膠結充填料漿上向輸送技術參數計算

方文改汪明海魯立勝

（1.銅陵有色股份安慶月山礦業有限公司；2.安徽銅冠池州資源有限公司）

經過多年來充填技術的發展，全尾砂膠結充填技術已成為國內礦山地下開采的主流方向，將全尾砂這種大宗固體廢棄物制成高濃度料漿用于礦山充填，能有效消除采空區和尾礦庫災害，起到“一廢治兩害”的效果［1］。

目前，國內礦山對膠結充填均采用向下排放，即膠結充填料漿由各充填巷道管道自流或泵送至充填采場的頂部或上部，料漿從充填管道中排放到指定區域。在實際生產中，當充填采場高度超過輸送水平時，充填料漿經水平輸送后，必須繼續向上揚送至一定高度方能實現充填目的。然而在實際生產過程中，膠結充填料漿上向輸送存在如下幾方面問題：一是由于膠結充填料漿在管道輸送中存在湍流現象，當料漿輸送出現間歇性停頓時，料漿輸入口和輸出口壓差過小引起流速過低，易造成堵管；二是充填過程中需提供新的上向輸送動力，通常需在輸送管道中安裝管道泵。如何實現充填料漿在自流條件下上向輸送，同時避免輸送管道堵塞，是安慶月山礦業公司在充填過程中急需解決的難題。

針對銅陵有色控股安慶月山礦業公司實際生產需求，通過分析全尾砂的基本物理力學特性，基于流體力學理論，對高濃度全尾砂膠結充填砂漿上向輸送影響因素進行分析計算，并將計算結果應用于生產實踐。

1 工程背景

銅陵有色控股安慶月山礦業公司充填采礦法采用未分級的全尾砂作為充填骨料，使用銅冠建安公司生產的礦山充填專用膠凝材料作為充填膠結劑。生產過程采用間歇式膠結充填，一般采用白班充填生產，夜班停止充填的模式。礦山在地表建有充填站，布置形式采用地面集中式，工藝采用地面站自流式。由2座500 m3的立式尾砂倉、1座150 m3的立式水泥倉、1座攪拌槽組成尾膠砂結充填料漿制備系統［2］。

目前，礦山充填輸送管道從地表充填站敷設至-70 m水平，該水平設有卸壓硐室，-70 m水平通過充填專用鉆孔至-480 m中段，充填孔終孔直徑為250 mm，內設套管采用雙金屬復合鋼管，內直徑為152 mm，壁厚為13 mm。根據空區在各水平上的分布情況，在-480 m水平巷道內敷設主輸送管道，然后通過分支輸送管道送往各水平空區上部充填點。主輸送管道采用內直徑為152 mm、壁厚為13 mm的雙金屬復合陶瓷管，分支輸送管道可采用高強度工程硬聚氯乙烯管，充填倍線N=2.5。

隨著礦山生產的推進，要完成整個采場的膠結充填，在采場頂板處接頂，必須要對充填巷道以上的空區進行膠結充填。其中，井下-480 m中段的采場采空區頂板位于-450 m水平，比安裝充填主管道的-480 m中段超高約30 m，充填料漿沿輸送管道到達-480 m中段后需繼續上向輸送至-450 m水平，即采場頂板處，具體充填系統見圖1。

2 全尾砂膠結充填技術參數

2.1 全尾砂物料基本特性

在室內利用容量瓶法測定尾砂的密度，測定結果見表1。采用激光粒度儀對全尾砂進行粒級分析，以獲得其粒級組成，測定結果見表2。

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從表2中可以看出，全尾砂大于0.075 mm的尾砂占46.87%，小于0.020 mm的尾砂占27.83%，全尾砂細粒級含量較高。月山銅礦采用全尾砂膠結充填，其尾礦細度比一般礦山所用的充填尾砂細，且與國內許多礦山采用分級尾砂充填相比，其粒度更是遠遠偏細，因此對充填膠凝材料要求較高。

全尾砂主要化學成分分析結果見表3。

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從表3中可以看出，尾砂中SiO2的含量為43.82%，S的含量較低。另外，含有一定的CaO、MgO、Al2O3等氧化物，這些物質均有利于膠結充填。依據物料基礎特性，該尾砂是較理想的充填骨料［2］。

2.2 全尾砂充填工藝參數

基于全尾砂的基本物理力學特性，結合全尾砂膠結充填強度等試驗結果［2］，安慶月山銅礦采場膠結充填采用銅冠建安公司生產的礦山充填專用膠凝材料作為充填膠結劑，膠充灰砂比為1∶8。考慮到充填材料的物理性質和充填能力，井下膠結充填生產能力可達到80 m3/h。根據充填料漿流動性試驗結果，確定充填料漿濃度為70%（質量比）時可以較好地進行自流輸送。

3 參數計算

高濃度全尾砂充填砂漿的流變特征不同于固液兩相流和牛頓流體，根據以往的研究，通常將其視為賓漢流體來描述［3］，管道輸送阻力影響因素主要包括合理工作流速v、管道摩擦阻力系數λ、充填料漿密度ρm、顆粒沉降阻力系數Cx、管道清水水力坡度i0、料漿水力坡度ij、管道輸送總水壓頭H［4］。

3.1 合理工作流速v

在實際生產過程中，為了防止管道堵塞，選擇合理的工作流速至關重要。速度低時，料漿中的骨料就容易沉積在管底，容易對管道造成磨損和引起管道堵塞，既增加維護費用又影響充填工作順利進行；速度太大，就會引起管內的壓力太大易爆管、動力費用高、管道彎道處損傷等問題。為此，提出了臨界流速，即料漿中所有的骨料顆粒完全處于懸浮狀態而壓頭損失（水力坡度）又最小的流速，是充填漿體由一種流動形態向另一種流動形態過渡的界限流速。臨界流速是輸送管道的基準流速和經濟流速［5］。一般膠結料漿在管道內流動時合理的工作流速必須大于臨界流速。根據賓漢流體的理論，膠結料漿合理工作流速的計算公式為

式中，v為膠結料漿合理工作流速，m/s；g為重力加速度，m/s2；D為充填管道直徑，m；X為膠充灰砂比；N為充填倍線。

經計算，安慶月山礦業公司全尾砂膠結料漿合理工作流速v=3.51 m/s。

3.2 管道摩擦阻力系數λ

摩擦阻力系數是設計輸送管道的關鍵參數，準確計算摩擦阻力損失有利于合理設計管道流量，有效降低運輸成本，提高輸送效率。管道摩擦阻力和管道的敷設方式、接頭形式和管道壁的狀況有關。管道摩擦阻力系數計算公式：

式中，λ為管道摩擦阻力系數；K1為管道敷設系數，取1.05；K2為管道接頭系數，取1.05；Δ為管道壁粗糙系數，輸送管道按復合陶瓷管取0.20 mm。

經計算，充填管道阻力系數λ=0.023 12。

3.3 充填料漿密度ρm

月山銅礦全尾砂膠結料漿主要由尾砂、膠結劑和水組成，其中尾砂與膠結材料占比70%，水占比30%，膠結材料和尾砂的質量比約為1∶8，充填料漿密度計算公式：

式中，ρm為充填料漿密度，g/cm3；ρi為各充填材料的密度，膠結劑、尾砂、水分別取1.25、2.75、1.0 g/cm3；Gi為各充填材料單位體積密度，膠結劑、尾砂、水分別取0.078、0.622、0.3 g/cm3。

經計算，充填料漿密度ρm＝1.764 g/cm3。

3.4 顆粒沉降阻力系數Cx

充填體在輸送過程中，所含顆粒沉降阻力系數和顆粒的粒徑、料漿流動速度、料漿的濃度有關，顆粒沉降阻力系數計算公式：

式中，Cx為顆粒沉降阻力系數；dcp為顆粒粒徑，取0.67×10-3m。

經計算，顆粒沉降阻力系數Cx=0.76。

3.5 管道清水水力坡度i0

輸送管道一般在安裝后固定，管道清水水力坡度相對固定，是其工況固有特性。管道清水水力坡度計算公式：

經計算，管道清水水力坡度i0=0.095。

3.6 料漿水力坡度ij

利用金川公式來計算水力坡度：

式中，ij為料漿水力坡度；mt為料漿濃度，取70%。

經計算，料漿水力坡度ij＝0.483 6。

3.7 管道輸送總水頭壓H

管道輸送總水頭壓H，計處公式：

式中，L為充填管道總長度，取1 322 m；Z1為充填管道排放口高程，取-450 m；Z2為充填立孔上端高程，取-70 m；ρm為料漿密度，取1.764 g/cm3；ρ0為水密度，取1.0 g/cm3。

經計算，管道輸送總水頭壓H=-52.7 MPa，表明管道內為負壓，充填管道內可以實現自流輸送，料漿可以自流到采場中。

4 工程應用

銅陵有色控股安慶月山礦業公司在所屬的龍門山礦區E-6采場采用上述充填參數進行膠結充填，首先在采場上向充填井內架設充填管道，在距離充填放料口3～5 m的輸送管道處，安裝回水管、管道三通和閘筏。充填料漿在自流狀態下，從-480 m輸送到-450 m水平，到達采場空區最高處，向上揚送高程約30 m，在充填過程中未發生堵管現象，充填下料口處充填料漿流速在1.5～2.3 m/s。在充填料漿停止輸送后，及時利用閘筏和管道三通完成充填后的管道清洗，歷時3個月完成了整個采場的膠結充填，并在采場頂板處完成膠結體接頂。

5 結論

（1）基于流體力學理論，對合理工作流速v、管道摩擦阻力系數λ、充填料漿密度ρm、顆粒沉降阻力系數Cx、管道清水水力坡度i0、料漿水力坡度ij、管道輸送總水壓頭H共7項參數進行計算，分析其對于高濃度全尾砂充填料漿管道輸送阻力的影響程度，得出在合理的料漿充填參數下，高濃度全尾砂膠結充填砂漿在管道內存在連續負壓，可實現料漿自流上向輸送，從而為今后類似上向充填管道輸送系統的設計提供參考。

（2）安慶月山銅礦全尾砂膠結料漿主要由尾砂、膠結劑和水組成，其中尾砂與膠結材料占比70%，水占比30%，膠結材料和尾砂的質量比約為1∶8，充填料漿在自流狀態下可從-480 m輸送到-450 m水平，揚送高程約為30 m，充填下料口處充填料漿流速在1.5～2.3 m/s，充填過程中未發生堵管現象。