金川二礦區(qū)自平衡充填料漿自流輸送管道壓力分布研究

王玉山，鄭伯坤，陳懷教，鄧高嶺，黃騰龍，尹旭巖

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金川二礦區(qū)自平衡充填料漿自流輸送管道壓力分布研究

王玉山1，鄭伯坤2，陳懷教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)

闡述了金川二礦區(qū)自平衡充填料漿自流輸送管道壓力分布情況，在自平衡自流輸送系統(tǒng)運行過程中，L型管道布置鉆孔底部壓力取決于水平管道長度。鉆孔底部壓力隨充填料漿濃度的降低而變化較小，充填料漿流量隨充填料漿濃度降低而急劇加大。采用階梯型布置時，由于水平管道長度分為兩段或多段，分段越多，每段水平管道長度越小，各分段鉆孔底部壓力值越小。

階梯型管道；L型管道；自平衡；壓力分布

金川公司二礦區(qū)一、二期自流輸送系統(tǒng)及膏體泵送系統(tǒng)一直采用充填小井、充填鉆孔及水平(或傾斜)管道相結合的管道輸送系統(tǒng)，隨著開采范圍不斷擴大和開采深度的增加，充填管網亦不斷擴大。二期自流系統(tǒng)及膏體泵送系統(tǒng)均位于地表1680 m水平，各自的充填料漿輸送管經地表二期充填小井及斜巷進入A2組充填鉆孔到達1350 m中段，再經587.7 m水平管道到達Ⅵ組鉆孔，最終通過Ⅶ組鉆孔、Ⅷ組鉆孔、850鉆孔及水平管道到達各中段或分層盤區(qū)進路。目前充填978 m分層東西兩端進路時，管道總長度均超過2000 m，如向東至Ⅲ盤區(qū)管道總長度2373.8 m，總高差708 m，充填倍線3.353。

經多年生產實踐并不斷優(yōu)化，目前垂直鉆孔主要采用Φ299 mm×20 mm或Φ219 mm×20 mm雙金屬耐磨管，其耐磨層厚度10 mm，水平管主要采用Φ133 mm× 11.5 mm剛玉復合耐磨管，耐磨層厚6.5 mm，或Φ133 mm×14 mm鉻鉬雙金屬耐磨管，耐磨層厚9 mm，90°彎頭主要采用Φ133 mm×14 mm鉻鉬雙金屬耐磨管。

1 自平衡充填料漿自流輸送管道壓力分布

自平衡充填料漿自流輸送系統(tǒng)是相對敞口型管道布置而言的，該種布置將輸送管道與攪拌桶連成一個整體，從而使充填料漿濃度、流量、管網布置參數(shù)、料漿流速及管道壓力等諸多參數(shù)呈現(xiàn)復雜的互動 關系。

充填料漿制備輸送系統(tǒng)有多個運行參數(shù)需得到控制，其中主要有充填物料各組分的給料量及灰砂比、充填料漿濃度、流量、攪拌桶液位等。在設計充填料漿制備自動控制系統(tǒng)時，一般設定一個主控參數(shù)及主控回路，對主控參數(shù)進行實時檢測及反饋調節(jié)，而其它控制參數(shù)為輔助控制回路或從動回路。

在立式攪拌桶制備系統(tǒng)中，攪拌桶液位一般設定為主控參數(shù)，這是因為如攪拌桶液位過高將產生漫溢現(xiàn)象，攪拌桶一旦漫溢，將使系統(tǒng)運行參數(shù)處于混亂狀態(tài)并造成充填系統(tǒng)無法繼續(xù)運行而導致非正常停機。反之如攪拌桶液位過低，將使充填各物料得不到充分攪拌，在攪拌桶液位過低或空桶時，充填物料各組分可呈散狀或干粉狀等，造成無法進入充填鉆孔或造成充填鉆孔堵塞等事故，同樣導致非正常停車。

使攪拌桶處于正常狀態(tài)的條件為進入攪拌桶的物料量與排出量相平衡。進入攪拌桶的物料量可通過調節(jié)各給料設備的給料量而實現(xiàn)，而充填料漿排出量在該種布置形式下則取決于充填料漿濃度、流動阻力及充填管網布置參數(shù)。

攪拌桶料位的調節(jié)有兩種方式，其一為調節(jié)進入攪拌桶的物料量，即當攪拌桶料位較高時，攪拌桶液位計發(fā)出調節(jié)信號使各給料設備減少給料量，從而使攪拌桶液位降低，反之亦然。該種調節(jié)方式當管道阻力較小時，料漿流量變化很大，且當充填地點變化時，料漿流量亦發(fā)生變化，從而使充填系統(tǒng)運行參數(shù)隨充填地點變化而變化。

攪拌桶料位的另一調節(jié)方式為使進入攪拌桶的物料量保持恒定，而在出料口設置調節(jié)裝置，調節(jié)攪拌好的料漿排出量，國內一般采用電動閘閥或電動夾管閥進行調節(jié)。即當攪拌桶料位較高時，攪拌桶料位計發(fā)出調節(jié)信號使調節(jié)閥開度增大，從而料漿排出量增大，使攪拌桶料位降低。而當攪拌桶料位過低時，攪拌桶料位計發(fā)出調節(jié)信號使調節(jié)閥開度關小，從而料漿排出量減小，使攪拌桶料位升高。

在充填管道與攪拌桶連接成一體且密封良好的條件下，無論攪拌桶料位采取何種調節(jié)方法，均可定義為自平衡滿管流系統(tǒng)，第一種方式可稱為隨動給料自平衡滿管流，第二種稱為定量給料自平衡滿管流。

立式攪拌桶放料管上均裝有底閥(排料閥)或調節(jié)閥(電動閘閥或電動調節(jié)閥)，該調節(jié)閥的作用可調節(jié)充填料漿排出量，同時亦可視為管路系統(tǒng)中的一個調壓裝置或節(jié)流閥。該閥的開度對系統(tǒng)的運行參數(shù)具有十分重要的作用。在充填管道敞口布置時，該閥的開度只與攪拌桶的料位有關，所受壓力較小、開度較大，從而流速較小、磨損亦較小。但如果攪拌桶與充填管道連成整體且充填倍線較小時，則將受到充填料漿自平衡滿管流效應的影響，管道將對攪拌桶內料漿產生虹吸效應。當充填料漿流量加大、攪拌桶料位快速下降時，將迫使該閥開度減小。該閥開度過小時，料漿通過該閥的流速增大，導致快速磨損。

金川公司目前高濃度棒磨砂自流系統(tǒng)即采用定量給料底閥調節(jié)自平衡滿管流輸送方式。為了便于分析，先不考慮底閥的節(jié)流作用，對L型管道布置的充填料漿制備參數(shù)及管道壓力進行分析計算，計算結果如圖1～圖4。

設充填管道為等直徑布置，尺寸為Φ133 mm×11.5 mm剛玉復合耐磨管，通徑為110 mm，充填方式為棒磨砂-水泥自流輸送充填，灰砂比均為1:4，則當充填料漿濃度為85%時，料漿重度為20.727 kN/m3，坍落度為23 cm，料漿流變參數(shù)為0=20.445 Pa，=3.889 Pa?s。由于料漿濃度過高，流動阻力大，所以實現(xiàn)自平衡滿管流的流量為15.31 m3/h，料漿流速為0.447 m/s，流動阻力=5.593 kPa/m，鉆孔底部壓力為10.71 MPa(見圖1)。

而當充填料漿濃度為82%時，料漿重度為20.247 kN/m3，坍落度為26 cm，料漿流變參數(shù)為0=10.6687 Pa，=0.6958 Pa?s。實現(xiàn)自平衡滿管流的流量為91.96 m3/h，料漿流速為2.688 m/s，流動阻力=5.464 kPa/m，鉆孔底部壓力為10.47 MPa(見圖2)。

當充填料漿濃度為79%時，料漿重度18.689 kN/m3，坍落度為27.8 cm，料漿流變參數(shù)為0=4.6833 Pa，=0.3855 Pa?s。實現(xiàn)自平衡滿管流的流量為161.62 m3/h，料漿流速為4.724 m/s，流動阻力=5.043 kPa/m，鉆孔底部壓力為9.66 MPa(見圖3)。

圖1 L型管道布置自平衡滿管流85%濃度時的管道輸送參數(shù)及壓力

圖2 L型管道布置自平衡滿管流82%濃度時的管道輸送參數(shù)及壓力

當充填料漿濃度為76%時，料漿重度18.659 kN/m3，料漿流變參數(shù)為0=2.6912 Pa，=0.2632 Pa?s。實現(xiàn)自平衡滿管流的流量為241.06 m3/h，料漿流速為7.046 m/s，流動阻力=5.035 kPa/m，鉆孔底部壓力為9.65 MPa(見圖4)。

當充填管道呈階梯型布置時，充填料漿制備參數(shù)及管道壓力計算結果如圖5～圖8所示。

當充填料漿濃度為85%時，實現(xiàn)自平衡滿管流的流量同樣為15.31 m3/h，料漿流速為0.447 m/s，流動阻力=5.593 kPa/m，上部鉆孔底部壓力為4.961 MPa，下部鉆孔底部壓力為5.754 MPa(見圖5)。

圖3 L型管道布置自平衡滿管流79%濃度時的管道輸送參數(shù)及壓力

圖4 L型管道布置、自平衡滿管流76%濃度時的管道輸送參數(shù)及壓力

圖5 階梯型管道布置自平衡滿管流85%濃度時的管道輸送參數(shù)及壓力

圖6 階梯型管道布置自平衡滿管流82%濃度時的管道輸送參數(shù)及壓力

圖7 階梯型管道布置自平衡滿管流79%濃度時的管道輸送參數(shù)及壓力

圖8 階梯型管道布置自平衡滿管流76%濃度時的管道輸送參數(shù)及壓力

當充填料漿濃度為82%時，實現(xiàn)自平衡滿管流的流量同樣為91.96 m3/h，料漿流速為2.688 m/s，流動阻力=5.464 kPa/m，上部鉆孔底部壓力為4.969 MPa，下部鉆孔底部壓力為5.621 MPa(見圖6)。當充填料漿濃度為79%時，實現(xiàn)自平衡滿管流的流量同樣為161.62 m3/h，料漿流速為4.724 m/s，流動阻力=5.043 kPa/m，上部鉆孔底部壓力為4.585 MPa，下部鉆孔底部壓力為5.188 MPa(見圖7)。

當充填料漿濃度為76%時，實現(xiàn)自平衡滿管流的流量同樣為241.06 m3/h，料漿流速為7.046 m/s，流動阻力=5.035 kPa/m，上部鉆孔底部壓力為4.578 MPa，下部鉆孔底部壓力為5.18 MPa(見圖8)。

2 兩種不同布置形式的管道壓力對比

從以上分析計算結果可知，在自平衡自流輸送系統(tǒng)運行過程中，L型管道布置鉆孔底部壓力取決于水平管道長度，在充填料漿濃度由85%降至76%時，為10.71～9.65 MPa，其值較大，且隨充填料漿濃度的降低而變化較小。而充填料漿流量則隨充填料漿濃度降低而急劇加大，當充填料漿濃度為85%時，實現(xiàn)自流輸送的流量僅為15.31 m3/h，當充填料漿濃度為82%時，實現(xiàn)自流輸送的流量為91.96 m3/h，當充填料漿濃度降至79%時，流量為161.62 m3/h，當充填料漿濃度進一步降至76%時，流量可達241.06 m3/h。國內礦山充填生產實際已證實該現(xiàn)象，在敞口型充填管道布置的條件下，當攪拌機制備的料漿濃度過高時，下料斗下料緩慢、料位升高甚至出現(xiàn)漫溢，即料漿流量降低。這時若降低充填料漿濃度，料斗中料漿進入鉆孔的流量加大，進一步降低料漿濃度，充填料漿會快速進入充填鉆孔甚至吸入空氣。

而當采用階梯型布置時，由于水平管道長度分為兩段或多段，所以其分段鉆孔底部最大壓力降低至5.754 MPa，分段越多，每段水平管道長度越小，各分段鉆孔底部壓力值越小。

3 結 論

在自平衡自流輸送系統(tǒng)運行過程中，L型管道布置鉆孔底部壓力取決于水平管道長度。鉆孔底部壓力隨充填料漿濃度的降低而變化較小，而充填料漿流量則隨充填料漿濃度降低而急劇加大。采用階梯型布置時，由于水平管道長度分為兩段或多段，分段越多，每段水平管道長度越小，各分段鉆孔底部壓力值越小。

[1] 許毓海,許新啟.高濃度(膏體)充填流變特性及自流輸送參數(shù)的合理確定[J].礦冶,2004,13(3):16?19.

[2] 劉曉輝,吳愛祥,王洪江,等.深井礦山充填滿管輸送理論及應用[J].北京科技大學學報,2013,35(9):1113:1118.

[3] 韋新東,紀 寧,陸 海.漿體管道運輸阻力影響因素分析[J].中國資源綜合利用,2014,33(6):54?57.

[4] 李向東,鄭伯坤,等.深部充填管道減壓增阻技術研究[R].長沙:長沙礦山研究院有限責任公司,2018.

[5] 鄭伯坤,李向東,盛 佳.基于環(huán)管試驗的高濃度料漿輸送性研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2012,32(06):31?34.

[6] 吳愛祥,劉曉輝,王洪江,等.結構流充填料漿管道輸送阻力特性[J].中南大學學報(自然科學版),2014,45(12):4325?4330.

[7] 楊志強,王永前,高 謙,等.金川膏體管道輸送特性環(huán)管試驗與減阻技術[J].礦冶工程,2014,36(5):22?26.

[8] 甘德清,高 鋒,陳 超,等.管道輸送高濃度全尾砂充填料漿的阻力損失研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2016,36(1):94?98.

[9] 鄧代強,王 莉,周 喻.充填料漿L型管道自流輸送模擬試驗分析[J].廣西大學學報(自然科學版),2012,37(4):837?843.

[10] 甘德清,趙海鑫,劉志義,等.全尾砂料漿管道輸送阻力損失影響因素敏感性分析[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2018,38(3):136?139.

(2018?09?29)