某铁矿充填管网延深参数优化研究_江科.pdf

某铁矿充填管网延深参数优化研究 江 科 1， 2 崔旺 3 胡剑宇 4 李鑫 1， 2 （1. 长沙矿山研究院有限责任公司 湖南 长沙 410012； 2. 金属矿山安全技术国家重点实验室 湖南 长沙 410012； 3. 湖州南方矿业有限公司 浙江 湖州 313117； 4. 大冶有色金属股份有限责任公司铜绿山铜铁矿 湖北 大冶 435100） 摘要为减少某铁矿充填管道磨损、 降低充填作业的堵管风险， 达到优化井下管网的目的， 通过全尾砂粒度 分析、 塌落度试验和L管流动性试验， 对该铁矿充填料浆的流动性能进行了研究， 确定了结构流态料浆浓度、 流变参 数， 计算了结构流状态下料浆自流输送的沿程阻力， 并得到了管网延伸的最优布设地点。研究表明 该铁矿全尾砂 粒度较细， 平均粒径为51.6 μm， 72～70料浆塌落度为28.6～27.3 cm， 屈服剪切应力τ0为3.690～1.471 Pa， 黏性系 数η为0.701～0.450 Pa s。由试验过程及结果可确定充填料浆浓度为72～70时呈现结构流态。在上述分析的基 础上， 对深部矿体充填管网延深参数进行了优化， 当料浆浓度为72时， 沿程输送阻力为1.420～1.893 kPa/m， 充填 天井布设范围应为631～673 m， 此时结构流态料浆的自流输送可有效克服满管率低、 管道磨损严重等不足。 关键词流动性能结构流充填管网管道磨损沿程阻力 中图分类号TD861文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -01-029-05 DOI10.19614/ki.jsks.201901005 Optimization Study on the Deepening Parameter of a Certain Iron Mine Backfilling Pipe Network Jiang Ke1， 2Cui Wang3Hu Jianyu4Li Xin1， 2 （1. Changsha Institute of Mining Research Co.， Ltd.， Changsha 410012， China； 2. State Key Laboratory of Safety Technology of Metal Mine， Changsha 410012， China； 3. Huzhou South Cement Mining Co.， Ltd.， Huzhou 313117， China； 4. Tonglushan Iron Mine， Daye Nonferrous Metals Houding Co.， Ltd.， Daye 435100， China） AbstractIn order to reduce the pipe wear of a certain iron ore backfilling pipe,decrease the risk of pipe blockage, even⁃ tually achieve to optimize the underground pipe network, the grain size analysis test， caving degree test and L type pipe fluidi⁃ ty test were conducted, to study the flowability of the full tailings backfilling slurry in the iron ore. From the above experi⁃ ments, the concentration and rheological parameter of structure fluid could be determined. Through the analysis， on-way resis⁃ tance of gravity transportation slurry in different diameter could be calculated.Then the optimal location of the deepening pipe network is obtained. Result shows that whole tailings particle size is fine， the average particle size is 51.6 μm. When the filling slurry concentration is 72 ～ 70, the corresponding caving degree is 28.6～27.3 cm, yield shear stress τ0is 3.690～1.471 Pa, viscosity coefficient is 0.701～0.450 Pas. The test process and results can be determined the slurry concentration range of structure fluid state is 72 ～ 70. Optimization on the deepening parameter of backfilling pipe network for deep level ore body mining, when slurry concentration is 72， the flow resistance along the path is 1.420～1.893 kPa/m， the placement range of filling patio L should be 631～673 m. Then， the self-flow transport of structural fluid slurry can avoid a series of down⁃ sides， suchas the disadvantages of low full-flow ratio and serious pipe wear. KeywordsFlowability， Structural fluid， Backfilling pipe network， Pipe wear， On-way resistance 收稿日期2018-11-25 基金项目国家 “十三五” 重点研发计划项目 （编号 2017YFC0602903） 。 作者简介江科 （1992） ， 男， 助理工程师， 硕士。 矿山充填系统主要包括尾砂浓缩预处理系统、 充填料浆制备系统和井下管网输送系统， 充填料浆 输送依靠管道自流或泵送 ［1-4］。合理的管网参数和充 填倍线是料浆顺利输送的保证， 若井下充填管道设 计不合理将会带来严重后果。地表至井下的垂直钻 孔和充填联络巷道投资大， 更改的成本巨大， 不合理 的充填管网布置将导致管道磨损速度加快， 增大堵 管风险 ［5-9］。 总第 511 期 2019 年第 1 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 511 January 2019 29 ChaoXing 国内外针对充填管网的研究成果较丰富， 张德明 等 ［10］通过分析金川矿区深井钻孔的磨损形式， 从动量 和能量角度探讨了充填管道的磨损机理， 并提出了自 由下落料浆空气对料浆交界面和垂直管与水平管交 界处的冲击是充填管道的主要磨损形式； 马黎明 ［11］结 合黄沙坪矿充填系统的实际情况， 研究了矿体延伸后 充填管道减压、 减少磨损及满管流技术， 并应用相关 软件进行了管网系统模拟， 提出了井下管网优化措 施； 刘晓辉等 ［4］提出满管率的数学模型， 认为料浆流 量和输送管径是影响满管率的主要因素， 最终推导出 了三者之间的关系式， 指导了某深井矿山的管网优化 工作 ［4］； 姚振巩［12］分析了深井矿山管道的磨损问题， 分别从管网布置方式、 管径选择和管道结构等方面提 出了优化途径。上述研究在理论和工程实践方面做 了大量工作， 为矿山充填管网布置提供了指导。本研 究通过对某铁矿充填料浆流动性能进行测试， 提出适 宜的料浆制备浓度， 保证其在管网输送过程中呈现结 构流态， 优化管网的延伸布设方式， 减少管道磨损， 降 低堵管风险。 1管道磨损机理 传统分级尾砂料浆或低浓度全尾砂料浆在管道 中呈现两相流状态， 利用高流速带动尾砂颗粒在管 道中运动， 颗粒处于紊流状态下， 其对管壁的撞击、 摩擦加速了管道磨损， 在变径和转弯处更易停滞堆 积， 引发堵管事故的概率较大 ［13-16］。提高充填料浆浓 度及制备质量是解决上述问题的主要手段之一。似 膏体或膏体状态的料浆流动性能好、 保水性强， 不易 离析沉降， 可以较低的流速输送， 甚至停止一段时间 后再流动也不会发生堵管事故， 其输送呈现均质结 构流态， 不存在颗粒对管壁的无序冲撞， 减缓管道磨 损。结构流态料浆会因压头的存在将内部一定量的 水分挤压至砂浆和管壁之间形成水膜， 水膜的润滑 作用会降低管道输送的摩擦阻力， 图1为两相流与结 构流料浆在管网输送过程中的状态。 除了输送过程中对管壁的摩擦外， 井下管道磨 损主要体现在充填竖管自由落体段空气砂浆交界 面处的料浆冲击波对四周管壁的破坏和竖管段与水 平管段交接处料浆运动方向急剧改变对管壁的冲 蚀。上述问题的解决办法是提高满管率， 减少或消 除自由落体段高度， 避免空气在冲击过程中被压缩 或形成真空而将多余的能量释放于较小面积的局部 管壁上， 致使单位面积管壁承受巨大的能量而诱发 严重损伤， 满管率的增加有赖于制定适宜的料浆制 备浓度和布设合理的管网参数， 使料浆在垂直管段 的压头均匀消耗于沿程管道上， 既避免料浆在垂直 管段中做较长的自由落体运动， 同时降低料浆流速， 减小管网输送的沿程阻力。料浆流动方向急剧改变 处一般采用加厚型耐磨材质管道或将弯头埋入高标 号混凝土中， 即使在料浆磨穿弯头后仍能继续使用。 充填管网是矿山充填系统的咽喉部位， 连接地表 制备站与井下采场， 管道磨损虽是不可逆事件， 但应 尽量减缓磨损速度、 延长井下管网的服务时间。应对 特定矿山充填料浆的流动性能和输送阻力进行研究， 制定安全可靠的料浆输送浓度、 方式和制度， 在技术 上规避上述风险， 确保充填系统正常高效运行。 2课题提出 某铁矿采用分段凿岩阶段嗣后充填法采矿， 在地 表建有一座充填制备站， 站址标高44 m， 充填工艺为 选厂总尾泵送至立式砂仓脱水沉降， 砂仓造浆放砂至 搅拌设备， 添加水泥后制备成充填料浆自流输送到井 下空区， 充填系统能力为80 m3/h。该充填系统运行 效果较差， 立式砂仓溢流水跑浑严重， 充填尾砂利用 率低； 尾砂在砂仓内易板结， 高压水造浆导致放砂浓 度低， 充填浓度维持在64～68； 充填浓度低致使水 泥添加量大， 充填成本偏高； 低浓度料浆对管道冲刷 磨损严重， 低倍线采场末端管道使用寿命短， 矿山在 检修期间对充填竖管进行摄像探伤检测， 结果不容乐 观， 离孔口60～80 m的部分管壁已被较严重磨蚀， 局 部磨损情况如图2所示， 若不采取措施， 将对矿山今 后的生产规划造成影响。该铁矿开采向下部延伸， 深 部采矿作业对充填体要求更高， 在倍线更小的情况 下， 料浆对管道的磨损问题将更加突出。 为此， 该铁矿改变充填工艺， 新增设1台高效深 锥浓密机对尾砂进行预处理， 浓密机底流进入立式 砂仓或直接进入搅拌设备， 解决充填溢流水跑浑问 题， 保证充填料浆的制备浓度和质量。在上述工作 的基础上提出合理的料浆输送浓度， 根据流变参数 优化深部矿体开采充填管网的布置方式是目前亟待 解决的问题。 2019年第1期总第511期金属矿山 30 ChaoXing 3料浆流动性能测试 3. 1试验材料及方法 取该铁矿选厂总尾砂浆沉降泌出清水并将原浆 水集中储存， 下部全尾砂烘干得到干样， 混合均匀后 留待试验使用。胶凝材料为充填站现场取样水泥， 配比按综合灰砂比1 ∶ 8设定， 充填料浆流动性能测试 需进行全尾砂粒度分析、 常规塌落度试验和L管自流 输送试验。 （1） 全尾砂粒度分析。通过Mastersizer 3000型激 光衍射粒度分析仪对尾砂粒径进行测试， 由极细颗 粒 （-20 μm） 含量及尾砂粒级分布的均匀程度可间接 判断砂浆的保水性能及和易性。 （2） 料浆塌落度试验。采用标准塌落度桶， 桶上 口直径为ϕ100 mm、 下口直径为ϕ200 mm， 筒高 300 mm， 每次试验时利用辅助工具分层筑捣， 装满后在规 定时间匀速提起， 记录料浆坍落的高差即为塌落度 值， 同时注意观察料浆在塌落过程中的保水性和黏 聚力， 进而判断料浆的流动性能。 （3） L管自流输送试验。采用透明材质管道 （如 玻璃、 塑料等） ， 按特定倍线设计竖管段与直管段的 长度， 将制备后的料浆从下料口倒入装置内， 料浆沿 管道流动并形成稳定的满管流后取样测试流速， 流 动结束后记录料浆最终在竖管中的静柱高度。由能 量守恒定理可知， 料浆的进口压力和自重压力转化 为输送阻力损失及出口压力损失， 由试验结果可计 算出料浆的屈服剪切应力τ0和黏性系数η。 3. 2试验结果分析 全尾砂粒径测试结果如表1所示。由表1可知 该铁矿尾砂颗粒较细， -20 μm含量占30.82， 平均 粒径为51.6 μm， 细颗粒的存在有利于结构流充填料 浆形成， 砂浆保水性能好， 且细颗粒含量适中， 不会 对尾砂沉降浓缩预处理工艺造成较大影响。1 ∶ 8灰 砂比料浆塌落度、 流变参数测试结果见表2， 图3为 70料浆在L管口的流动状态。由试验结果和过程 可知， 料浆浓度高于74时无法自流输送， 浓度小于 68时离析现象明显， 塌落度试验值可说明在细颗粒 含量较高的情况下， 充填料浆自流输送的最大浓度 值与平均粒径较粗的尾砂充填料浆相比偏低。料浆 的屈服剪切应力τ0和黏性系数η反映了料浆在静置条 件下和输送过程中抵抗剪切变形的能力， τ0值越大， 料浆抵抗离析沉降的能力越强， η值越大， 料浆的流 态更稳定， 两者均与浓度成正相关关系， 两者与料浆 输送阻力也成正比， 所以料浆浓度取值既要保证其 呈现结构流态， 又不能过高致使输送困难。综上所 述， 该矿适宜的充填料浆制备与输送浓度为70～ 72。 注 尾砂平均粒径为d平均51.6 μm。 4充填管网优化研究 充填制备站现有钻孔至-100 m中段， 服务-150 m中段采场， 原设计下部矿体充填待需要时在-100 m 中段合适的部位增补竖向钻孔或利用天井布设管道 江科等 某铁矿充填管网延深参数优化研究2019年第1期 31 ChaoXing 至-150 m中段。若直接在原有钻孔硐室施工竖向钻 孔， 虽然料浆的输送倍线不存在问题， 但近端采场充 填将因倍线过小致使料浆流速快， 从而导致对管道 冲刷磨损程度加大， 空气砂浆交界面处的冲击波 破坏会更严重。在解决料浆浓度及制备质量问题 后， 根据流变参数试验结果可由式 （1） 推算出料浆的 沿程阻力i ［17］ i 16τ0 3D 32ηu D2 ，（1） 其中， i为沿程阻力， kPa/m； τ0为屈服剪切应力， Pa；η 为黏性系数， Pa s； u为料浆流速， m/s； D为管道内径， m。 现有充填竖管规格为ϕ189 mm20 mm陶瓷复 合管， 水平主管道规格为ϕ178 mm20 mm陶瓷复合 管， 增设的充填竖管和-150 m中段的水平主管规格 与其相同， 布设方式如图4所示。充填钻孔布置于矿 体端部， 其与最近端矿房的水平投影距离为95 m， 与 最远端矿房沿主巷的水平投影距离为810 m。由式 （1） 计算的料浆浓度分别为72和70时， 竖管及水 平管的流动阻力如表3所示。 合理的L取值范围即充填天井的布设位置， 可使 料浆自流输送时的水力压头较均匀地消耗于沿程管 道中， 竖管尽可能保持满管， 避免形成自由落体段而 将大量能量作用于局部管壁， 但也应留有余量， 保证 有足够的压头使料浆顺利输送至采场。充填天井的 布设位置对其附近的采场影响较大， 为避免前述诸 多弊端， 充填天井与地表钻孔的水平投影距离L应越 大越好， 但需考虑管线最长采场能否实现自流输送， 计算按式 （2） 进行， 管道变径及弯头处的局部压头损 失按沿程阻力的 15计， 料浆压头总损失按 85～ 90计。 [] H1H2i竖2Li水平1.15kγH1H2， （2） 式中， H1为地表至-100 m中段竖管高度， 144 m； H2 为-100 m中段至-150 m中段竖管高度， 50 m； L为充 填天井与地表钻孔的水平投影距离， m； i竖为竖管沿 程阻力， 1.420 kPa/m （72料浆） ； i水平为水平主管沿程 阻力， 1.893 kPa/m （72料浆） ； k为调整系数， 取85～ 90； γ为72料浆容重， 18.6 kN/m3。 最终计算出的L取值范围为631～673 m， 在该范 围内利用已有设施或掘进充填天井布置竖管， 可有 效实现高满管率并延缓管道磨损进程。 5结论 （1） 该铁矿低浓度料浆的两相流输送方式须利 用高流速来避免粗颗粒沉降， 高速冲刷的粗颗粒对 管壁的磨损较大， 对空气砂浆交界面处的冲击破 坏较严重。对充填料浆流动性能进行研究后表明， 当料浆浓度为70～72时其呈现结构流态， 料浆在 管道中可保持较低的流速而不产生离析沉降， 有助 于提高满管率， 减少或消除空气砂浆交界面的形 成及其对管壁的冲击。 （2） 料浆的屈服剪切应力τ0和黏性系数η均与浓 度成正比， 分别反映了料浆在静置状态和流动过程 中抵抗剪切变形的能力， 其值在合理范围内越大说 明料浆越易形成结构流， 但τ0和η值过大则会大幅增 加料浆的输送阻力， 所以确定充填料浆合理的制备 浓度很重要， 既要保证其呈现结构流态， 又不能过高 致使输送困难。 （3） 通过对该铁矿井下充填管网进行分析， 计算 了料浆浓度为70～72时竖管和水平主管的输送沿 程阻力， 最终确定-100～-150 m中段的充填天井应布 置在离充填钻孔水平距离为631～673 m的范围内， 尽 可能保证-200 m中段的各个采场均能以适宜的倍线 充填， 避免小倍线带来的非满管输送、 管道磨损严重 等弊端， 此优化方案能有效延长井下管网的使用寿 命， 可为类似矿山提供一定的借鉴。 参 考 文 献 张钦礼， 刘奇， 赵建文， 等.深井似膏体充填管道的输送特性 ［J］ .中国有色金属学报， 2015， 25 （11） 3190-3195. 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