鄭伯坤 ,張鵬強(qiáng),尹旭巖,王玉山

(1.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長沙 410012; 2.國家金屬采礦工程技術(shù)研究中心， 湖南長沙 410012; 3.金川集團(tuán)股份有限公司 鎳鈷資源綜合利用國家重點實驗室， 甘肅 金昌市 737100)

隨著淺部資源的逐漸枯竭和深部資源勘探力度的加強(qiáng)，我國將步入深井開采國家行列。近年來已有一些埋藏深度達(dá)1000 m左右的礦床正在開發(fā)，如金川二礦區(qū)就屬于其中[1-3]。深井開采面臨諸多問題，如地壓增大、巖溫增高、巖爆等，而采用充填采礦法是不可替代的深井采礦方法。金川二礦區(qū)開采深度已超千米，低倍線充填導(dǎo)致管道磨損嚴(yán)重，管道處于高壓狀態(tài)，爆裂等現(xiàn)象時有發(fā)生，嚴(yán)重影響礦山安全正常生產(chǎn)[4-6]。為確保充填系統(tǒng)安全，實現(xiàn)高濃度棒磨砂充填料漿的順利自流輸送，必須對深井充填系統(tǒng)進(jìn)行減壓增阻研究，提高管道使用壽命，實現(xiàn)料漿的順利輸送。

1 充填管道壓力的影響因素

考慮最危險情況：充填料漿向敞口式豎管或充填鉆孔放料、管道L型布置，垂直管道底部的壓力最大，計算公式為：

P=γ·h-iv·h=is·L

(1)

式中，P為垂直管道底部壓力，kPa；γ為充填料漿重度，KN/m3；h為豎直管段滿管流高度，m；iv為豎管充填料漿流動阻力，kPa/m；is為水平管充填料漿阻力，kPa/m；L為水平管道長度，m；

iv、is可由充填料漿流變參數(shù)測定數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，即：

(2)

式中，τ0為充填料漿屈服剪切應(yīng)力，Pa；η為充填料漿的粘性系數(shù)，Pa·s；Dv為豎直管或充填鉆孔直徑，m；Ds為水平管直徑，m；Vv為充填料漿在豎直管或充填鉆孔中的流速，m/s；Vs為充填料漿在水平管中流速，m/s；

(3)

式中，Q為充填料漿流量，m3/h。

對上述計算公式分析得，充填豎管或鉆孔底部的壓力與充填料漿在水平管道中的流動阻力、水平管道長度及管徑、料漿性質(zhì)等多個因素有關(guān)。

式(1)的含義可解釋為充填料漿的自重壓頭γ·h減去豎管或充填鉆孔的沿程阻力iv·h用于克服水平管道沿程阻力is·L。水平管道L越長，阻力系數(shù)is越大，則豎管底部壓力越大。

由式(2)分析得，沿程阻力系數(shù)i與充填料漿流變參數(shù)τ0、η及料漿流速成正比、與管道直徑的一次方及二次方成反比。當(dāng)流量一定時，充填料漿流速與管徑平方成反比。充填料漿的τ0、η與充填材料各組分性質(zhì)、粒級組成、濃度、灰砂比等因素有關(guān)。對特定礦山而言，一旦選定充填材料及配比，τ0、η則取決于充填料漿濃度。

根據(jù)充填管網(wǎng)布置，如豎管高度H較大，水平管道較短時，H-h段為自由下落段，h段為滿管段。如水平管路長度較大，或充填倍線較大時，自由下落段變小，當(dāng)is·L大于γ·H時，則充填料漿自重?zé)o法克服豎管及水平管段沿程阻力損失，這時管道流速降低，流動阻力減小、流量下降，但仍維持更小流量的自流輸送。

2 管道輸送系統(tǒng)調(diào)壓技術(shù)與措施

結(jié)合前述理論分析，深井充填管道常見的調(diào)壓方法有井下料倉分配系統(tǒng)、小直徑豎管大直徑水平管系統(tǒng)、節(jié)流板調(diào)壓裝置、壓力耗散器調(diào)壓等。

2.1 井下料倉分配系統(tǒng)

井下料倉分配系統(tǒng)調(diào)壓方式如圖1所示，該方法可理解為分段接力輸送。其充填管網(wǎng)基本布置形式為，地表制備好的充填料漿通過豎井中管道或充填鉆孔輸送至井下上部中段水平，在離該豎管底部不遠(yuǎn)的水平巷道或硐室中布置敞口式料倉，地表充填料漿通過豎管輸送至該料倉中，然后通過另一組管道分配至下部中段各充填地點(見圖1)。

圖1 井下料倉分配系統(tǒng)

由于采用該種布置形式，可視為將原有的總高差H分為2段或多段，每一段的豎管底部壓力均遵循式(1)所計算的壓力分布原則，即使某一段產(chǎn)生堵管，其最大壓力不會累積，從而大幅度地降低了管道壓力。該種布置方式的缺點是井下分配料倉需設(shè)置攪拌及分配裝置，增加了作業(yè)環(huán)節(jié)和作業(yè)人員。

2.2 小直徑豎管大直徑水平管系統(tǒng)

該種布置形式為豎井中管道或充填鉆孔采用小直徑管道，其內(nèi)徑通常為70～80 mm，而水平管內(nèi)徑為100～110 mm。由于沿程阻力系數(shù)與管道內(nèi)徑的1次方及4次方成反比，所以料漿在豎管中的流速急劇增大，i值同樣急劇增大，從而使豎管阻力急劇增大，豎管內(nèi)料漿的自重壓頭直接耗散在豎管的流動過程中。同時由于水平管道直徑較大，料漿流速趨于正常，流動阻力較小，豎管剩余壓頭較小即可克服水平管道流動阻力，從而實現(xiàn)低壓滿管流自流輸送。

圖2分析計算了當(dāng)流量為80 m3/h、L型敞口布置、豎管和水平管不同管徑配備時豎管的最大壓力。

圖2(a)為豎管及水平管內(nèi)徑同為102 mm、豎管高度1885 m、水平管長度1000 m時，充填料漿在豎管及水平管中流速同為2.7 m/s，豎管底部最大壓力1.8 MPa，滿管段高度為115 m，自由下落段高度達(dá)1770 m，所以稱為低壓自由下落系統(tǒng)。該種布置形式雖然豎管底部壓力小，但由于自由下落段過高，充填料漿自由下落速度可達(dá)40 m/s以上，對管道或鉆孔產(chǎn)生嚴(yán)重的沖刷，從而使豎管或鉆孔磨損嚴(yán)重，大大縮短了豎管的使用壽命。

圖2(b)為豎管高度1885 m、內(nèi)徑102 mm，而水平管長度1000 m、內(nèi)徑57 mm，充填料漿在豎管中的流速為2.7 m/s，而水平管流速達(dá)8.7 m/s。由于水平管流速很大，所以其沿程阻力很大，豎管底部壓力達(dá)到30.7 MPa，且豎管中充滿了料漿，料漿的自重壓頭主要用于克服小直徑水平管過高的輸送阻力，所以被稱為高壓頭滿管流系統(tǒng)。該種布置形式豎管中流速較小且呈滿管狀態(tài)，不存在自由下落段，所以可減少豎管的磨損和沖擊，但水平管流速過大，管道中最大壓力過高，生產(chǎn)中存在風(fēng)險。

圖2(c)中豎管高度2000 m、內(nèi)徑67 mm，水平管長度1000 m、內(nèi)徑102 mm，充填料漿在豎管中的流速為6.3 m/s，水平管流速為2.7 m/s。由于水平管流速低，所以輸送阻力較小，豎管底部最大壓力為1.8 MPa，而豎管中由于流速大，所以阻力大，充填料漿的自重壓頭主要用于克服豎管的沿程阻力，所以豎管中為滿管流。由于整條管道均處于滿管流狀態(tài)且壓力較低所以稱為低壓滿管流系統(tǒng)。

2.3 節(jié)流孔板或節(jié)流壺調(diào)壓裝置

節(jié)流孔板或節(jié)流壺一般沿垂直管道300 m安裝一個，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。節(jié)流孔板中孔的直徑為正常管段的1/2，且節(jié)流段由陶瓷等耐磨性能良好的材料制作。充填料漿到達(dá)該構(gòu)件時，由于節(jié)流孔直徑縮小一半，阻止了料漿的直接下落，從而使孔板上方出現(xiàn)一段滿管段，料漿通過孔板的流速增大4倍，料漿進(jìn)入下一管段時，沒有壓力累積現(xiàn)象，調(diào)整節(jié)流孔板之間的高差可將豎管壓力控制在合理的范圍內(nèi)。但生產(chǎn)實際表明，該種布置形式存在諸多問題，其一為節(jié)流孔板下游的管道磨損極快，料漿通過孔板的流速急劇增大，形成高速砂漿射流沖擊下游管壁。節(jié)流孔板之間的管道空間內(nèi)空氣、砂漿等處于一種密閉壓縮狀態(tài)，砂漿沖擊、氣蝕等綜合作用，使下游管壁迅速磨穿，在管道中心未對直的情況下，這種現(xiàn)象更為嚴(yán)重。

圖2L型管道敞口布置、不同管徑配備時管道最大壓力

圖3 節(jié)流孔板降阻降速系統(tǒng)

2.4 壓力耗散器(能量消耗器)

該裝置同樣安裝于管道中，殼體內(nèi)設(shè)置耐磨性能良好的陶瓷球，或在殼體中使料漿流道或流速發(fā)生改變，使料漿在耗散器內(nèi)部產(chǎn)生高速流動，從而增大內(nèi)部流動阻力，使單位長度壓力損失達(dá)到很高。如南非阿散蒂金礦在主垂直管道底部安裝2臺壓力耗散器，每臺可耗散壓力4.5 MPa。采用該種調(diào)壓裝置應(yīng)配套采用安全閥，一旦出現(xiàn)管道堵塞或故障，安全閥自動打開以卸壓，否則管道壓力將達(dá)到很高水平。

3 結(jié) 論

(1) 充填豎管或鉆孔底部壓力與充填料漿在水平管道中流動阻力、水平管道長度及管徑、料漿性質(zhì)等因素有關(guān)。水平管道越長，阻力系數(shù)越大，則豎管底部壓力越大。充填倍線較大時，充填料漿自重不能克服豎管及水平管段沿程阻力損失，管道流速降低，流動阻力減小、流量下降，但仍能維持較小流量的自流輸送。

(2) 結(jié)合上述理論分析，介紹了國內(nèi)外深井充填管道常見的調(diào)壓方法：井下料倉分配系統(tǒng)、小直徑豎管大直徑水平管系統(tǒng)、節(jié)流板調(diào)壓裝置、壓力耗散器調(diào)壓。