于永純，汪海峰，張?jiān)鰬c，羅正良，魏曉明

(1．昆明理工大學(xué)，昆明 650093；2．保山金廠河礦業(yè)有限公司，云南 保山 678300；3．礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160)

隨著國家對安全環(huán)保意識的不斷加強(qiáng)，在 “綠水青山就是金山銀山”的發(fā)展理念和政策導(dǎo)向下[1]，全尾砂膠結(jié)充填法已成為國內(nèi)外地下礦山的主流采礦技術(shù)，利用礦業(yè)固廢進(jìn)行充填是實(shí)現(xiàn)尾砂、廢石等大宗量消納處置的有效途徑，有利于減少尾礦庫占地、降低尾礦庫安全風(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)濟(jì)壓力，具有顯著的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益[2]。

充填料漿管道輸送是充填系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)之一，由于礦山輸送管道的線路長、高濃度料漿流速不均勻等因素易造成管道堵塞、爆管等問題，嚴(yán)重影響輸送管道的安全運(yùn)行[3]。為了確保充填料漿高效安全輸送至井下采空區(qū)，其核心在于充填料漿沿程阻力損失的精準(zhǔn)計(jì)算[4]。本文在充填料漿流動(dòng)、流變特性試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，計(jì)算分析充填料漿管道輸送阻力，進(jìn)而獲得充填料漿管道輸送工藝參數(shù)，最終確定金廠河多金屬礦D采區(qū)長距離反坡管道輸送布置方案。

1 工程概況

目前金廠河多金屬礦D采區(qū)資源儲量80萬t，礦山采用兩步驟嗣后充填采礦法，D采區(qū)現(xiàn)有1810、1850中段，其中1850中段接6#主回風(fēng)井，未與4#斜井貫通，為了保障金廠河礦山D采區(qū)安全高效回采，金廠河井下充填管道僅布置在1810水平，而D采區(qū)充填管道工程最低需布置在1870水平，充填管路必須通過1810中段向上長距離返坡(垂直高度60 m)，面臨較大的堵管安全風(fēng)險(xiǎn)，因此礦山亟需解決D采區(qū)長距離反坡充填料漿管道輸送布置方案，并確定與之匹配的充填濃度、流速等關(guān)鍵工藝參數(shù)。

2 充填料漿流動(dòng)性能測試

2.1 測試方案

為掌握金廠河礦充填料漿流動(dòng)性能，確保充填輸送方案設(shè)計(jì)的可靠性，分別開展了充填料漿擴(kuò)展度試驗(yàn)和流變試驗(yàn)，設(shè)計(jì)充填料漿濃度分別為66%、68%、70%、72%、74%和76%；灰砂比分別為1∶4、1∶6和1∶8。充填料漿擴(kuò)展度試驗(yàn)參考《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》(GB T8077—2016)，采用上口直徑36 mm、下口直徑60 mm、高度60 mm的內(nèi)壁光滑的截錐圓模測試充填料漿的擴(kuò)散度[5]。充填料漿流變參數(shù)采用美國Brookfield公司的新型流變儀測試。

2.2 測試結(jié)果

1)根據(jù)試驗(yàn)方案，開展充填料漿擴(kuò)展度試驗(yàn)，每組平行開展2次取均值，測試結(jié)果見圖1。

圖1 充填料漿擴(kuò)展度測試結(jié)果Fig.1 The Slump-flow results of filling slurry

2)通過采用Bingham模型對各組充填料漿的流變曲線進(jìn)行回歸分析，獲得了充填料漿黏度系數(shù)和屈服應(yīng)力，測試結(jié)果見圖2。

圖2 不同料漿濃度的流變參數(shù)Fig.2 Rheological parameters of different slurry concentration

2.3 數(shù)據(jù)分析

1)由圖1可知，當(dāng)充填料漿濃度相同時(shí)，隨著灰砂比增大，其擴(kuò)展直徑整體趨勢變化不大；當(dāng)充填料漿灰砂比相同時(shí)，隨著料漿濃度的增加，其擴(kuò)展直徑普遍減小，表明濃度是影響擴(kuò)展直徑的主要因素。試驗(yàn)組中料漿濃度66%時(shí)，擴(kuò)展直徑最大，分布在26～29 cm；料漿濃度70%時(shí)，擴(kuò)展直徑分布在22～23 cm；料漿濃度72%時(shí)，擴(kuò)展直徑僅分布在18～20 cm；料漿濃度在74%～76%時(shí)，擴(kuò)展直徑分布在16～12 cm。

2)由圖2可知，充填料漿濃度對料漿流變參數(shù)具有明顯影響，在相同的灰砂比情況下，隨著料漿濃度從72%升至76%，屈服應(yīng)力和黏度系數(shù)迅速增大，與該濃度下擴(kuò)展直徑明顯減小相符合。隨著充填料漿濃度增大，料漿中顆粒之間的接觸點(diǎn)增多，漿體內(nèi)部的摩擦力增大，導(dǎo)致流變參數(shù)增大，進(jìn)一步表明料漿濃度越大，料漿流動(dòng)性越差。

3 充填料漿管道輸送阻力特性研究

3.1 充填料漿管道沿程阻力理論計(jì)算

充填料漿沿程阻力損失計(jì)算通常采用金川公式、杜蘭德公式、會澤公式等經(jīng)驗(yàn)公式，具有一定的適用范圍，由于充填料漿性質(zhì)及工況條件不同，造成計(jì)算結(jié)果誤差較大。本次通過開展充填料漿流變試驗(yàn)，獲得了充填料漿流變參數(shù)，進(jìn)而采用基于流變參數(shù)的數(shù)學(xué)模型[6]計(jì)算管道輸送阻力，公式如下：

(1)

式中：jm—料漿在單位長水平直管中的沿程阻力，Pa/m；D—輸送管道內(nèi)徑，m；v—輸送管道中膏體充填料的平均流速，m/s。τ0—初始切應(yīng)力，Pa；η—黏度系數(shù)，Pa·s。

目前礦山充填能力為100 m3/h，已敷設(shè)管道的內(nèi)徑為126 mm，尾砂相對密度為3.204，結(jié)合流變試驗(yàn)測試的流變參數(shù)，計(jì)算不同灰砂比條件下的管輸沿程阻力損失，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 不同灰砂比條件下充填料漿管道沿程阻力

3.2 充填料漿管道沿程阻力數(shù)值模擬分析

1)采用COMSOL軟件自帶模塊進(jìn)行管道建模，根據(jù)金廠河礦充填管道實(shí)際內(nèi)徑建立三維模型，并利用其內(nèi)含的網(wǎng)格劃分工具對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖3所示。

圖3 充填管道三維模型Fig.3 3D model of filling pipe

2)數(shù)值模擬中漿體分析有如下假設(shè)和前提：

①漿體選用層流模型；

②不考慮熱交換；

③不考慮振動(dòng)、地壓波等對管道輸送的影響；

④模擬過程初始管道處于滿管流狀態(tài)；

⑤模型邊界條件為壓力。

3)通過設(shè)定料漿入口流量100 m3/h，灰砂比為1∶4，模擬不同料漿濃度條件下的單位管道的壓力降(見圖4)，并以此作為充填料漿在水平管流動(dòng)過程中的沿程阻力，數(shù)值模擬結(jié)果見表2。

圖4 充填料漿在管內(nèi)流動(dòng)的壓力降Fig.4 Pressure drop of filling slurry flowing in a pipe

表2 不同濃度條件下充填料漿管道沿程阻力Table 2 Pipeline transportation resistance under different slurry concentrations

根據(jù)表2可知，充填料漿濃度低于72%時(shí)，充填料漿在管內(nèi)流動(dòng)過程中的沿程阻力低于1 563 Pa/m；當(dāng)充填濃度達(dá)74%～76%時(shí)，料漿沿程阻力顯著增加，數(shù)值分析結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果接近，因此選取兩者較大值(數(shù)值模擬值)作為充填料漿管道沿程阻力。

3.3 充填工業(yè)泵出口壓力計(jì)算

充填工業(yè)泵的出口壓力計(jì)算公式為：

P=λ1+λ2(L+B)+0.1ρ(H-G)

(2)

式中，P—泵送所需壓力，MPa；λ1—泵送啟動(dòng)所需壓力，MPa；λ2—水平管道沿程阻力，MPa/m；L—系統(tǒng)管線總長度，m；B—全部彎管及彎管折合水平管路長度，m；ρ—料漿密度，g/cm3；H—向上泵送的高度，m；G—向下泵送的高度，m。

通過對金廠河31#采場充填工業(yè)泵現(xiàn)場調(diào)研，本次計(jì)算中泵送啟動(dòng)所需壓力取4 MPa，灰砂比1∶4，料漿濃度66%、70%、72%、74%和76%的密度分別為1 822.18、1 868.74、1 917.74、2 023.87和2 081.47 kg/m3，D采區(qū)計(jì)算所需泵壓見表3。

表3 充填工業(yè)泵出口壓力Table 3 Outlet pressure of filling industrial pump

目前金廠河礦充填站使用的充填工業(yè)泵最大出口壓力為14.2 MPa，當(dāng)充填料漿濃度小于72%時(shí)，由表3可知，輸送至D采區(qū)的充填管線工業(yè)泵的壓力數(shù)值小于11 MPa，且富余均大于3 MPa(處理堵管壓力)，因此建議金廠河D采區(qū)長距離反坡輸送料漿濃度不高于72%。

4 D采區(qū)充填輸送方案研究

4.1 D采區(qū)充填管線布置

綜合現(xiàn)有巷道布置情況及實(shí)現(xiàn)D采區(qū)充填的目標(biāo)，考慮經(jīng)濟(jì)成本及技術(shù)可行可靠原則，D采區(qū)管線布置方案如下：施工貫通現(xiàn)有1830回風(fēng)斜巷與1810中段主巷，以連通1810主巷與1830水平的回風(fēng)斜坡巷，充填管道沿此回風(fēng)斜坡巷上向輸送至1850水平后，繼續(xù)沿回風(fēng)斜坡巷上向輸送至1870水平，從而實(shí)現(xiàn)D采區(qū)的充填，充填管道布置參數(shù)見表4。

表4 充填管道布置參數(shù)

4.2 管輸阻力現(xiàn)場監(jiān)測

本次選取在充填站出口位置安裝壓力表，開展管輸阻力特性現(xiàn)場實(shí)測研究。2021年5月23日至6月7日，通過人工間隔記錄管輸阻力值和對應(yīng)的充填料漿濃度，圖5為管輸阻力值與充填料漿濃度之間曲線圖，充填料漿濃度值波動(dòng)范圍在68%～76%時(shí)，管輸阻力值波動(dòng)范圍在7.3～10.6 MPa，低于充填工業(yè)泵出口壓力理論計(jì)算值，礦山充填管道輸送系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常。

圖5 充填料漿阻力值與濃度之間曲線圖Fig.5 The curve diagram between resistance value and concentration of backfill slurry

4.3 其他輔助措施

1)三通盲板：分別在C.4#斜井底(標(biāo)高+1 810 m)、E.水平主巷起坡點(diǎn)(標(biāo)高+1 810 m)設(shè)置安裝三通盲板，以方便及時(shí)處理堵管、爆管類事故。

2)事故池：在E.1810水平主巷起坡點(diǎn)(標(biāo)高+1 810 m)附近設(shè)事故池，以處理堵管、爆管類事故，事故池有效容積不小于其后端管道總?cè)莘e。

3)高壓水：在1810中段水平主巷內(nèi)的盲板附近設(shè)置高壓水，當(dāng)發(fā)生堵管、爆管類故障后，可用高壓水進(jìn)行管道沖洗。

5 結(jié)論

1)通過開展充填料漿擴(kuò)展度試驗(yàn)和流變試驗(yàn)可知，料漿濃度從66%升至76%時(shí)，屈服應(yīng)力和黏度系數(shù)逐步增大，同濃度不同灰砂比的充填料漿屈服應(yīng)力相差不大。當(dāng)料漿濃度增加至72%，屈服應(yīng)力明顯增大，這與該濃度下擴(kuò)散度直徑明顯減小相符合。

2)結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)、理論分析和數(shù)值分析結(jié)果可知，當(dāng)料漿濃度低于72%時(shí)，充填料漿在水平直管內(nèi)流動(dòng)過程中的沿程阻力低于1 563 Pa/m，當(dāng)充填濃度達(dá)74%或76%時(shí)，沿程阻力顯著增加，可達(dá)4 636 Pa/m。

3)D采區(qū)反坡輸送參數(shù)宜選擇為充填料漿濃度不超過72%、流量為100 m3/h、灰砂比為1∶4～1∶8，但考慮到實(shí)際生產(chǎn)中充填濃度的波動(dòng)性及人員操作水平，待管路敷設(shè)完成后需進(jìn)一步根據(jù)試充情況進(jìn)行充填工藝參數(shù)驗(yàn)證和調(diào)整。