超高分子量聚乙烯管在大尹格莊金礦充填管網(wǎng)優(yōu)化中的應(yīng)用

姜 磊，張君鵬

(招金礦業(yè)股份有限公司大尹格莊金礦)

引 言

大尹格莊金礦是招金礦業(yè)股份有限公司的重點(diǎn)骨干礦山，于1987年開始建設(shè)，1989年投產(chǎn)。采用盤區(qū)機(jī)械化上向水平分層充填采礦法開采，目前綜合采選能力達(dá)到5 000 t/d。該礦山建有自流輸送的尾砂膠結(jié)充填系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)膠結(jié)和非膠結(jié)充填。充填系統(tǒng)設(shè)置2條充填鉆孔，由地表至-380 m水平，用于-380 m以下生產(chǎn)中段的充填，鉆孔內(nèi)敷設(shè)D168陶瓷復(fù)合管。

充填管路沿充填鉆孔敷設(shè)至井下，由中段充填巷通過分段充填井或采場回風(fēng)充填天井的充填管進(jìn)入采場。該礦山充填系統(tǒng)制備充填料漿輸送能力為120～140 m3/h，制備充填料漿濃度60 %～70 %。充填管網(wǎng)使用規(guī)格φ133 mm×10 mm、每根長度3 m、質(zhì)量124 kg/根、法蘭連接的陶瓷復(fù)合管。該陶瓷復(fù)合管在永久管路和備用管路中使用量長達(dá)8 000余m。在使用過程中，該陶瓷復(fù)合管存在質(zhì)量大，法蘭連接密封繁瑣，法蘭口掛瓷質(zhì)量參差不齊等缺點(diǎn)。在管路運(yùn)輸架設(shè)、巡查檢修方面無法滿足現(xiàn)有充填作業(yè)強(qiáng)度需求；而在充填管路磨損方面以陶瓷復(fù)合管法蘭口掛瓷質(zhì)量問題尤為突出。因此，亟需對(duì)現(xiàn)有充填管進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，以實(shí)現(xiàn)安全高效的充填作業(yè)。

1 超高分子量聚乙烯管應(yīng)用可行性分析

作為一個(gè)平穩(wěn)的自流輸送管路運(yùn)行充填系統(tǒng)，放料口和出料口管壓力必須為零，初始放料中，先以小濃度連續(xù)滿管輸送料漿進(jìn)行引流，料漿通過最大充填倍線區(qū)段后，逐漸增加充填料漿濃度至最佳充填濃度，但料漿進(jìn)入充填倍線較小的下行管路中時(shí)，由于料漿運(yùn)行速度加快，在充填倍線變化段必然出現(xiàn)負(fù)壓。負(fù)壓產(chǎn)生后，一方面使上段管路料漿增加一個(gè)前行拖拽力，運(yùn)行速度加快；另一方面使下段管路料漿增加一個(gè)前行阻力，從而降低運(yùn)行速度，最終形成前后段料漿運(yùn)行速度相同且出口壓力為零的能量守恒狀態(tài)，達(dá)到平穩(wěn)的管路運(yùn)行狀態(tài)。因此，充填管材需要具有耐磨損、耐高壓、抗沖擊、安裝便捷的特點(diǎn)。常用充填管材對(duì)比見表1。

表1 常用充填管材對(duì)比

由表1可知，超高分子量聚乙烯管具有耐磨損、抗沖擊、耐高壓且有自潤滑的特點(diǎn)，因此在充填管道輸送中得到了廣泛的應(yīng)用。其相對(duì)陶瓷復(fù)合管的優(yōu)勢(shì)明顯：

1)超高分子量聚乙烯管可依靠自身彎曲度和輕擺減輕內(nèi)部壓力波動(dòng)影響，陶瓷復(fù)合管需要加裝緩沖箱體來解決此類影響。

2)因陶瓷復(fù)合管不同生產(chǎn)批次加工公差不同，每批次均要預(yù)留10余根用于檢修更換，造成不必要的材料積壓；當(dāng)需要更換生產(chǎn)批次不同陶瓷復(fù)合管時(shí)，工人需要帶多種不同厚度法蘭密封墊。超高分子量聚乙烯管法蘭自帶壓水密封線圈，降低管路的維護(hù)難度和工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，也間接提高了充填事故應(yīng)變處置能力。

3)在管壁許用厚度的前提下，超高分子量聚乙烯管可以回收二次加工成<6 m的管路；陶瓷復(fù)合管在回收二次加工時(shí)出現(xiàn)局部受熱不均、耐磨瓷與鋼管離層或脫落現(xiàn)象，進(jìn)而影響管材使用壽命。

綜上所述，大尹格莊金礦選擇采用超高分子量聚乙烯管進(jìn)行充填管網(wǎng)改造。

2 分級(jí)尾砂物理性質(zhì)

尾砂的粒級(jí)組成對(duì)于充填料漿的性質(zhì)有著重要影響，尾砂粒級(jí)組成測量可為設(shè)計(jì)確定充填工藝要求的充填料漿濃度、配比等提供參考。試樣用分級(jí)尾砂取自選礦廠旋流器的底流，經(jīng)沉淀—脫水—烘干—磨勻后稱量；通過水篩法測試分級(jí)尾砂粒級(jí)組成，結(jié)果見表2。

表2 分級(jí)尾砂粒徑

分級(jí)尾砂的中值粒徑d50=139.94 μm，說明分級(jí)尾砂-139.94 μm的顆粒約占50 %，屬于粗粒級(jí)尾砂。

分級(jí)尾砂的容重和密度，影響充填料漿水力輸送系統(tǒng)的可靠性。因此,在室內(nèi)測定分級(jí)尾砂的密度和容重，結(jié)果見表3。

表3 分級(jí)尾砂物理性能

由粒級(jí)測試結(jié)果可知，該礦分級(jí)尾砂屬于粗粒級(jí)尾砂，尾砂中粗顆粒含量較高，能夠快速產(chǎn)生沉淀離析。

分級(jí)尾砂3種濃度料漿自由沉降曲線見圖1。由圖1可知：分級(jí)尾砂的自然沉降以粗顆粒的沉淀離析為主[1]。在分級(jí)尾砂沉降過程中，3種不同濃度的料漿在前720 s沉降速度較快，720 s后沉降速度趨于平緩，960 s后澄清層的變化不大，沉降基本結(jié)束。最終3種不同濃度的分級(jí)尾砂料漿最大自由沉降濃度依次為54.1 %、66.9 %、84.9 %。尾砂沉降速度越大，尾砂顆粒就越難懸浮，也就越難水力輸送[2]。在實(shí)際輸送過程中，分級(jí)尾砂之間、尾砂與管壁之間難免會(huì)發(fā)生機(jī)械碰撞與摩擦，產(chǎn)生摩擦阻力。

圖1 分級(jí)尾砂3種濃度料漿自由沉降曲線

3 充填管網(wǎng)選型計(jì)算

3.1 水力坡度計(jì)算

在某一壓力作用下，料漿在管路中流動(dòng)必須克服與管壁產(chǎn)生的摩擦阻力和產(chǎn)生湍流的層間阻力，這些統(tǒng)稱為摩擦阻力損失，又叫水力坡度。它是反映管徑、流速、濃度等相互關(guān)系的基本公式，是選擇降壓措施及滿管輸送措施、耐磨管型的關(guān)鍵參數(shù)。在眾多水力坡度計(jì)算公式中，金川非均質(zhì)料漿的水力坡度計(jì)算公式的計(jì)算結(jié)果誤差最小。結(jié)合目前大尹格莊金礦分級(jí)尾砂的實(shí)際情況，選擇非均質(zhì)料漿的水力坡度計(jì)算公式：

(1)

式中：ic為水平直管單位長度料漿水力坡度(Pa/m)；i0為水平直管單位長度清水水力坡度(Pa/m)；Cv為料漿體積濃度(%)；g為重力加速度(m/s2);D為管徑(m)；ρm為固體物料密度(kg/m3)；v為料漿流速(m/s);Cx為顆粒沉降阻力系數(shù)。

根據(jù)金川公式，選用大尹格莊金礦常用充填濃度65 %、68 %、70 %和充填流量分別進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表4。

表4 非均質(zhì)料漿水力坡度 Pa/m

由表4數(shù)據(jù)分析可知，水力坡度與料漿濃度和流速呈正比關(guān)系。相同濃度下，高流速阻力損失明顯高于低流速阻力損失；同樣，相同速度下，高濃度料漿阻力損失明顯大于低濃度阻力損失。

3.2 充填管路壓力計(jì)算

伯努利方程是決定管路內(nèi)料漿流動(dòng)過程中動(dòng)能、壓力能和位能3種能量間相互關(guān)系的重要公式[3]。根據(jù)能量守恒定律，假定管路內(nèi)充填料漿為穩(wěn)定流，考慮單位質(zhì)量料漿通過充填管路斷面1和斷面2時(shí)的能量守恒，按照穩(wěn)定流動(dòng)的均質(zhì)流體導(dǎo)出的伯努利方程為：

(2)

式中：Z1、Z2分別為充填管路斷面1和斷面2處于相對(duì)于充填管網(wǎng)基準(zhǔn)面的高度(m)，反映的是位能；p1、p2分別為充填管路斷面1和斷面2處作用于充填料漿的壓力(Pa)；v1、v2分別為充填管路斷面1和斷面2的流速(m/s)；h1-2為從充填管路斷面1到斷面2的壓頭損失當(dāng)量高度(m)。

自流充填時(shí)管路壓力的基準(zhǔn)面為零(即Z2=0)，充填站放料口的壓力為零(即p1=0)，為便于計(jì)算,設(shè)放料口管徑與考察管路壓力的管徑相同，則有v1=v2，得：

p2=(Z1-h1-2)ρmg

(3)

(4)

參考式(4),由式(3)得到計(jì)算公式：

(5)

根據(jù)公式計(jì)算得到的1號(hào)礦體和2號(hào)礦體的充填管網(wǎng)壓力分布見表5和表6。由表5、表6可知：充填管網(wǎng)管路壓力分布不是均勻的，管路內(nèi)壓力分布特點(diǎn)是兩端較小、中間大，特別是在充填井內(nèi)垂直或傾斜管路的底部轉(zhuǎn)水平段的壓力較高。充填管路中出現(xiàn)負(fù)壓現(xiàn)象，這主要是由于管路觀測點(diǎn)的充填倍線大于充填管路末端的充填倍線，屬于充填管路布置不合理造成的[4]。管路內(nèi)負(fù)壓的產(chǎn)生給充填管理和保持料漿濃度的穩(wěn)定性造成較大困難。由于充填料漿的兩相流特性，料漿中的尾砂顆粒在沉降作用下，在負(fù)壓區(qū)出現(xiàn)砂水分離，尾砂移動(dòng)速度減慢或滯留于管底會(huì)加速管路的磨損。當(dāng)負(fù)壓區(qū)段足夠長時(shí)，尾砂沉積量愈來愈大，在管路中形成淤堵，導(dǎo)致堵管或爆管[5]。

表5 1號(hào)礦體充填管網(wǎng)壓力分布

表6 2號(hào)礦體充填管網(wǎng)壓力分布

3.3 管路磨損

在深井充填中，管路壓力大、料漿流速快，依據(jù)南非等國家對(duì)磨損量正比于速度幾次方的看法，管路的磨損率(Pm)與料漿流速(v)之間的關(guān)系見式(6)。料漿對(duì)水平管路的磨損主要與充填料漿中骨料的剛度及粒度和輸送濃度等成正比，與管路的材質(zhì)和厚度、管路的管徑、料漿對(duì)管路管壁的壓力及管路的敷設(shè)狀況有關(guān)[6]。綜合各方面對(duì)管路磨損的影響因素，水平管路的磨損率(Pm)表達(dá)公式為：

Pm=kjvn

(6)

(7)

式中:Pm為水平管路的磨損率(%)；kj為料漿對(duì)管路的磨損系數(shù)；v為料漿流速(m/s)；A為試驗(yàn)綜合系數(shù)；μ為料漿與管壁摩擦阻力系數(shù)；p為料漿與管壁的壓力(Pa)；n為磨損試驗(yàn)次數(shù)；kd為管路自身因素對(duì)磨損率的影響系數(shù)。

根據(jù)式(7)，在相同流速下，管路的磨損速度隨料漿對(duì)管路壓力的增大而增加,即成正比。由表4可知：在相同流速下，料漿的水力坡度隨料漿濃度增大而增加，也成正比。只有采用減壓輸送、耐磨損性能的管材或內(nèi)襯，才可以達(dá)到降低管道磨損的目的[7-8]。

根據(jù)上述計(jì)算，經(jīng)市場考察，大尹格莊金礦可以定制規(guī)格為φ133 mm×10 mm的超高分子量聚乙烯管，承壓1.6 MPa，質(zhì)量3.75 kg/m，法蘭自帶壓水密封線圈與管體一體成型，管體兩端帶活法蘭盤，標(biāo)準(zhǔn)長度6 m，也可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求定制不同長度。

4 實(shí)踐應(yīng)用

考慮在滿足管路許用厚度和管路壓力的前提下，根據(jù)充填管網(wǎng)壓力分布不均的特點(diǎn)，大尹格莊金礦在充填管網(wǎng)中最大充填倍線區(qū)段的下行管路局部水平巷和末端立管管路壓力小于±1.6 MPa等多處使用該超高分子量聚乙烯管，累計(jì)長度約1 200 m(見表7)。

表7 超高分子量聚乙烯管充填管網(wǎng)在永久管路中的應(yīng)用

實(shí)際應(yīng)用中部分礦體的兩翼采場會(huì)通過分段充填井，使用超高分子量聚乙烯管經(jīng)過采場通風(fēng)聯(lián)道跨分段上山充填垂高13 m采場采空區(qū)時(shí)，也能保持濃度68 %的正常輸送。該超高分子量聚乙烯管在分段巷充填管路跨道底過門中代替陶瓷復(fù)合管，現(xiàn)場無需開挖地溝、配置管路彎頭，只需在管路周邊墊壓毛石防護(hù)后便可通行20 t左右鏟運(yùn)機(jī)和鑿巖臺(tái)車等輪式設(shè)備；也可以改為巷道高過門，簡易綁固在巷道頂板錨桿上即可。

此外，標(biāo)準(zhǔn)長度6 m的超高分子量聚乙烯管成本穩(wěn)定在720元/根；標(biāo)準(zhǔn)長度3 m的陶瓷復(fù)合管價(jià)格隨鋼材價(jià)格浮動(dòng)變化較大，采購價(jià)為690～940元/根。由表7可知：1 188 m永久管路使用超高分子量聚乙烯管的成本為142 560元，標(biāo)準(zhǔn)長度3 m 陶瓷復(fù)合管最低采購價(jià)為273 240元。因此，采用超高分子量聚乙烯管可以有效降低充填管網(wǎng)的建設(shè)成本。

5 結(jié) 論

1)超高分子量聚乙烯管具有耐高壓、質(zhì)量輕、價(jià)格低廉、架設(shè)快捷方便的特點(diǎn)，得到大量應(yīng)用。其相對(duì)陶瓷復(fù)合管的優(yōu)勢(shì)明顯，節(jié)約成本。

2)超高分子量聚乙烯管法蘭自帶壓水密封線圈與管體一體成型，管體兩端帶活法蘭盤，標(biāo)準(zhǔn)長度6 m，也可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求定制不同長度。

3)超高分子量聚乙烯管在分段巷充填管路跨道底過門中代替陶瓷復(fù)合管，現(xiàn)場無需開挖地溝、配置管路彎頭，只需在管路周邊墊壓毛石防護(hù)后便可通行20 t左右鏟運(yùn)機(jī)和鑿巖臺(tái)車等輪式設(shè)備。