kāi)采的主流方法[5-6]。

深井充填法開(kāi)采將膏體料漿通過(guò)管道自流或泵送到井下采場(chǎng)。從節(jié)能的角度,越來(lái)越多礦山基于礦山深井高差,充分利用重力勢(shì)能形成自流充填,在多處礦山取得良好應(yīng)用效果[7]。然而,深井自流充填伴隨一個(gè)比較突出的是充填管道的磨損、破裂、失效。例如,石宏偉等[8]針對(duì)云南某礦山的充填管道磨損問(wèn)題,分析了自流輸送充填料漿運(yùn)動(dòng)機(jī)理、管道破壞機(jī)理和管道磨損機(jī)理;孫永茂等[9]報(bào)道了張莊礦 1#、2#充填鉆孔的磨通、堵孔問(wèn)題,鉆孔管壁磨損嚴(yán)重,從料漿特性、管材、倍線(xiàn)、空氣交界面對(duì)磨損進(jìn)行了分析;丁文智等[10]報(bào)道了金川龍首礦、河?xùn)|金礦、新城金礦和貢北金礦4 個(gè)礦山的充填管道磨損情況,并且建立了管道磨損風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)模型。自流充填管道的磨損可以分為料漿沖撞管壁階段、自由落體階段、料漿與空氣交界撞擊階段、滿(mǎn)管輸送階段,其中管道主要破裂階段為料漿與空氣交界面撞擊階段,磨損可歸結(jié)于沖刷、腐蝕、氣錘等多種機(jī)理[11-13];自流不滿(mǎn)管形成的多種復(fù)雜沖擊力學(xué)破壞機(jī)制是主要原因。

可見(jiàn),在深井自流充填中,膏體漿料對(duì)管道的磨損是一個(gè)不可避免的關(guān)鍵難點(diǎn),管道一旦磨破后,輕則跑漿漏漿,重則造成鉆孔封閉報(bào)廢,導(dǎo)致整個(gè)礦井生產(chǎn)停滯。隨著越來(lái)越多礦山采用深井自流充填,研究如何減少磨損,提高垂直管道滿(mǎn)管率的技術(shù)至關(guān)重要。眾多研究對(duì)提高自流滿(mǎn)管率主要有多臺(tái)階布置管道、折返式管道布置降壓、減壓緩沖池、減壓阻尼孔、安全隔膜減壓、小直徑豎管大直徑水平管系統(tǒng)、節(jié)流板調(diào)壓裝置、壓力耗散器調(diào)壓等多種方法[14-15]。然而,這些措施或多或少有增加工程造價(jià)、施工不便、無(wú)法在既定管道內(nèi)安裝、形成新的薄弱磨損點(diǎn)、設(shè)備成本高、減壓裝置維護(hù)困難等不足。目前鮮有對(duì)超過(guò)650 m 垂直鉆孔的減壓增阻、提高自流滿(mǎn)管率的工程借鑒經(jīng)驗(yàn)。本文以謙比西銅礦東南礦體深井自流充填為工程背景,研究了從膏體料漿自身配比優(yōu)化、管徑調(diào)整等適用性高的方案,分析不同方案自流系統(tǒng)的管道壓力分布,提高自流滿(mǎn)管率,為類(lèi)似深長(zhǎng)垂直鉆孔自流充填提供參考借鑒。

1 工程概況

謙比希銅礦位于贊比亞銅帶省中部,處于世界著名的贊比亞—?jiǎng)偣~礦帶上,為泥質(zhì)巖沉積變質(zhì)銅礦床,東南礦體埋藏較深,位于445 ～1 230 m 之間。東南礦體采用充填法進(jìn)行開(kāi)采,膏體充填系統(tǒng)于2019年12 月開(kāi)始正式投入使用,已形成較穩(wěn)定的膏體充填工藝,質(zhì)量濃度為68%～70%的膏體料漿通過(guò)自流的方式輸送至井下采場(chǎng)。東南礦體擁有2 套膏體充填系統(tǒng),單套系統(tǒng)制備能力160 m3/h,目前充填主要通過(guò)4 條鉆孔(分別命名為S1、S2、N1、N2);N1 和N2服務(wù)于900 m 以下北采區(qū),S1 和S2 服務(wù)于900 m 以上南采區(qū),充填管道的分布如圖1 所示。

圖1 東南礦體充填主管路分布立體示意Fig.1 Three-dimensional schematic of the distribution of main pipelines of southeast orebody

其中南采區(qū)的S1、S2 管道自地表通過(guò)充填鉆孔到達(dá)680 m 中段充填鉆孔聯(lián)巷;S1 管道水平管經(jīng)680 m 中段進(jìn)風(fēng)巷內(nèi)的680 ～696 m 分段管纜井,再進(jìn)入696 m 分段巷,進(jìn)入732 m 分段的1#斜坡道。S2 管的水平管通過(guò)680 m 進(jìn)風(fēng)巷延伸至680 m 的2#穿脈,再經(jīng)732 m 西回風(fēng)井進(jìn)入732 m 分段巷。整個(gè)礦區(qū)的充填倍線(xiàn)約2.6～4.6。

東南礦體的一級(jí)垂直鉆孔高差達(dá)680 m,這在國(guó)內(nèi)礦山屬罕見(jiàn),尚未見(jiàn)先例。深井自流充填難以實(shí)現(xiàn)滿(mǎn)管流,膏體自由落體運(yùn)動(dòng)對(duì)垂直管道的磨損沖刷、氣錘、腐蝕等作用十分劇烈。比如前期生產(chǎn)過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)22 mm 壁厚的雙金屬?gòu)?fù)合管內(nèi)襯破裂脫落的情況,如圖2 所示。研究提高垂直管道的滿(mǎn)管率,減少充填料漿對(duì)管壁的沖刷磨損,保護(hù)充填鉆孔,提高鉆孔服務(wù)壽命,對(duì)實(shí)現(xiàn)深井礦山安全高效自流充填具有重要的工程實(shí)踐意義。

圖2 雙金屬?gòu)?fù)合管內(nèi)襯破碎脫落Fig.2 Lining crack of the bimetallic composite pipe

2 實(shí)驗(yàn)與模型

本文從膏體料漿自身配比、管道設(shè)計(jì)兩方面入手,通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試與理論分析相結(jié)合的方式,分析優(yōu)化管道的壓力,提高滿(mǎn)管率。優(yōu)化過(guò)程中涉及的室內(nèi)試驗(yàn)包括粒徑篩分實(shí)驗(yàn)、物理性質(zhì)實(shí)驗(yàn)、塌落度實(shí)驗(yàn)、流變實(shí)驗(yàn);理論分析主要依據(jù)工程非牛頓流體的阻力計(jì)算模型。

2.1 基礎(chǔ)物理性質(zhì)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)尾砂采用謙比西銅礦選廠排放的全尾砂,經(jīng)過(guò)取樣干燥后按照《GB/T 50123—2019 土工試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》里規(guī)定的方法開(kāi)展篩分、密度、孔隙率等物理性質(zhì)的測(cè)試。其中篩分實(shí)驗(yàn)中-74 μm 的細(xì)粒級(jí)顆粒使用激光粒度分析儀測(cè)試,最終組成全尾砂的粒徑級(jí)配如圖3 所示。

圖3 東南礦體選廠尾砂粒徑級(jí)配曲線(xiàn)Fig.3 Particle size grading curve of tailings in southeast orebody processing plant

通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得東南礦體全尾砂的基本物理性質(zhì)如表1 所示。

表1 東南礦體選廠尾砂基本物理特性Table 1 Basic physical properties of the tailings of south orebody

2.2 膏體塌落度與流變特性實(shí)驗(yàn)

礦山前期已根據(jù)采礦方法對(duì)膏體強(qiáng)度開(kāi)展了相關(guān)研究,確定了一步驟充填灰砂比為1 ∶9,二步驟充填灰砂比為1 ∶24。膏體的濃度可變性較大,通常根據(jù)濃密實(shí)驗(yàn)、塌落度測(cè)試、流變?cè)囼?yàn)等綜合分析確定。本文主要是通過(guò)優(yōu)化濃度試驗(yàn)提高滿(mǎn)管率,從而開(kāi)展了不同濃度(68%～74%)的塌落度和流變?cè)囼?yàn)測(cè)試。

塌落度測(cè)試主要使用塌落筒進(jìn)行測(cè)量,其上直徑15 cm;下直徑20 cm;高30 cm,塌落度還與料漿的屈服應(yīng)力、管流阻力有一定關(guān)系[16]。多數(shù)礦山工程經(jīng)驗(yàn)表明,滿(mǎn)足自流充填需求的料漿塌落度應(yīng)該在23～27 cm 范圍內(nèi)[17]。

使用Brookfield 的RST-SSS 流變儀對(duì)膏體的流變特性進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試時(shí)使用控制剪切速率模式,在室溫環(huán)境中用VT-40-20 型的葉片轉(zhuǎn)子在0 ～120 s-1的剪切速率下對(duì)試樣進(jìn)行剪切,然后在120 s內(nèi)將剪切速率線(xiàn)性均勻降為0 s-1,截取最后下行100 ～20 s-1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,大多數(shù)膏體表現(xiàn)為非牛頓體行為,使用Bingham 塑性體模型對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合求得屈服應(yīng)力及黏度。

2.3 膏體管流阻力計(jì)算模型

膏體在管道中流動(dòng)的沿程阻力是阻力分析的核心問(wèn)題,通常管道輸送阻力的確定包括理論分析法、經(jīng)驗(yàn)公式法、室內(nèi)L 管實(shí)驗(yàn)法、工業(yè)環(huán)管法、CFD 模擬法等。膏體料漿通常在管道內(nèi)呈柱塞狀的層流運(yùn)動(dòng),膏體的阻力計(jì)算理論研究相對(duì)成熟。本文的阻力計(jì)算方法如下:根據(jù)膏體的流態(tài)選取層流、紊流或過(guò)渡區(qū)的阻力系數(shù)模型,然后計(jì)算摩擦阻力系數(shù),最后根據(jù)達(dá)西—韋伯方程計(jì)算沿程阻力損失。

(1)流態(tài)判定。通常使用雷諾數(shù)Re和莫迪圖來(lái)判斷工程流體的流態(tài):

式中,ρm為膏體料漿的密度,kg/m3;ν為膏體的平均流速,m/s;D為管道內(nèi)徑,m;ηp為膏體的黏度系數(shù),Pa·s。

(2)膏體層流流動(dòng)的阻力計(jì)算模型。膏體料漿是非牛頓流體,當(dāng)做層流運(yùn)動(dòng)時(shí),常采用Bingham 模型對(duì)其流變曲線(xiàn)進(jìn)行擬合,主要考慮流速、管徑及流變參數(shù),國(guó)內(nèi)膏體層流阻力常由Buckingham 公式近似計(jì)算:

式中,im為沿程阻力損失,Pa/m;τy為膏體的屈服應(yīng)力,Pa;其余同上。

本文膏體層流阻力計(jì)算采用工程上常用的Swamee-Aggarwal 方程估算阻力系數(shù)[18];該模型通過(guò)雷諾數(shù)與流態(tài)相結(jié)合,計(jì)算得到阻力系數(shù)后再經(jīng)達(dá)西—韋伯方程換算為沿程阻力:

式中,He為無(wú)量綱的赫德數(shù);fL為Swamee-Aggarwal阻力系數(shù);其余同上。

3 自流充填滿(mǎn)管率的優(yōu)化措施

3.1 現(xiàn)有管網(wǎng)系統(tǒng)的校驗(yàn)與分析

以東南礦體南采區(qū)為例,對(duì)南采區(qū)2 條鉆孔滿(mǎn)管率進(jìn)行優(yōu)化。南采區(qū)充填管水平段的壁厚均為22 mm,內(nèi)徑175 mm;垂直段貝氏體管壁厚有22 mm 和14 mm 兩種規(guī)格,內(nèi)徑分別為108 mm 和124 mm。受制漿能力制約,充填料漿的平均流量為160 m3/h。東南礦體充填料漿的實(shí)際濃度為68%～70%,尚未達(dá)到嚴(yán)格意義的膏體濃度,有一定的分層離析,料漿狀態(tài)由塌落度表征＞27 cm,塌落度測(cè)試及攪拌槽中的料漿狀態(tài)如圖4 所示。

圖4 東南礦體膏體料漿塌落度、攪拌槽中膏體形貌(質(zhì)量濃度約69%)Fig.4 Paste emorphology in slump test and mixing machine of the southeast orebody (mass concentration:69%)

當(dāng)前充填系統(tǒng)尚未有完善的壓力監(jiān)測(cè),可從充填出料口壓力反推計(jì)算整個(gè)管網(wǎng)的真實(shí)壓力。自流充填的出口壓力主要由垂直段的重力勢(shì)能決定,制漿能力不變情況下,垂直管段的液位高度所提供的重力勢(shì)能剛好能滿(mǎn)足流動(dòng)阻力的要求,即達(dá)到力學(xué)平衡。

3.1.1 流態(tài)判定與阻力計(jì)算

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定當(dāng)前膏體的基本特性參數(shù)如表2所示。

表2 南采區(qū)膏體充填的基本特性參數(shù)Table 2 Basic characteristic parameters of paste filling in south mining area

根據(jù)式(1)計(jì)算南采區(qū)3 種充填管中的流態(tài),結(jié)果如表3 所示。由表3 可見(jiàn),175 mm 的水平管雷諾數(shù)＜2 300,是層流流動(dòng)。豎直管段雷諾數(shù)變大,處于層流與紊流的過(guò)渡區(qū)(雷諾數(shù)2 300 ～4 000)。考慮到垂直管滿(mǎn)管段只有約100 多m,工程上暫且按層流的方式計(jì)算垂直管的阻力。當(dāng)前充填能力下不同管道的流動(dòng)阻力特征結(jié)果如表3 所示。

表3 南采區(qū)膏體管道流動(dòng)類(lèi)別與阻力特性Table 3 Flow type and pressure drop features of the piping paste in south mining area

3.1.2 壓力反演

南采區(qū)S1 和S2 管路從垂直鉆孔開(kāi)始到采場(chǎng)末端最長(zhǎng)約2.5 km,從料漿的出口噴射情況估算其出口靜水壓力約為0.2 MPa,由式(4)反演當(dāng)前最大倍線(xiàn)時(shí)的管道阻力分布。

式中,P1為垂直管管底壓力,MPa;im-v為垂直管的總單位阻力損失,MPa/km;im-h為水平管的總單位阻力損失,MPa/km;L為水平管長(zhǎng)度,km;Pd為采場(chǎng)出口壓力,MPa;H為垂直管的液位高度,km。

計(jì)算得到南采區(qū)S1 和S2 管路的壓力分布如圖5 所示。可見(jiàn)南采區(qū)當(dāng)前充填管路的滿(mǎn)管率僅在17%～41%之間;多數(shù)情況下的料位高度在150 m 左右,滿(mǎn)管率約20%～30%。該結(jié)果與對(duì)鉆孔進(jìn)行視頻檢查的結(jié)果相吻合,視頻檢查時(shí),垂直鉆孔底部約200 m 左右未發(fā)現(xiàn)破壞。

圖5 南采區(qū)充填現(xiàn)有管道壓力分布(質(zhì)量濃度約69%)Fig.5 Pipeline pressure distribution of the south mining area (paste concentration 69%)

3.2 提高滿(mǎn)管率的措施方案

3.2.1 水平管部分替換成小管徑方案

考慮減少部分水平管的管徑,提高流動(dòng)阻力以獲得更高料位。假設(shè)Lx為替換水平管的長(zhǎng)度;按照最長(zhǎng)倍線(xiàn)情況;則通過(guò)圖6 所示模型可求出滿(mǎn)管率M下所需替換小管徑水平管的長(zhǎng)度,如式(5)。

圖6 水平小管徑增阻提高滿(mǎn)管率計(jì)算模型Fig.6 Calculation model for increasing full-pipe rate by small diameter horizontal pipe

得到滿(mǎn)管率M與小管徑水平管長(zhǎng)Lx的關(guān)系:

式中,ims為小直徑管的阻力損失,參照表3;其余同上。

因此得到滿(mǎn)管率與小直徑管替換長(zhǎng)度Lx的關(guān)系如圖7 所示。

圖7 替換的水平小管徑長(zhǎng)度與滿(mǎn)管率的關(guān)系Fig.7 Relationship between full-pipe rate and replacing small diameter pipe length

可見(jiàn)最大倍線(xiàn)下,S1 和S2 原滿(mǎn)管率分別為37%和41%;可替換的水平管總長(zhǎng)度為2.5 km,分別可達(dá)到的最高滿(mǎn)管率為52%和58%。對(duì)S1 管路,每替換100 m 可提高0.63%的滿(mǎn)管率;對(duì)于S2 管道,每替換100 m 可提高0.71%的滿(mǎn)管率。

3.2.2 提高濃度增加滿(mǎn)管率方案

膏體的料漿濃度越大,阻力越大,可從提高料漿濃度的角度提高滿(mǎn)管率。圖4 中顯示當(dāng)前69%的膏體濃度偏低,根據(jù)近2 年的充填站運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),適當(dāng)增加濃度是可行的。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試71%濃度的膏體塌落度27.2 cm,密度1.92 t/m3;流變?cè)囼?yàn)的屈服應(yīng)力53.03 Pa,黏度系數(shù)為0.244 8 Pa·s。此時(shí),膏體的料漿特征參數(shù)如表4 所示。

表4 濃度提高到71%的膏體管道流動(dòng)阻力特性Table 4 Paste pipeline flow resistance characteristics when concentration increased to 71%

同理,計(jì)算南采區(qū)采用71%濃度膏體充填的管道壓力分布及滿(mǎn)管率變化如圖8 所示。

圖8 提高濃度至71%時(shí)壓力分布與滿(mǎn)管率Fig.8 Pressure distribution and full-pipe rate when paste concentration is increased to 71%

可見(jiàn),濃度提高2%后,管道的壓力及滿(mǎn)管率顯著提升,最大倍線(xiàn)下滿(mǎn)管率分別從原來(lái)的37%和41%增加到70%和82%;最小倍線(xiàn)下也由原來(lái)的17%和19%增加到32%和37%。提高濃度可增加滿(mǎn)管率的主要原因是料漿管流阻力的增加。制漿能力不變情況下,71%膏體濃度的流動(dòng)阻力增加了近一倍,提高濃度對(duì)提高滿(mǎn)管率效果顯著;但濃度提高2%,垂直管道底部的壓力分別由3.72 MPa 和1.75 MPa 增加到6.7 MPa 和3.06 MPa,增加了幾乎一倍;這增加了充填管的堵管爆管風(fēng)險(xiǎn)。因此工程中應(yīng)對(duì)不同措施進(jìn)行綜合評(píng)判,選取合適的方案。

4 結(jié) 論

以謙比西銅礦東南礦體深井充填為工程案例,研究了自流充填管網(wǎng)系統(tǒng)壓力分布及提高深井垂直鉆孔滿(mǎn)管率的措施方法,研究獲得以下主要結(jié)論:

(1)東南礦體一級(jí)垂直鉆孔長(zhǎng)680 m,自流膏體充填的沖刷磨損大,國(guó)內(nèi)罕見(jiàn);自流充填在160 m3/h的制漿能力下,南采區(qū)管路的滿(mǎn)管率僅為17%～41%;多數(shù)情況下的料位高度在150 m 左右,滿(mǎn)管率約20%～30%;水平管的阻力損失約1.4 MPa/km,垂直管底部的壓力約1.7～3.7 MPa。

(2)采用內(nèi)徑150 mm 的管部分替代內(nèi)徑175 mm 的水平管,在最大倍線(xiàn)下,每替換100 m 可提高0.63%和0.71%滿(mǎn)管率,南采區(qū)S1 和S2 最長(zhǎng)水平管可替換長(zhǎng)度為2.5 km,最高滿(mǎn)管率可分別提高到52%和58%。

(3)膏體由69%提高到71%后,滿(mǎn)管率顯著提升,最大倍線(xiàn)下滿(mǎn)管率分別從原來(lái)的37%和41%增加到70%和82%,最小倍線(xiàn)下由17%和19%增加到32%和37%;然而垂直管道底部的壓力分別由3.72 MPa 和1.75 MPa 大幅增加到6.7 MPa 和3.06 MPa,增加了充填管的堵管爆管風(fēng)險(xiǎn)。

(4)工程上,可充分利用多種途徑相結(jié)合的方式,提高深井自流充填的滿(mǎn)管率,減少垂直鉆孔的磨損,通過(guò)適當(dāng)增加濃度、部分減少水平管管徑、提高倍線(xiàn)等多種方法可獲得良好的優(yōu)化效果。