武山銅礦全尾膏體充填管路布網優化研究

熊偉毅

（江西銅業股份有限公司武山銅礦，江西 九江 332000）

武山銅礦是一座地下開采礦山，始建于1966年，幾經改造，于2009年擴產達到5000 t/d的采選規模，目前武山銅礦北礦帶采用下向水平分層進路式膠結充填采礦法，南礦帶為下向水平分層進路式膠結（水砂）充填采礦法。

全尾膏體充填是武山銅礦實現三期擴建工程10000t/d生產規模的前置性關鍵工作。2019年武山銅礦開始進行全尾膏體充填試驗。目前武山銅礦已新建一座全尾膏體充填站，采用集中布置建設的方式，在礦山充填過程中，無論大倍線的泵壓充填還是低倍線的自流充填，由于礦漿濃度高，輸送過程中極易發生堵管，堵管現象的發生是多種原因導致的。其成因所涉及到的很多，涉及到充填材料的級配、濃度、充填倍線、管路特性等因素，優化充填管路布網，能夠大幅降低充填過程中堵管現象的發生。

1 武山銅礦全尾膏體充填管網布設研究

在全尾充填管網的設計中，輸送管徑的設計和選擇很大程度上決定了充填料漿的流阻大小，而流道的異變所形成的阻力是造成充填膏體這種結構型流體堵管最大的因素。模擬試驗方法：膏體流變性質屬于典型的非牛頓流體。本次模擬采用成熟的大型通用多物理場耦合數值模擬軟件COMSOMultiphysics來模擬。該軟件具有強大的非線性計算能力，可模擬非牛頓流體的流態行為及其與管壁的相互作用規律。

1.1 模擬試驗一

模擬工況。

1.1.1 充填管全局尺寸

主管道與軟管道局部地區有彎曲。本次階段主要是模擬-320m的中段充填管道水平區間的壓力分布狀態。模擬管道鉛錘尺寸為380m（豎直管320m+充填站高程60m）。水平管尺寸為1284m（鋼管1184m+100m軟管）。

1.1.2 數值模擬計算工況

圖1 運行泵壓入口壓力數值分析

圖2 泵送沿程模擬數值分析

圖3 泵壓管道徑壓力分布情況

運行泵壓采用1MPa與8MPa兩種運行方案；充填軟管選用變徑管（6寸）和非變徑管（8寸），兩種方案；充填流量為150m3/h。泵送沿程模擬了1644m與1100m兩種工況。

圖4 泵壓變管徑與不變管徑壓力分布情況

結論：

（1）最大壓力點位置：最大壓力點位于豎直與水平交接點處，泵送壓力在1MPa和8MPa時，對應的最大壓力分別為6.81MPa和12MPa。

（2）泵送壓力與軟管變徑影響：管道全程壓力與泵送壓力緊密相關。泵送壓力越大，管道全程壓力也越大，充填管路系統發生爆管的可能性越大。在軟硬管交接處，8寸（鋼）管變為6寸（軟管）交接處，出現局部壓力陡增的現象，現場應安裝漸變管過度。

（3）水平管長度對壓力分布影響：水平管道的長度不但影響轉彎點的壓力值同時也對控制著管道出口的壓力分布。水平段越長，轉彎點壓力越大，出口壓力卻偏小。

1.2 模擬試驗二

模擬工況。

1.2.1 最不利的采場選擇

圖5 不同壓力下管徑尺寸

圖6 不同區域中的管徑壓力

最不利采場選擇了路線最長（北區西七采場，路線2448+100m）和倍線最大（南區北五采場，倍線6.32）兩種工況。

1.2.2 數值模擬計算工況

運行泵壓采用12MPa與15MPa兩種運行方案；充填流量為150m3/h。軟管均選用變徑管（6寸）。

模擬工況。

確定兩種最為極端的工況條件下，管道壓力＜4MPa的管道壓力分布范圍。

圖7 管道壓力與泵壓關系

結論：

（1）軟管變管徑，在泵送壓力分別為12MPa和15MPa時，軟管處壓力分別為2.8MPa和3.3MPa，均大于軟管的極限抗壓強度2MPa。因此，在硬軟管交接處不宜采用變管徑措施。

（2）同等泵送壓力條件下（12MPa），水平管道越長，管道壓力＜4MPa的分布范圍越大。在北區西七路線最長的工況下，＞4MPa的管道壓力分布區域占全管道的70%～75%。輸送管道法蘭盤最大抗壓強度及時更換豎直管與水平管交接點處的法蘭盤為4MPa，因此，泵送壓力不宜采用高壓力值泵送。此外，采取快速接頭的形式（極限抗壓強度為15MPa），替換高壓力分布的法拉盤。

2 管網布設優化

（1）在管路轉彎部位，要采用大曲率半徑彎管，避免直角過渡，管道接頭部要避免管道通徑異變突兀，采用小錐角變徑管并圓滑過渡，盡可能采取措施使之過渡平滑并實施可靠的密封，防止結合部泄漏，采用與管道等徑的直通型控制閥和監測儀表，避免形成淤積死角。

（2）管網布設時避免出現“盲腸”結構。在充填管網改變方向輸送的預留接口部位，采用普通三通結構并加設盲板法蘭，就形成了所謂“盲腸”結構，出現三通管的“盲腸”結構會造成料漿的渦旋、淤積和固化，是造成堵管的重要影響因素。

（3）管網布設時避免出現管路爬坡現象。為便于料漿下行流動，

管網的設計和安裝過程中，應盡量避免出現爬坡段的出現，最好形成有-2‰～-3‰的坡度。

3 結束語

充填堵管現象的發生是一個系統性事故，在礦山充填工程實際運行過程中，輸送物料級配不穩定、濃度較低、流量變化造成的流速變化、管路系統設計和安裝不當、故障停機等多方面的原因都會造成充填料漿在管道中的離析而發生堵管事故。

因此，堵管事故的預防除了要從設備、工藝設計等諸方面實施有效的控制外，優化充填管網的布設有利于大幅降低充填過程中堵管現象的發生。