深井礦山高濃度充填料漿自流輸送管道磨損研究

深井礦山高濃度充填料漿自流輸送管道磨損研究

隨著國家安全環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，“綠水青山就是金山銀山”的發(fā)展理念和政治觀念的指導(dǎo)下，充采法具有良好的安全因素滲透性、高回收率、低環(huán)境破壞、低最終開采利用率和高可有效控制深層土壤壓力等優(yōu)點(diǎn)。國內(nèi)外許多專家學(xué)者對礦山充填自流充填管道磨損進(jìn)行了研究。如：美國材料試驗(yàn)學(xué)會(huì)采用經(jīng)典米勒試驗(yàn)測定料漿的米勒數(shù)，對其磨損性能進(jìn)行評估因此，本文以云南某礦山深井高濃度自流充填實(shí)踐為基礎(chǔ)，從充填料漿自流管道輸送管爆機(jī)理、動(dòng)量和能量守恒角度分析，采用ANSYSFLUENT軟件進(jìn)行三維數(shù)值模擬，結(jié)合礦山充填管道管壁實(shí)際監(jiān)測結(jié)果對深井礦山自流充填管道磨損研究，分析充填管道磨損影響因素及其關(guān)系，提出有效降低管道磨損方法及措施，為礦山充填管道輸送系統(tǒng)持續(xù)、穩(wěn)定、安全、高效運(yùn)行提供技術(shù)保障。1礦山填充系統(tǒng)的總結(jié)云南某礦山充填系統(tǒng)自2006年開始使用，現(xiàn)礦山主要采用高濃度自流輸送充填，年充填能力約18萬m2深部礦山自流填充管道磨損機(jī)2.1充填料漿在管道內(nèi)的垂直行道在采用自流充填管道輸送礦山，充填漿體進(jìn)入豎直管路或鉆孔后會(huì)自由落體運(yùn)動(dòng)，直至空氣-砂漿交界面。根據(jù)文獻(xiàn)通過模型研究分析可發(fā)現(xiàn)：高濃度充填料漿在鉆孔或管道內(nèi)會(huì)有自由下落區(qū)，主要做勻加速運(yùn)動(dòng)。當(dāng)充填漿體流速達(dá)到某一值后，充填鉆孔（或豎直管道）內(nèi)的充填料漿會(huì)收縮，甚至脫離充填鉆孔孔壁（或豎直充填管道管壁）形成收縮流區(qū)；當(dāng)充填料漿流速繼續(xù)加大超過某一值時(shí)，充填料漿運(yùn)動(dòng)狀態(tài)再次發(fā)生變化，會(huì)形成散射流區(qū)域，若充填骨料中含有機(jī)制砂、水淬渣或戈壁砂，其散射區(qū)的滾動(dòng)或不連續(xù)跳躍運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象越明顯。2.2局部管道破壞根據(jù)深井礦山充填料漿管道輸送過程中充填料漿流動(dòng)特點(diǎn)，由于充填料漿流動(dòng)不穩(wěn)定，在局部管道瞬時(shí)淤塞會(huì)引起上游充填管道內(nèi)漿體產(chǎn)生壓力波水擊；或鉆孔、斜井腳、斜坡道腳與水平充填管道連接處因速度變化形成余壓后，可能易產(chǎn)生真空彌合水擊現(xiàn)象，易產(chǎn)生氣蝕，從而導(dǎo)致管道破壞。根據(jù)水擊現(xiàn)象可建立水擊波波速計(jì)算公式式中：E2.3充填管道長度和厚度設(shè)計(jì)根據(jù)深井礦山充填料漿自流輸送充填鉆孔或管道磨損位置主要在空氣-砂漿交界面，從動(dòng)量與能量角度分析研究其磨損機(jī)理。深井礦山自流充填料漿空氣-砂漿交界面料漿流速：深井礦山自流充填料漿在空氣-料漿交界面深井礦山自流充填料漿能量守恒方程推導(dǎo)出空氣-料漿交界面高度式中：s—充填管道橫截面積，m通過方程及文獻(xiàn)研究表明，料漿的密度、流量、流速、料漿下落高度與充填鉆孔（充填管道）壁面有效接觸面積和管道磨損程度成正比；與充填自流輸送管徑成反比。因此，在礦山實(shí)際充填設(shè)計(jì)中根據(jù)空氣-料漿交界面高度合理設(shè)計(jì)充填鉆孔長度和水平管道長度。即合理控制充填倍線，從而實(shí)現(xiàn)合理控制充填鉆孔或豎直充填管道的目的。3影響因素分析：深井自流填充管道磨損3.1充填材料顆粒形狀、充填料漿腐蝕關(guān)系根據(jù)云南某礦山十多年來的實(shí)際充填生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，充填料漿特性是自流輸送充填管道磨損主要影響因素之一，對充填管道磨損速率起著至關(guān)重要作用。其主要表現(xiàn)為：1）深井礦山自流充填料漿濃度越大，充填管道磨損速率越大。2）充填骨料顆粒形狀對管道磨損有較大影響，隨著骨料剛度、粒度和顆粒形狀的增大，自流充填管道磨損速率呈增大趨勢。近年礦山在充填骨料中添加機(jī)制砂代替水淬渣后，由于機(jī)制砂的顆粒形狀、大小和剛度均大于水淬渣，雖提高了礦山充填體強(qiáng)度，但由于機(jī)制砂棱角尖銳、不規(guī)則顆粒較多，對礦山充填管道磨損較嚴(yán)重。3）充填料漿的腐蝕性對自流充填管道磨蝕性也有較大影響，強(qiáng)酸或強(qiáng)堿充填料漿均會(huì)造成充填管道磨蝕。因此，在礦山實(shí)際充填中要全面掌握充填料漿的化學(xué)性能，優(yōu)化充填配比，合理控制料漿pH值，充填料漿制備過程中要有效降低料漿中氧含量3.2充填鉆孔磨損根據(jù)云南某礦山1#、2#、副3#、4#和5#充填鉆孔自流輸送相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析研究可得出以下規(guī)律：1）充填鉆孔布置方式、材質(zhì)、偏斜率等與鉆孔磨損有極大關(guān)系，鉆孔偏斜率越大，鉆孔磨損越嚴(yán)重。充填鉆孔磨損主要集中在鉆孔入口處、空氣-料漿交界面和鉆孔腳三處，尤其鉆孔中下部空氣-料漿交界面磨損最為嚴(yán)重，其余位置磨損較小。2）礦山充填量與鉆孔磨損呈線性相關(guān)，充填量越多對充填鉆孔磨損越大。云南某礦山充填鉆孔自流充填輸送量達(dá)80萬m3）在采用自流充填管道輸送礦山，滿管輸送對充填鉆孔磨損要遠(yuǎn)小于不滿管輸送。自流輸送時(shí)充填鉆孔很難實(shí)現(xiàn)滿管輸送，只能采用變徑管、合理控制鉆孔長度和水平管距離實(shí)現(xiàn)接近滿管流輸送狀態(tài)。4）隨自流充填管道輸送管道直徑增大，自流充填管道磨損率減小。結(jié)合云南某礦山實(shí)際和國內(nèi)外研究成果，垂直鉆孔直徑最優(yōu)順序排序3.3管道材質(zhì)特性通過統(tǒng)計(jì)云南某礦山四種管道材質(zhì)———高質(zhì)量加厚無縫鋼管（壁厚22mm）、塑鋼耐磨管、地泵錳鋼管、聚乙烯管，結(jié)合國內(nèi)外充填管道材質(zhì)研究結(jié)果表明：1）耐磨管抗耐磨性比普通管強(qiáng)，聚乙烯管安裝比較輕便，但其抗壓性和耐磨性較差，只適合在采場進(jìn)路內(nèi)及口部短期使用。同種材質(zhì)充填管道壁厚越厚，其耐磨性越好，管道壽命也越長。2）深井礦山自流輸送充填中流量相同時(shí)，管徑越大充填管道磨損率越小。3）深井礦山自流輸送充填管道彎管角度越大，充填管道磨損率就越大。相同條件下直管磨損率最小，15°彎管次之，90°彎管最大。3.4自流充填料漿輸送充填倍線對深井礦山自流充填管道磨損有較大影響。深井自流充填管道總倍線或分段倍線太小均容易導(dǎo)致充填鉆孔（或豎直充填管）管段中自由落體區(qū)域高度變大，從而導(dǎo)致自流充填料漿到達(dá)空氣-料漿交界面時(shí)速度、散射流區(qū)域、彈狀流區(qū)域過大，充填料漿中機(jī)制砂（水淬渣）會(huì)在散射區(qū)滾動(dòng)或不連續(xù)跳躍運(yùn)動(dòng)，對充填鉆孔或豎直充填管道管壁沖擊力和管道輸送壓力越大、磨損越嚴(yán)重，減少充填管道壽命，甚至可能造成充填鉆孔（或管道）破壞。而充填倍線過大則會(huì)造成管道阻力過大，難以實(shí)現(xiàn)自流輸送。因此，在礦山實(shí)際充填要控制合理充填倍線，根據(jù)云南某礦山實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和國內(nèi)外研究結(jié)果表明：自流充填合理充填倍線在4左右為最優(yōu)。4anas方法及模擬結(jié)果分析云南某礦山目前主要采用自流充填輸送，為較好研究礦山自流輸送充填管道磨損情況，結(jié)合礦山充填實(shí)際充填管路，選擇礦山QL廠1451m中段采場為模型構(gòu)建。充填管線：地表充填制備站→副3#鉆孔→2053m中段平巷道→4#鉆孔→1751m中段平巷→2#斜井（29°）→1571m中段平巷→1571m中段至1451m中段斜坡道（9°）→1451m中段平巷→1451m中段（圖3），充填管線長度為4295m，充填倍線為3.95。用ANSYSFLUENT軟件中前處理程序Gambit生成計(jì)算區(qū)域幾何體，再進(jìn)行有限元?jiǎng)澐?。本次主要采用配比?.5∶0.5∶1.35（尾砂∶機(jī)制砂∶水泥）、濃度78%、料漿密度為2040kg/m由三維數(shù)值模擬研究結(jié)果和深井礦山自流充填管道管壁監(jiān)測實(shí)際數(shù)據(jù)（表1）可得出：1）深井礦山自流充填管道輸送中存在“邊界效應(yīng)”，在管壁處動(dòng)壓、總壓和流速為零或接近零。水平管道在管道中心稍偏下區(qū)域存在“流核區(qū)”，該區(qū)域動(dòng)壓、總壓和流速最大；沿著該區(qū)域向充填管道壁呈梯度減小趨勢對稱分布。結(jié)合充填管道壁厚監(jiān)測數(shù)據(jù)表明：水平管道磨損位置主要在充填管道下部、左右兩側(cè)管壁，上部充填管道基本無磨損。因此，為延長充填管道壽命，可定期對充填管道進(jìn)行翻轉(zhuǎn)使用。2）深井礦山自流充填管道90°彎管和15°彎管中，自流充填料漿最大動(dòng)壓、總壓和最大流速主要分布在彎管處靠近彎管圓心向外方向。因此，在該部分磨損最嚴(yán)重，且充填彎管角度越大，其磨損越嚴(yán)重；而充填彎管圓心向內(nèi)方向自流磨損較小。表明深井礦山自流充填管彎管曲率半徑越小，充填料漿流向越易發(fā)生急劇改變，深井自流充填料漿對管壁法向沖擊力越大3）在深井礦山自流充填中隨自流充填料漿質(zhì)量濃度和流速增大，充填鉆孔和管道磨損越大。5充填管道磨損控制深井礦山自流充填生產(chǎn)中合理有效降低自流充填管道磨損的技術(shù)措施一直是許多礦山面臨的技術(shù)難題。根據(jù)國內(nèi)外研究成果和云南某礦山長期實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，可采取以下措施達(dá)到降低深井礦山自流充填管道磨損目的。1）在深井礦山自流充填中盡可能實(shí)現(xiàn)自流滿管流輸送，可有效降低自流充填料漿對管道磨損。2）對于深井礦山自流輸送充填倍線過小或壓力過大的礦山，可采用降壓輸送系統(tǒng)或增阻輸送系統(tǒng)，降低充填料漿對管壁的壓力。同時(shí)，在充填管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要合理控制充填倍線，將充填倍線控制在4左右。3）深井礦山自流充填水平管段管道的磨損以底部管壁和左右管道管壁磨損為主，上部充填管道管壁基本無磨損，為延長充填管水平管道使用壽命，可定期對管道進(jìn)行翻轉(zhuǎn)使用?；蚩刹扇√刂萍雍衲湍ゲ牧?、加大彎管曲率半徑、采用丁字管或緩沖盒彎頭等方式來減小管道磨損。4）對于深井礦山自流充填鉆孔或豎直充填管道提高管道安裝，有效提高充填鉆孔或充填管道的非同心度，確保充填垂直度、同心度偏差在±0.5%。5）深井礦山在選擇充填管道材質(zhì)時(shí)，根據(jù)礦山自流充填實(shí)際情況合理選擇充填管道材質(zhì)，確保礦山安全輸送又能低成本。6深井礦山自流充填管道磨損研究1）根據(jù)云南某礦山深井自流充填實(shí)際情況，對深井礦山自流充填料漿在管道輸送的運(yùn)動(dòng)機(jī)理、破壞機(jī)理和磨損機(jī)理進(jìn)行了研究。通過高濃度自流充填料漿的速度、動(dòng)量和能量守恒角度對管道磨損機(jī)理進(jìn)行分析，得出深井礦山充填鉆孔或豎直管道的最大磨損位置在空氣-砂漿交界面。2）分析了深井礦山自流充填礦山的充填料漿特性、充填鉆孔、充填管道材質(zhì)參數(shù)、充填倍線與自流充填管道磨損關(guān)系，得出充填料漿骨料組成、化學(xué)性質(zhì)、濃度和流速，充填鉆孔和管道