粗骨料充填料浆长距离管道输送关键技术

杨志强，陈得信，高　谦，马　龙，邹　龙

(1.北京科技大学土木与环境工程学院, 北京100083;2.镍钴资源综合利用国家重点实验室, 甘肃金昌737100)



粗骨料充填料浆长距离管道输送关键技术

杨志强1, 2，陈得信2，高谦1，马龙1, 2，邹龙1, 2

(1.北京科技大学土木与环境工程学院, 北京100083;2.镍钴资源综合利用国家重点实验室, 甘肃金昌737100)

粗骨料充填料浆长距离管道输送存在管道磨损严重、管道接头频繁以及堵管处理困难等问题，是充填法安全高效生产亟待解决的关键技术。文中针对金川二矿区充填管网系统和充填工艺，开展了耐磨管选择、柔性接头和导水阀研制以及充填管道堵塞处理新方法研究。通过不同耐磨管材的试验，选择了直径Φ133 mm钼铬双金属和刚玉(陶瓷)两种耐磨管，并针对采用刚性耐磨管存在接头困难问题，研制了柔性接头装置。该装置一端为带卡盘的伸缩头，另一端为球形带卡盘结构的万向头，并由密封的伸缩套管和辅助配件连接。针对管道引流清洗水进入采场后降低了充填强度，研发将洗管水排出采场的导水阀装置。该装置是由阀体、阀板和曲柄连杆组成，呈现“卜”字状。装置一端连接井下供水管，另一端连接充填管，两端由塑料管连接，形成处理堵管的自备管水系统。研究结果表明：耐磨管延长了管道使用寿命；柔性接头缩短耐磨管接头时间；导水阀避免引流洗管水进入采场；堵管处理新方法保证了充填作业的安全与连续。文中所提出的关键技术在金川二矿区应用时充填作业时间由12.46 h/d提高到14.35 h/d，充填系统故障停车率由1.36 次/万m3降到0.99 次/万m3。

粗骨料充填料浆；长距离输送；管道磨损；柔性接头；关键技术

0　引　言

随着充填法采矿生产能力的提高，高浓度大流量管道输送技术在充填法采矿中得到了推广应用。矿山充填物料的多样性、开采技术条件的复杂性以及采矿方法的多种性，使得料浆管道技术面临诸多技术难题。充填采场管网布设、钻孔设计与施工、管道磨损与修复等关键技术，不仅关系到充填采矿生产能力，而且还直接影响充填采矿成本和安全生产。为此，国内学者对此开展了广泛而深入研究。方志甫[1]针对安庆铜矿充填法采矿进行了充填管网优化研究，提出降低管道输送阻力及压力的措施。陈发吉等[2]对沙坝土矿磷石膏充填管路设计、布置以及管网参数进行研究。邓代强等[3]针对吴集铁矿全尾砂充填法采矿，开展了大流量高浓度充填管网设计与参数优化。姚振巩[4]和肖云涛等[5]针对深井充填料浆管道输送管道磨损问题，提出了多台阶管道布置、垂直与水平管段直径优化和垂直钻孔结构的三种管网布设方式，最终给出减小管道磨损的优化布设方式。矿山充填管道敷设在围岩钻孔中，钻孔施工技术在很大程度上影响管道磨损与使用寿命。黄才启[6]分析了影响充填钻孔使用寿命因素和充填施工的难点，总结充填钻孔施工方法和质量的控制技术与措施。刘兆满[7]总结了焦家金矿寺庄分矿充填钻孔的设计、施工与管理经验，强调施工管理对钻孔施工质量和使用寿命起到重要作用。杜先锋[8]针对喀拉通克镍矿充填钻孔频繁堵塞问题，提出并实施充填钻孔注浆工艺，实现对耐磨钢管孔内和井内的可靠固定。曾有研究者开展了充填钻孔磨损机理与影响因素研究，揭示了钻孔偏斜率是影响钻孔使用寿命的重要因素[9-12]；充填料浆在钻孔中高速自由降落冲击局部弯管，是导致深井充填管道磨损的主要因素。张钦礼等[13-14]和薛希龙等[15]分别开展充填钻孔健康状况评价和使用寿命预测研究。陈娟等[16]开展改性钢管全再生粗骨料混凝土短柱的轴压试验研究，得到各规程在计算钢管全再生骨料混凝土承载力时的适用性。上述研究对我国充填法采矿充填料浆管道设计、施工、使用与充填管理起到了指导和借鉴作用。Zhang等[17-18]开展了粗骨料料浆管道输送流变模型以及管道阻力研究，Li等[19]进行了铁矿长距离管道循环输送理论和方法研究，由此确定料浆浓度与管阻的关系。

金川镍矿是我国最大的硫化铜镍矿床，也是我国最早的充填矿山之一，目前已经建成年产近1×107t的地下充填法矿山。前人针对金川矿山深埋、高应力和破碎围岩的采矿技术条件，开展了高浓度和膏体充填采矿技术的理论研究和工程实践，在充填钻孔设计、施工管理与钻孔修复等方面获得了丰富的工程经验[20-22]。

在充填法采矿生产中，充填管材选取、管道连接以及堵管事故处理与防控技术等关系到管道使用寿命和充填采矿生产能力。尤其是充填作业前后的引流与洗管水处理，严重影响充填体强度与充填体质量。为此，本研究针对金川矿山棒磨砂粗骨料充填料浆管道磨损问题，开展了耐磨管的选择以及耐磨管柔性接头装置的研制。为了提高充填体质量和充填连续作业，开展导水阀研制以及充填管道堵塞处理方法研究，由此开发出满足棒磨砂料浆充填耐磨管柔性接头，提出深井长距离高浓度棒磨砂充填料浆管道输送的堵管处理方法和防控技术，旨在为金川矿山充填法采矿产能提升和降低充填采矿成本提供技术支撑，为类似矿山充填管材选择、充填堵管事故处理与防控提供宝贵的参考经验。

1　充填料浆耐磨管选择与应用情况

金川镍矿棒磨砂自流充填料浆特性和输送流速对充填管道磨损影响显著。原来采用Ф133 mm和Ф103 mm无缝钢管作充填管，料浆输送量仅20×104m3左右。随着充填量增大，因管路磨损导致充填过程的不正常停车的故障率增加。通过3年多不同耐磨管材试验与比较分析，选择了直径Ф133 mm钼铬双金属和刚玉(陶瓷)两种耐磨管。耐磨管道的单节长3 m，采用卡箍连接，能够满足高流速、高压力和高磨损的自流充填输送要求。在此基础上，对井下管线实施标准化改造，将主充填系统所有普通钢管全部替换为耐磨管，并将充填回风道内的非标管全部替换统一尺寸的标准管，从而提高了互换性，加快更换管线速度，减少劳动强度，也提高了充填系统的纯作业时间。近年来的使用情况表明，钼铬双金属耐磨管能够承受深井高速降落的料浆的冲击，弯管及钻孔底部的抗磨损效果显著，充填耐磨管道及卡箍连接如图1和图2所示。将充填弯管更换为此耐磨管的管材性能以及所获得的经济效益见表1。

图1　Ф133 mm的双金属耐磨管Fig.1　Double metal wear-resisting pipe with Ф133 mm

2　充填管道耐磨柔性接头研制与应用

2.1充填管路切换存在的问题

二矿区井下采空区充填是通过分布在井下的钻孔及与之相连的管网将充填料浆输送到各个采场。目前井下有7个采矿作业平面，分布在1 600、1 350、1 250、1 200、1 150、1 100、1 000 m水平。其中，1 600 m与1 350 m两个水平为井下充填主工作面，1 250 m与1 150 m两个水平承接井下1 000 m中段各盘区采场充填的主连接工作，1 200 m水平为副中段，承接1 150 m中段各盘区采场充填的连接工作。所有充填系统在1 350 m水平通过切换管道接口，实现对1 150 m和1 000 m两个中段的充填，1 200 m副中段与1 150 m中段在各盘区口通过切换管道接口，实现对各盘区内的充填作业。目前井下1 350 m、1 250 m、1 200 m、1 150 m中各中段都需要根据采场位置和充填情况随时进行系统切换。

图3　耐磨柔性接头图Fig.3　Flexible joint of wear-resistant pipe

传统切换方式是打开固定的充填管快速接头，采用撬棍将待充填采场管路的管头拨到相应的充填系统的管路对上管口，然后再固定快速接头。由于井下充填管线更换为Ф133 mm刚性耐磨管，因此，管头属于刚性联接，倒口管管头位置的改变使管道中心线偏斜，对口时通过调整管口前后长达30～40 m的管线才能实现，有时还需加工小短接实施强行对接，每次切换作业时间长，一般情况下为70～80 min，个别中段多系统充填时，管线交叉切换作业时间甚至长达两个小时。这不仅使工人劳动强度增大，同时也制约着充填法采矿的生产效率。

针对充填管道切换存在的问题，研制如图3所示的充填管道刚性耐磨管的柔性接头。该接头一端为带卡盘的伸缩头，另一端为球形带卡盘结构的万向头，通过中间带有密封装置的伸缩套管和辅助配件连接。

2.2充填管路柔性接头的特点

充填管路柔性接头具有以下特点：

①一端可伸缩的伸缩头，可解决管线在被撬动后管线路径长度发生变化而导致线发生位移后无法对接的困难。设计最大可调节位移200 mm。

②借鉴万向头原理，将管道一端带卡盘、另一端设计成球形形成万向接头。嵌入带密封组件的伸缩套管与万向头的套管内，将两者用螺栓连接。万向头沿轴向与径向在形成45°夹角范围内可实现360°旋转。此设计解决在倒口作业中管线发生位移产生管道与管道不同心，从而产生偏斜而无法对接的问题。

③在伸缩套管与万向头套管形成的空腔内装上两只聚胺脂成型密封圈，以解决由于球型管旋转而产生的密封问题。拧紧螺栓达到密封效果，保证万向头旋转后接头密封良好。通过现场水压试验表明压力达到9 MPa以上仍能保持良好的密封，满足充填管线中最大压力为6 MPa的接头要求。

④在伸缩头及万向头中充填料浆通过的地方，将管道内壁加装耐磨层，延长柔性接头的使用寿命，实现节约成本的目的。

2.3充填管路柔性接头的优点

充填管路柔性接头具有以下优点:

①耐磨柔性接头的管内衬陶瓷层为刚玉，维氏硬度在1 300～1 500 HV，相当于HRC90以上，适应井下充填料浆高速输送所要求的耐磨强度，使用寿命为普通管材的7倍以上。

②耐腐柔性接头的内衬中性材料具有较强的耐酸、碱、盐的腐蚀。

③管道沿程阻力损失系数较小，普通钢管为0.0195，而耐磨钢管为0.0193。

④安装维修方便，其重量是同内径铸石复合管重量的1/3，比耐磨金属钢管轻30%，加上万向与伸缩使其耐磨管道的安装维修都十分方便。

3　充填导水阀的研究及其在充填中应用

3.1充填前后管道清洗存在的问题

为了保证充填管路畅通，在充填作业前后，通常要利用压风试管，采用水和水泥浆对充填管路进行4～5 min的引流、清洗和润滑后才能正常进入高浓度充填过程。任何原因造成中途停车和充填结束，都要根据充填使用管路的长短，对其进行6～8 min的清洗管路。统计结果显示，充填管道的清洗从开车到停车，每次正常注入到采场中的清洗水达到7～12 t。按照进路充填打底800 m3充填量计算，进入采场清洗管道的水降低料浆浓度0.857%～1.35%，平均1.1%。试验结果显示，料浆浓度降低1%，充填体强度降低10%左右。由此可见，充填在开始和结束时的引流清洗水对充填强度产生显著影响。

3.2充填导水阀结构与应用

针对充填引流清洗水对充填强度的影响，研制如图4和图5所示的充填导水阀。导水阀是由阀体、阀板和曲柄连杆机构等部件组成的“卜”字型结构。导水阀的进口、出口以及导水口为方形，其端部与法兰焊接联结。阀板由钢板和具有密封功能且不易磨损的特殊胶皮联接。阀体设计成45°角的料浆出口和导水口两个输出口。充填前放置在充填采场进路前的合适位置，将导水阀联接在距离板墙5～6 m的充填管路中。为了便于开关阀门，将导水阀安装在操作人员不借助任何工具就可接触到的高度或地面上。导水阀进口与充填管联接，出口与进路采场的管路联接。导水口连接到塑料充填管直至到工区集中的排水处。

充填前导水时通过丝杠曲柄连杆机构推动阀板关闭出口并打开导水口，将充填开始时的清洗管道水和引流灰浆或充填过程中故障停车管路清洗水以及处理堵管水，通过该装置直接排到采矿工区集中排水处，使水不能进入充填进路采场。在管道引流结束后，将阀板拉回，关闭导水口，同时打开出浆口位，进入采空进路正常充填作业状态。充填结束后进行相反操作，再将充填结束后管路洗管水导出排到采场外。

图4导水阀照片

Fig.4Picture of guide water valve

图5导水阀结构图

Fig.5Structure chart of guide water valve

3.3充填导水阀特点

充填导水阀具有以下特点：

①丝杠加力杆和曲柄连杆机构结合使用，开启或关闭阀门，并将导水口角度进行调整后，减轻开启阀门时的料浆阻力，使操作轻松可靠，开启阀门一般在30 s左右的时间内完成。

②出浆口和导水口都具有密封性能，无料浆泄漏。

③导水安全可靠，导水效率可达到98%以上。

④导水阀结构轻，重量仅为15 kg左右，在采场安装简便、快捷，通常安装阀门时间为10 min左右。

⑤导水阀操作安全，不需要借助工具，采用人力即可进行操作。

⑥采用导水阀可以明显减少洗管水进入采场，从而提高进路充填体质量，降低充填成本。

4　充填作业管道堵塞处理方法研究

对于粗骨料高浓度充填料浆的管道输送，在充填生产过程中不可避免堵管事故。造成堵管因素多种多样，主要有突然停电、停水、较大碎石或杂物混入料浆中、以及爆管、调节阀失灵和钻孔塌孔等。充填堵管后一般应在6～8 h内处理完毕，否则混凝土在管道内凝结会造成管道报废，严重危害充填系统的使用。传统的堵管处理方法是利用地表与井下高度差形成的水压，再通过管路上的三通进行逐段处理。此处理方法适用于局部堵管或管路较短的堵管。对于经历了几十年开采的金川矿区来说，井下单套系统管线涉及7个中段，平均长度达到2 500 m左右，因此，堵管处理难度非常大。

根据金川矿山井下实际情况，提出了管道堵塞处理新方法：利用经过充填道的井下生产和返修的水管，采用Ф108 mm塑料管的一端与井下供水管路连接，另一端加工成带Ф133 mm卡盘的短接与充填管路对接，再将水阀门设置在作业人员便于开启的位置，由此形成井下处理堵管的自备管水系统。堵管作业人员根据需要随意控制水量，且不受通讯系统限制。通过几次堵管处理的工程实践表明，这种堵管处理新方法的效果非常明显。与传统的堵管处理方法相比，其优点主要表现在以下三个方面：

①提高堵管处理效率，为堵管处理赢得时间，由此减少因堵管使管路报废所造成的经济损失。传统的堵管处理方法是从1 600 m中段开始逐个中段处理，上个中段未处理完，后一个中段的作业人员只能被动等待。新处理方法在井下每个中段形成独立的处理系统，每个终端的作业人员可以同时进行堵管处理作业，极大地提高了堵管工作效率，从而减少堵管处理时间。

②堵管处理用水量精确控制，而且还不受堵管作业通讯系统的影响。传统的堵管处理方法，每打开一个三通都需要通过控制室联系下水。由于充填管路长，沿程压力损失大，耗水量也大，浪费水严重。同时还存在因通讯设备受潮无法正常联络的情况，因此影响管路处理效率。堵管处理的新方法，每个中段作业人员可以根据堵管情况控制所需要的用水量，加之供水管路短，压力损失小，因此处理效率得到提高，同时还节约用水量。

③降低井下作业人员的劳动强度。管道堵管的传统处理方法因供水管路长，沿程压力损失大，每隔10 m左右就要打开一个三通，不仅浪费水，而且效率低。而堵管处理新方法由于供水管路较短，压力损失小，每次可以处理30～50 m管线，由此大大降低了作业人员的劳动强度。

5　结　语

金川矿山开采深度接近千米，采用棒磨砂、废石、河砂等粗骨料，实施高浓度、大流量、长距离和多中段管网系统充填采矿。因此，充填系统存在充填管道长、弯管多和管道频繁切换充填作业的局面。尤其粗骨料和长距离管道输送，导致管道阻力大和弯管磨损严重，堵管爆管风险增大。本研究开展耐磨管选择、耐磨柔性接头和导水阀装置以及堵管处理方法研究与工程实践，由此获得以下几点结论：

①将充填倒口作业的管线连接方式由刚性连接变为柔性连接，解决了充填倒口作业过程中的管口偏斜与位移问题，从而减少料浆泄漏难题，大大节约倒口作业时间，不仅提高了充填系统纯作业时间和劳动生产率，而且还降低了职工劳动强度。

②充填导水阀的研究与应用，避免充填作业引流和洗管水进入进路采场，从而避免因引流和洗管水进入采场而降低充填料浆浓度，不仅提高了胶结充填体强度，而且还改善了充填作业环境。

③针对粗骨料高浓度充填料浆的长距离管道输送不可避免的料浆堵管问题，以及金川矿山二矿区充填系统以及采场既有的工程，采用塑料管与充填管路对接，形成管道堵管自备水处理系统，实现对堵管用水量的自由控制，从而实现快速、简便堵管处理新方法。

④通过金川二矿区膏体充填充填系统的关键技术攻关，找出了制约矿山充填连续作业和影响充填体质量的主要因素，从而保证了自流管道输送系统的安全可靠和长时间运行，使充填系统纯作业时间由12.46 h/d提高到14.35 h/d，充填故障停车率由1.36次/×104m3降到0.99次/×104m3。

[1]方志甫.安庆铜矿井下充填管网优化的研究[J]. 有色金属(矿山部分), 2007, 59(2):5-9.

[2]陈发吉,龙秀才,杨秀明.沙坝土矿磷石膏充填管网铺设与参数选择[J]. 化工矿物与加, 2011, 40(2):35-38.

[3]邓代强,赵伟,丁文军,等.吴集铁矿充填工业试验[J]. 矿业研究与开发, 2014, 34(2):1-12.

[4]姚振巩,深井充填管道输送系统优化研究[J]. 矿业研究与开发, 2007, 28(2):7-9.

[5]肖云涛,吴爱祥,翟永刚,等.会泽铅锌矿膏体充填钻孔优化研究[J]. 金属矿山, 2011 (4):32-35.

[6]黄才启.充填钻孔的关键要素与施工技术[J]. 探矿工程, 2011, 36(10):66-73.

[7]刘兆满.焦家金矿寺庄分矿充填钻孔设计施工与管理[J]. 中国矿山工程, 2015, 44(1):48-50.

[8]杜先锋.注浆工艺在充填钻孔施工固孔固井中的运用[J]. 新疆有色金属, 2009, 32(5):29-30.

[9]李耀武,王新民,赵彬,等.充填钻孔磨损因素分析[J]. 金属矿山, 2008 (6):27-30.

[10]ZHANG Qin-li, CUI Ji-qiang, ZHENG Jing-jing.Wear mechanism and serious wear position of casing pipe in vertical backfill drill-hole[J]. Trans Nonferrous Met Soc China, 2011, 21(8): 2503-2507.

[11]张德明,王新民,郑晶晶.深井充填钻孔内管道磨损机理及成因分析[J]. 武汉理工大学学报, 2010, 32(13):100-105.

[12]孙勇.充填钻孔使用寿命的影响因素及其延长措施[J]. 采矿技术, 2006, 6(3):207-208.

[13]张钦礼,程健,陈秋松,等.GA SVM和神经网络组合模型预测充填钻孔寿命[J]. 科技导报, 2013, 31(34): 34-38.

[14]张钦礼,陈秋松,胡威,等.充填钻孔寿命SVM优化预测模型研究[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2014, 45(2):536-541.

[15]薛希龙,王新民,杨 建,等.基于FAHP相对差异函数的充填钻孔健康状况评价[J]. 中国安全科学学报, 2014, 24(2):96-102.

[16]陈娟,许成祥,邓 曦.改性钢管全再生粗骨料混凝土短柱的轴压试验[J]. 广西大学学报(自然科学版), 2015,40(1):58-65.

[17]ZHANG Xiu-xiang, QIAO Deng-pan.Simulation and experiment of pipeline transportation of high density filling slurry with coarse aggregates[J]. Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2015,25:258-267.

[18]ZHANG Xiu-xiang, QIAO Deng-pan.The rheological properties and yield stress model of high-density slurry added with coarse sands[J]. Applied Mechanics & Materials, 2014,580-583;231-237.

[19]LI You-ling, WANG Hua.A Circulatory system and method of slurry delivery in long-distance pipeline transportation of iron ore[J]. Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering, 2011,8205(1):82052S-1-82052S-3.

[20]王贤来,郑晶晶,张钦礼.充填钻孔内管道磨损的影响因素及保护措施[J]. 矿冶工程, 2009, 29(5):9-12.

[21]郭三军.金川矿区破损充填钻孔永久性可修复综合技术[J]. 中国矿山工程, 2011, 40(1):1-3.

[22]秦国玉,马龙,何建元.偏斜错位充填钻孔破损修复技术研究与应用[J]. 采矿技术, 2015, 15(3):38-41.

(责任编辑唐汉民裴润梅)

Key technologies in long-distance pipeline transportation of filling slurry of coarse aggregate

YANG Zhi-qiang1，2，CHEN De-xin2，GAO Qian1，MA Long1, 2，ZOU Long1, 2

(1.School of Civil and Environmental Engineering, University of Science and Technology of Beijing, Beijing 100083, China; 2.National Key Laboratory of Nickel and Cobalt Resources Comprehensive Utilization, Jinchuang 737100, China)

There are many problems in long-distance pipeline transportation of filling slurry of coarse aggregate, such as severe abrasion of pipes, frequent connection of pipes and blocking in pipes, which are the key technologies to be solved for the safety and efficient production in filling mining. Considering the filling pipe network and filling process in No.2 Jinchuan mine, the studies on wear-resisting pipe selection, flexible joints, water guide valve and new method to handle filling blockage were carried out. Based on different tests, the two wear-resisting pipes, molybdenum chromium bimetallic pipe and corundum (ceramic) pipe, with a diameter of Ф133 mm were selected. In view of difficult connection between two rigid wear-resisting pipes, a device of flexible joint was developed. One end of the device is a telescopic head with chuck, and the other end is a spherical universal head also with chuck. Both of the ends are connected with sealing device and auxiliary accessories. In order to reduce the effect of clean pipe water on the filling strength, a water valve which can discharge water into stope was developed. The device is composed of valve body, valve plate and crank link. One end of the device connects underground pipes, and the other end connects filling tube. The two ends are connected by a plastic pipe, which forms a self-provided water system to process blocking pipe. The results show that the application of wear-resisting pipe extends the service life of pipelines, the application of the flexible joint to wear-resisting pipe reduces connecting time, water guide valve avoids wash pipe water entering the stope and the new method processing blocking pipe can ensure safety and continuous filling work. When the key technologies were used in the No.2 mining, operation time was increased from 12.46 h/d to 14.35 h/d and filling fault shutdown rate was reduced from 1.36 times/(104m3) to 0.99 times/(104m3) of the filling system.

filling slurry of coarse aggregate；long distance pipeline transportation；pipe wear；flexible joint；key technologies

2016-01-20；

2016-05-23

国家高技术研究发展计划(863)(SS2012AA062405);镍钴资源综合利用国家重点实验室资助项目(金科矿2015-01)

高 谦(1956—)，男，江苏徐州人，北京科技大学教授，博士生导师；E-mail:gaoqian@ces.ustb.edu.cn。

10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.1306

TD863

A

1001-7445(2016)04-1306-07

引文格式：杨志强，陈得信，高谦,等.粗骨料充填料浆长距离管道输送关键技术[J].广西大学学报(自然科学版)，2016，41(4)：1306-1312.