砂浆输送倍线对充填系统安全运行的探讨.pdf

娜 有色金属工业科技创新 砂浆输送倍线对充填系统安全运行的探讨 张卓成 , 白广勇 ’ 张小娟 ’ 1 . 金川集团有限公司二矿区 , 金昌737 10 0 ; 2 . 金川集团有限公司工程管理部 , 金昌737 10 0 摘要 充填倍线指数既反映了充填系统的充填能力 , 也表示了充填系统料浆输送的综合阻力 , 该文针对二矿 区充填系统设计存在的问题 , 通过浆体管道输送的水力学特性理论计算和计算机模拟以及现场实际观察等技术 手段 。 全面分析和阐述了充填系统设计参数存在的缺陷和改进措施 。 关扭词 充填倍线;砂浆输送;水力坡度 l 引言 二矿区充填系统包括一期和二期充填搅拌站 , 两 个充填搅拌站分别采用高浓度细沙管道自流输送 交结充填工艺和 尾砂膏体泵送充填工艺 。 其主 要工艺特点是 自流输送 交结充填是以 一 3m m 棒磨 砂为主要骨料 , P . 03 2 . 5 普通 硅酸盐水泥为胶凝材 料 。 依靠重力 自流输送 。 砂浆质量分数为7 7 - 7 9 , 灰沙比为1 4 , 充填能力为8 0 一 lo om 3/ h 。 料 浆流态为高浓度似均质浆体 。 尾砂膏体泵送充填工艺 是以棒磨砂和分级尾砂为主要骨料 , 普通硅酸盐水泥 和粉煤灰作为胶凝材料 , 料浆质量分数 为7 6 - 8 1 , 砂浆输送依靠K SP 14 0 一H D R 液压活塞泵输送 。 充坟能力为6 0 一 8 0 m 3/ h 。 两种充填工艺对充填体强 度要求都要达到凡8 S MP a 。 2 充填管路设计 l 一期搅拌站198 2 年建成 , 原设计五套搅拌 系统实际只完整的安装了三套 。 地表搅拌站制备 的充填料浆通过 7 2 m 充填小井* 16 刃水平充填道、 1 6行充填井壁管后改为钻孔、135 0水平充填回 风道、上盘充填小井* 采场 。 2 二期搅拌站199 7 年建成 , 设计有两套高浓 度细沙管道自流输送系统和一套尾砂膏体泵送系统 , 料浆通过 3 4 m 充填小井*充填斜井* 16 X 水平充填 道一A组充填钻孔、135 0水平上盘 B . C组充填钻孔 分别进人 12 50 中段和 1巧0 中段采场 。 3 充填管路设计存在的问题 1 1以X】水平输送倍线太大 一期搅拌站充填 小井垂直高度7 2 m , 160 0 充填道水平输送 距离38 6 m 从充填小井到1 6行充填井位置 。 由于垂直高度 小 , 水平输送距离太长 , 充填倍线大 , 料浆通过时管 路压差小 , 阻力损耗大 , 砂浆流速低 。 输送安全性 差 。 二期搅拌站在建设时管路布置有所改进 , 其充填 管道是经过34 m 小井。充填斜井、与 160 0 水平充填 管路沟通 。 输送条件略有改善 , 但是垂直高差并没有 增加 , 充填倍线值仍然超过6 . 3 6 , 料浆输送过程中 很容易发生堵管 。 2 1350 水平输送倍线太小 由于 1250 中段 和 l巧0 中段前期充填回风系统 布置在上 盘 , 因此 , 1350水平砂浆输送是由下盘 的A组充填钻孔经过水 平管道向上盘输送 。 水平管路最大长度为73 5 m , 钻 孔垂直高度22 7 一 250m , 充填倍线在4 . 犯 一 3 . 9 4之 间 。 随着各回采中段采区充填回风系统由上盘转移到 下盘 , 135 0 水平以下的充填钻孔也陆续转移到下盘 施工 。 使 135 0 水平管路长度由73 5 m 缩小为22 0 m 左 右 , 充填倍线值降到 1 . 9 7 一 1 . 8 8 。 改造前充填管路布置见图1 。 根据浆体管道输送的水力学特性 , 自流输送是完 全依靠垂直管道中砂浆柱产生的自然压头作为整个管 路输送的动力 。 在一定的压头作用下 , 浆体在管道中 的流动必须克服与管壁产生的阻力和产生湍流时的层 间阻力 , 而输送倍线值越大说明自然压头产生的压差 越小 。 浆体在水平管道中的流动速度越低 , 当浆体流 动速度小于临界流速时 , 管道中紊流脉动垂直方向的 分速度就不能维持固体颗粒完全悬浮 , 在重量作用 下 , 大颗粒物料首先开始下降 , 管道底部出现慢速滑 动和不移动的沉淀区 , 随着充填时间的增加这个沉淀 区越来越厚最终造成管道堵塞 。 张卓成 , 金川集团有限公司二矿区采矿工程师; E . m‘le kq侧 j . 。 砂浆输送倍线对充填系统安全运行的探讨 ⋯⋯ 口. . . ] ] ] 不嗓烈 烈 尸尸尸尸尸尸 沪沪一 一 . . . . . . . . . . . . . ‘一 一 { { { { { { { { { { 弋弋 L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L , 。 为料浆密度 , 口m ,; 体颗粒沉降阻力系数 ; 均 K 二 2 . 0 。 人为清水的阻力系数; K 为系数 , K 二 1 . 5 一 3 一 粉 价为固 . 0 , 平 料浆水力坡度 一流速一浓度之间的关系见图 2 。 8 164 7妙’0 / 7 75慨 清水 . 件, J,‘l 一 一 任 。 d“/翘 鬓 只书 图 1 改造前充填管路布置 充填倍线指数即反映了充填系统的充填能力 , 也 表示 了充填系统料浆输送的综合阻力 。 因此 , 采用自 流输送工艺时 , 充填倍线过大会造成压力损失大 , 料 浆流速缓慢流动不畅 , 容易堵管 。 反之 , 充填倍线值 太小会使料浆出口剩余压力增大 , 管道震动剧烈甚至 发生爆管 , 管路冲刷磨损十分严重 , 会大大降低充填 管的使用寿命 。 根据金川矿区浆体管道重力输送的经 验 , 砂浆输送倍线值在 1 . 5 一 5之间比较理想 , 超过 7 时完全不能输送 。 充填倍线计算公式 0 一寸 石 2 . 03 刀 流速l m s一l 自流输送 时 N 二 要 月 式中 , N 为充填倍线 ; L为充填系统管道总长度 , m ; H 为充填系统中料浆入口与出口处的垂直高差 , m 。 可见 , 充填倍线既反映了充填系统的充填能力 , 也表示了充填系统料浆输送的综合阻力 。 由于在充填 系统中 , 还有弯管 , 岔道负压区等局部阻力 。 因此 , 实际充填工作倍线为 图2料浆水力坡度 一流速一浓度关系曲线 从图2可以看出 , 对于某一固定浓度的料浆 ‘, 当 水力坡度减小时 , 砂浆流速也随之减小 。 而水力坡度 与充填倍线呈反 比关系 , 也就是说随着充填倍线的增 加 , 水利坡度减小 , 相应的管内流体的流速也降低 。 由此可见充填倍线设计对于管内流体的流速和流动状 态具有十分重要的影响 。 我们还利用3d s 软件粒子流事件驱动程序对细 砂管道充填自流输送过程中的砂浆流动状态进行了可视 化模拟 , 结果发现充填小井及 l朋水平管道中的浆体流 动呈柱状缓慢移动 , 流动速度在之8 一 3 . 0而s之间 , 接 近浆体临界流速 。 当砂浆流人A组钻孔和135 0水平管道 时流速迅速提高 , 达到5 . 8耐s , 流动状态呈絮状不连 续高速移动 。 计算机模拟参数取值见表 l 。 裹1计算机模拟参数取值 N 二 砂砂子粒径径管径/ 浓度/ 流量量重力加速度度 / / / n切。。。。 /m 3 h 一l l l /m . 8 一2 2 2 l l l 、1. 5 、2 . 5 、3. 0 0 0133 、2 19 9 9 78 8 81o o o o9 . 81 1 1 式中 , N为充填倍线;L ip 为料浆输送水力坡度 , L1 ipL ip 为充填系统管道总长度 , m ; kP盯m 。 , l 、‘. .J , ‘ Ž. .且 l 108m3 95 gD 下 。一 l 。2 c l尼 r.产 .e e L W ,,.脚 2. 门. 二 一一 P .勺‘ 式中 , 耐 52; D 为 管道直径 , m 为料浆平均流速 , ; g 为重力加 速度 , 9 . 8 1 而 s; 7 。 为固体颗粒的密 中 扒 8 一 下 度 , “m 3; m , 为料浆的体积分数 , ; C 二 二 为颗粒沉降阻力 系数 ; i, 为清水输送水力 坡度 , kPa / m 。 临界流速计算公式 乃 。c二 g。,“ 仁 孕 二z牛 } \入功7p下w 人, 式中 , , 。 为临界流速 , 耐 ,; 7 , 为清水密度 , 口m 3; 生产实践证明 , 16 X 水平输送能力比较差 , 安 全系数低 。 尤其在砂浆浓度和流量不稳定 , 一 3 以上大颗粒物料含量超标 , 粒径超大 , 水泥添加量偏 低的情况下特别容易发生堵管事故 。 根据历年我们对 16 X 水平和 135 0 水平管路消耗 情况统计及 现场观察分析 , 1350 水平管路损坏主要 以砂浆在高速流动过程中冲刷磨漏为主 , 尤其是水平 管与钻孔连接弯管磨损最为严重 , 更换频率极高 , 而 大颗粒物料沉积堵塞管路的现象很少 图3 。 16 X 水平管路损坏则是以大颗粒物料沉积堵塞为主 , 冲刷 磨漏现象较少 图4 。 现场出现的这些特点与我们前面在浆体管道自流 输送理论分析和利用计算机可视化模拟的结果基本吻 合 。 由此可以看出 135 0 水平以上充填倍线设计不合 理是影响整个充填系统安全生产的一个突出问题 , 也 像 有色金属工业科技创新 门 386m 缩短为 158m 。 充填倍线值由6 . 36 降低为3 . 19 。 同时 1350 水平充填道由22 l m 增加到49 7 m , 充填倍 线值由1 . 8 8提高到2 . 9 8 。 在垂直高差不 变 的情况下 使两个水平的充填倍线趋于平衡 。 经过 改造后 的充填管路布置 见 图5 。 A 2 组充填 钻孔设计主要参数见表2 。 图3 1 350水平管路磨损后的部分残片 图5经过改造后的充填管路布置图 该工程于20 0 5年3月份开始施工 , 2 X 巧年1 2月 交付使用 。 工程总造价1 68 0万元 。 衰2 A 2 组充坟钻孔设计主要参数 名名称称孔数数荒孔孔套管 管 套管管孔口 口 孔底底 直直直直径径外径径壁厚厚标高高标高高 / / / / / / /m r n n n / ”切口口 / ”1用n n n n n n n A A A 2 组钻孔孔 6 6 6闷 4洲 29 9 9 9 2 0锰钢 地表表 1350 水平平 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 0耐磨磨磨磨 图4 1以x〕水平管路堵塞情况 是料浆输送的瓶颈所在 。 4 改进措施及效果 l6 X 水平和1 3 50 水平是二 矿区整个充填系统的 咽喉 。 全矿所有的充填料浆都要通过这两个水平输送 到各个采矿中段 。 因此 , 135 0 水平以上充填管路设 计是否合理直接影响整个充填系统的安全运行和充填 能力 。 为了彻底解决 13 50 水平以上充填倍线不合理 , 充埃系统运行安全性差的问题 , 在A 2充填钻孔设计 之前 , 我们对整个充填系统的充填倍线 、 管道直径 , 水力坡度等影响砂浆输送的主 要参数进行了认真验 算 。 经过参数验算 、 地表施工环境勘察 、 井下工程对 比及多种设计方案的反复论证 。 最后决定将原设计院 设计在A l 组钻孔附近的A 2组充填钻孔位置沿 16加 水平充填道方 向向北移动22 8 m 。 使 16 X 充填道由 系统优化改造后截止到2 X 7 年1 1月底已经累计 充填 11 5 万耐 , 生产实践表明 , 管路优化改进取得 了很好的效果 。 具体表现在以下几方面 l 通过系统改造 , 彻底消除了 1创X水平砂浆 输送的瓶颈问题 , 优化了充填系统倍线 。 提高了充填 系统的安全性和输送能力 。 2通过一年时间的生产实践检验 , 整个充填系 统砂浆输送顺畅 , 流速稳定 。 降低了区段间砂浆流速 快慢不均衡给整个充填系统带来的不安全因素 。 3 系统改造以后提高了 1以X水平砂浆流速 , 我们在现场打开管道观察 , 几乎看不到任何物料沉积 或淤积残留现象 , 杜绝了1日 X水平由于充填倍线大 砂浆流速低造成的物料淤积堵管事故 。 4由于系统优化改造降低了135 0水平砂浆流 速 , 减小了管道磨损程度 , 使用近一年来还 没有发生 因管道磨漏大量跑灰事故 。 大大减少了因管道磨漏跑 灰导致系统停车事故的次数 。 5延长了充填管路使用寿命 , 减少 了管道消 耗量 。 砂浆输送倍线对充填系统安全运行的探讨 一铺 6 16 以〕水平输送瓶颈问题的解决 , 为降低膏 体泵压 , 实现膏体料浆长距离输送创造了有利条件 。 7 以后优化充填系统设计积累了大量的理论依 据和实践经验 。 任何事物都有两面性 , 这次系统改造也不例外 。 系统改造虽然取得了很好的效果 , 但是随着1 60 0水 平砂浆流速提高可能会对充填小井中的管道磨损加 快 , 因此 , 应采取相应措施加以保护或改为钻孔输送 更为合理 。 今考文献 蔡嗣经 . 社 , 19 94 . 刘同友等 . 社 , 20 01 . 矿山充填力学基 础 . 北京 冶 金工业出版 充填采矿技术 与应 用 . 北京 冶金工业出 版 ,. .JI ‘. ,二, 山 r ,.Žr ‘.L