膏體充填堵管爆管原因分析及防護(hù)措施

袁元?jiǎng)?/p>

(廈門紫金工程設(shè)計(jì)有限公司, 福建廈門市 361006)

膏體充填堵管爆管原因分析及防護(hù)措施

袁元?jiǎng)?/p>

(廈門紫金工程設(shè)計(jì)有限公司, 福建廈門市 361006)

膏體充填技術(shù)已經(jīng)在國內(nèi)得到了初步應(yīng)用,但由于采用泵壓輸送,管內(nèi)壓力高,在使用過程中充填管路常常發(fā)生堵管、爆管事故,影響到井下采礦效率。為此,對(duì)膏體充填堵管、爆管形成的主要原因進(jìn)行了分析,并提出了防護(hù)措施,以有效減少堵管、爆管事故的發(fā)生。

膏體充填;堵管;爆管;防護(hù)措施

膏體在管路流動(dòng)過程中具有“三不”特性,即不沉淀、不離析、不脫水,其形態(tài)能保持良好的穩(wěn)定性,并較傳統(tǒng)的高濃度充填,具有流速慢、滿管流動(dòng)等優(yōu)點(diǎn),為充填管路的安全、穩(wěn)定運(yùn)行提供了有利條件。但膏體流動(dòng)過程中剪切應(yīng)力大,阻力大,一般需要泵壓才能輸送,管路壓力高,在輸送過程中一旦出現(xiàn)堵管、爆管事故,輕則停產(chǎn)維修或更換,重則造成人員傷亡。因此,對(duì)膏體充填堵管、爆管主要原因進(jìn)行分析,并提出防護(hù)措施有著現(xiàn)實(shí)意義。

1 堵管主要原因分析及防護(hù)措施

膏體充填堵管事故多因現(xiàn)場(chǎng)管理不善引起,堵管主要有以下原因:

(1)由于現(xiàn)有技術(shù),膏體濃密機(jī)底流濃度還無法達(dá)到制備膏體所需濃度,現(xiàn)有礦山一般需添加骨料,骨料中大塊雜物不慎進(jìn)入充填管路中造成堵管。

(2)膏體充填泵送結(jié)束后,沖洗不徹底或方法不合適,膠結(jié)膏體在彎管或接頭容易凝固,造成堵管。

(3)充填料大顆粒物料過多,帶棱角石塊過多或由攪拌不充分等,勉強(qiáng)泵送,也會(huì)造成堵管。

針對(duì)以上主要原因的分析,有以下的防護(hù)措施:

(1)骨料中的大塊雜物,特別是大于管內(nèi)徑30%粒徑的雜物,如大石塊、木塊、鐵絲和鋼筋等,必須在進(jìn)入攪拌槽(桶)前采用振動(dòng)篩或其它辦法給予去除,否則進(jìn)入充填管路后危害非常大。

(2)充填結(jié)束后必須采用清水或清水與壓氣同時(shí)并用,并保證大流量清水滿管沖洗,如果沖洗不徹底,管路中殘留下膠結(jié)固體物料,很有可能在下次充填時(shí)造成堵管。

(3)攪拌前嚴(yán)格控制物料的合理物料級(jí)配和輸送濃度,并保證膏體細(xì)顆粒物料的含量,其目的是為了確保膏體的流體穩(wěn)定性,良好的穩(wěn)定性能夠避免輸送過程中的離析沉淀,并減少堵管的可能性。

2 爆管主要原因分析及防護(hù)措施

2.1 膏體充填爆管主要原因分析

由于充填局部管路特別是拐彎處在長期磨損后厚度變薄,變薄導(dǎo)致強(qiáng)度降低,或管路焊接質(zhì)量不過關(guān),管路接頭連接不牢固,當(dāng)充填管路壓力大過一定程度時(shí),就有可能發(fā)生爆管事故。除了管路磨損變薄和焊接質(zhì)量問題等管路自身的原因以外,管路的水擊現(xiàn)象也會(huì)引起爆管事故。水擊現(xiàn)象是由于礦漿在輸送過程中因流態(tài)的不穩(wěn)定而引起的,按其產(chǎn)生原因可分兩種情況:礦漿的壓力波水擊和礦漿的真空彌合水擊。

2.1.1 礦漿的壓力波水擊

由于管路局部堵塞或輸送過程中產(chǎn)生湍流現(xiàn)象,高壓使膏體內(nèi)部氣泡瞬間被液化,當(dāng)壓力被釋放時(shí),氣泡爆裂,形成壓力波水擊現(xiàn)象。

壓力波水擊模型見圖1。圖中礦漿流速為V0,水頭為H0,在F處因故淤積堵塞,假設(shè)F處流速變?yōu)榱?而上游來的礦漿,由于慣性力的作用,繼續(xù)以原有的流速V0沖至淤積堵塞F處,使礦漿內(nèi)部的空氣泡受到壓縮,管內(nèi)壓強(qiáng)瞬時(shí)加大,并出現(xiàn)彈性沖擊波,以波速C由堵塞段傳向上游管路,由于彈性沖擊波速遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水流流速,壓強(qiáng)由P増加至P＋△P,密度由ρ增加至ρ＋△ρ,假設(shè)在△t時(shí)間內(nèi),礦漿流過△S的距離,在不考慮摩擦阻力損失的動(dòng)量,由動(dòng)量定律得出以下公式:

由于管路承受最大的壓力部位往往會(huì)出現(xiàn)爆管,因此當(dāng)?shù)V漿流速V瞬間為零時(shí),充填礦漿在管路內(nèi)所產(chǎn)生的水擊壓力最大:

式中:Ev——礦漿彈性模量,Pa;

ρm——礦漿密度,g/cm3;

Ep——管壁彈性模量,Pa;

Es——礦漿彈性模量,Pa;

δ——充填管壁厚度,mm;

D——充填管路內(nèi)徑,mm;

Cv——礦礦漿積濃度,%;

C1——充填管路縱向變形系數(shù),對(duì)于管路可假設(shè)只在上游末端(E點(diǎn))固定的充填管路,其C1＝1－μ/2,泊松比μ取0.3,C1＝0.85。

由水擊波波速公式可以得到,充填管路采用無縫鋼管時(shí),其Ev/Es、Ev/Ep值都非常小,因此C值非常大,水擊波通常會(huì)接近于聲波在液體中的傳波速度,所以產(chǎn)生的水擊壓強(qiáng)的峰值也很大,一旦管路因故淤積堵塞,在管路內(nèi)瞬間產(chǎn)生巨大的水擊壓力,這就極有可能發(fā)生爆管事故。

圖1 壓力波水擊模型

2.1.2 礦漿的真空彌合水擊

礦漿管路拐彎處因流速瞬間大幅度變小會(huì)形成真空負(fù)壓,產(chǎn)生真空彌合水擊現(xiàn)象,礦漿的真空彌合水擊模型見圖2。

圖2 真空彌合水擊模型

圖2 中的礦漿從斷面a－a′至b－b′列出的伯努利方程為:

從式(4)可知,如果imL阻力的損失小于Z1－Z2豎直管路內(nèi)產(chǎn)生的位能,則在a－a′至b－b′斷面之間的漿體將會(huì)以P1－P2壓力差的方式來消耗剩余的部分能量。壓力差增大時(shí),斷面間的漿體可能會(huì)被拉斷,出現(xiàn)真空腔形成水擊。

同時(shí)產(chǎn)生巨大的水擊附加壓強(qiáng),且在此部位因反復(fù)出現(xiàn)此種氣蝕現(xiàn)象,使管路內(nèi)表面容易發(fā)生洞穴狀腐蝕破壞,降低管路此部位的承壓能力,因此管路有可能產(chǎn)生爆管事故。

2.2 爆管事故的防護(hù)措施

通過對(duì)以上充填管路爆管原因分析,可采取以下措施:

(1)降壓管路壓力。深井充填,可在井下適當(dāng)部位設(shè)置儲(chǔ)砂池降壓或管路折返增阻的辦法,從而達(dá)到降低管路承壓的目的,增阻效果要以礦漿能自流為宜。

(2)加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)管理。控制好膏體礦漿濃度和骨料粒度,以確保礦漿在充填管路中連續(xù)均勻和不分層滿管地流動(dòng),從而避免由水擊現(xiàn)象而引發(fā)的爆管事故。同時(shí)控制好進(jìn)入充填管的礦漿流量,以保證充填管內(nèi)的礦漿滿管流動(dòng),根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)資料,滿管段和非滿管段磨損形狀對(duì)比見圖3,從圖3可看出,滿管段的內(nèi)表面磨損較小,形狀也較均勻、平整,而非滿管段內(nèi)表面磨損較大甚至磨蹭,形狀也較不規(guī)整,極易產(chǎn)生水擊現(xiàn)象,因此礦漿滿管流動(dòng)可以減少爆管事故的發(fā)生。

圖3 滿管段和非滿管段磨損形狀對(duì)比

(3)采用耐磨強(qiáng)度高的錳鋼管或復(fù)合管,盡管耐磨管路的價(jià)格較高,是普通鋼管的2～4倍,但其使用壽命是普通鋼管的5～10倍,折算到單位充填成本,并考慮維修和更換管路費(fèi)用和因爆管停產(chǎn)的損失費(fèi)用,其成本低于普通鋼管路。因此,充填管路盡量采用耐磨管。

(4)保證管路安裝質(zhì)量。礦山生產(chǎn)實(shí)踐證明,若垂直管路的垂直度和同心度誤差大于±0.5%,則會(huì)加速磨損。同時(shí)盡量減少管路大角度的上、下坡或拐彎布置,可以減少管路的磨損和水擊的產(chǎn)生,進(jìn)而減少爆管事故的發(fā)生。

(5)加強(qiáng)對(duì)管路壓力較大或易磨損部位的檢測(cè),通過對(duì)此部位的壓力檢測(cè),管路內(nèi)部磨損情況的定期和不定期檢測(cè),防范于未然。

3 總 結(jié)

礦山充填可以排除尾礦庫和采空區(qū)礦區(qū)兩大隱患,并且充填采礦已經(jīng)成為國家推薦采礦方法。而膏體充填可以使井下充填采場(chǎng)泌水少,水泥耗量少,具有強(qiáng)度均勻、凝固時(shí)間短、接頂率高及管路磨損小等優(yōu)點(diǎn),是未來充填的發(fā)展趨勢(shì)。但是膏體充填管內(nèi)壓力較大,極易出現(xiàn)堵管、爆管事故。本文通過從對(duì)膏體充填堵管、爆管原因分析得出:現(xiàn)場(chǎng)只要加強(qiáng)管理,并做好防護(hù)措施,充填堵管、爆管的事故是可以減少,甚至可以避免的。

[1]徐曉東.從礦山充填鉆孔充填管斷裂事故探討其施工技術(shù)[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2008(1):30-32.

[2]劉 東,單 峰,段法坦.充填開采管路堵管原因與防治[J].山東工業(yè)技術(shù),2013(4):63-94

[3]吳愛祥,王洪江.金屬礦膏體充填理論與技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2015.

[4]劉同有.充填采礦技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:冶金工業(yè)出版社, 2001.

[5]徐東升.深井充填管路輸送系統(tǒng)減壓技術(shù)探討[J].礦業(yè)快報(bào), 2007(2):25-28.

2017-03-17)

袁元?jiǎng)?1982－),男,福建上杭人,中級(jí)工程師,從事工程機(jī)械方面工作,Email:yxy1598＠qq.com。