武山銅礦全尾膏體充填管路布網(wǎng)優(yōu)化研究

熊偉毅

（江西銅業(yè)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(kāi)采礦山，始建于1966年，幾經(jīng)改造，于2009年擴(kuò)產(chǎn)達(dá)到5000 t/d的采選規(guī)模，目前武山銅礦北礦帶采用下向水平分層進(jìn)路式膠結(jié)充填采礦法，南礦帶為下向水平分層進(jìn)路式膠結(jié)（水砂）充填采礦法。

全尾膏體充填是武山銅礦實(shí)現(xiàn)三期擴(kuò)建工程10000t/d生產(chǎn)規(guī)模的前置性關(guān)鍵工作。2019年武山銅礦開(kāi)始進(jìn)行全尾膏體充填試驗(yàn)。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(shè)的方式，在礦山充填過(guò)程中，無(wú)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(guò)程中極易發(fā)生堵管，堵管現(xiàn)象的發(fā)生是多種原因?qū)е碌摹Ｆ涑梢蛩婕暗降暮芏?，涉及到充填材料的?jí)配、濃度、充填倍線、管路特性等因素，優(yōu)化充填管路布網(wǎng)，能夠大幅降低充填過(guò)程中堵管現(xiàn)象的發(fā)生。

1 武山銅礦全尾膏體充填管網(wǎng)布設(shè)研究

在全尾充填管網(wǎng)的設(shè)計(jì)中，輸送管徑的設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)型流體堵管最大的因素。模擬試驗(yàn)方法：膏體流變性質(zhì)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(chǎng)耦合數(shù)值模擬軟件COMSOMultiphysics來(lái)模擬。該軟件具有強(qiáng)大的非線性計(jì)算能力，可模擬非牛頓流體的流態(tài)行為及其與管壁的相互作用規(guī)律。

1.1 模擬試驗(yàn)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(qū)有彎曲。本次階段主要是模擬-320m的中段充填管道水平區(qū)間的壓力分布狀態(tài)。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(shù)值模擬計(jì)算工況

圖1 運(yùn)行泵壓入口壓力數(shù)值分析

圖2 泵送沿程模擬數(shù)值分析

圖3 泵壓管道徑壓力分布情況

運(yùn)行泵壓采用1MPa與8MPa兩種運(yùn)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(jié)論：

（1）最大壓力點(diǎn)位置：最大壓力點(diǎn)位于豎直與水平交接點(diǎn)處，泵送壓力在1MPa和8MPa時(shí)，對(duì)應(yīng)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(guān)。泵送壓力越大，管道全程壓力也越大，充填管路系統(tǒng)發(fā)生爆管的可能性越大。在軟硬管交接處，8寸（鋼）管變?yōu)?寸（軟管）交接處，出現(xiàn)局部壓力陡增的現(xiàn)象，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)安裝漸變管過(guò)度。

（3）水平管長(zhǎng)度對(duì)壓力分布影響：水平管道的長(zhǎng)度不但影響轉(zhuǎn)彎點(diǎn)的壓力值同時(shí)也對(duì)控制著管道出口的壓力分布。水平段越長(zhǎng)，轉(zhuǎn)彎點(diǎn)壓力越大，出口壓力卻偏小。

1.2 模擬試驗(yàn)二

模擬工況。

1.2.1 最不利的采場(chǎng)選擇

圖5 不同壓力下管徑尺寸

圖6 不同區(qū)域中的管徑壓力

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

1.2.2 數(shù)值模擬計(jì)算工況

運(yùn)行泵壓采用12MPa與15MPa兩種運(yùn)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(guān)系

結(jié)論：

（1）軟管變管徑，在泵送壓力分別為12MPa和15MPa時(shí)，軟管處壓力分別為2.8MPa和3.3MPa，均大于軟管的極限抗壓強(qiáng)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(zhǎng)，管道壓力＜4MPa的分布范圍越大。在北區(qū)西七路線最長(zhǎng)的工況下，＞4MPa的管道壓力分布區(qū)域占全管道的70%～75%。輸送管道法蘭盤(pán)最大抗壓強(qiáng)度及時(shí)更換豎直管與水平管交接點(diǎn)處的法蘭盤(pán)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(qiáng)度為15MPa），替換高壓力分布的法拉盤(pán)。

2 管網(wǎng)布設(shè)優(yōu)化

（1）在管路轉(zhuǎn)彎部位，要采用大曲率半徑彎管，避免直角過(guò)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(guò)渡，盡可能采取措施使之過(guò)渡平滑并實(shí)施可靠的密封，防止結(jié)合部泄漏，采用與管道等徑的直通型控制閥和監(jiān)測(cè)儀表，避免形成淤積死角。

（2）管網(wǎng)布設(shè)時(shí)避免出現(xiàn)“盲腸”結(jié)構(gòu)。在充填管網(wǎng)改變方向輸送的預(yù)留接口部位，采用普通三通結(jié)構(gòu)并加設(shè)盲板法蘭，就形成了所謂“盲腸”結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)三通管的“盲腸”結(jié)構(gòu)會(huì)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(wǎng)布設(shè)時(shí)避免出現(xiàn)管路爬坡現(xiàn)象。為便于料漿下行流動(dòng)，

管網(wǎng)的設(shè)計(jì)和安裝過(guò)程中，應(yīng)盡量避免出現(xiàn)爬坡段的出現(xiàn)，最好形成有-2‰～-3‰的坡度。

3 結(jié)束語(yǔ)

充填堵管現(xiàn)象的發(fā)生是一個(gè)系統(tǒng)性事故，在礦山充填工程實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，輸送物料級(jí)配不穩(wěn)定、濃度較低、流量變化造成的流速變化、管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)和安裝不當(dāng)、故障停機(jī)等多方面的原因都會(huì)造成充填料漿在管道中的離析而發(fā)生堵管事故。

因此，堵管事故的預(yù)防除了要從設(shè)備、工藝設(shè)計(jì)等諸方面實(shí)施有效的控制外，優(yōu)化充填管網(wǎng)的布設(shè)有利于大幅降低充填過(guò)程中堵管現(xiàn)象的發(fā)生。