粗骨料充填料漿長距離管道輸送關鍵技術

楊志強，陳得信，高　謙，馬　龍，鄒　龍

(1.北京科技大學土木與環境工程學院, 北京100083;2.鎳鈷資源綜合利用國家重點實驗室, 甘肅金昌737100)

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粗骨料充填料漿長距離管道輸送關鍵技術

楊志強1, 2，陳得信2，高謙1，馬龍1, 2，鄒龍1, 2

(1.北京科技大學土木與環境工程學院, 北京100083;2.鎳鈷資源綜合利用國家重點實驗室, 甘肅金昌737100)

粗骨料充填料漿長距離管道輸送存在管道磨損嚴重、管道接頭頻繁以及堵管處理困難等問題，是充填法安全高效生產亟待解決的關鍵技術。文中針對金川二礦區充填管網系統和充填工藝，開展了耐磨管選擇、柔性接頭和導水閥研制以及充填管道堵塞處理新方法研究。通過不同耐磨管材的試驗，選擇了直徑Φ133 mm鉬鉻雙金屬和剛玉(陶瓷)兩種耐磨管，并針對采用剛性耐磨管存在接頭困難問題，研制了柔性接頭裝置。該裝置一端為帶卡盤的伸縮頭，另一端為球形帶卡盤結構的萬向頭，并由密封的伸縮套管和輔助配件連接。針對管道引流清洗水進入采場后降低了充填強度，研發將洗管水排出采場的導水閥裝置。該裝置是由閥體、閥板和曲柄連桿組成，呈現“卜”字狀。裝置一端連接井下供水管，另一端連接充填管，兩端由塑料管連接，形成處理堵管的自備管水系統。研究結果表明：耐磨管延長了管道使用壽命；柔性接頭縮短耐磨管接頭時間；導水閥避免引流洗管水進入采場；堵管處理新方法保證了充填作業的安全與連續。文中所提出的關鍵技術在金川二礦區應用時充填作業時間由12.46 h/d提高到14.35 h/d，充填系統故障停車率由1.36 次/萬m3降到0.99 次/萬m3。

粗骨料充填料漿；長距離輸送；管道磨損；柔性接頭；關鍵技術

0　引　言

隨著充填法采礦生產能力的提高，高濃度大流量管道輸送技術在充填法采礦中得到了推廣應用。礦山充填物料的多樣性、開采技術條件的復雜性以及采礦方法的多種性，使得料漿管道技術面臨諸多技術難題。充填采場管網布設、鉆孔設計與施工、管道磨損與修復等關鍵技術，不僅關系到充填采礦生產能力，而且還直接影響充填采礦成本和安全生產。為此，國內學者對此開展了廣泛而深入研究。方志甫[1]針對安慶銅礦充填法采礦進行了充填管網優化研究，提出降低管道輸送阻力及壓力的措施。陳發吉等[2]對沙壩土礦磷石膏充填管路設計、布置以及管網參數進行研究。鄧代強等[3]針對吳集鐵礦全尾砂充填法采礦，開展了大流量高濃度充填管網設計與參數優化。姚振鞏[4]和肖云濤等[5]針對深井充填料漿管道輸送管道磨損問題，提出了多臺階管道布置、垂直與水平管段直徑優化和垂直鉆孔結構的三種管網布設方式，最終給出減小管道磨損的優化布設方式。礦山充填管道敷設在圍巖鉆孔中，鉆孔施工技術在很大程度上影響管道磨損與使用壽命。黃才啟[6]分析了影響充填鉆孔使用壽命因素和充填施工的難點，總結充填鉆孔施工方法和質量的控制技術與措施。劉兆滿[7]總結了焦家金礦寺莊分礦充填鉆孔的設計、施工與管理經驗，強調施工管理對鉆孔施工質量和使用壽命起到重要作用。杜先鋒[8]針對喀拉通克鎳礦充填鉆孔頻繁堵塞問題，提出并實施充填鉆孔注漿工藝，實現對耐磨鋼管孔內和井內的可靠固定。曾有研究者開展了充填鉆孔磨損機理與影響因素研究，揭示了鉆孔偏斜率是影響鉆孔使用壽命的重要因素[9-12]；充填料漿在鉆孔中高速自由降落沖擊局部彎管，是導致深井充填管道磨損的主要因素。張欽禮等[13-14]和薛希龍等[15]分別開展充填鉆孔健康狀況評價和使用壽命預測研究。陳娟等[16]開展改性鋼管全再生粗骨料混凝土短柱的軸壓試驗研究，得到各規程在計算鋼管全再生骨料混凝土承載力時的適用性。上述研究對我國充填法采礦充填料漿管道設計、施工、使用與充填管理起到了指導和借鑒作用。Zhang等[17-18]開展了粗骨料料漿管道輸送流變模型以及管道阻力研究，Li等[19]進行了鐵礦長距離管道循環輸送理論和方法研究，由此確定料漿濃度與管阻的關系。

金川鎳礦是我國最大的硫化銅鎳礦床，也是我國最早的充填礦山之一，目前已經建成年產近1×107t的地下充填法礦山。前人針對金川礦山深埋、高應力和破碎圍巖的采礦技術條件，開展了高濃度和膏體充填采礦技術的理論研究和工程實踐，在充填鉆孔設計、施工管理與鉆孔修復等方面獲得了豐富的工程經驗[20-22]。

在充填法采礦生產中，充填管材選取、管道連接以及堵管事故處理與防控技術等關系到管道使用壽命和充填采礦生產能力。尤其是充填作業前后的引流與洗管水處理，嚴重影響充填體強度與充填體質量。為此，本研究針對金川礦山棒磨砂粗骨料充填料漿管道磨損問題，開展了耐磨管的選擇以及耐磨管柔性接頭裝置的研制。為了提高充填體質量和充填連續作業，開展導水閥研制以及充填管道堵塞處理方法研究，由此開發出滿足棒磨砂料漿充填耐磨管柔性接頭，提出深井長距離高濃度棒磨砂充填料漿管道輸送的堵管處理方法和防控技術，旨在為金川礦山充填法采礦產能提升和降低充填采礦成本提供技術支撐，為類似礦山充填管材選擇、充填堵管事故處理與防控提供寶貴的參考經驗。

1　充填料漿耐磨管選擇與應用情況

金川鎳礦棒磨砂自流充填料漿特性和輸送流速對充填管道磨損影響顯著。原來采用Ф133 mm和Ф103 mm無縫鋼管作充填管，料漿輸送量僅20×104m3左右。隨著充填量增大，因管路磨損導致充填過程的不正常停車的故障率增加。通過3年多不同耐磨管材試驗與比較分析，選擇了直徑Ф133 mm鉬鉻雙金屬和剛玉(陶瓷)兩種耐磨管。耐磨管道的單節長3 m，采用卡箍連接，能夠滿足高流速、高壓力和高磨損的自流充填輸送要求。在此基礎上，對井下管線實施標準化改造，將主充填系統所有普通鋼管全部替換為耐磨管，并將充填回風道內的非標管全部替換統一尺寸的標準管，從而提高了互換性，加快更換管線速度，減少勞動強度，也提高了充填系統的純作業時間。近年來的使用情況表明，鉬鉻雙金屬耐磨管能夠承受深井高速降落的料漿的沖擊，彎管及鉆孔底部的抗磨損效果顯著，充填耐磨管道及卡箍連接如圖1和圖2所示。將充填彎管更換為此耐磨管的管材性能以及所獲得的經濟效益見表1。

圖1　Ф133 mm的雙金屬耐磨管Fig.1　Double metal wear-resisting pipe with Ф133 mm

2　充填管道耐磨柔性接頭研制與應用

2.1充填管路切換存在的問題

二礦區井下采空區充填是通過分布在井下的鉆孔及與之相連的管網將充填料漿輸送到各個采場。目前井下有7個采礦作業平面，分布在1 600、1 350、1 250、1 200、1 150、1 100、1 000 m水平。其中，1 600 m與1 350 m兩個水平為井下充填主工作面，1 250 m與1 150 m兩個水平承接井下1 000 m中段各盤區采場充填的主連接工作，1 200 m水平為副中段，承接1 150 m中段各盤區采場充填的連接工作。所有充填系統在1 350 m水平通過切換管道接口，實現對1 150 m和1 000 m兩個中段的充填，1 200 m副中段與1 150 m中段在各盤區口通過切換管道接口，實現對各盤區內的充填作業。目前井下1 350 m、1 250 m、1 200 m、1 150 m中各中段都需要根據采場位置和充填情況隨時進行系統切換。

圖3　耐磨柔性接頭圖Fig.3　Flexible joint of wear-resistant pipe

傳統切換方式是打開固定的充填管快速接頭，采用撬棍將待充填采場管路的管頭撥到相應的充填系統的管路對上管口，然后再固定快速接頭。由于井下充填管線更換為Ф133 mm剛性耐磨管，因此，管頭屬于剛性聯接，倒口管管頭位置的改變使管道中心線偏斜，對口時通過調整管口前后長達30～40 m的管線才能實現，有時還需加工小短接實施強行對接，每次切換作業時間長，一般情況下為70～80 min，個別中段多系統充填時，管線交叉切換作業時間甚至長達兩個小時。這不僅使工人勞動強度增大，同時也制約著充填法采礦的生產效率。

針對充填管道切換存在的問題，研制如圖3所示的充填管道剛性耐磨管的柔性接頭。該接頭一端為帶卡盤的伸縮頭，另一端為球形帶卡盤結構的萬向頭，通過中間帶有密封裝置的伸縮套管和輔助配件連接。

2.2充填管路柔性接頭的特點

充填管路柔性接頭具有以下特點：

①一端可伸縮的伸縮頭，可解決管線在被撬動后管線路徑長度發生變化而導致線發生位移后無法對接的困難。設計最大可調節位移200 mm。

②借鑒萬向頭原理，將管道一端帶卡盤、另一端設計成球形形成萬向接頭。嵌入帶密封組件的伸縮套管與萬向頭的套管內，將兩者用螺栓連接。萬向頭沿軸向與徑向在形成45°夾角范圍內可實現360°旋轉。此設計解決在倒口作業中管線發生位移產生管道與管道不同心，從而產生偏斜而無法對接的問題。

③在伸縮套管與萬向頭套管形成的空腔內裝上兩只聚胺脂成型密封圈，以解決由于球型管旋轉而產生的密封問題。擰緊螺栓達到密封效果，保證萬向頭旋轉后接頭密封良好。通過現場水壓試驗表明壓力達到9 MPa以上仍能保持良好的密封，滿足充填管線中最大壓力為6 MPa的接頭要求。

④在伸縮頭及萬向頭中充填料漿通過的地方，將管道內壁加裝耐磨層，延長柔性接頭的使用壽命，實現節約成本的目的。

2.3充填管路柔性接頭的優點

充填管路柔性接頭具有以下優點:

①耐磨柔性接頭的管內襯陶瓷層為剛玉，維氏硬度在1 300～1 500 HV，相當于HRC90以上，適應井下充填料漿高速輸送所要求的耐磨強度，使用壽命為普通管材的7倍以上。

②耐腐柔性接頭的內襯中性材料具有較強的耐酸、堿、鹽的腐蝕。

③管道沿程阻力損失系數較小，普通鋼管為0.0195，而耐磨鋼管為0.0193。

④安裝維修方便，其重量是同內徑鑄石復合管重量的1/3，比耐磨金屬鋼管輕30%，加上萬向與伸縮使其耐磨管道的安裝維修都十分方便。

3　充填導水閥的研究及其在充填中應用

3.1充填前后管道清洗存在的問題

為了保證充填管路暢通，在充填作業前后，通常要利用壓風試管，采用水和水泥漿對充填管路進行4～5 min的引流、清洗和潤滑后才能正常進入高濃度充填過程。任何原因造成中途停車和充填結束，都要根據充填使用管路的長短，對其進行6～8 min的清洗管路。統計結果顯示，充填管道的清洗從開車到停車，每次正常注入到采場中的清洗水達到7～12 t。按照進路充填打底800 m3充填量計算，進入采場清洗管道的水降低料漿濃度0.857%～1.35%，平均1.1%。試驗結果顯示，料漿濃度降低1%，充填體強度降低10%左右。由此可見，充填在開始和結束時的引流清洗水對充填強度產生顯著影響。

3.2充填導水閥結構與應用

針對充填引流清洗水對充填強度的影響，研制如圖4和圖5所示的充填導水閥。導水閥是由閥體、閥板和曲柄連桿機構等部件組成的“卜”字型結構。導水閥的進口、出口以及導水口為方形，其端部與法蘭焊接聯結。閥板由鋼板和具有密封功能且不易磨損的特殊膠皮聯接。閥體設計成45°角的料漿出口和導水口兩個輸出口。充填前放置在充填采場進路前的合適位置，將導水閥聯接在距離板墻5～6 m的充填管路中。為了便于開關閥門，將導水閥安裝在操作人員不借助任何工具就可接觸到的高度或地面上。導水閥進口與充填管聯接，出口與進路采場的管路聯接。導水口連接到塑料充填管直至到工區集中的排水處。

充填前導水時通過絲杠曲柄連桿機構推動閥板關閉出口并打開導水口，將充填開始時的清洗管道水和引流灰漿或充填過程中故障停車管路清洗水以及處理堵管水，通過該裝置直接排到采礦工區集中排水處，使水不能進入充填進路采場。在管道引流結束后，將閥板拉回，關閉導水口，同時打開出漿口位，進入采空進路正常充填作業狀態。充填結束后進行相反操作，再將充填結束后管路洗管水導出排到采場外。

圖4導水閥照片

Fig.4Picture of guide water valve

圖5導水閥結構圖

Fig.5Structure chart of guide water valve

3.3充填導水閥特點

充填導水閥具有以下特點：

①絲杠加力桿和曲柄連桿機構結合使用，開啟或關閉閥門，并將導水口角度進行調整后，減輕開啟閥門時的料漿阻力，使操作輕松可靠，開啟閥門一般在30 s左右的時間內完成。

②出漿口和導水口都具有密封性能，無料漿泄漏。

③導水安全可靠，導水效率可達到98%以上。

④導水閥結構輕，重量僅為15 kg左右，在采場安裝簡便、快捷，通常安裝閥門時間為10 min左右。

⑤導水閥操作安全，不需要借助工具，采用人力即可進行操作。

⑥采用導水閥可以明顯減少洗管水進入采場，從而提高進路充填體質量，降低充填成本。

4　充填作業管道堵塞處理方法研究

對于粗骨料高濃度充填料漿的管道輸送，在充填生產過程中不可避免堵管事故。造成堵管因素多種多樣，主要有突然停電、停水、較大碎石或雜物混入料漿中、以及爆管、調節閥失靈和鉆孔塌孔等。充填堵管后一般應在6～8 h內處理完畢，否則混凝土在管道內凝結會造成管道報廢，嚴重危害充填系統的使用。傳統的堵管處理方法是利用地表與井下高度差形成的水壓，再通過管路上的三通進行逐段處理。此處理方法適用于局部堵管或管路較短的堵管。對于經歷了幾十年開采的金川礦區來說，井下單套系統管線涉及7個中段，平均長度達到2 500 m左右，因此，堵管處理難度非常大。

根據金川礦山井下實際情況，提出了管道堵塞處理新方法：利用經過充填道的井下生產和返修的水管，采用Ф108 mm塑料管的一端與井下供水管路連接，另一端加工成帶Ф133 mm卡盤的短接與充填管路對接，再將水閥門設置在作業人員便于開啟的位置，由此形成井下處理堵管的自備管水系統。堵管作業人員根據需要隨意控制水量，且不受通訊系統限制。通過幾次堵管處理的工程實踐表明，這種堵管處理新方法的效果非常明顯。與傳統的堵管處理方法相比，其優點主要表現在以下三個方面：

①提高堵管處理效率，為堵管處理贏得時間，由此減少因堵管使管路報廢所造成的經濟損失。傳統的堵管處理方法是從1 600 m中段開始逐個中段處理，上個中段未處理完，后一個中段的作業人員只能被動等待。新處理方法在井下每個中段形成獨立的處理系統，每個終端的作業人員可以同時進行堵管處理作業，極大地提高了堵管工作效率，從而減少堵管處理時間。

②堵管處理用水量精確控制，而且還不受堵管作業通訊系統的影響。傳統的堵管處理方法，每打開一個三通都需要通過控制室聯系下水。由于充填管路長，沿程壓力損失大，耗水量也大，浪費水嚴重。同時還存在因通訊設備受潮無法正常聯絡的情況，因此影響管路處理效率。堵管處理的新方法，每個中段作業人員可以根據堵管情況控制所需要的用水量，加之供水管路短，壓力損失小，因此處理效率得到提高，同時還節約用水量。

③降低井下作業人員的勞動強度。管道堵管的傳統處理方法因供水管路長，沿程壓力損失大，每隔10 m左右就要打開一個三通，不僅浪費水，而且效率低。而堵管處理新方法由于供水管路較短，壓力損失小，每次可以處理30～50 m管線，由此大大降低了作業人員的勞動強度。

5　結　語

金川礦山開采深度接近千米，采用棒磨砂、廢石、河砂等粗骨料，實施高濃度、大流量、長距離和多中段管網系統充填采礦。因此，充填系統存在充填管道長、彎管多和管道頻繁切換充填作業的局面。尤其粗骨料和長距離管道輸送，導致管道阻力大和彎管磨損嚴重，堵管爆管風險增大。本研究開展耐磨管選擇、耐磨柔性接頭和導水閥裝置以及堵管處理方法研究與工程實踐，由此獲得以下幾點結論：

①將充填倒口作業的管線連接方式由剛性連接變為柔性連接，解決了充填倒口作業過程中的管口偏斜與位移問題，從而減少料漿泄漏難題，大大節約倒口作業時間，不僅提高了充填系統純作業時間和勞動生產率，而且還降低了職工勞動強度。

②充填導水閥的研究與應用，避免充填作業引流和洗管水進入進路采場，從而避免因引流和洗管水進入采場而降低充填料漿濃度，不僅提高了膠結充填體強度，而且還改善了充填作業環境。

③針對粗骨料高濃度充填料漿的長距離管道輸送不可避免的料漿堵管問題，以及金川礦山二礦區充填系統以及采場既有的工程，采用塑料管與充填管路對接，形成管道堵管自備水處理系統，實現對堵管用水量的自由控制，從而實現快速、簡便堵管處理新方法。

④通過金川二礦區膏體充填充填系統的關鍵技術攻關，找出了制約礦山充填連續作業和影響充填體質量的主要因素，從而保證了自流管道輸送系統的安全可靠和長時間運行，使充填系統純作業時間由12.46 h/d提高到14.35 h/d，充填故障停車率由1.36次/×104m3降到0.99次/×104m3。

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(責任編輯唐漢民裴潤梅)

Key technologies in long-distance pipeline transportation of filling slurry of coarse aggregate

YANG Zhi-qiang1，2，CHEN De-xin2，GAO Qian1，MA Long1, 2，ZOU Long1, 2

(1.School of Civil and Environmental Engineering, University of Science and Technology of Beijing, Beijing 100083, China; 2.National Key Laboratory of Nickel and Cobalt Resources Comprehensive Utilization, Jinchuang 737100, China)

There are many problems in long-distance pipeline transportation of filling slurry of coarse aggregate, such as severe abrasion of pipes, frequent connection of pipes and blocking in pipes, which are the key technologies to be solved for the safety and efficient production in filling mining. Considering the filling pipe network and filling process in No.2 Jinchuan mine, the studies on wear-resisting pipe selection, flexible joints, water guide valve and new method to handle filling blockage were carried out. Based on different tests, the two wear-resisting pipes, molybdenum chromium bimetallic pipe and corundum (ceramic) pipe, with a diameter of Ф133 mm were selected. In view of difficult connection between two rigid wear-resisting pipes, a device of flexible joint was developed. One end of the device is a telescopic head with chuck, and the other end is a spherical universal head also with chuck. Both of the ends are connected with sealing device and auxiliary accessories. In order to reduce the effect of clean pipe water on the filling strength, a water valve which can discharge water into stope was developed. The device is composed of valve body, valve plate and crank link. One end of the device connects underground pipes, and the other end connects filling tube. The two ends are connected by a plastic pipe, which forms a self-provided water system to process blocking pipe. The results show that the application of wear-resisting pipe extends the service life of pipelines, the application of the flexible joint to wear-resisting pipe reduces connecting time, water guide valve avoids wash pipe water entering the stope and the new method processing blocking pipe can ensure safety and continuous filling work. When the key technologies were used in the No.2 mining, operation time was increased from 12.46 h/d to 14.35 h/d and filling fault shutdown rate was reduced from 1.36 times/(104m3) to 0.99 times/(104m3) of the filling system.

filling slurry of coarse aggregate；long distance pipeline transportation；pipe wear；flexible joint；key technologies

2016-01-20；

2016-05-23

國家高技術研究發展計劃(863)(SS2012AA062405);鎳鈷資源綜合利用國家重點實驗室資助項目(金科礦2015-01)

高 謙(1956—)，男，江蘇徐州人，北京科技大學教授，博士生導師；E-mail:gaoqian@ces.ustb.edu.cn。

10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.1306

TD863

A

1001-7445(2016)04-1306-07

引文格式：楊志強，陳得信，高謙,等.粗骨料充填料漿長距離管道輸送關鍵技術[J].廣西大學學報(自然科學版)，2016，41(4)：1306-1312.