湖南人文科技學(xué)院能源與機(jī)電工程學(xué)院 湖南婁底 417000

我 國(guó)不僅是一個(gè)陸地大國(guó)，更是一個(gè)海洋大國(guó)。對(duì)于經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的今天，需要更多的資源滿足發(fā)展需求，但目前面臨的現(xiàn)狀是地下淺部富礦日趨枯竭，開采深部礦產(chǎn)和淺部貧礦勢(shì)必會(huì)造成開采成本的大大增加。傳統(tǒng)的采礦方法難以解決水文地質(zhì)及工程地質(zhì)復(fù)雜、礦坑涌水量特大的礦產(chǎn)資源開采問題，尤其是傳統(tǒng)采礦方法用于深海采礦幾乎不太可能實(shí)現(xiàn)，因此迫切需要尋求一種全新的采礦工藝，鉆孔水力開采技術(shù)就是其中之一[1]。將鉆孔水力采礦用于深海采礦，是一種可行方案。

目前，鉆孔水力采礦在俄羅斯、美國(guó)、匈牙利等國(guó)取得了突破性的進(jìn)展，先后利用鉆孔水力采礦技術(shù)開采煤、磷酸鹽、鈾、鋁土礦、金、錫等多種礦產(chǎn)，并在鉆具設(shè)備領(lǐng)域研究取得一定的進(jìn)展[2]。國(guó)內(nèi)對(duì)此方面研究較少，特別是對(duì)鉆孔水力開采關(guān)鍵技術(shù)“氣力提升系統(tǒng)”的研究鮮有報(bào)道。作為舉升礦漿的有效工具之一，氣力提升技術(shù)具有無運(yùn)動(dòng)部件、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、不易堵塞及環(huán)境污染小等諸多優(yōu)點(diǎn)[3]。鑒于此，筆者對(duì)礦用漿料氣力泵的設(shè)計(jì)方法開展研究，并進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，以滿足實(shí)際工程需求，創(chuàng)造更佳的經(jīng)濟(jì)效益。

1 鉆孔水力開采

1.1 鉆孔水力開采工作原理

鉆孔水力采礦是指通過從地表的鉆孔開采地下礦產(chǎn)的一種新興采礦技術(shù)，如圖 1 所示，先鉆一個(gè)孔，下套管灌水泥，然后向鉆孔中放入孔內(nèi)采礦器具 (水槍)，通過水槍供給高壓水，噴嘴形成高壓水射流破碎礦料巖石。被破碎的礦料和水一同形成礦漿，通過氣力舉升裝置 (空氣提升裝置)送到地面選礦廠進(jìn)行選礦，或送到儲(chǔ)藏庫(kù)貯存[4-5]。

圖1 鉆孔水力開采示意Fig.1 Borehole hydraulic mining sketch

鉆孔水力開采裝置是一整套系統(tǒng)，主要由動(dòng)力系統(tǒng) (動(dòng)力源、空氣壓縮機(jī)、氣力泵和液壓提升機(jī)構(gòu))、測(cè)試與控制系統(tǒng)、脫水裝置、井架 (或承載船)以及氣力提升系統(tǒng) (射流破碎器、氣舉頭、輸水管、輸氣管、輸漿料)組成，如圖 2 所示。

圖2 鉆孔水力開采系統(tǒng)Fig.2 Borehole hydraulic mining system

1.2 氣力泵工作原理

氣力泵是利用壓縮空氣作為動(dòng)力的一種泵，與離心泵不同，它屬于容積泵中的正排量泵。最早的氣力泵是由位于意大利佛羅倫薩的勁馬公司 (Pneuma)的創(chuàng)始人 Giovanni Faldi 博士于 20 世紀(jì) 60 年代研制成功。我國(guó)關(guān)于氣力泵的研究始于 20 世紀(jì) 70 年代末、80 年代初。

從本質(zhì)上來說氣力泵是一種活塞泵，其中正排量泵是采用壓縮空氣作為“活塞”的活塞泵，但它又不同于傳統(tǒng)意義上的活塞泵，不是由機(jī)械活塞在缸體內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)吸排輸送物，而是通過高壓空氣把輸送物排出輸送機(jī)。如圖 3 所示，氣力泵工作時(shí)可分為 3 個(gè)步驟。

圖3 氣力泵工作原理Fig.3 Working principle of pneumatic pump

(1)吸泥 泵體置于水底泥面上，排料管與大氣相通，泥漿缸內(nèi)壓力為大氣壓，泵體外的泥漿在靜水壓力的作用下被擠入泥漿缸。

(2)排泥 由空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生的壓縮空氣經(jīng)過分配器進(jìn)入泥漿缸，起到活塞的作用。所有的泥漿全部從泵體排出，并進(jìn)入輸送管道。

(3)排氣 當(dāng)泥漿缸內(nèi)的的泥漿即將排出時(shí)，分配器從泵體中排出壓縮空氣，并恢復(fù)與大氣相通的狀態(tài)。

1.3 氣力泵選擇

氣力泵有 2 種結(jié)構(gòu)：中心進(jìn)氣式氣力泵和環(huán)形進(jìn)氣式氣力泵[6-7]。2 種結(jié)構(gòu)各有優(yōu)點(diǎn)。中心進(jìn)氣式氣力泵的中心氣流噴嘴在氣力提升漿料的同時(shí)會(huì)嚴(yán)重降低漿料的輸送效率，情況惡劣的條件下，礦石會(huì)堵塞泵體的喉管，甚至流動(dòng)的礦石會(huì)對(duì)中心噴嘴產(chǎn)生沖擊，造成破壞，對(duì)泵體的內(nèi)壁也會(huì)造成劇烈的磨損。對(duì)于海底采礦來說，環(huán)形進(jìn)氣式更加適合工程實(shí)際條件。環(huán)形進(jìn)氣式氣力泵結(jié)構(gòu)如圖 4 所示。

圖4 環(huán)形進(jìn)氣式氣力泵結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of annular inlet pneumatic pump

2 設(shè)計(jì)參數(shù)

環(huán)形進(jìn)氣式氣力泵工況參數(shù)如表 1 所列。

表1 工況參數(shù)Tab.1 Parameter of working conditions

2.1 礦漿流速的計(jì)算

礦漿流動(dòng)速度是指從海底到海平面的運(yùn)輸速度。速度過小，空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生的氣流難以將漿料拖動(dòng)運(yùn)輸；速度過大，礦漿中體積較大的塊料對(duì)管道的磨損會(huì)加劇。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般將流速控制在 5 m/s 以內(nèi)[8]，才能符合經(jīng)濟(jì)實(shí)用性條件和減少對(duì)管道內(nèi)壁的磨損。

式中：vD為礦漿臨界流速，m/s；k為流速系數(shù)；CF為形狀系數(shù)；ρS、ρL分別為礦石顆粒和海水密度，kg/m3；dmax、dmin分別為最大和最小顆粒直徑，m；CD為阻力系數(shù)；CV為顆粒體積分?jǐn)?shù)；n為濃度影響系數(shù)。

由此解得vD=1.83 m/s。

由于vD為臨界流速，即氣力提升礦漿的最小流速，而實(shí)際流速需要在此基礎(chǔ)上提高 50%～100% 才能滿足工程需求，即v0=3.66 m/s。

2.2 管徑的確定

管道直徑、流速以及氣體流量存在確定的數(shù)學(xué)關(guān)系，即曼寧流量公式和謝才流量公式。查詢有關(guān)資料可知，曼寧公式比謝才公式的應(yīng)用更加廣泛。但曼寧公式也有其局限性，選值不當(dāng)會(huì)造成較大誤差[9-10]。曼寧公式中，

式中：Q為管道出口液-固混合物流量，Q=104m3/s；D為管道直徑，m。

據(jù)此計(jì)算得D=0.98 m。

2.3 能量的計(jì)算

深海采礦是從深海將砂礦通過流體運(yùn)動(dòng)氣力舉升提升，巨大的流量要求空氣壓縮機(jī)提供相應(yīng)的能量。礦漿的氣力舉升提升需要克服礦漿的重力勢(shì)能做功。由流體力學(xué)可知，海水和礦漿存在黏性，在等直徑圓管中流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生壓力損失，即沿程壓力損失。

(1)勢(shì)能

將礦漿從海水底部提升到出口，以及海水從液面提升到出口所需做的功[11-12]

式中：QS、QL分別為礦漿和海水流量，m3/s；h1、h2分別為水平面至管出口的距離和泵底部至管出口的距離，m。

(2)沿程壓力損失

其中

式中：λ為阻力系數(shù)；l為管路長(zhǎng)度，m。

(3)礦漿所具有的動(dòng)能

提升礦漿所需要做的功

2.4 空氣壓縮機(jī)的選擇

空壓機(jī)是氣源裝置的主體，將電動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為氣體壓力能。

式中：EG為空氣壓力做功功率，W；p0、pa分別為大氣壓力和進(jìn)氣口壓力，Pa；QG,O為空壓機(jī)進(jìn)口氣體流量，m3/s。

完成礦漿的提升必須要求EG＞E，由此求得空壓機(jī)流量QG,O=1 009.2 m3/min。

由于流量大，根據(jù)工程實(shí)際條件，采用 34 臺(tái)空壓機(jī)同時(shí)工作，以滿足工程要求。選用空壓機(jī)壓力為3.0 MPa，流量為 30 m3/min，該參數(shù)型號(hào)的空氣壓縮機(jī)為特制產(chǎn)品。

2.5 外層管壁厚

該裝置中共有內(nèi)層管、中層管、外層管。最外層圓筒殼壁厚

式中：pS為設(shè)計(jì)壓力，Pa；Di為鋼管外徑，mm；[σ]為材料許用應(yīng)力，Pa；φ為焊縫系數(shù)；c為壁厚附加量，mm。

計(jì)算得外層管壁厚S1=36.2 mm。考慮制造工藝性，圓整取S1=37 mm。

同樣可得中層管壁厚S2=31 mm，內(nèi)層管壁厚S3=25 mm。

2.6 水射流噴嘴的設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的水射流噴嘴采用 13°錐形噴嘴方案，結(jié)構(gòu)如圖 5 所示。

圖5 錐形噴嘴Fig.5 Conical nozzle

水射流噴嘴當(dāng)量直徑

式中：q為流量，m3/s；μ為流量系數(shù)；p為噴嘴內(nèi)部壓力 (泵壓)，Pa。

縫隙寬度w=0.8 mm，設(shè)外圓直徑為DW，根據(jù)圓環(huán)面積等于當(dāng)量噴嘴面積，有

計(jì)算得DW=14.58 mm。

設(shè)喉管直徑為DH，則DH=DWsin 80°=14.58 mm，修正后DH=15 mm。

3 主要零部件的校核

3.1 管道的校核

該裝置的內(nèi)層管、中層管、外層管可視為空心軸。以內(nèi)層管的為例 (見圖 6)，進(jìn)行校核[13]。

圖6 內(nèi)層管Fig.6 Inner tube

慣性矩

其中

式中：dN、DN分別為內(nèi)層管的內(nèi)徑和外徑，mm。

計(jì)算得IZ=3.39×1011mm4。

抗彎截面系數(shù)

最大彎曲正應(yīng)力

按空心軸對(duì)該內(nèi)層管進(jìn)行強(qiáng)度校核，

比較其應(yīng)力大小，σmin＜[σ]，滿足強(qiáng)度要求。

3.2 水射流噴嘴的校核

水射流噴嘴在薄壁圓管下周期性的周向應(yīng)力σT作用下，噴嘴筒體受到內(nèi)部水壓作用并發(fā)生斷裂破損。水射流噴嘴殼體的強(qiáng)度校核公式為

由水射流噴嘴壁厚的設(shè)計(jì)公式

其中

推導(dǎo)出水射流噴嘴壁厚設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化公式

危險(xiǎn)截面的壁厚δ小于水射流噴嘴最小壁厚δmin，因此該水射流噴嘴滿足強(qiáng)度要求。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及結(jié)果分析

4.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

對(duì)于海底采礦還有較大的實(shí)際困難和突破空間。水射流團(tuán)隊(duì)在湖南道縣后江橋鐵錳鉛鋅礦區(qū)進(jìn)行了鉆孔水力開采的工業(yè)應(yīng)用研究。

2013 年在北京江南廣德礦業(yè)投資有限公司的支持下對(duì)后江橋鐵錳礦Ⅱ號(hào)礦體采用鉆孔水力采礦方法，即對(duì)安裝水射流開挖和氣力提升裝置進(jìn)行了采礦的初步試驗(yàn)，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖 7 所示。

圖7 鉆孔水力采礦現(xiàn)場(chǎng)Fig.7 Borehole hydraulic mining scene

Ⅱ號(hào)礦體為鐵錳礦體，是該區(qū)主要礦體，也是開采的主要對(duì)象。礦體分布于中部礦帶的 8～31 線之間，控制走向長(zhǎng) 2 020 m，寬 80～440 m，平均寬 180 m，平均厚 21.65 m?？碧焦ぷ髯C明，Ⅱ號(hào)礦體地表分布在低洼平緩的負(fù)地形之中，礦體埋藏于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面之下，礦體圍巖為碳酸鹽巖，溶洞發(fā)育，斷裂構(gòu)造復(fù)雜，在深部形成了一條錯(cuò)綜復(fù)雜，且由斷裂構(gòu)造、大小溶洞、漏斗連成的地下暗河，不但造成地下水十分豐富，而且由于氧化淋濾作用使大部分礦石形成了氧化礦石。氧化礦石為土狀、粉砂狀、砂粒狀，結(jié)構(gòu)松散，非常適合于鉆孔水力開采。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.2.1 試驗(yàn)條件

最大鉆孔深度為 300 m，孔徑為 1 000 mm；氣力泵與提升管內(nèi)徑分別為 260 和 309 mm。

4.2.2 揚(yáng)礦量

水礦混合體 (大部分顆粒的粒徑小于 30 cm)為300～500 m3/h，含礦率為 10%～15%，最大揚(yáng)礦量大于 40 m3/h，折合礦物質(zhì)量超過 130 t/h。揚(yáng)礦量QM隨氣體流量QG的變化規(guī)律如圖 8 所示。

圖8 揚(yáng)礦量與氣體流量的關(guān)系Fig.8 Relationship of discharge amount and air flow

由圖 8 可知，在開采初期，因井底礦物沉積較多，使得供料充足，揚(yáng)礦量隨氣體流量值增加呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)；隨開采時(shí)間增加，井底漿料濃度降低，系統(tǒng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榍奉w粒供給，致使揚(yáng)礦量隨氣體流量值變化減小，此時(shí)需開啟水力破巖系統(tǒng)以增加礦物供給量[11,14]。此外，為檢驗(yàn)前述理論模型在實(shí)際工程應(yīng)用中的預(yù)測(cè)精度，將試采結(jié)果與理論值進(jìn)行比較，結(jié)果如圖 9 所示，其中礦石密度經(jīng)實(shí)際測(cè)量并取平均值 2 900 kg/m3。由此可知，理論模型的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值平均誤差接近 20%，遠(yuǎn)高于室內(nèi)模擬試驗(yàn)情況。事實(shí)上，由于實(shí)際開采中受復(fù)雜環(huán)境作用影響，井底溫度變化、礦漿供給不勻、流固耦合以及各相間作用復(fù)雜性增強(qiáng)等，都會(huì)造成模型預(yù)測(cè)失準(zhǔn)。

圖9 試驗(yàn)結(jié)果與理論模型的比較Fig.9 Comparison between test results and theoretical model

5 結(jié)論

對(duì)礦用漿料氣力泵進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，提供一種較為簡(jiǎn)略的設(shè)計(jì)思路和方向。但由于海底礦區(qū)的復(fù)雜性以及硬件設(shè)備的限制性，以湖南道縣后江橋鐵錳礦區(qū)的Ⅱ號(hào)礦體為實(shí)例，進(jìn)行了實(shí)地試驗(yàn)與理論分析，提出了脈沖水射流和氣力提升聯(lián)合采礦方法，實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)特大型涌水礦床開采的先例。試采結(jié)果表明，揚(yáng)礦量隨氣體流量值上升，其變化規(guī)律與之前試驗(yàn)結(jié)果類似，且最大揚(yáng)礦量大于 130 t/h。比較試采結(jié)果與理論模型計(jì)算值發(fā)現(xiàn)，兩者吻合度較室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M雖有所擴(kuò)大，但平均誤差仍控制在 20% 以內(nèi)，驗(yàn)證了所建理論模型具有較強(qiáng)的通用性。