低倍線高濃度充填料漿增阻圈增阻減壓研究*

岳 斌，鄭伯坤，孫文杰，鄧高嶺，黃騰龍，尹旭巖

?

低倍線高濃度充填料漿增阻圈增阻減壓研究*

岳 斌1，鄭伯坤2，孫文杰1，鄧高嶺2，黃騰龍2，尹旭巖2

(1.金川集團(tuán)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(zé)任公司，湖南 長沙 410012)

深井開采礦山，由于充填倍線較小，垂直管段產(chǎn)生的勢能大于沿程阻力損失，將產(chǎn)生剩余壓頭問題。剩余壓頭導(dǎo)致系統(tǒng)無法滿管輸送，加劇充填管壁磨損，導(dǎo)致管道輸送處于極不穩(wěn)定的狀態(tài)，使充填系統(tǒng)無法正常運(yùn)行。因此，開展低倍線高濃度充填料漿增阻圈增阻減壓研究，實現(xiàn)深井充填系統(tǒng)的滿管流輸送，對于降低管道沖擊磨損、保障礦山正常生產(chǎn)，具有非常重要的工程意義。

低倍線；高濃度；增阻圈；增阻減壓；管道輸送

金川公司二礦區(qū)開采深度超過1000 m，屬深井開采，主要采用膏體充填處理采空區(qū)。由于膏體料漿長時間摩擦管壁，管道磨損嚴(yán)重甚至磨穿管壁，導(dǎo)致部分漿液外淤，管道卸壓會導(dǎo)致堵管事故的發(fā)生，堵管次數(shù)隨著管線的磨蝕呈上升趨勢。為了保證深部充填管路系統(tǒng)安全，保證充填料漿均質(zhì)流流態(tài)的滿管輸送，使充填垂直管道的使用壽命提高20%以上，金川公司與長沙礦山研究院有限責(zé)任公司聯(lián)合開展了低倍線高濃度充填料漿增阻圈增阻減壓研究。

1 增阻圈作用原理

由于金川公司二礦區(qū)自流輸送系統(tǒng)將充填鉆孔及井下管網(wǎng)與攪拌桶連成整體，并由攪拌桶底流閥調(diào)節(jié)攪拌桶料位，即采用自平衡自流輸送系統(tǒng)，在978 m水平最遠(yuǎn)處Ⅲ盤區(qū)充填時，在充填料漿濃度為79%的條件下，充填料漿流量達(dá)161.62 m3/h，而實際生產(chǎn)過程中，料漿制備輸送能力為100 m3/h左右，如2010年7月31日13:00，二期充填站2#自流系統(tǒng)儀表各顯示參數(shù)為：棒磨砂給料量140.15 t/h，水泥給料量42.16 t/h，供水量29.18 t/h，攪拌桶液位1.5 m，料漿濃度78.28%。根據(jù)上述儀表顯示值反算可得出充填料漿流量為105.75 m3/h，棒磨砂含水率11.96%，實際灰砂比為1:2.93。

實際生產(chǎn)中料漿流量為105.75 m3/h，遠(yuǎn)小于理論分析計算的161.62 m3/h，但充填系統(tǒng)仍平穩(wěn)運(yùn)行并順利輸送的原因為：攪拌桶底流閥的節(jié)流作用、增阻圈的增阻作用及井下彎管、變徑管的局部阻力增大了料漿的輸送阻力。輸送阻力的增大，使料漿流速降低、流量減小，在充填料漿流量為100 m3/h左右亦能實現(xiàn)滿管流順利輸送。

攪拌桶底流閥的節(jié)流增阻作用如前所述，充填系統(tǒng)運(yùn)行過程中，底流閥開度根據(jù)攪拌桶液位高度而定，其開度一般為35%～45%，相應(yīng)的其過流面積為閥全開面積的35%～45%。由于過流面積突然縮小，充填料漿在該處流向突然發(fā)生變化，流速提高2.22～2.86倍。在充填料漿流量100 m3/h時，通徑為110 mm的管道其料漿流速為2.924 m/s，而通過該閥時流速達(dá)到6.49～8.36 m/s，其節(jié)流作用十分突出，從而產(chǎn)生很大的局部阻力。

增阻圈為多個通徑為110 mm的90°彎管及短直管組成的半圓形或圓形管道，布置于鉆孔底部或水平管道中。充填料漿通過彎管時，流向急劇變化，從而產(chǎn)生較大的局部阻力，多個彎頭的組合作用，產(chǎn)生很大的局部阻力，同樣使料漿流速降低、流量減小。

2 增阻圈的管道壓力分布

增阻圈的結(jié)構(gòu)較為簡單，其材質(zhì)與水平管相同，通徑同為110 mm，充填料漿流經(jīng)增阻圈時，其流速不變，從而使其磨損較節(jié)流閥大為降低。

增阻圈的布置形式有多種，如駝背式、折返式、螺旋式等。金川公司一般采用為折返式及螺旋式，折返式增阻圈布置于1600 m水平A2鉆孔組的上部，其實際布置情況見圖1。螺旋式布置于1100 m中段鉆孔底部，如圖2。

增阻圈由8個(2圈)或12個(3圈)半徑為1 m、角度為90°的等直徑Φ133 mm×11.5 mm剛玉復(fù)合耐磨管組成。根據(jù)國內(nèi)外生產(chǎn)實際經(jīng)驗，每一個90°彎管折合水平管當(dāng)量長度為15 m，即相當(dāng)于水平管道各增長了120 m或180 m。當(dāng)充填料漿濃度為79%、不考慮攪拌桶底閥節(jié)流作用且為自平衡輸送時，管道輸送參數(shù)及壓力計算結(jié)果見圖3。

圖1 1600 mA2鉆孔組上部增阻圈管道

由圖3可知，增阻圈相當(dāng)于加長了水平管道長度，從而增加了輸送阻力，降低了充填料漿流量。在不考慮攪拌桶底流閥的節(jié)流作用時，實現(xiàn)自平衡輸送的流量由161.62 m3/h降低至133.43 m3/h，流速由4.724 m/s降至3.902 m/s。由于流速降低，輸送阻力值由5.043 kPa/m降至4.21 kPa/m，而各分段鉆孔底部壓力變化不大。

圖2 1100 m鉆孔底部增阻圈管道

圖3 加設(shè)增阻圈后的輸送參數(shù)及管道壓力(79%濃度)

實際生產(chǎn)過程中，增阻圈的增阻作用還可減弱攪拌桶底閥的節(jié)流作用，底閥開度可進(jìn)一步加大，磨損將更小，從而有利于實現(xiàn)平穩(wěn)的滿管流輸送。

3 增阻圈布置原則

增阻圈只能布置于自流輸送系統(tǒng)且充填倍線較小的情況下。設(shè)置增阻圈的目的是增大充填料漿的水平輸送阻力，降低料漿流速，在實現(xiàn)滿管流的條件下使充填料漿流量處于合理范圍。當(dāng)采用泵送充填或充填倍線較大時，增阻圈將增大泵送阻力或?qū)е鲁涮盍蠞{流量不能滿足生產(chǎn)要求，所以不能采用。

增阻圈是否設(shè)置與設(shè)置圈數(shù)取決于充填料漿濃度。盡量提高充填料漿濃度是充填技術(shù)發(fā)展的目標(biāo)。當(dāng)充填系統(tǒng)能制備出呈膏體或結(jié)構(gòu)流漿體的條件下，自流輸送系統(tǒng)應(yīng)盡量利用其自重壓頭以克服水平管道阻力。只有在充填料漿自重壓頭過大、水平管道長度過小從而出現(xiàn)高度較大的自由下落段時，才有必要設(shè)置增阻圈，增阻圈的圈數(shù)亦需通過理論分析計算及生產(chǎn)實踐而調(diào)整優(yōu)化。

增阻圈應(yīng)設(shè)置于水平管道較短的中段水平并盡量靠近豎管。充填管道階梯型布置時，階梯越平緩，管道壓力分布越均勻；分段越多，壓力越小。若某一階梯豎管段過高且水平段較小時，則豎管段底部壓力較大，這時一方面應(yīng)降低豎管段高度，另一方面則應(yīng)在水平管段加設(shè)增阻圈，使階梯變緩，從而降低豎管段底部壓力。增阻圈應(yīng)盡量靠近豎管底部，以減少壓力較高的水平管長度。

增阻圈布置后應(yīng)使當(dāng)量管網(wǎng)布置圖處于充填料漿入口至出口的折線下。當(dāng)未設(shè)置增阻圈時，由于豎管段高度過大、充填倍線較小，豎管段易出現(xiàn)空管，空管段料漿自由下落時流速過高從而使豎管磨損過快，這時需在水平管段設(shè)置增阻圈。合理的增阻圈布置如圖4，根據(jù)各水平管道長度設(shè)置不同圈數(shù)的增阻圈，從而使分段階梯充填倍線近似相等，同時使各當(dāng)量充填管網(wǎng)布置于料漿入口A與出口G′的連線之下，這時不但可實現(xiàn)全程管道的滿管流，使全程管道壓力分布均勻，同時各分段豎管底部壓力亦近似相等。不合理的增阻圈布置如圖5，在某一水平(BC″)布置多圈增阻圈，從而使BC″當(dāng)量水平管道長度過大，B點出現(xiàn)較高壓力，而在DE″水平段不設(shè)增阻圈，從而使C″D豎管段可能出現(xiàn)空管段，并于C″點處出現(xiàn)負(fù)壓。

圖4 合理的增阻圈布置形式

圖5 不合理的增阻圈布置形式

4 結(jié) 論

增阻圈的布置形式有多種，如駝背式、折返式、螺旋式等。實際生產(chǎn)過程中，增阻圈的增阻作用還可減弱攪拌桶底閥的節(jié)流作用，底閥開度可進(jìn)一步加大，磨損將更小，從而有利于實現(xiàn)平穩(wěn)的滿管流輸送。增阻圈只能布置于自流輸送系統(tǒng)且充填倍線較小的情況下，增阻圈是否設(shè)置與設(shè)置圈數(shù)取決于充填料漿濃度，增阻圈應(yīng)設(shè)置于水平管道較短的中段水平并盡量靠近豎管。

[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(yīng)用[J].北京科技大學(xué)學(xué)報,2013,35(9):1113:1118.

[3] 周愛民,等.礦山充填技術(shù)的發(fā)展及其新概念[C]//第四屆全國充填采礦會議論文集.長沙:中國有色金屬學(xué)會采礦學(xué)術(shù)委員會,1999.

[4] 李向東,鄭伯坤,等.深部充填管道減壓增阻技術(shù)研究 [R].長沙:長沙礦山研究院有限責(zé)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] 劉同有,等.充填采礦技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2001.

[7] 牟宏偉,呂文生,楊 鵬.螺旋管在小倍線充填中的應(yīng)用及充填倍線公式修正[J].工程科學(xué)學(xué)報,2016,38(8):1069?1074.

[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(qiáng),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(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2012,37(4):837?843.

鎳鈷資源綜合利用國家重點實驗室資助項目(金科礦2017-01).

(2018?08?07)

岳 斌(1964—)，男，甘肅隴西人，教授級高工，現(xiàn)從事采礦技術(shù)研究工作，Email：646127125@qq.com。