似膏體充填系統(tǒng)管網(wǎng)參數(shù)及泵送壓力選擇

肖力波

(長沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長沙 410011)

似膏體充填系統(tǒng)管網(wǎng)參數(shù)及泵送壓力選擇

肖力波

(長沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長沙 410011)

湖南閃星銻業(yè)有限責(zé)任公司對淺部殘礦進(jìn)行回采，并采用高濃度的似膏體充填系統(tǒng)進(jìn)行充填。通過從錫礦山選場選取尾砂充填體，在實(shí)驗(yàn)室測試其物理力學(xué)性質(zhì)，同時(shí)測定不同濃度下不同配比的充填體的抗壓強(qiáng)度及泌水率，得出適合礦山的充填材料配比為1∶2∶8(水泥∶粉煤灰∶分級(jí)尾砂)，質(zhì)量濃度為70%～76%。通過充填管道輸送參數(shù)計(jì)算，選用外徑為0.114 m，壁厚為0.007 m的鋼管，得出似膏體料漿的臨界流速為0.97 m/s，充填料漿水力坡度為885.92 Pa/m，充填管道最大輸送阻力為1.53 MPa，工業(yè)泵的啟動(dòng)壓力2 MPa，得出泵的最小壓力值為3.53 MPa，從而設(shè)計(jì)出適合錫礦山的似膏體充填系統(tǒng)，為礦區(qū)充填可靠性提供了保障。

似膏體 充填系統(tǒng) 管網(wǎng)參數(shù) 水力坡度

湖南閃星銻業(yè)有限責(zé)任公司歷經(jīng)100多年的開采，南礦1～15中段留下大量殘礦，資源量達(dá)近130萬t，回收價(jià)值巨大，回收后若不進(jìn)行采空區(qū)的充填，勢必造成地表的塌陷。我國從1960年起使用水力充填，然而水力充填存在管理困難，充填料漿排放大量的水污染井下環(huán)境[1]。近年來，充填工業(yè)泵技術(shù)發(fā)展迅猛并實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，膏體或似膏體泵送充填開始得到發(fā)展[2-6]，因此需建設(shè)高濃度的似膏體充填系統(tǒng)，提高充填系統(tǒng)的充填質(zhì)量[7-8]。通過從錫礦山選場選取尾砂充填體，在實(shí)驗(yàn)室測試其物理力學(xué)性質(zhì)，同時(shí)測定不同濃度下不同配比的充填體的抗壓強(qiáng)度及泌水率，得出適合礦山的充填材料配比，以此來滿足礦區(qū)充填工藝的充填體強(qiáng)度，通過測定最佳充填配比的料漿流動(dòng)性，計(jì)算礦山充填能力及充填倍線，計(jì)算出充填管網(wǎng)參數(shù)及泵送系統(tǒng)的壓力，從而得出適合礦區(qū)的充填系統(tǒng)工藝流程，同時(shí)分析充填系統(tǒng)的可靠性。

1 分級(jí)尾砂充填技術(shù)參數(shù)

國內(nèi)外礦山自流充填，充填管路的幾何充填倍線不大于5～6，充填倍線N為

(1)

式中，∑H為管路起點(diǎn)與終點(diǎn)的垂高；∑L為充填管路的總長度。

錫礦山南礦的充填系統(tǒng)主要用于淺部三中段以上采空區(qū)充填，充填系統(tǒng)標(biāo)高+352 m，到一中段垂高為10 m，充填管道水平長度達(dá)1 117 m，最大充填點(diǎn)的幾何充填倍線為112.7，必須用泵送充填。

礦區(qū)采用分級(jí)尾砂作骨料，水泥作膠凝材料，添加粉煤灰作改性材料。

礦區(qū)年工作303 d，每天1班，每個(gè)班次8 h，充填料漿質(zhì)量濃度>70%，充填能力為Qh=50 m3/h。

每天充填量Qmj：

Qmj=K1K2Qd=1.02×1.03×300=

315.18m3/d，

式中，Qd為每天充填能力，按連續(xù)充填6h算，Qd=300 m3/d；K1為充填料壓縮系數(shù)，取K1=1.02,K2為充填料流失系數(shù)，取K2=1.03。

殘礦采用進(jìn)路法開采，進(jìn)路充填配比為1∶2∶8(水泥∶粉煤灰∶分級(jí)尾砂)，質(zhì)量濃度為70%～76%。以前的老采空區(qū)處理充填配比為1∶15(水泥∶尾砂)，質(zhì)量濃度為70%～74%。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)室測定，分級(jí)尾砂平均粒徑dcp為0.33 mm，尾砂的不均勻系數(shù)為7.5。

進(jìn)路充填配比為1∶2∶8(水泥∶粉煤灰∶分級(jí)尾砂)，混合料的密度為

式中，水泥密度γs為3 t/m3；粉煤灰密度γf為2.65 t/m3；分級(jí)尾砂密度γw為2.67t/m3。

因此質(zhì)量濃度Cw是76%的充填漿體密度γj為1.8 t/m3。

充填料漿的體積濃度Cv為

按錫礦山日充填體積Qmj=315.8 m3/d計(jì)算，漿體質(zhì)量為567.32 t/d，其中混合固料為431.17 t/d；混合固料中水泥30.15 m3/d(水泥的松散體重是1.3 t/m3)；粉煤灰用量為88.08 m3/d(粉煤灰的松散體重為0.89 t/m3)；分級(jí)尾砂用量為203.62 m3/d(分級(jí)尾砂體重為1.54 t/m3)；水的用量為567.32×0.24=136.16 t/d。泵送充填管道內(nèi)徑DI=100 mm。

充填管道壁厚

(2)

式中，P為加壓泵最大壓強(qiáng)取8 MPa；[σ]為無縫鋼管抗拉應(yīng)力,取90 MPa；K為磨蝕量取2 mm。

得出充填管道壁厚應(yīng)>6.44 mm，選用外徑為114 mm，壁厚為7 mm的鋼管。

2 充填管道輸送參數(shù)計(jì)算

2.1 管道輸送臨界流速

最適合錫礦山的充填漿體是一種具有流動(dòng)性又不容易離析的似膏體充填料，管道輸送的實(shí)際工作流速應(yīng)大于臨界流速。當(dāng)管徑DI<200 mm時(shí)，應(yīng)用杜拉德公式計(jì)算臨界流速v1：

(3)

式中，F(xiàn)1為速度系數(shù)，F(xiàn)1=1.12；g為重力加速度；γ1為輸送載體的密度。

(4)

式中，G100為每小時(shí)粒徑<100 μm混合料輸送質(zhì)量，G100=38.94 t/h；Gw為每小時(shí)用水量，Gw=22.69 t/h；Q100為每小時(shí)粒徑<100 μm的混合料輸送體積,Q100=14.37 m3/h；Qw為水的體積，Qw=22.96 m3/h。

將以上參數(shù)代入式(4)，得出似膏體料漿載體密度γ1=1.66 t/m3。

將相關(guān)參數(shù)代入式(3)得出似膏體料漿的臨界流速v1=0.97 m/s。

2.2 料漿管網(wǎng)輸送的阻力計(jì)算

充填料漿水力坡度應(yīng)用金川計(jì)算公式計(jì)算。

金川計(jì)算公式:

(6)

式中，i為水平管道料漿水力坡度，MPa/m；Cx為充填料漿沉降阻力系數(shù)；i0為管道清水的水力坡度，MPa/m，

(8)

式中，λ為清水阻力系數(shù)，λ=0.026 4；v為充填料漿流速，v=1.77 m/s。

將數(shù)據(jù)代入式(8)：

充填料漿沉降阻力系數(shù)Cx：

(9)

式中，ω為分級(jí)尾砂顆粒平均沉降速度，ω=2.090 cm/s。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(9)，得

Cx=7.905.

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(6)，得

i=885.92Pa/m.

管道局部水力坡度按照管道沿程的8%進(jìn)行計(jì)算，得出局部水力坡度：

(10)

管道總阻力：

(11)

將式(10)代入式(11)可得

(12)

錫礦山從地表充填站位置至井下第三中段垂高為62 m，H高=62×1.5i=93i。充填管道最大輸送長度為1 687.5 m，則充填料漿的輸送總阻力值為

H總=1 687.5×1.08×i-93i=1 728.96i.

將充填料漿水力坡度值i代入上式，得出充填管道最大輸送阻力為1.53 MPa?？紤]到工業(yè)泵2 MPa的啟動(dòng)壓力，泵的最小壓力值為3.53 MPa。

3 工程應(yīng)用

錫礦山南礦淺部的似膏體充填工藝流程見圖1。首先把選廠輸送到充填站的全尾砂進(jìn)行脫泥及粒徑分級(jí)，分級(jí)后的尾砂自流輸送到臥式砂倉，管道輸送的充填尾砂進(jìn)行濾水后采用電耙給穩(wěn)料倉供料，然后通過安裝在穩(wěn)料倉下面的振動(dòng)放料機(jī)及皮帶秤進(jìn)行計(jì)量后采用皮帶運(yùn)輸機(jī)輸送到攪拌桶。

水泥及粉煤灰都是采用散裝的罐車運(yùn)送到充填站，然后通過壓氣輸送到立式的水泥倉及粉煤灰倉，經(jīng)過水泥倉及粉煤灰倉下部的插板閥、星形給料機(jī)、轉(zhuǎn)子稱計(jì)量后采用螺旋給料機(jī)輸送到攪拌桶。

充填所用的水應(yīng)用在砂倉內(nèi)分級(jí)尾砂沉淀后產(chǎn)生的清水，采用水泵泵送到攪拌桶內(nèi)。而且，為了防止充填站突然斷電及水泵偶爾產(chǎn)生故障，需要把原來充填站的高位水池當(dāng)作備用的應(yīng)急水源。

水泥、粉煤灰、分級(jí)尾砂、水在攪拌桶里面經(jīng)過強(qiáng)力攪拌后形成一定質(zhì)量濃度的分級(jí)尾砂似膏體充填料漿，然后采用高壓泵經(jīng)過加壓后通過管道輸送到待充的采場。

圖1 充填制備工藝流程

根據(jù)第2.2節(jié)計(jì)算結(jié)果得出泵的最小壓力值為3.53 MPa。錫礦山似膏體充填系統(tǒng)選用飛翼股份的HBT80/21-220S型充填專用工業(yè)泵(圖2)，該設(shè)備最大的理論排量是80 m3/h，工程應(yīng)用中實(shí)際的排量是60 m3/h左右，理論上的最大出口壓力是13 MPa，電機(jī)的功率為220 kW。

整個(gè)充填系統(tǒng)的投資為1 080萬元。充填配比為1∶2∶8(水泥∶粉煤灰∶分級(jí)尾砂)，質(zhì)量濃度為76%的料漿成本是62.18元/m3。

圖2 HBT80/21-220S型混凝土泵

4 結(jié) 語

通過從錫礦山選場選取尾砂充填體，在實(shí)驗(yàn)室測試它的物理力學(xué)性質(zhì)，同時(shí)測定不同濃度下不同配比的充填體的抗壓強(qiáng)度及泌水率，得出適合礦山的充填材料配比為1∶2∶8(水泥：粉煤灰：分級(jí)尾砂)，質(zhì)量濃度為70%～76%。通過充填管道輸送參數(shù)計(jì)算，選用外徑為0.114 m，壁厚為0.007 m的鋼管，得出似膏體料漿的臨界流速為0.97 m/s，充填料漿水力坡度為885.92 Pa/m，充填管道最大輸送阻力為1.53 MPa，工業(yè)泵的啟動(dòng)壓力2 MPa，得出泵的最小壓力值為3.53 MPa，選用HBT80/21-220S型充填專用工業(yè)泵，從而得出適合錫礦山的似膏體充填系統(tǒng)，為礦區(qū)充填可靠性提供了保障。

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(責(zé)任編輯 石海林)

Selection of Pipe Network Parameters and Pumping Pressure in Paste-like Filling System

Xiao Libo

(ChangshaNonferrousMetallurgyDesignInstituteCo.，Ltd，Changsha410011，China)

Hunan Shanxing Antimony Industry Co.，Ltd.is planning to recover the shallow ore residues，and make backfilling with high concentration of paste-like filling system.The physical and mechanical properties of tailings backfill body selected from Tin Mine are tested in the laboratory，and its compressive strength and bleeding rate at different proportions and different concentrations are measured.A suitable filling material ratio for mines is determined to be 1∶2∶8 (cement：fly ash：classified tailings)，and its mass concentration is from 70% to 76%.Through computing transporting parameters of pipelines，a pipe with outside diameter of 0.114 m，and wall thickness of 0.007 m is selected.A series of parameters are concluded as the critical flow of paste-like slurry 0.97 m/s，hydraulic gradient of 885.92 Pa/m，maximum pipeline transport resistance 1.53 MPa，starting pressure of industrial pumps 2 MPa，and minimum pressure of the pump 3.53 MPa.Then，a suitable paste-like filling system for Tin Mine is built，which provides a guarantee for mine backfill.

Paste-like，F(xiàn)illing system，Pipeline network parameters，Hydraulic gradient

2014-05-03

肖力波(1967—)，男，高級(jí)工程師。

TD853.34

A

1001-1250(2014)-08-053-04