熊有為

(1.長沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司；2.深井礦山安全高效開采技術(shù)湖南省工程研究中心)

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深井礦山充填鉆孔失效分析及預(yù)防措施*

熊有為1,2

(1.長沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司；2.深井礦山安全高效開采技術(shù)湖南省工程研究中心)

作為深井礦山充填系統(tǒng)的咽喉工程，充填鉆孔失效將嚴(yán)重影響礦山的正常生產(chǎn)。通過分析充填鉆孔不同結(jié)構(gòu)形式，提出了鉆孔堵塞和磨損失效模式及其原因；分析深井充填系統(tǒng)管道內(nèi)料漿在不同狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)特征，明確了非滿管流輸送是引起鉆孔和管道磨損的主要原因；提出閉路滿管輸送、管路布置優(yōu)化、小管徑增阻減磨以及破損鉆孔修復(fù)等預(yù)防鉆孔失效的技術(shù)措施，保證礦山安全高效生產(chǎn)。

深井礦山 充填鉆孔 堵塞 磨損 滿管輸送 空氣柱

隨著淺地表礦產(chǎn)資源逐漸消耗枯竭，深井開采成為未來礦山的發(fā)展方向。深部采場高地應(yīng)力可能導(dǎo)致巖爆、采場垮塌、巷道變形等問題，威脅安全生產(chǎn)，充填采礦法是深井安全高效開采行之有效的方法。

充填鉆孔是充填砂漿從地表制備站輸送至井下工作面的必經(jīng)之路，也是整個(gè)充填系統(tǒng)的關(guān)鍵咽喉工程，一旦堵塞，功能失效，其恢復(fù)難度大、成本高。更有甚者，礦山充填系統(tǒng)運(yùn)行多年，充填鉆孔堵塞和管道破損事故頻發(fā)，充填站附近已施工多條鉆孔，由于地形條件受限，面臨無地打孔的窘境，對礦山的正常生產(chǎn)造成極大影響。根據(jù)某礦山實(shí)際生產(chǎn)資料[1]，充填鉆孔平均使用壽命一般為砂漿流量40～60萬m3。通過對充填鉆孔失效原因進(jìn)行分析，從多方面提出預(yù)防鉆孔失效的技術(shù)措施，為礦山企業(yè)充填系統(tǒng)順暢運(yùn)行提供參考。

1 充填鉆孔結(jié)構(gòu)形式

一般來說，根據(jù)鉆孔所穿過巖層的穩(wěn)定程度，充填鉆孔的橫斷面結(jié)構(gòu)有4種形式(圖1)。當(dāng)鉆孔穿過的巖層完整、弱結(jié)構(gòu)面較少時(shí)，可以直接將裸露的鉆孔作為充填管(圖1(d))；當(dāng)遇淺地表第四系表土層或巖層破碎時(shí)，必須安裝護(hù)壁套管(圖1(a)、圖1(b))，砂漿流量較小時(shí)，套管護(hù)壁可以直接作為充填管道使用(圖1(b))；砂漿流量較大時(shí)，為了延長鉆孔使用壽命，可在套管內(nèi)再安裝充填管，必要時(shí)可對充填管及時(shí)更換，鉆孔重復(fù)使用(圖1(a))；當(dāng)巖層條件較好且砂漿流量較大時(shí)，可在鉆孔內(nèi)安裝充填管(圖1(c))。

圖1 充填鉆孔橫斷面結(jié)構(gòu)不同形式

2 充填鉆孔失效原因分析

根據(jù)鉆孔不同橫斷面結(jié)構(gòu)形式，充填鉆孔失效模式主要有堵塞和磨損。

2.1 堵塞失效

充填鉆孔堵塞包括無管道裸孔堵塞和鉆孔內(nèi)管道堵塞2種形式，堵塞原因主要包括以下方面：

(1)未清除鉆孔或管道內(nèi)較多、較厚的殘留物，在下一次輸送前，砂漿發(fā)生固結(jié)，脫落形成大塊，相互機(jī)械咬合，或粘附在鉆孔或管道內(nèi)壁，導(dǎo)致砂漿堵塞。

(2)現(xiàn)場管理不善，廢舊鋼繩、檢修碎件等異物不慎進(jìn)入輸送通道，造成堵塞。

(3)充填體質(zhì)量低劣，粗骨料級(jí)配和砂漿濃度不合理，攪拌不均勻，導(dǎo)致堵塞。

(4)鉆孔內(nèi)管道內(nèi)層材料(如雙金屬復(fù)合管或陶瓷復(fù)合管內(nèi)襯)大塊脫落，堵卡通道。

2.2 磨損失效

在自流輸送的深井充填系統(tǒng)中，砂漿流動(dòng)的動(dòng)力來源于垂直管段砂漿柱的重力勢能。根據(jù)重力勢能與管道沿程阻力損失之間的大小關(guān)系，砂漿管輸送狀態(tài)分為滿管流和非滿管流[2]。

滿管流是一種理想的砂漿輸送模式，系統(tǒng)高差提供的靜壓頭與管輸過程中的沿程損失正好平衡，假設(shè)系統(tǒng)高差為h，管線水平長度為L，砂漿容重及其在管輸過程中水力坡度分別為γm和i，則

(1)

此時(shí)砂漿在管道中連續(xù)、穩(wěn)定流動(dòng)，管壁處于磨損均勻狀態(tài)。

非滿管流是指在砂漿自流過程中，由于系統(tǒng)高差的重力勢能超過克服管道沿程阻力所需的能量，即γmh>i(h+L)，根據(jù)能量守恒定律，剩余能量轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，導(dǎo)致砂漿加速流動(dòng)，使管道內(nèi)出現(xiàn)負(fù)壓，產(chǎn)生空氣柱現(xiàn)象。空氣柱的產(chǎn)生一方面來自開路式充填系統(tǒng)下料口處空氣進(jìn)入管道，一方面來自砂漿內(nèi)水分汽化?？諝庵譃?個(gè)區(qū)域[3]，即空化區(qū)、空氣區(qū)和水躍區(qū)，見圖2。

圖2 深井充填管道空氣柱分區(qū)示意

在空化區(qū)內(nèi)，砂漿自由下落，輸送速度和壓力不斷增大，對管道或鉆孔內(nèi)壁產(chǎn)生法向或斜向沖擊力。空氣區(qū)內(nèi)出現(xiàn)水蒸氣和空氣的混合體，砂漿在該區(qū)域內(nèi)繼續(xù)加速流動(dòng)，直至達(dá)到最大值。水躍區(qū)是砂漿由非滿管流轉(zhuǎn)變?yōu)闈M管流的過渡區(qū)，砂漿由急變流過渡為緩變流，局部流速急劇減小，根據(jù)動(dòng)能定理，水躍區(qū)流速梯度大，砂漿消耗的大量能量轉(zhuǎn)變?yōu)閷鼙诘木薮鬀_擊力。因此，對于垂直管道或鉆孔來說，在水躍區(qū)過渡到滿管區(qū)的交界面處，管道或鉆孔的磨損最為嚴(yán)重。

在空氣柱內(nèi)，砂漿在重力作用下自由下落，高速流動(dòng)的砂漿對管道或鉆孔壁沖刷磨損。砂漿從地表下料口進(jìn)入該區(qū)域后不斷加速，由連續(xù)流變?yōu)椴贿B續(xù)流，砂漿與管道或鉆孔內(nèi)壁接觸面積大的地方磨損速度較快，形成溝壑式磨損面，最終磨穿局部管道[4](圖3)，鉆孔內(nèi)壁凹凸不平，易掛漿固結(jié)造成堵塞，同時(shí)導(dǎo)致砂漿流態(tài)紊亂，加劇不均勻磨損；當(dāng)砂漿進(jìn)入滿管區(qū)后，基本以連續(xù)體形式穩(wěn)定流動(dòng)，其與管道或鉆孔內(nèi)壁有效接觸面積大致等于后者表面積，則磨損均勻平整。

圖3 現(xiàn)場充填鉆孔中磨損失效的管道

綜上所述，在深井充填系統(tǒng)中，由于地表充填站下料口與井下充填工作面之間高差較大，充填砂漿在垂直通道中往往處于非滿管流狀態(tài)。根據(jù)充填鉆孔不同結(jié)構(gòu)形式，無管道裸孔發(fā)生堵塞或磨損時(shí)，會(huì)直接導(dǎo)致鉆孔失效；鉆孔內(nèi)管道或套管內(nèi)管道發(fā)生堵塞或磨損時(shí)，若不及時(shí)更換管道，則鉆孔失效報(bào)廢。因此，非滿管流輸送方式是充填體自流輸送最常見的形式，也是引起管道磨損、鉆孔失效的主要原因。此外，由于充填系統(tǒng)是一個(gè)地表與井下、垂直段與水平段相互影響的系統(tǒng)工程，因此，水平段管道的堵塞和磨損也可能會(huì)導(dǎo)致充填鉆孔失效。

3 充填鉆孔失效預(yù)防措施

3.1 閉路滿管輸送

對于深井充填管道輸送系統(tǒng)，應(yīng)采用閉路式滿管流模式，盡量減少空氣進(jìn)入管道，避免充填鉆孔或垂直管道內(nèi)形成空氣柱，造成砂漿對鉆孔或管道的沖擊磨損。有些礦山采用漏斗開放式下料口，這種設(shè)計(jì)容易使空氣混合在砂漿中形成空氣柱，建議進(jìn)一步優(yōu)化。云南某鉛鋅礦充填攪拌槽輸料口與垂直鉆孔采用管道直接連接，形成閉路輸送模式，滿足料漿在管道中的滿管輸送狀態(tài)。同時(shí)在連接段管道上安裝泄壓三通閥，方便鉆孔在堵塞時(shí)放漿泄壓，減輕設(shè)備損壞。

3.2 管路布置優(yōu)化

充填管路的合理布置可以使充填倍線滿足深井自流管輸，又不至于產(chǎn)生較大剩余勢能壓頭，改變充填系統(tǒng)的壓力分布，降低砂漿對管道的沖刷磨損。由于垂直管段提供的有效壓頭與砂漿柱的高度成正比，為了降低系統(tǒng)的有效壓頭，可通過減小砂漿柱的高度來實(shí)現(xiàn)。因此，對于開采深度較大的礦山，可以將垂直鉆孔分段施工，分段間采用水平段過渡；水平管路通過上部中段巷道折返式布置，以適當(dāng)增加水平管道沿程阻力，消耗流動(dòng)砂漿的多余能量，或在井下適當(dāng)位置設(shè)置儲(chǔ)砂池以釋放能量，料漿泄壓后再進(jìn)入下一級(jí)充填管路，繼續(xù)輸送至工作面。

3.3 小管徑增阻減磨

當(dāng)砂漿容重和水平管道長度一定的情況下，管道的水力坡度直接影響空氣柱在垂直管道中的高度大小[5]。研究表明，充填管道水力坡度與管徑、管長、流量、濃度等因素有關(guān)[6]。因此，在砂漿流量和濃度不宜大幅調(diào)整、管道長度不宜較大增加的前提下，通過適當(dāng)縮小管徑、增大管道水力坡度有效可行。在深井充填系統(tǒng)中，可以在局部采用小管徑管道，增加系統(tǒng)沿程阻力損失，使砂漿過剩能量有效消耗，以達(dá)到增阻減磨的目的[7]。當(dāng)垂直管徑小于水平管徑時(shí)，前者管流阻力大于后者，系統(tǒng)靜壓主要消耗在垂直管道上，即形成低壓滿管輸送模式；當(dāng)垂直管徑大于水平管徑時(shí)，前者管流阻力更小，系統(tǒng)靜壓主要消耗在水平管道上，即為高壓滿管輸送模式。生產(chǎn)實(shí)踐表明，低壓滿管輸送時(shí)水平管道磨損小，垂直管道磨損大且易堵塞；高壓滿管輸送時(shí)垂直段管道磨損小，鉆孔使用壽命長，但水平管道承受壓力大，磨損快。從預(yù)防充填鉆孔失效的角度出發(fā)，同時(shí)考慮水平管道磨損后更換相對容易，建議深井充填礦山可以在水平管道局部采用耐磨小管徑增阻的方式，使垂直段管道承受較小壓力，降低磨損程度，延長鉆孔使用壽命。如云南某銅礦采用水平段管道變徑增阻(圖4)，鉆孔失效問題得到顯著改善。

圖4 現(xiàn)場水平段充填管道變徑增阻

3.4 破損鉆孔修復(fù)

破損鉆孔修復(fù)主要技術(shù)思路是打通堵塞鉆孔或更換破損管道，快速恢復(fù)鉆孔功能。通常鉆孔失效后重新穿孔或下放管道修復(fù)成本高、難度大、進(jìn)度慢。甘肅某鎳礦提出一種永久修復(fù)鉆孔技術(shù)[8]，即施工一條大直徑鉆孔，并安裝內(nèi)徑比設(shè)計(jì)推薦的充填管道外徑大50～60 mm的套管，套管內(nèi)安裝充填垂直管道，其與套管不耦合安裝，僅在鉆孔孔口與孔底固定管道，中間部位利用管道自身剛度維持自穩(wěn)。當(dāng)鉆孔內(nèi)管道發(fā)生破損后，將其及時(shí)切除拔出，快速更換管道，恢復(fù)鉆孔充填。這種技術(shù)在該礦應(yīng)用效果甚好，但是對于深井礦山，由于鉆孔較長，僅在鉆孔上下端進(jìn)行管道固定是不夠的，管道可能會(huì)在砂漿輸送過程中由于砂漿多向異性不均勻沖擊力的作用而發(fā)生彌合水擊，劇烈振動(dòng)，甚至斷裂，勢必造成管道更換頻繁，未能體現(xiàn)技術(shù)優(yōu)勢。因此,還需考慮加強(qiáng)較長垂直管道中間部位與套管的假耦合接觸，如采用柔性材料(海綿、橡膠等)包裹充填管道，使其與套管的不耦合間隙盡量縮小，同時(shí)利于管道破損時(shí)快速更換。

3.5 其他措施

深井礦山充填鉆孔在施工過程中，由于設(shè)備特性不佳，操作人員技術(shù)水平不高，以及地層軟硬不均等原因，會(huì)不可避免地出現(xiàn)偏斜。實(shí)踐表明，鉆孔偏斜率越小，其磨損越慢。因此，在施工充填鉆孔時(shí)，應(yīng)采取可靠的定向措施，并在施工過程中加強(qiáng)測斜和糾偏，盡量減小鉆孔偏斜。

充填管道是鉆孔功能保障的重要因素，應(yīng)盡可能選用高強(qiáng)度、耐磨蝕的管道材料，如選擇內(nèi)襯合金的高強(qiáng)度堆焊耐磨管作為鉆孔內(nèi)充填管道，雖然前期投資可能較大，但其使用壽命較長，能有效預(yù)防鉆孔失效。此外，內(nèi)襯陶瓷復(fù)合管不宜作為鉆孔內(nèi)充填主管，陶瓷雖然剛度較高，但脆性較大，易在安裝過程中出現(xiàn)彎折破裂，充填時(shí)發(fā)生大塊脫落堵管，造成鉆孔失效。目前市場上出現(xiàn)一種超耐磨復(fù)合管道，其為改性聚烯烴耐磨專用料(耐磨彈性體)內(nèi)層，普通聚乙烯為外層，復(fù)合模頭擠出成型。由于該種材料的管道具有耐磨和防內(nèi)襯脫落雙重特點(diǎn)，且成本低，安裝輕便，接頭少，管內(nèi)密封性好，將來可能成為礦山尾砂充填管道的較好選擇。

鉆孔管道內(nèi)砂漿固液不均，快速流動(dòng)過程中散體多向沖擊彈射，對管道磨損嚴(yán)重。因此，制備質(zhì)量合格的砂漿也是預(yù)防鉆孔失效的有效方法。應(yīng)精確控制粗、細(xì)骨料配比，攪拌均勻充分，輸送連續(xù)順暢，控制砂漿進(jìn)入鉆孔管道后符合滿管流狀態(tài)。目前很多充填法礦山都引進(jìn)了DCS(Digital Control System)，能夠自動(dòng)配料，數(shù)字監(jiān)控精確給料，流程界面簡潔明了，操作方便。

4 結(jié) 論

(1)基于充填鉆孔失效模式，分析鉆孔堵塞主要為充填作業(yè)管理與砂漿質(zhì)量控制方面存在問題；鉆孔內(nèi)管道磨損主要由砂漿非滿管輸送所致，空氣柱是導(dǎo)致出現(xiàn)非滿管流態(tài)的主要原因。

(2)閉路滿管輸送可以有效降低鉆孔內(nèi)空氣柱高度，減小砂漿流動(dòng)剩余勢能。深井充填系統(tǒng)垂直鉆孔可分段布置，或在適當(dāng)位置設(shè)緩沖池，釋放砂漿水頭能量。

(3)采用局部變徑措施使充填系統(tǒng)適當(dāng)增阻，可增大管道水力坡度，改善鉆孔內(nèi)砂漿流態(tài)。鉆孔套管內(nèi)充填管道采用柔性材料包裹并假耦合安裝，滿足破損管道快速更換要求，鉆孔可重復(fù)使用。

(4)加強(qiáng)鉆孔施工過程控制、充填管道科學(xué)選材、砂漿制備質(zhì)量可靠等方面措施也是預(yù)防鉆孔失效的有效方法。

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*國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：2016YFC0801600)。

2016-02-17)

熊有為(1987—)，男，工程師，碩士， 410001 湖南省長沙市木蓮東路299號(hào)。