超高分子量聚乙烯管在大尹格莊金礦充填管網優化中的應用

姜 磊，張君鵬

(招金礦業股份有限公司大尹格莊金礦)

引 言

大尹格莊金礦是招金礦業股份有限公司的重點骨干礦山，于1987年開始建設，1989年投產。采用盤區機械化上向水平分層充填采礦法開采，目前綜合采選能力達到5 000 t/d。該礦山建有自流輸送的尾砂膠結充填系統，能實現膠結和非膠結充填。充填系統設置2條充填鉆孔，由地表至-380 m水平，用于-380 m以下生產中段的充填，鉆孔內敷設D168陶瓷復合管。

充填管路沿充填鉆孔敷設至井下，由中段充填巷通過分段充填井或采場回風充填天井的充填管進入采場。該礦山充填系統制備充填料漿輸送能力為120～140 m3/h，制備充填料漿濃度60 %～70 %。充填管網使用規格φ133 mm×10 mm、每根長度3 m、質量124 kg/根、法蘭連接的陶瓷復合管。該陶瓷復合管在永久管路和備用管路中使用量長達8 000余m。在使用過程中，該陶瓷復合管存在質量大，法蘭連接密封繁瑣，法蘭口掛瓷質量參差不齊等缺點。在管路運輸架設、巡查檢修方面無法滿足現有充填作業強度需求；而在充填管路磨損方面以陶瓷復合管法蘭口掛瓷質量問題尤為突出。因此，亟需對現有充填管進行優化升級，以實現安全高效的充填作業。

1 超高分子量聚乙烯管應用可行性分析

作為一個平穩的自流輸送管路運行充填系統，放料口和出料口管壓力必須為零，初始放料中，先以小濃度連續滿管輸送料漿進行引流，料漿通過最大充填倍線區段后，逐漸增加充填料漿濃度至最佳充填濃度，但料漿進入充填倍線較小的下行管路中時，由于料漿運行速度加快，在充填倍線變化段必然出現負壓。負壓產生后，一方面使上段管路料漿增加一個前行拖拽力，運行速度加快；另一方面使下段管路料漿增加一個前行阻力，從而降低運行速度，最終形成前后段料漿運行速度相同且出口壓力為零的能量守恒狀態，達到平穩的管路運行狀態。因此，充填管材需要具有耐磨損、耐高壓、抗沖擊、安裝便捷的特點。常用充填管材對比見表1。

表1 常用充填管材對比

由表1可知，超高分子量聚乙烯管具有耐磨損、抗沖擊、耐高壓且有自潤滑的特點，因此在充填管道輸送中得到了廣泛的應用。其相對陶瓷復合管的優勢明顯：

1)超高分子量聚乙烯管可依靠自身彎曲度和輕擺減輕內部壓力波動影響，陶瓷復合管需要加裝緩沖箱體來解決此類影響。

2)因陶瓷復合管不同生產批次加工公差不同，每批次均要預留10余根用于檢修更換，造成不必要的材料積壓；當需要更換生產批次不同陶瓷復合管時，工人需要帶多種不同厚度法蘭密封墊。超高分子量聚乙烯管法蘭自帶壓水密封線圈，降低管路的維護難度和工人的勞動強度，也間接提高了充填事故應變處置能力。

3)在管壁許用厚度的前提下，超高分子量聚乙烯管可以回收二次加工成<6 m的管路；陶瓷復合管在回收二次加工時出現局部受熱不均、耐磨瓷與鋼管離層或脫落現象，進而影響管材使用壽命。

綜上所述，大尹格莊金礦選擇采用超高分子量聚乙烯管進行充填管網改造。

2 分級尾砂物理性質

尾砂的粒級組成對于充填料漿的性質有著重要影響，尾砂粒級組成測量可為設計確定充填工藝要求的充填料漿濃度、配比等提供參考。試樣用分級尾砂取自選礦廠旋流器的底流，經沉淀—脫水—烘干—磨勻后稱量；通過水篩法測試分級尾砂粒級組成，結果見表2。

表2 分級尾砂粒徑

分級尾砂的中值粒徑d50=139.94 μm，說明分級尾砂-139.94 μm的顆粒約占50 %，屬于粗粒級尾砂。

分級尾砂的容重和密度，影響充填料漿水力輸送系統的可靠性。因此,在室內測定分級尾砂的密度和容重，結果見表3。

表3 分級尾砂物理性能

由粒級測試結果可知，該礦分級尾砂屬于粗粒級尾砂，尾砂中粗顆粒含量較高，能夠快速產生沉淀離析。

分級尾砂3種濃度料漿自由沉降曲線見圖1。由圖1可知：分級尾砂的自然沉降以粗顆粒的沉淀離析為主[1]。在分級尾砂沉降過程中，3種不同濃度的料漿在前720 s沉降速度較快，720 s后沉降速度趨于平緩，960 s后澄清層的變化不大，沉降基本結束。最終3種不同濃度的分級尾砂料漿最大自由沉降濃度依次為54.1 %、66.9 %、84.9 %。尾砂沉降速度越大，尾砂顆粒就越難懸浮，也就越難水力輸送[2]。在實際輸送過程中，分級尾砂之間、尾砂與管壁之間難免會發生機械碰撞與摩擦，產生摩擦阻力。

圖1 分級尾砂3種濃度料漿自由沉降曲線

3 充填管網選型計算

3.1 水力坡度計算

在某一壓力作用下，料漿在管路中流動必須克服與管壁產生的摩擦阻力和產生湍流的層間阻力，這些統稱為摩擦阻力損失，又叫水力坡度。它是反映管徑、流速、濃度等相互關系的基本公式，是選擇降壓措施及滿管輸送措施、耐磨管型的關鍵參數。在眾多水力坡度計算公式中，金川非均質料漿的水力坡度計算公式的計算結果誤差最小。結合目前大尹格莊金礦分級尾砂的實際情況，選擇非均質料漿的水力坡度計算公式：

(1)

式中：ic為水平直管單位長度料漿水力坡度(Pa/m)；i0為水平直管單位長度清水水力坡度(Pa/m)；Cv為料漿體積濃度(%)；g為重力加速度(m/s2);D為管徑(m)；ρm為固體物料密度(kg/m3)；v為料漿流速(m/s);Cx為顆粒沉降阻力系數。

根據金川公式，選用大尹格莊金礦常用充填濃度65 %、68 %、70 %和充填流量分別進行計算，結果見表4。

表4 非均質料漿水力坡度 Pa/m

由表4數據分析可知，水力坡度與料漿濃度和流速呈正比關系。相同濃度下，高流速阻力損失明顯高于低流速阻力損失；同樣，相同速度下，高濃度料漿阻力損失明顯大于低濃度阻力損失。

3.2 充填管路壓力計算

伯努利方程是決定管路內料漿流動過程中動能、壓力能和位能3種能量間相互關系的重要公式[3]。根據能量守恒定律，假定管路內充填料漿為穩定流，考慮單位質量料漿通過充填管路斷面1和斷面2時的能量守恒，按照穩定流動的均質流體導出的伯努利方程為：

(2)

式中：Z1、Z2分別為充填管路斷面1和斷面2處于相對于充填管網基準面的高度(m)，反映的是位能；p1、p2分別為充填管路斷面1和斷面2處作用于充填料漿的壓力(Pa)；v1、v2分別為充填管路斷面1和斷面2的流速(m/s)；h1-2為從充填管路斷面1到斷面2的壓頭損失當量高度(m)。

自流充填時管路壓力的基準面為零(即Z2=0)，充填站放料口的壓力為零(即p1=0)，為便于計算,設放料口管徑與考察管路壓力的管徑相同，則有v1=v2，得：

p2=(Z1-h1-2)ρmg

(3)

(4)

參考式(4),由式(3)得到計算公式：

(5)

根據公式計算得到的1號礦體和2號礦體的充填管網壓力分布見表5和表6。由表5、表6可知：充填管網管路壓力分布不是均勻的，管路內壓力分布特點是兩端較小、中間大，特別是在充填井內垂直或傾斜管路的底部轉水平段的壓力較高。充填管路中出現負壓現象，這主要是由于管路觀測點的充填倍線大于充填管路末端的充填倍線，屬于充填管路布置不合理造成的[4]。管路內負壓的產生給充填管理和保持料漿濃度的穩定性造成較大困難。由于充填料漿的兩相流特性，料漿中的尾砂顆粒在沉降作用下，在負壓區出現砂水分離，尾砂移動速度減慢或滯留于管底會加速管路的磨損。當負壓區段足夠長時，尾砂沉積量愈來愈大，在管路中形成淤堵，導致堵管或爆管[5]。

表5 1號礦體充填管網壓力分布

表6 2號礦體充填管網壓力分布

3.3 管路磨損

在深井充填中，管路壓力大、料漿流速快，依據南非等國家對磨損量正比于速度幾次方的看法，管路的磨損率(Pm)與料漿流速(v)之間的關系見式(6)。料漿對水平管路的磨損主要與充填料漿中骨料的剛度及粒度和輸送濃度等成正比，與管路的材質和厚度、管路的管徑、料漿對管路管壁的壓力及管路的敷設狀況有關[6]。綜合各方面對管路磨損的影響因素，水平管路的磨損率(Pm)表達公式為：

Pm=kjvn

(6)

(7)

式中:Pm為水平管路的磨損率(%)；kj為料漿對管路的磨損系數；v為料漿流速(m/s)；A為試驗綜合系數；μ為料漿與管壁摩擦阻力系數；p為料漿與管壁的壓力(Pa)；n為磨損試驗次數；kd為管路自身因素對磨損率的影響系數。

根據式(7)，在相同流速下，管路的磨損速度隨料漿對管路壓力的增大而增加,即成正比。由表4可知：在相同流速下，料漿的水力坡度隨料漿濃度增大而增加，也成正比。只有采用減壓輸送、耐磨損性能的管材或內襯，才可以達到降低管道磨損的目的[7-8]。

根據上述計算，經市場考察，大尹格莊金礦可以定制規格為φ133 mm×10 mm的超高分子量聚乙烯管，承壓1.6 MPa，質量3.75 kg/m，法蘭自帶壓水密封線圈與管體一體成型，管體兩端帶活法蘭盤，標準長度6 m，也可根據實際生產需求定制不同長度。

4 實踐應用

考慮在滿足管路許用厚度和管路壓力的前提下，根據充填管網壓力分布不均的特點，大尹格莊金礦在充填管網中最大充填倍線區段的下行管路局部水平巷和末端立管管路壓力小于±1.6 MPa等多處使用該超高分子量聚乙烯管，累計長度約1 200 m(見表7)。

表7 超高分子量聚乙烯管充填管網在永久管路中的應用

實際應用中部分礦體的兩翼采場會通過分段充填井，使用超高分子量聚乙烯管經過采場通風聯道跨分段上山充填垂高13 m采場采空區時，也能保持濃度68 %的正常輸送。該超高分子量聚乙烯管在分段巷充填管路跨道底過門中代替陶瓷復合管，現場無需開挖地溝、配置管路彎頭，只需在管路周邊墊壓毛石防護后便可通行20 t左右鏟運機和鑿巖臺車等輪式設備；也可以改為巷道高過門，簡易綁固在巷道頂板錨桿上即可。

此外，標準長度6 m的超高分子量聚乙烯管成本穩定在720元/根；標準長度3 m的陶瓷復合管價格隨鋼材價格浮動變化較大，采購價為690～940元/根。由表7可知：1 188 m永久管路使用超高分子量聚乙烯管的成本為142 560元，標準長度3 m 陶瓷復合管最低采購價為273 240元。因此，采用超高分子量聚乙烯管可以有效降低充填管網的建設成本。

5 結 論

1)超高分子量聚乙烯管具有耐高壓、質量輕、價格低廉、架設快捷方便的特點，得到大量應用。其相對陶瓷復合管的優勢明顯，節約成本。

2)超高分子量聚乙烯管法蘭自帶壓水密封線圈與管體一體成型，管體兩端帶活法蘭盤，標準長度6 m，也可根據實際生產需求定制不同長度。

3)超高分子量聚乙烯管在分段巷充填管路跨道底過門中代替陶瓷復合管，現場無需開挖地溝、配置管路彎頭，只需在管路周邊墊壓毛石防護后便可通行20 t左右鏟運機和鑿巖臺車等輪式設備。