湖南人文科技學院能源與機電工程學院 湖南婁底 417000

我 國不僅是一個陸地大國，更是一個海洋大國。對于經(jīng)濟快速發(fā)展的今天，需要更多的資源滿足發(fā)展需求，但目前面臨的現(xiàn)狀是地下淺部富礦日趨枯竭，開采深部礦產(chǎn)和淺部貧礦勢必會造成開采成本的大大增加。傳統(tǒng)的采礦方法難以解決水文地質(zhì)及工程地質(zhì)復雜、礦坑涌水量特大的礦產(chǎn)資源開采問題，尤其是傳統(tǒng)采礦方法用于深海采礦幾乎不太可能實現(xiàn)，因此迫切需要尋求一種全新的采礦工藝，鉆孔水力開采技術(shù)就是其中之一[1]。將鉆孔水力采礦用于深海采礦，是一種可行方案。

目前，鉆孔水力采礦在俄羅斯、美國、匈牙利等國取得了突破性的進展，先后利用鉆孔水力采礦技術(shù)開采煤、磷酸鹽、鈾、鋁土礦、金、錫等多種礦產(chǎn)，并在鉆具設(shè)備領(lǐng)域研究取得一定的進展[2]。國內(nèi)對此方面研究較少，特別是對鉆孔水力開采關(guān)鍵技術(shù)“氣力提升系統(tǒng)”的研究鮮有報道。作為舉升礦漿的有效工具之一，氣力提升技術(shù)具有無運動部件、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、不易堵塞及環(huán)境污染小等諸多優(yōu)點[3]。鑒于此，筆者對礦用漿料氣力泵的設(shè)計方法開展研究，并進行相關(guān)試驗，以滿足實際工程需求，創(chuàng)造更佳的經(jīng)濟效益。

1 鉆孔水力開采

1.1 鉆孔水力開采工作原理

鉆孔水力采礦是指通過從地表的鉆孔開采地下礦產(chǎn)的一種新興采礦技術(shù)，如圖 1 所示，先鉆一個孔，下套管灌水泥，然后向鉆孔中放入孔內(nèi)采礦器具 (水槍)，通過水槍供給高壓水，噴嘴形成高壓水射流破碎礦料巖石。被破碎的礦料和水一同形成礦漿，通過氣力舉升裝置 (空氣提升裝置)送到地面選礦廠進行選礦，或送到儲藏庫貯存[4-5]。

圖1 鉆孔水力開采示意Fig.1 Borehole hydraulic mining sketch

鉆孔水力開采裝置是一整套系統(tǒng)，主要由動力系統(tǒng) (動力源、空氣壓縮機、氣力泵和液壓提升機構(gòu))、測試與控制系統(tǒng)、脫水裝置、井架 (或承載船)以及氣力提升系統(tǒng) (射流破碎器、氣舉頭、輸水管、輸氣管、輸漿料)組成，如圖 2 所示。

圖2 鉆孔水力開采系統(tǒng)Fig.2 Borehole hydraulic mining system

1.2 氣力泵工作原理

氣力泵是利用壓縮空氣作為動力的一種泵，與離心泵不同，它屬于容積泵中的正排量泵。最早的氣力泵是由位于意大利佛羅倫薩的勁馬公司 (Pneuma)的創(chuàng)始人 Giovanni Faldi 博士于 20 世紀 60 年代研制成功。我國關(guān)于氣力泵的研究始于 20 世紀 70 年代末、80 年代初。

從本質(zhì)上來說氣力泵是一種活塞泵，其中正排量泵是采用壓縮空氣作為“活塞”的活塞泵，但它又不同于傳統(tǒng)意義上的活塞泵，不是由機械活塞在缸體內(nèi)往復運動吸排輸送物，而是通過高壓空氣把輸送物排出輸送機。如圖 3 所示，氣力泵工作時可分為 3 個步驟。

圖3 氣力泵工作原理Fig.3 Working principle of pneumatic pump

(1)吸泥 泵體置于水底泥面上，排料管與大氣相通，泥漿缸內(nèi)壓力為大氣壓，泵體外的泥漿在靜水壓力的作用下被擠入泥漿缸。

(2)排泥 由空氣壓縮機產(chǎn)生的壓縮空氣經(jīng)過分配器進入泥漿缸，起到活塞的作用。所有的泥漿全部從泵體排出，并進入輸送管道。

(3)排氣 當泥漿缸內(nèi)的的泥漿即將排出時，分配器從泵體中排出壓縮空氣，并恢復與大氣相通的狀態(tài)。

1.3 氣力泵選擇

氣力泵有 2 種結(jié)構(gòu)：中心進氣式氣力泵和環(huán)形進氣式氣力泵[6-7]。2 種結(jié)構(gòu)各有優(yōu)點。中心進氣式氣力泵的中心氣流噴嘴在氣力提升漿料的同時會嚴重降低漿料的輸送效率，情況惡劣的條件下，礦石會堵塞泵體的喉管，甚至流動的礦石會對中心噴嘴產(chǎn)生沖擊，造成破壞，對泵體的內(nèi)壁也會造成劇烈的磨損。對于海底采礦來說，環(huán)形進氣式更加適合工程實際條件。環(huán)形進氣式氣力泵結(jié)構(gòu)如圖 4 所示。

圖4 環(huán)形進氣式氣力泵結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of annular inlet pneumatic pump

2 設(shè)計參數(shù)

環(huán)形進氣式氣力泵工況參數(shù)如表 1 所列。

表1 工況參數(shù)Tab.1 Parameter of working conditions

2.1 礦漿流速的計算

礦漿流動速度是指從海底到海平面的運輸速度。速度過小，空氣壓縮機產(chǎn)生的氣流難以將漿料拖動運輸；速度過大，礦漿中體積較大的塊料對管道的磨損會加劇。根據(jù)經(jīng)驗，一般將流速控制在 5 m/s 以內(nèi)[8]，才能符合經(jīng)濟實用性條件和減少對管道內(nèi)壁的磨損。

式中：vD為礦漿臨界流速，m/s；k為流速系數(shù)；CF為形狀系數(shù)；ρS、ρL分別為礦石顆粒和海水密度，kg/m3；dmax、dmin分別為最大和最小顆粒直徑，m；CD為阻力系數(shù)；CV為顆粒體積分數(shù)；n為濃度影響系數(shù)。

由此解得vD=1.83 m/s。

由于vD為臨界流速，即氣力提升礦漿的最小流速，而實際流速需要在此基礎(chǔ)上提高 50%～100% 才能滿足工程需求，即v0=3.66 m/s。

2.2 管徑的確定

管道直徑、流速以及氣體流量存在確定的數(shù)學關(guān)系，即曼寧流量公式和謝才流量公式。查詢有關(guān)資料可知，曼寧公式比謝才公式的應用更加廣泛。但曼寧公式也有其局限性，選值不當會造成較大誤差[9-10]。曼寧公式中，

式中：Q為管道出口液-固混合物流量，Q=104m3/s；D為管道直徑，m。

據(jù)此計算得D=0.98 m。

2.3 能量的計算

深海采礦是從深海將砂礦通過流體運動氣力舉升提升，巨大的流量要求空氣壓縮機提供相應的能量。礦漿的氣力舉升提升需要克服礦漿的重力勢能做功。由流體力學可知，海水和礦漿存在黏性，在等直徑圓管中流動會產(chǎn)生壓力損失，即沿程壓力損失。

(1)勢能

將礦漿從海水底部提升到出口，以及海水從液面提升到出口所需做的功[11-12]

式中：QS、QL分別為礦漿和海水流量，m3/s；h1、h2分別為水平面至管出口的距離和泵底部至管出口的距離，m。

(2)沿程壓力損失

其中

式中：λ為阻力系數(shù)；l為管路長度，m。

(3)礦漿所具有的動能

提升礦漿所需要做的功

2.4 空氣壓縮機的選擇

空壓機是氣源裝置的主體，將電動機的機械能轉(zhuǎn)化為氣體壓力能。

式中：EG為空氣壓力做功功率，W；p0、pa分別為大氣壓力和進氣口壓力，Pa；QG,O為空壓機進口氣體流量，m3/s。

完成礦漿的提升必須要求EG＞E，由此求得空壓機流量QG,O=1 009.2 m3/min。

由于流量大，根據(jù)工程實際條件，采用 34 臺空壓機同時工作，以滿足工程要求。選用空壓機壓力為3.0 MPa，流量為 30 m3/min，該參數(shù)型號的空氣壓縮機為特制產(chǎn)品。

2.5 外層管壁厚

該裝置中共有內(nèi)層管、中層管、外層管。最外層圓筒殼壁厚

式中：pS為設(shè)計壓力，Pa；Di為鋼管外徑，mm；[σ]為材料許用應力，Pa；φ為焊縫系數(shù)；c為壁厚附加量，mm。

計算得外層管壁厚S1=36.2 mm。考慮制造工藝性，圓整取S1=37 mm。

同樣可得中層管壁厚S2=31 mm，內(nèi)層管壁厚S3=25 mm。

2.6 水射流噴嘴的設(shè)計

所設(shè)計的水射流噴嘴采用 13°錐形噴嘴方案，結(jié)構(gòu)如圖 5 所示。

圖5 錐形噴嘴Fig.5 Conical nozzle

水射流噴嘴當量直徑

式中：q為流量，m3/s；μ為流量系數(shù)；p為噴嘴內(nèi)部壓力 (泵壓)，Pa。

縫隙寬度w=0.8 mm，設(shè)外圓直徑為DW，根據(jù)圓環(huán)面積等于當量噴嘴面積，有

計算得DW=14.58 mm。

設(shè)喉管直徑為DH，則DH=DWsin 80°=14.58 mm，修正后DH=15 mm。

3 主要零部件的校核

3.1 管道的校核

該裝置的內(nèi)層管、中層管、外層管可視為空心軸。以內(nèi)層管的為例 (見圖 6)，進行校核[13]。

圖6 內(nèi)層管Fig.6 Inner tube

慣性矩

其中

式中：dN、DN分別為內(nèi)層管的內(nèi)徑和外徑，mm。

計算得IZ=3.39×1011mm4。

抗彎截面系數(shù)

最大彎曲正應力

按空心軸對該內(nèi)層管進行強度校核，

比較其應力大小，σmin＜[σ]，滿足強度要求。

3.2 水射流噴嘴的校核

水射流噴嘴在薄壁圓管下周期性的周向應力σT作用下，噴嘴筒體受到內(nèi)部水壓作用并發(fā)生斷裂破損。水射流噴嘴殼體的強度校核公式為

由水射流噴嘴壁厚的設(shè)計公式

其中

推導出水射流噴嘴壁厚設(shè)計簡化公式

危險截面的壁厚δ小于水射流噴嘴最小壁厚δmin，因此該水射流噴嘴滿足強度要求。

4 現(xiàn)場試驗及結(jié)果分析

4.1 現(xiàn)場試驗

對于海底采礦還有較大的實際困難和突破空間。水射流團隊在湖南道縣后江橋鐵錳鉛鋅礦區(qū)進行了鉆孔水力開采的工業(yè)應用研究。

2013 年在北京江南廣德礦業(yè)投資有限公司的支持下對后江橋鐵錳礦Ⅱ號礦體采用鉆孔水力采礦方法，即對安裝水射流開挖和氣力提升裝置進行了采礦的初步試驗，試驗現(xiàn)場如圖 7 所示。

圖7 鉆孔水力采礦現(xiàn)場Fig.7 Borehole hydraulic mining scene

Ⅱ號礦體為鐵錳礦體，是該區(qū)主要礦體，也是開采的主要對象。礦體分布于中部礦帶的 8～31 線之間，控制走向長 2 020 m，寬 80～440 m，平均寬 180 m，平均厚 21.65 m?？碧焦ぷ髯C明，Ⅱ號礦體地表分布在低洼平緩的負地形之中，礦體埋藏于當?shù)厍治g基準面之下，礦體圍巖為碳酸鹽巖，溶洞發(fā)育，斷裂構(gòu)造復雜，在深部形成了一條錯綜復雜，且由斷裂構(gòu)造、大小溶洞、漏斗連成的地下暗河，不但造成地下水十分豐富，而且由于氧化淋濾作用使大部分礦石形成了氧化礦石。氧化礦石為土狀、粉砂狀、砂粒狀，結(jié)構(gòu)松散，非常適合于鉆孔水力開采。

4.2 試驗結(jié)果及分析

4.2.1 試驗條件

最大鉆孔深度為 300 m，孔徑為 1 000 mm；氣力泵與提升管內(nèi)徑分別為 260 和 309 mm。

4.2.2 揚礦量

水礦混合體 (大部分顆粒的粒徑小于 30 cm)為300～500 m3/h，含礦率為 10%～15%，最大揚礦量大于 40 m3/h，折合礦物質(zhì)量超過 130 t/h。揚礦量QM隨氣體流量QG的變化規(guī)律如圖 8 所示。

圖8 揚礦量與氣體流量的關(guān)系Fig.8 Relationship of discharge amount and air flow

由圖 8 可知，在開采初期，因井底礦物沉積較多，使得供料充足，揚礦量隨氣體流量值增加呈現(xiàn)先升后降的趨勢；隨開采時間增加，井底漿料濃度降低，系統(tǒng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榍奉w粒供給，致使揚礦量隨氣體流量值變化減小，此時需開啟水力破巖系統(tǒng)以增加礦物供給量[11,14]。此外，為檢驗前述理論模型在實際工程應用中的預測精度，將試采結(jié)果與理論值進行比較，結(jié)果如圖 9 所示，其中礦石密度經(jīng)實際測量并取平均值 2 900 kg/m3。由此可知，理論模型的預測值與實測值平均誤差接近 20%，遠高于室內(nèi)模擬試驗情況。事實上，由于實際開采中受復雜環(huán)境作用影響，井底溫度變化、礦漿供給不勻、流固耦合以及各相間作用復雜性增強等，都會造成模型預測失準。

圖9 試驗結(jié)果與理論模型的比較Fig.9 Comparison between test results and theoretical model

5 結(jié)論

對礦用漿料氣力泵進行設(shè)計分析，提供一種較為簡略的設(shè)計思路和方向。但由于海底礦區(qū)的復雜性以及硬件設(shè)備的限制性，以湖南道縣后江橋鐵錳礦區(qū)的Ⅱ號礦體為實例，進行了實地試驗與理論分析，提出了脈沖水射流和氣力提升聯(lián)合采礦方法，實現(xiàn)了國內(nèi)特大型涌水礦床開采的先例。試采結(jié)果表明，揚礦量隨氣體流量值上升，其變化規(guī)律與之前試驗結(jié)果類似，且最大揚礦量大于 130 t/h。比較試采結(jié)果與理論模型計算值發(fā)現(xiàn)，兩者吻合度較室內(nèi)試驗模擬雖有所擴大，但平均誤差仍控制在 20% 以內(nèi)，驗證了所建理論模型具有較強的通用性。