方文改汪明海魯立勝

（1.銅陵有色股份安慶月山礦業(yè)有限公司；2.安徽銅冠池州資源有限公司）

經(jīng)過(guò)多年來(lái)充填技術(shù)的發(fā)展，全尾砂膠結(jié)充填技術(shù)已成為國(guó)內(nèi)礦山地下開采的主流方向，將全尾砂這種大宗固體廢棄物制成高濃度料漿用于礦山充填，能有效消除采空區(qū)和尾礦庫(kù)災(zāi)害，起到“一廢治兩害”的效果［1］。

目前，國(guó)內(nèi)礦山對(duì)膠結(jié)充填均采用向下排放，即膠結(jié)充填料漿由各充填巷道管道自流或泵送至充填采場(chǎng)的頂部或上部，料漿從充填管道中排放到指定區(qū)域。在實(shí)際生產(chǎn)中，當(dāng)充填采場(chǎng)高度超過(guò)輸送水平時(shí)，充填料漿經(jīng)水平輸送后，必須繼續(xù)向上揚(yáng)送至一定高度方能實(shí)現(xiàn)充填目的。然而在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，膠結(jié)充填料漿上向輸送存在如下幾方面問題：一是由于膠結(jié)充填料漿在管道輸送中存在湍流現(xiàn)象，當(dāng)料漿輸送出現(xiàn)間歇性停頓時(shí)，料漿輸入口和輸出口壓差過(guò)小引起流速過(guò)低，易造成堵管；二是充填過(guò)程中需提供新的上向輸送動(dòng)力，通常需在輸送管道中安裝管道泵。如何實(shí)現(xiàn)充填料漿在自流條件下上向輸送，同時(shí)避免輸送管道堵塞，是安慶月山礦業(yè)公司在充填過(guò)程中急需解決的難題。

針對(duì)銅陵有色控股安慶月山礦業(yè)公司實(shí)際生產(chǎn)需求，通過(guò)分析全尾砂的基本物理力學(xué)特性，基于流體力學(xué)理論，對(duì)高濃度全尾砂膠結(jié)充填砂漿上向輸送影響因素進(jìn)行分析計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐。

1 工程背景

銅陵有色控股安慶月山礦業(yè)公司充填采礦法采用未分級(jí)的全尾砂作為充填骨料，使用銅冠建安公司生產(chǎn)的礦山充填專用膠凝材料作為充填膠結(jié)劑。生產(chǎn)過(guò)程采用間歇式膠結(jié)充填，一般采用白班充填生產(chǎn)，夜班停止充填的模式。礦山在地表建有充填站，布置形式采用地面集中式，工藝采用地面站自流式。由2座500 m3的立式尾砂倉(cāng)、1座150 m3的立式水泥倉(cāng)、1座攪拌槽組成尾膠砂結(jié)充填料漿制備系統(tǒng)［2］。

目前，礦山充填輸送管道從地表充填站敷設(shè)至-70 m水平，該水平設(shè)有卸壓硐室，-70 m水平通過(guò)充填專用鉆孔至-480 m中段，充填孔終孔直徑為250 mm，內(nèi)設(shè)套管采用雙金屬?gòu)?fù)合鋼管，內(nèi)直徑為152 mm，壁厚為13 mm。根據(jù)空區(qū)在各水平上的分布情況，在-480 m水平巷道內(nèi)敷設(shè)主輸送管道，然后通過(guò)分支輸送管道送往各水平空區(qū)上部充填點(diǎn)。主輸送管道采用內(nèi)直徑為152 mm、壁厚為13 mm的雙金屬?gòu)?fù)合陶瓷管，分支輸送管道可采用高強(qiáng)度工程硬聚氯乙烯管，充填倍線N=2.5。

隨著礦山生產(chǎn)的推進(jìn)，要完成整個(gè)采場(chǎng)的膠結(jié)充填，在采場(chǎng)頂板處接頂，必須要對(duì)充填巷道以上的空區(qū)進(jìn)行膠結(jié)充填。其中，井下-480 m中段的采場(chǎng)采空區(qū)頂板位于-450 m水平，比安裝充填主管道的-480 m中段超高約30 m，充填料漿沿輸送管道到達(dá)-480 m中段后需繼續(xù)上向輸送至-450 m水平，即采場(chǎng)頂板處，具體充填系統(tǒng)見圖1。

2 全尾砂膠結(jié)充填技術(shù)參數(shù)

2.1 全尾砂物料基本特性

在室內(nèi)利用容量瓶法測(cè)定尾砂的密度，測(cè)定結(jié)果見表1。采用激光粒度儀對(duì)全尾砂進(jìn)行粒級(jí)分析，以獲得其粒級(jí)組成，測(cè)定結(jié)果見表2。

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從表2中可以看出，全尾砂大于0.075 mm的尾砂占46.87%，小于0.020 mm的尾砂占27.83%，全尾砂細(xì)粒級(jí)含量較高。月山銅礦采用全尾砂膠結(jié)充填，其尾礦細(xì)度比一般礦山所用的充填尾砂細(xì)，且與國(guó)內(nèi)許多礦山采用分級(jí)尾砂充填相比，其粒度更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏細(xì)，因此對(duì)充填膠凝材料要求較高。

全尾砂主要化學(xué)成分分析結(jié)果見表3。

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從表3中可以看出，尾砂中SiO2的含量為43.82%，S的含量較低。另外，含有一定的CaO、MgO、Al2O3等氧化物，這些物質(zhì)均有利于膠結(jié)充填。依據(jù)物料基礎(chǔ)特性，該尾砂是較理想的充填骨料［2］。

2.2 全尾砂充填工藝參數(shù)

基于全尾砂的基本物理力學(xué)特性，結(jié)合全尾砂膠結(jié)充填強(qiáng)度等試驗(yàn)結(jié)果［2］，安慶月山銅礦采場(chǎng)膠結(jié)充填采用銅冠建安公司生產(chǎn)的礦山充填專用膠凝材料作為充填膠結(jié)劑，膠充灰砂比為1∶8?？紤]到充填材料的物理性質(zhì)和充填能力，井下膠結(jié)充填生產(chǎn)能力可達(dá)到80 m3/h。根據(jù)充填料漿流動(dòng)性試驗(yàn)結(jié)果，確定充填料漿濃度為70%（質(zhì)量比）時(shí)可以較好地進(jìn)行自流輸送。

3 參數(shù)計(jì)算

高濃度全尾砂充填砂漿的流變特征不同于固液兩相流和牛頓流體，根據(jù)以往的研究，通常將其視為賓漢流體來(lái)描述［3］，管道輸送阻力影響因素主要包括合理工作流速v、管道摩擦阻力系數(shù)λ、充填料漿密度ρm、顆粒沉降阻力系數(shù)Cx、管道清水水力坡度i0、料漿水力坡度ij、管道輸送總水壓頭H［4］。

3.1 合理工作流速v

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，為了防止管道堵塞，選擇合理的工作流速至關(guān)重要。速度低時(shí)，料漿中的骨料就容易沉積在管底，容易對(duì)管道造成磨損和引起管道堵塞，既增加維護(hù)費(fèi)用又影響充填工作順利進(jìn)行；速度太大，就會(huì)引起管內(nèi)的壓力太大易爆管、動(dòng)力費(fèi)用高、管道彎道處損傷等問題。為此，提出了臨界流速，即料漿中所有的骨料顆粒完全處于懸浮狀態(tài)而壓頭損失（水力坡度）又最小的流速，是充填漿體由一種流動(dòng)形態(tài)向另一種流動(dòng)形態(tài)過(guò)渡的界限流速。臨界流速是輸送管道的基準(zhǔn)流速和經(jīng)濟(jì)流速［5］。一般膠結(jié)料漿在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)合理的工作流速必須大于臨界流速。根據(jù)賓漢流體的理論，膠結(jié)料漿合理工作流速的計(jì)算公式為

式中，v為膠結(jié)料漿合理工作流速，m/s；g為重力加速度，m/s2；D為充填管道直徑，m；X為膠充灰砂比；N為充填倍線。

經(jīng)計(jì)算，安慶月山礦業(yè)公司全尾砂膠結(jié)料漿合理工作流速v=3.51 m/s。

3.2 管道摩擦阻力系數(shù)λ

摩擦阻力系數(shù)是設(shè)計(jì)輸送管道的關(guān)鍵參數(shù)，準(zhǔn)確計(jì)算摩擦阻力損失有利于合理設(shè)計(jì)管道流量，有效降低運(yùn)輸成本，提高輸送效率。管道摩擦阻力和管道的敷設(shè)方式、接頭形式和管道壁的狀況有關(guān)。管道摩擦阻力系數(shù)計(jì)算公式：

式中，λ為管道摩擦阻力系數(shù)；K1為管道敷設(shè)系數(shù)，取1.05；K2為管道接頭系數(shù)，取1.05；Δ為管道壁粗糙系數(shù)，輸送管道按復(fù)合陶瓷管取0.20 mm。

經(jīng)計(jì)算，充填管道阻力系數(shù)λ=0.023 12。

3.3 充填料漿密度ρm

月山銅礦全尾砂膠結(jié)料漿主要由尾砂、膠結(jié)劑和水組成，其中尾砂與膠結(jié)材料占比70%，水占比30%，膠結(jié)材料和尾砂的質(zhì)量比約為1∶8，充填料漿密度計(jì)算公式：

式中，ρm為充填料漿密度，g/cm3；ρi為各充填材料的密度，膠結(jié)劑、尾砂、水分別取1.25、2.75、1.0 g/cm3；Gi為各充填材料單位體積密度，膠結(jié)劑、尾砂、水分別取0.078、0.622、0.3 g/cm3。

經(jīng)計(jì)算，充填料漿密度ρm＝1.764 g/cm3。

3.4 顆粒沉降阻力系數(shù)Cx

充填體在輸送過(guò)程中，所含顆粒沉降阻力系數(shù)和顆粒的粒徑、料漿流動(dòng)速度、料漿的濃度有關(guān)，顆粒沉降阻力系數(shù)計(jì)算公式：

式中，Cx為顆粒沉降阻力系數(shù)；dcp為顆粒粒徑，取0.67×10-3m。

經(jīng)計(jì)算，顆粒沉降阻力系數(shù)Cx=0.76。

3.5 管道清水水力坡度i0

輸送管道一般在安裝后固定，管道清水水力坡度相對(duì)固定，是其工況固有特性。管道清水水力坡度計(jì)算公式：

經(jīng)計(jì)算，管道清水水力坡度i0=0.095。

3.6 料漿水力坡度ij

利用金川公式來(lái)計(jì)算水力坡度：

式中，ij為料漿水力坡度；mt為料漿濃度，取70%。

經(jīng)計(jì)算，料漿水力坡度ij＝0.483 6。

3.7 管道輸送總水頭壓H

管道輸送總水頭壓H，計(jì)處公式：

式中，L為充填管道總長(zhǎng)度，取1 322 m；Z1為充填管道排放口高程，取-450 m；Z2為充填立孔上端高程，取-70 m；ρm為料漿密度，取1.764 g/cm3；ρ0為水密度，取1.0 g/cm3。

經(jīng)計(jì)算，管道輸送總水頭壓H=-52.7 MPa，表明管道內(nèi)為負(fù)壓，充填管道內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)自流輸送，料漿可以自流到采場(chǎng)中。

4 工程應(yīng)用

銅陵有色控股安慶月山礦業(yè)公司在所屬的龍門山礦區(qū)E-6采場(chǎng)采用上述充填參數(shù)進(jìn)行膠結(jié)充填，首先在采場(chǎng)上向充填井內(nèi)架設(shè)充填管道，在距離充填放料口3～5 m的輸送管道處，安裝回水管、管道三通和閘筏。充填料漿在自流狀態(tài)下，從-480 m輸送到-450 m水平，到達(dá)采場(chǎng)空區(qū)最高處，向上揚(yáng)送高程約30 m，在充填過(guò)程中未發(fā)生堵管現(xiàn)象，充填下料口處充填料漿流速在1.5～2.3 m/s。在充填料漿停止輸送后，及時(shí)利用閘筏和管道三通完成充填后的管道清洗，歷時(shí)3個(gè)月完成了整個(gè)采場(chǎng)的膠結(jié)充填，并在采場(chǎng)頂板處完成膠結(jié)體接頂。

5 結(jié)論

（1）基于流體力學(xué)理論，對(duì)合理工作流速v、管道摩擦阻力系數(shù)λ、充填料漿密度ρm、顆粒沉降阻力系數(shù)Cx、管道清水水力坡度i0、料漿水力坡度ij、管道輸送總水壓頭H共7項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，分析其對(duì)于高濃度全尾砂充填料漿管道輸送阻力的影響程度，得出在合理的料漿充填參數(shù)下，高濃度全尾砂膠結(jié)充填砂漿在管道內(nèi)存在連續(xù)負(fù)壓，可實(shí)現(xiàn)料漿自流上向輸送，從而為今后類似上向充填管道輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

（2）安慶月山銅礦全尾砂膠結(jié)料漿主要由尾砂、膠結(jié)劑和水組成，其中尾砂與膠結(jié)材料占比70%，水占比30%，膠結(jié)材料和尾砂的質(zhì)量比約為1∶8，充填料漿在自流狀態(tài)下可從-480 m輸送到-450 m水平，揚(yáng)送高程約為30 m，充填下料口處充填料漿流速在1.5～2.3 m/s，充填過(guò)程中未發(fā)生堵管現(xiàn)象。