膏體管道輸送現狀分析與技術研究

邱曉偉

(河北礬山磷礦有限公司， 河北 涿鹿 075600)

1 前言

隨著礦山開采程度的增大，國家對礦山環境保護的重視，膏體充填的應用和推廣越來越廣泛，膏體充填成為未來采礦技術的重點研究發展方向。在膏體充填過程中，料漿的輸送對充填的質量和效率起著關鍵性的作用，為了確保充填的穩定性，有必要對料漿輸送進行研究。

2 膏體充填的發展和特點

2.1 膏體充填的發展

膏體充填技術最早應用于1979年德國的格倫德金屬礦，隨后膏體充填技術在世界各國礦業引起了極大興趣。我國是在格倫德充填系統正式投產5年后，才立項展開研究，經過12年大量工作已經取得重大進展，并建立了金川膏體泵送充填系統和銅綠山膏體泵送充填系統[1]。

2.2 膏體充填特點

膏體充填具有一般充填采礦法的特點,解決了礦山地表塌陷問題和環境保護問題，實現綠色開采，提高資源采出率。

膏體是一種質量濃度在75%以上，-20μm的顆粒含量在15%～35%，不沉降，不離析，具有良好的穩定性、可塑性、流動性的牙膏狀膠結體,其流變模型近似于賓漢姆體；在重力或泵壓作用下以柱塞流的形態輸送到采空區完成膏體充填[2-3]。

膏體充填充填體強度大，充填成本低；在充填過程中膏體可在管道中停止、停頓和重新啟動，操作簡便；膏體充填采區泌水量小，井巷污染小；充填接頂效果好，利于礦山作業。

膏體充填中泵壓管道輸送應用范圍廣，充填質量高、系統經營費用低，但是其引進設備昂貴，系統復雜，運轉和操作要求高；泵壓輸送要求質量合格的飽和膏體才能輸送。自流輸送阻力損失小，對礦山的賦存條件要求較高，其要求充填倍線介于1.1～1.2之間。膏體管道輸送存在的主要問題是摩擦損失大、管道內壓力大，容易引起管道堵塞、爆管等。

3 膏體管道輸送研究現狀分析

目前，國內外對膏體管道輸送的研究主要集中在膏體的流變特性上，并建立了環管實驗系統進行了一系列的泵送膏體閉環路輸送實驗。

1)膏體充填輸送阻力損失

鞍山黑色金屬礦山設計院對膏體充填輸送阻力進行了研究，其計算公式為[4]

(1)

(2)

式中：i0——水平直管清水水力坡度；

ij——平均阻力坡度；

vpc——加權平均沉降速度，cm/s；

v——輸送速度，m/s；

d——vpc當量粒徑，cm；

ρj——砂漿密度；

μ——動力黏度，Pa/s；

ρk——固體顆粒密度。

沈家華針對深井礦山膏體自流充填管道磨損問題進行了研究，分析了深井充填管道磨損的機理為

(3)

式中：ρ——漿體密度；

h1——垂直管道空氣柱高度；

υ1——進入管道的初速度；

S——管道截面積。

減少管道磨損的一些措施：通過改善輸送滿管狀態來減小管道磨損、減小管徑和增大管道長度。針對會澤鉛鋅礦的實際情況，進行了小管徑增阻減磨實驗，結果表明：當小管徑時，滿管效率有了很大的提高，有效減少了管道磨損。

王新民，丁德強，肖富國，徐東升[5-6]采用礦山附近火電廠的粉煤灰和其他材料制成了5種膏體材料，以膏體充填力學參數為基礎，運用ANSYS軟件對膏體管道輸送進行了模擬，分析了管道內膏體的流速，顯示流速呈現結構流的特點;分析了膏體參數對阻力損失的影響，得出了影響充填管道輸送阻力損失的2個重要因素為膏體密度和有效黏度，阻力損失值隨膏體密度和有效黏度的增加而增大。

王新民，張德明等[7]結合某礦充填系統的實際情況，運用Flow- 3D軟件，建立物理模型，模擬膏體自流充填始終處于滿管狀態，針對不同充填倍線，對管道壓力，膏體的流速和彎道處的壓力(N)進行了分析，得到了以下結論：充填管道出口壓力隨充填倍線的增大而減小，系統總壓力基本保持不變，當N<3時，則剩余壓力過大，造成管道輸送不穩定，當N>3.5時，管道阻力損失過大，則容易造成管道堵塞；充填管道的長度增加，則沿程阻力損失增加；彎道處的阻力損失隨膏體流速的減慢而減小，當流速過小時，大顆粒沉降于管底，此時壓力損失也比較大。因此，結合礦上情況，選擇充填倍線N=3為最佳。

王劼，楊超，張軍，王洪武[8]針對云南某礦的料漿流變特性進行了研究，分析了膏體輸送過程中的流變特性，流變模型近似于非牛頓流體，可視為塑性結構流，并應用賓漢流變模型來研究。將管流沿程阻力與管壁上的流體摩擦阻力結合起來，推導出了沿程阻力的理論計算模型為

(4)

式中：jm——管流沿程阻力；

D——管道內徑；

τ0——初始切應力；

η——黏度系數；

v——流速。

通過試驗建立了膏體流變，參數與濃度間的數學關系式，建立了濃度與流變參數的數學計算公式為

jm=(16/3D)×aeb·Cw+(cCW+d)×32v/D2

(5)

式中：a、b、c、d——均為系數；

CW——料漿的質量濃度；

D——管道內徑；

υ——流速。

王新民，丁德強等[9]分析了管道內膏體的流速分布特點：管道沿程除出入口和轉彎處，流速分布基本均勻，呈現結構流特點，但在彎管處有較明顯的梯度分布。改變各個參數后對結果進行了分析，得出了以下結論：在垂直高差一定的條件下，阻力損失隨水平管道長度的增長(即充填倍線越大)而增大；管道管徑越大，阻力損失越小；阻力損失隨流速的增大而增大；阻力損失隨膏體密度的增大而增大；水頭損失隨料漿黏度的增大而增大。

2)膏體充填管道安全壓力檢測

張新國，郭惟嘉，王恒，李楊楊，曹忠[10]分析了充填采礦法的發展歷程，借助KJ216煤礦頂板壓力檢測系統和自己研制的液壓控制卸料閥門以及MPM480壓力傳感器，開發了壓力預警系統，實現了管道沿線壓力實時檢測及管路堵塞早期預警，實現了長距離管道安全輸送。

李秀山，柳成懋[11]分析了管道壓力檢測的研究現狀，說明了實施壓力檢測是保證管道系統安全運行的必要條件，說明了傳統的壓力檢測的優點和缺點，并對檢測系統的設計和工作原理進行了說明，通過具有壓力檢測的堵管卸料閥門和進行過特殊設計的硅壓力傳感器，將信號進行轉換，輸送到計算機系統中，完成充填系統壓力的實時在線檢測。

3)膏體充填管道清洗方面研究

清洗管道這方面現在常用方法是在泵口的管道中放入海綿膠球；壓縮空氣加少量清水清洗；德國的埃森DMT公司研究了一種小型液壓變徑活塞清除井下工作面短管膏體的機械。

吉學文[12]首先對礦山常采用的清洗方法進行了分析，例如海綿球或橡膠柱清洗方法、壓縮空氣加少量清水清洗、利用非膠結膏體清除管道內的膠結膏體、采用液壓變徑活塞清除膠結膏體等。分析表明以上幾種清洗方法都難以達到很高的清洗質量，在此基礎上研發利用了滿管自流清洗技術，保證了膏體輸送正常，防止了管道堵塞及其他意外事故的發生。

4 總結與建議

膏體管道輸送過程中存在的問題主要集中在阻力損失、管道磨損、管內壓力檢測和管道清洗等主要方面，這幾個方面提出一些建議：

(1)研發引進先進的膏體制備、儲存、輸送等系統，使料漿的濃度，流速的穩定性有所加強，使膏體充填的穩定性有整體的提高。例如，設計制備膏體的深錐濃密機系統，引進加拿大的液態化制備膏體技術，采用活化攪拌技術改善料漿流動性等。

(2)通過環管實驗研發更多切實有效的減阻材料，對減小阻力損失，緩解管道堵塞有重要的作用；采用耐磨抗腐蝕性能更好的新型管材，例如內襯鑄石、陶瓷等耐磨管材。

(3)最大程度的保證滿管充填，可以通過制備高質量的料漿、適當增大充填倍線、減小管徑等措施，對阻力損失的減小和減輕管道堵塞有重要的作用。

(4)礦山多采用膏體自流輸送，膏體自流充填的阻力損失小于泵壓管道輸送，所以盡可能的采用自流充填，在一些礦山充填倍線較大的礦山，可以在水平段采用泵送，或安裝噴射器，其他輸送段采用自流輸送。在一些充填倍線過小的礦山，由于充填倍線過小，不能保證滿管充填，所以對管壁的磨損嚴重，應采取一些措施，例如在井下管道垂直段采用兩段或多段階梯法布置。

(5)注重對管道的清洗和對管內壓力的檢測，針對輸送過程中出現的管內壓力過大，研發和引進更加方便高效的方法。根據礦山情況，實行切實高效的水泥添加方式，對管道的清洗起關鍵的作用。