膏體充填料漿管道自流輸送分析及管線布置

李守強(qiáng)，郭利杰，鄭 旭，楊 超

(1.新疆喀拉通克礦業(yè)有限責(zé)任公司，新疆 阿勒泰 836107；2.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 102628；3.國家金屬礦綠色開采國際聯(lián)合研究中心，北京 102628)

膏體充填具有采場不脫水、料漿不沉淀離析、充填強(qiáng)度高且水泥用量少等優(yōu)點(diǎn)，已成為充填發(fā)展的主要方向[1]。同時(shí)由于膏體充填料漿濃度高，在管道輸送中阻力大，一般難以采用自流輸送，需采用泵送的方式進(jìn)行輸送[2]。喀拉通克礦業(yè)有限責(zé)任公司長期采用井下混凝土泵泵送充填料漿，該方法充填效率低、設(shè)備維護(hù)費(fèi)用高、充填成本高。自流充填具有充填效率高、工藝流程簡單、設(shè)備配置少、充填成本低的優(yōu)勢。因此，為了實(shí)現(xiàn)降本增效的目的，喀拉通克礦業(yè)有限責(zé)任公司開展了膏體充填料漿自流充填試驗(yàn)研究工作。

1 充填工藝及參數(shù)

1.1 充填工藝

礦山采用細(xì)尾砂、冶煉渣及少量戈壁料作為充填骨料，膠凝材料采用P.O42.5水泥，充填用水為工業(yè)用水。尾砂通過渣漿泵輸送至充填站深錐濃密機(jī)，溢流清水通過渣漿泵再次輸送回選廠濃密池，深錐濃密機(jī)底流輸送至立式砂倉進(jìn)行存儲，待充填時(shí)通過立式砂倉放砂系統(tǒng)輸送至攪拌系統(tǒng)；水泥通過水泥倉存儲，采用微粉秤計(jì)量并輸送至攪拌系統(tǒng)；調(diào)濃水采用流量計(jì)與電動閥門調(diào)節(jié)，冶煉渣及戈壁料采用皮帶電子秤計(jì)量，通過皮帶輸送至攪拌系統(tǒng)。最終尾砂、冶煉渣、戈壁料、水泥和水通過兩段臥式攪拌系統(tǒng)共同攪拌制備膏體料漿，制備完成的均質(zhì)膏體料漿通過溜槽分別進(jìn)行泵送系統(tǒng)或自留系統(tǒng)用于井下采場充填。具體工藝流程如圖1所示。

圖1 充填工藝流程圖

1.2 充填參數(shù)

充填料漿的質(zhì)量濃度、充填灰砂比及充填流量是充填過程中最核心的參數(shù)[3]。其中，膏體充填應(yīng)嚴(yán)格控制充填濃度，膏體充填的充填濃度低易造成充填料漿沉降離析，造成充填強(qiáng)度低、充填體質(zhì)量差等，從而影響回采的安全性；同時(shí)充填濃度也不宜過高，濃度過高其輸送困難，且易造成管道堵管等事故。因此，膏體充填濃度應(yīng)控制在既保障料漿不離析沉降，又具有一定的可輸送性。本文通過料漿流動性試驗(yàn)、泌水率試驗(yàn)等，最終確定充填料漿質(zhì)量濃度在74%～76%之間。料漿流動狀態(tài)如圖2和圖3所示。

圖2 充填料漿質(zhì)量濃度為74%時(shí)的料漿流動狀態(tài)

圖3 充填料漿質(zhì)量濃度76%時(shí)的料漿流動狀態(tài)

充填灰砂比是影響充填體強(qiáng)度的一項(xiàng)重要指標(biāo)[4]，根據(jù)礦山下向進(jìn)路充填采礦的需求，其假底層充填體強(qiáng)度為3.0 MPa，接頂層強(qiáng)度為1.0 MPa，其中假底層高2 m，接頂層高1.5 m。結(jié)合充填強(qiáng)度配比試驗(yàn)結(jié)果，最終確定下向進(jìn)路假底層充填灰砂比為1∶5，接頂層充填灰砂比1∶10。

適宜的充填流量是保障充填料漿管道安全輸送的重要前提，當(dāng)充填管徑一定時(shí)，充填流量越大其管道流速越大，輸送阻力也越大。同時(shí)充填流量越小，其管道流速越小，易引起堵管等事故的發(fā)生[5]。膏體充填料漿適宜的輸送流速為1.4～2.0 m/s，礦山充填所用管道內(nèi)徑為150 mm，設(shè)計(jì)充填流量為90～110 m3/h，因此，所對應(yīng)料漿管道流速應(yīng)在1.42～1.73 m/s之間能夠滿足料漿的輸送要求。

2 膏體充填料漿管道輸送阻力計(jì)算

礦山含有粗骨料的膏體充填料漿屬于塑性結(jié)構(gòu)體，可應(yīng)用賓漢(Bingham)流變模型來研究其流變特性[6]。根據(jù)塑性結(jié)構(gòu)體的流變特征，充填料必須在一定量的外力作用下才開始流動，在充填料開始流動后，管壁切應(yīng)力隨切變速率的增長呈直線增長。

賓漢(Bingham)流變模型的流變方程見式(1)[7]。

(1)

由式(1)可知，在外力作用下，具有塑性黏度系數(shù)的膏體充填料漿，在克服初始切應(yīng)力后開始流動，并且流動后剪應(yīng)力的大小與塑性黏度系數(shù)和流速梯度大小成正比。

膏體充填料漿屬于一種柱塞狀的結(jié)構(gòu)流，可由白金漢(Buckingham)方程求出充填料在管道中的平均流速，見式(2)。

(2)

式中：τw為管壁處切應(yīng)力，Pa；τ0為初始切應(yīng)力，Pa；η為塑性黏度系數(shù)；D為管道內(nèi)徑，m；ν為平均流速，m/s。

由式(2)可得式(3)。

(3)

(4)

整理(4)可得式(5)。

(5)

在工業(yè)試驗(yàn)或工業(yè)應(yīng)用中，一般采用壓力傳感器測量一定長度管道兩端的壓差，即為管流沿程阻力。將管流沿程阻力和管壁單位面積上的流體摩擦阻力聯(lián)系起來，根據(jù)管流靜力學(xué)平衡理論，可得出式(6)。

(6)

式中：l為管道長度，m；ΔP為壓差，Pa。

整理式(6)可得式(7)。

(7)

如果管流沿程阻力(Δp/l)用jm表示，則式(7)可寫成式(8)。

(8)

聯(lián)立式(5)和式(8)，可得式(9)。

(9)

式中：jm為管流沿程阻力，Pa/m；D為輸送管道內(nèi)徑，m；ν為輸送管道中膏體充填料的平均流速，m/s；τ為屈服應(yīng)力，Pa；η為塑性黏度系數(shù)。

礦山膏體充填料漿按照屈服應(yīng)力為90 Pa、黏度系數(shù)為0.4 Pa·S、管徑為0.15 m、流速為1.7 m/s進(jìn)行計(jì)算，依據(jù)式(9)計(jì)算出礦山膏體充填料漿管道輸送沿程阻力損失4 167.11 Pa/m。

3 膏體充填料漿管道自流輸送最大允許倍線

礦山充填時(shí)，應(yīng)該按照最大允許的充填倍線及合理的充填濃度，考慮輸送能力，計(jì)算在一定條件下可能達(dá)到的最大充填倍線，或漿體可能輸送的最遠(yuǎn)距離。在自流輸送中充填管路的幾何充填倍線必須小于最大允許的充填倍線，這樣才可順利進(jìn)行自流輸送[8]。

對于礦山充填管網(wǎng)而言，在自流輸送的條件下，若垂直管道高度為H，水平管道長度為L，則根據(jù)能量守恒原理，可得出式(10)。

(10)

取局部阻力及出口損失之和為管道沿程阻力的15%，則式(10)變?yōu)槭?11)。

γgH=1.15i(H+L)

(11)

則充填管道的最大允許充填倍線計(jì)算公式為式(12)。

Nmax=(H+L)/H=γg/1.15i

(12)

式中：Nmax為最大允許充填倍線；i為沿程阻力損失，kPa/m；γ為料漿密度，t/m3；g為重力加速度，9.8 N/kg。

按照充填料漿質(zhì)量濃度為78%(漿體密度約2.0 t/m3)、沿程阻力損失4 167.11 Pa/m計(jì)算的喀拉通克銅鎳礦最大自流輸送倍線4.09，同時(shí)考慮一定的安全系數(shù)0.85，最終取3.5為礦山膏體料漿自流輸送范圍的確定條件。

4 充填管線布置方案

4.1 系統(tǒng)管路整體布置方案

根據(jù)確定的自流充填區(qū)域充填倍線在3.5內(nèi)，結(jié)合礦山生產(chǎn)實(shí)際進(jìn)行充填管線布置。礦山2#礦體主要開采范圍為西段、27線及東段3個(gè)區(qū)域，其管線路徑主要為三條：①地表充填站-鉆孔-530 m中段西段-采場；②地表充填站-鉆孔-530 m中段27線-440 m中段采場；③地表充填站-鉆孔-530 m東段-405 m中段采場-350 m中段采場。圖4為管線整體布置圖。

圖4 充填管路整體布置方案

4.2 各中段充填管路布置方案

礦山開采中段主要包括530 m中段西段、27線440 m中段、405 m中段、350 m中段。其各中段管線布置見圖5～圖8，分別計(jì)算充填倍線見表1～表4。

表4 350 m中段各采場充填倍線

圖8 350 m中段充填管路整體布置方案

表1 530 m中段西段各采場充填倍線

圖5 530 m中段西段充填管路布置方案

通過對充填各區(qū)域進(jìn)行管道布置，并計(jì)算其充填倍線，結(jié)果表明充填倍線均未超過3.5，滿足自流輸送條件。

圖6 530 m中段東段充填管路布置方案

表2 530 m中段東段主管路各點(diǎn)充填倍線

圖7 447 m分段及410 m中段充填管線布置

表3 447 m分段及410 m中段各采場充填倍線

5 結(jié) 論

1) 通過充填試驗(yàn)確定了制備膏體充填料漿的最佳工藝參數(shù)，其充填料漿質(zhì)量濃度應(yīng)控制在74%～78%之間、進(jìn)路假底層充填灰砂比為1∶5，接頂層充填灰砂比為1∶10、充填流量控制在90～110 m3/h之間。

2) 根據(jù)所確定的充填工藝參數(shù)，按照賓漢姆模型計(jì)算出礦山膏體充填料漿管道輸送沿程阻力損失為4 167.11 Pa/m，并以此分析出礦山膏體充填料漿自流輸送最大允許倍線為3.5。

3) 按照自流最大允許充填倍線進(jìn)行充填管道布置，并經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐驗(yàn)證，其能夠?qū)崿F(xiàn)自流充填，其料漿輸送安全可靠，進(jìn)而證明所確定的各項(xiàng)工藝參數(shù)合理。