孫永茂 張海明 黃明杰 劉志勇

（安徽馬鋼礦業(yè)資源集團有限公司）

張莊礦1#、2#充填鉆孔在投用以來，已經累計完成井下420萬m3的充填，目前服務-450 m中段的1#充填鉆孔已經磨通、堵孔，不能繼續(xù)服務井下充填。據(jù)觀察分析，2#充填鉆孔管壁亦磨損嚴重，若再次發(fā)生磨通，將嚴重影響-450及-390 m這2個中段的充填效率及進度，且重新施工鉆孔時間長、費用高。為此，須研究在備用充填鉆孔較少的情況下，維護充填鉆孔穩(wěn)定運行的方案，以保障井下充填穩(wěn)定。

1 充填鉆孔內管道磨損影響因素

充填管道主要是作為輸送充填料漿用，從而可知水灰比、灰砂比、料漿濃度、骨料硬度系數(shù)、顆粒配比、坍落度、出漿口壓力、內襯材質、鉆孔直徑、鉆孔偏斜率、充填倍線、施工質量、充填技術人員素質等因素，均影響了充填鉆孔的使用壽命。李耀武等［1］以層次分析法得出影響充填鉆孔各磨損因素的所占權重，其中偏斜率、管道參數(shù)、施工質量、料漿濃度、充填倍線等對充填鉆孔的使用壽命影響尤為突出，分別為35.3%、9.8%、9.4%、6.8%、4.7%。結合張莊礦充填現(xiàn)狀，將從充填料漿濃度、充填管道規(guī)格及材質、充填倍線、充填豎直管道內料漿界面高度等方面進行分析。張莊礦充填管路布置如圖1所示。

1.1 充填料漿特性的影響

充填鉆孔內管道磨損是由于輸送充填料漿引起的，充填料漿的特性直接影響著管道的磨損程度。在其他條件相同的情況下，充填料漿的濃度越高，骨料剛度及顆粒越大，充填管道的磨損程度越厲害［2］。

張莊礦尾礦中主要含有二氧化硅，其硬度系數(shù)f為12～17，整體硬度系數(shù)較大。骨料為選廠尾砂，選廠全尾砂基本物理性質參數(shù)見表1，全尾砂粒徑級配分析表明，其平均粒徑為31.15 μm，比表面積為606 m2/kg，全尾砂粒徑偏細，屬于超細全尾砂。70%料漿濃度下的參數(shù)如表2所示。

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1.2 充填管道型號及材質的影響

在充填材料相同的條件下，管道磨損與所選管道材質密切相關，帶有耐磨內襯的管道使用壽命是普通鋼管的數(shù)倍或數(shù)十倍，其次還與管徑有關。管徑越小，磨損越大，反之磨損越小。張莊礦充填管豎直管及水平管分別采用?180 mm×17 mm、?180 mm×15 mm雙金屬耐磨管，為耐磨性能比較好的充填管道。管道因材質及管徑的不同，其粗糙度取值也不同。

1.3 充填倍線的影響

充填倍線是影響充填管道磨損程度的重要因素之一。充填中理想的情況是充填料漿在水平管輸送過程中的阻力與豎管中充填量料漿產生的壓力相互平衡，使得充填料漿在管道中保持勻速流動。充填倍線越小，充填料漿在水平橫管流動的阻力越小，則料漿在管道內的流速越大，充填管磨損越厲害［3］。

1.4 充填管道中空氣砂漿交界面的影響

理想的充填過程中，管道內的壓力分布如圖2所示，料漿在進入充填豎直管道后在重力和空氣阻力的作用下加速下落，達到空氣與砂漿面時料漿的速度達到最大，對充填管道壁的磨損程度也最厲害。整個過程可簡單的認為充填豎直管道內充填料漿的重力與水平管道內料漿的管道阻力形成動態(tài)平衡，充填料漿以一特定的速度勻速流出管道。當充填料漿輸送過程中出現(xiàn)不滿管情況下，料漿在豎直管道中加速下落過程中，使料漿形成射流狀態(tài)，形成氣泡，從而加重管道的氣蝕磨損［4］。

由漿體與粒狀物料輸送水力學可知［5］，氣泡的潰滅時間可小于10-3s，產生的壓力可達109～1010Pa。料漿的不滿管會加重管道的沖蝕磨損，沖蝕與速度之間的關系式：

式中，ξ為速度指數(shù)；k為常數(shù)；u為沖蝕指數(shù)；n為速度指數(shù)，對漿體來說，1.62≤n≤2.12。此外，沖蝕磨損程度還與骨料的粒度、硬度及形狀有關，粒度越大、硬度越大，造成的沖蝕磨損也就越大。

砂漿界面高度的經驗計算公式［1］：

式中，γj為充填料漿的密度，kg/m3；H為充填管中砂漿界面高度，m；ij為充填料漿的水力坡度；L為水平管長度，m。

根據(jù)公式（2），增大H可以減少自由下落區(qū)域的高度，有效降低料漿對充填管的磨損程度。

張莊礦充填系統(tǒng)在進行充填作業(yè)過程中，經過觀察得知，充填豎管內并未形成滿管狀態(tài)。從以上分析可知，豎管中未形成滿管是導致張莊礦充填管路磨損的主要因素。

2 采取的措施方案

結合以上因素及張莊礦充填特性，經研究后決定采取增加充填倍線及增加電動控制閥門來實現(xiàn)充填管路中的料漿流量控制。

2.1 適當增加充填倍線

在改造前，張莊礦-390 m水平充填管路地表標高為+33.8 m，水平管路敷設標高為-393.593 m，水平管道總管長L=678.4 m，充填倍線N=（L+H）/H=2.6。因充填倍線小，充填料漿在管路內的流動速度較大，導致管路磨損嚴重。對于自流的充填方式，充填倍線在1.5～6時較為合理，如果充填倍數(shù)低于下限值時會導致料漿在管道內的流速過大，管道磨損嚴重；充填倍數(shù)大于上限時，料漿輸送過程中產生的沿程阻力太大，料漿流速減小，存在管道堵塞風險。對于張莊礦目前充填倍線情況，經過多次試驗，增加水平管道900 m，此時充填倍線N=4.7。結合水力坡度計算公式［6］，計算得在增加900 m管道時，總水壓頭為負值，證明在此濃度下，可實現(xiàn)充填料漿的自流。

2.2 水平管道內增加控制閥門及流量計

在充填橫向管路增加流量計及前后位置增加2個電動閥門，通過流量計實現(xiàn)實時觀察充填流量的大小，與地表充填站流量計進行對比，完成整個充填管路的流量控制，通過電動閥門的開閉程度來調節(jié)豎直管路中的料漿滿管液面高度。

3 改造效果

3.1 實施效果

本次充填管道的改造旨在延長充填管道使用壽命，確保在現(xiàn)有充填鉆孔的數(shù)量下，滿足張莊礦各個階段的礦房充填。實際上，在對充填管道進行以上改造后，不但減緩了充填管道中的料漿流動速度，而且使得充填管道豎管內的液面得到有效控制，大幅減緩了料漿對充填管道壁的沖刷，大大降低了管道磨損。此方法預計可使張莊礦充填管道的使用壽命延長2～3倍。

3.2 實施效益

據(jù)測算，張莊礦每施工1個充填鉆孔所需費用約為80萬元，張莊礦-390，-300 m中段合計充填量約為2 000萬m3，共需充填鉆孔數(shù)10個。但在對現(xiàn)有充填管道進行優(yōu)化改造后，一套充填倍線改造裝置可使鉆孔充填量增至500萬m3以上，僅需4個充填鉆孔就可以完成所有充填任務，充填管道改造費用為40萬元/套，可直接節(jié)約施工費用200萬元。

4 結語

通過結合礦山實際，對充填管道磨損的影響因素進行分析，采取增加水平管道長度、在水平管路上增加調節(jié)閥門等措施，來解決張莊礦充填中出現(xiàn)的問題，延長了充填管道的使用壽命，減少維修量，對國內類似礦山具有一定的參考價值。