膏體充填堵管爆管原因分析及防護措施

袁元勛

(廈門紫金工程設計有限公司, 福建廈門市 361006)

膏體充填堵管爆管原因分析及防護措施

袁元勛

(廈門紫金工程設計有限公司, 福建廈門市 361006)

膏體充填技術已經在國內得到了初步應用,但由于采用泵壓輸送,管內壓力高,在使用過程中充填管路常常發生堵管、爆管事故,影響到井下采礦效率。為此,對膏體充填堵管、爆管形成的主要原因進行了分析,并提出了防護措施,以有效減少堵管、爆管事故的發生。

膏體充填;堵管;爆管;防護措施

膏體在管路流動過程中具有“三不”特性,即不沉淀、不離析、不脫水,其形態能保持良好的穩定性,并較傳統的高濃度充填,具有流速慢、滿管流動等優點,為充填管路的安全、穩定運行提供了有利條件。但膏體流動過程中剪切應力大,阻力大,一般需要泵壓才能輸送,管路壓力高,在輸送過程中一旦出現堵管、爆管事故,輕則停產維修或更換,重則造成人員傷亡。因此,對膏體充填堵管、爆管主要原因進行分析,并提出防護措施有著現實意義。

1 堵管主要原因分析及防護措施

膏體充填堵管事故多因現場管理不善引起,堵管主要有以下原因:

(1)由于現有技術,膏體濃密機底流濃度還無法達到制備膏體所需濃度,現有礦山一般需添加骨料,骨料中大塊雜物不慎進入充填管路中造成堵管。

(2)膏體充填泵送結束后,沖洗不徹底或方法不合適,膠結膏體在彎管或接頭容易凝固,造成堵管。

(3)充填料大顆粒物料過多,帶棱角石塊過多或由攪拌不充分等,勉強泵送,也會造成堵管。

針對以上主要原因的分析,有以下的防護措施:

(1)骨料中的大塊雜物,特別是大于管內徑30%粒徑的雜物,如大石塊、木塊、鐵絲和鋼筋等,必須在進入攪拌槽(桶)前采用振動篩或其它辦法給予去除,否則進入充填管路后危害非常大。

(2)充填結束后必須采用清水或清水與壓氣同時并用,并保證大流量清水滿管沖洗,如果沖洗不徹底,管路中殘留下膠結固體物料,很有可能在下次充填時造成堵管。

(3)攪拌前嚴格控制物料的合理物料級配和輸送濃度,并保證膏體細顆粒物料的含量,其目的是為了確保膏體的流體穩定性,良好的穩定性能夠避免輸送過程中的離析沉淀,并減少堵管的可能性。

2 爆管主要原因分析及防護措施

2.1 膏體充填爆管主要原因分析

由于充填局部管路特別是拐彎處在長期磨損后厚度變薄,變薄導致強度降低,或管路焊接質量不過關,管路接頭連接不牢固,當充填管路壓力大過一定程度時,就有可能發生爆管事故。除了管路磨損變薄和焊接質量問題等管路自身的原因以外,管路的水擊現象也會引起爆管事故。水擊現象是由于礦漿在輸送過程中因流態的不穩定而引起的,按其產生原因可分兩種情況:礦漿的壓力波水擊和礦漿的真空彌合水擊。

2.1.1 礦漿的壓力波水擊

由于管路局部堵塞或輸送過程中產生湍流現象,高壓使膏體內部氣泡瞬間被液化,當壓力被釋放時,氣泡爆裂,形成壓力波水擊現象。

壓力波水擊模型見圖1。圖中礦漿流速為V0,水頭為H0,在F處因故淤積堵塞,假設F處流速變為零,而上游來的礦漿,由于慣性力的作用,繼續以原有的流速V0沖至淤積堵塞F處,使礦漿內部的空氣泡受到壓縮,管內壓強瞬時加大,并出現彈性沖擊波,以波速C由堵塞段傳向上游管路,由于彈性沖擊波速遠遠大于水流流速,壓強由P増加至P＋△P,密度由ρ增加至ρ＋△ρ,假設在△t時間內,礦漿流過△S的距離,在不考慮摩擦阻力損失的動量,由動量定律得出以下公式:

由于管路承受最大的壓力部位往往會出現爆管,因此當礦漿流速V瞬間為零時,充填礦漿在管路內所產生的水擊壓力最大:

式中:Ev——礦漿彈性模量,Pa;

ρm——礦漿密度,g/cm3;

Ep——管壁彈性模量,Pa;

Es——礦漿彈性模量,Pa;

δ——充填管壁厚度,mm;

D——充填管路內徑,mm;

Cv——礦礦漿積濃度,%;

C1——充填管路縱向變形系數,對于管路可假設只在上游末端(E點)固定的充填管路,其C1＝1－μ/2,泊松比μ取0.3,C1＝0.85。

由水擊波波速公式可以得到,充填管路采用無縫鋼管時,其Ev/Es、Ev/Ep值都非常小,因此C值非常大,水擊波通常會接近于聲波在液體中的傳波速度,所以產生的水擊壓強的峰值也很大,一旦管路因故淤積堵塞,在管路內瞬間產生巨大的水擊壓力,這就極有可能發生爆管事故。

圖1 壓力波水擊模型

2.1.2 礦漿的真空彌合水擊

礦漿管路拐彎處因流速瞬間大幅度變小會形成真空負壓,產生真空彌合水擊現象,礦漿的真空彌合水擊模型見圖2。

圖2 真空彌合水擊模型

圖2 中的礦漿從斷面a－a′至b－b′列出的伯努利方程為:

從式(4)可知,如果imL阻力的損失小于Z1－Z2豎直管路內產生的位能,則在a－a′至b－b′斷面之間的漿體將會以P1－P2壓力差的方式來消耗剩余的部分能量。壓力差增大時,斷面間的漿體可能會被拉斷,出現真空腔形成水擊。

同時產生巨大的水擊附加壓強,且在此部位因反復出現此種氣蝕現象,使管路內表面容易發生洞穴狀腐蝕破壞,降低管路此部位的承壓能力,因此管路有可能產生爆管事故。

2.2 爆管事故的防護措施

通過對以上充填管路爆管原因分析,可采取以下措施:

(1)降壓管路壓力。深井充填,可在井下適當部位設置儲砂池降壓或管路折返增阻的辦法,從而達到降低管路承壓的目的,增阻效果要以礦漿能自流為宜。

(2)加強現場管理。控制好膏體礦漿濃度和骨料粒度,以確保礦漿在充填管路中連續均勻和不分層滿管地流動,從而避免由水擊現象而引發的爆管事故。同時控制好進入充填管的礦漿流量,以保證充填管內的礦漿滿管流動,根據現場統計資料,滿管段和非滿管段磨損形狀對比見圖3,從圖3可看出,滿管段的內表面磨損較小,形狀也較均勻、平整,而非滿管段內表面磨損較大甚至磨蹭,形狀也較不規整,極易產生水擊現象,因此礦漿滿管流動可以減少爆管事故的發生。

圖3 滿管段和非滿管段磨損形狀對比

(3)采用耐磨強度高的錳鋼管或復合管,盡管耐磨管路的價格較高,是普通鋼管的2～4倍,但其使用壽命是普通鋼管的5～10倍,折算到單位充填成本,并考慮維修和更換管路費用和因爆管停產的損失費用,其成本低于普通鋼管路。因此,充填管路盡量采用耐磨管。

(4)保證管路安裝質量。礦山生產實踐證明,若垂直管路的垂直度和同心度誤差大于±0.5%,則會加速磨損。同時盡量減少管路大角度的上、下坡或拐彎布置,可以減少管路的磨損和水擊的產生,進而減少爆管事故的發生。

(5)加強對管路壓力較大或易磨損部位的檢測,通過對此部位的壓力檢測,管路內部磨損情況的定期和不定期檢測,防范于未然。

3 總 結

礦山充填可以排除尾礦庫和采空區礦區兩大隱患,并且充填采礦已經成為國家推薦采礦方法。而膏體充填可以使井下充填采場泌水少,水泥耗量少,具有強度均勻、凝固時間短、接頂率高及管路磨損小等優點,是未來充填的發展趨勢。但是膏體充填管內壓力較大,極易出現堵管、爆管事故。本文通過從對膏體充填堵管、爆管原因分析得出:現場只要加強管理,并做好防護措施,充填堵管、爆管的事故是可以減少,甚至可以避免的。

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2017-03-17)

袁元勛(1982－),男,福建上杭人,中級工程師,從事工程機械方面工作,Email:yxy1598＠qq.com。