深井低倍线充填管道调压技术研究*

郑伯坤 ,张鹏强,尹旭岩,王玉山

(1.长沙矿山研究院有限责任公司， 湖南 长沙 410012; 2.国家金属采矿工程技术研究中心， 湖南长沙 410012; 3.金川集团股份有限公司 镍钴资源综合利用国家重点实验室， 甘肃 金昌市 737100)

随着浅部资源的逐渐枯竭和深部资源勘探力度的加强，我国将步入深井开采国家行列。近年来已有一些埋藏深度达1000 m左右的矿床正在开发，如金川二矿区就属于其中[1-3]。深井开采面临诸多问题，如地压增大、岩温增高、岩爆等，而采用充填采矿法是不可替代的深井采矿方法。金川二矿区开采深度已超千米，低倍线充填导致管道磨损严重，管道处于高压状态，爆裂等现象时有发生，严重影响矿山安全正常生产[4-6]。为确保充填系统安全，实现高浓度棒磨砂充填料浆的顺利自流输送，必须对深井充填系统进行减压增阻研究，提高管道使用寿命，实现料浆的顺利输送。

1 充填管道压力的影响因素

考虑最危险情况：充填料浆向敞口式竖管或充填钻孔放料、管道L型布置，垂直管道底部的压力最大，计算公式为：

P=γ·h-iv·h=is·L

(1)

式中，P为垂直管道底部压力，kPa；γ为充填料浆重度，KN/m3；h为竖直管段满管流高度，m；iv为竖管充填料浆流动阻力，kPa/m；is为水平管充填料浆阻力，kPa/m；L为水平管道长度，m；

iv、is可由充填料浆流变参数测定数据进行计算，即：

(2)

式中，τ0为充填料浆屈服剪切应力，Pa；η为充填料浆的粘性系数，Pa·s；Dv为竖直管或充填钻孔直径，m；Ds为水平管直径，m；Vv为充填料浆在竖直管或充填钻孔中的流速，m/s；Vs为充填料浆在水平管中流速，m/s；

(3)

式中，Q为充填料浆流量，m3/h。

对上述计算公式分析得，充填竖管或钻孔底部的压力与充填料浆在水平管道中的流动阻力、水平管道长度及管径、料浆性质等多个因素有关。

式(1)的含义可解释为充填料浆的自重压头γ·h减去竖管或充填钻孔的沿程阻力iv·h用于克服水平管道沿程阻力is·L。水平管道L越长，阻力系数is越大，则竖管底部压力越大。

由式(2)分析得，沿程阻力系数i与充填料浆流变参数τ0、η及料浆流速成正比、与管道直径的一次方及二次方成反比。当流量一定时，充填料浆流速与管径平方成反比。充填料浆的τ0、η与充填材料各组分性质、粒级组成、浓度、灰砂比等因素有关。对特定矿山而言，一旦选定充填材料及配比，τ0、η则取决于充填料浆浓度。

根据充填管网布置，如竖管高度H较大，水平管道较短时，H-h段为自由下落段，h段为满管段。如水平管路长度较大，或充填倍线较大时，自由下落段变小，当is·L大于γ·H时，则充填料浆自重无法克服竖管及水平管段沿程阻力损失，这时管道流速降低，流动阻力减小、流量下降，但仍维持更小流量的自流输送。

2 管道输送系统调压技术与措施

结合前述理论分析，深井充填管道常见的调压方法有井下料仓分配系统、小直径竖管大直径水平管系统、节流板调压装置、压力耗散器调压等。

2.1 井下料仓分配系统

井下料仓分配系统调压方式如图1所示，该方法可理解为分段接力输送。其充填管网基本布置形式为，地表制备好的充填料浆通过竖井中管道或充填钻孔输送至井下上部中段水平，在离该竖管底部不远的水平巷道或硐室中布置敞口式料仓，地表充填料浆通过竖管输送至该料仓中，然后通过另一组管道分配至下部中段各充填地点(见图1)。

图1 井下料仓分配系统

由于采用该种布置形式，可视为将原有的总高差H分为2段或多段，每一段的竖管底部压力均遵循式(1)所计算的压力分布原则，即使某一段产生堵管，其最大压力不会累积，从而大幅度地降低了管道压力。该种布置方式的缺点是井下分配料仓需设置搅拌及分配装置，增加了作业环节和作业人员。

2.2 小直径竖管大直径水平管系统

该种布置形式为竖井中管道或充填钻孔采用小直径管道，其内径通常为70～80 mm，而水平管内径为100～110 mm。由于沿程阻力系数与管道内径的1次方及4次方成反比，所以料浆在竖管中的流速急剧增大，i值同样急剧增大，从而使竖管阻力急剧增大，竖管内料浆的自重压头直接耗散在竖管的流动过程中。同时由于水平管道直径较大，料浆流速趋于正常，流动阻力较小，竖管剩余压头较小即可克服水平管道流动阻力，从而实现低压满管流自流输送。

图2分析计算了当流量为80 m3/h、L型敞口布置、竖管和水平管不同管径配备时竖管的最大压力。

图2(a)为竖管及水平管内径同为102 mm、竖管高度1885 m、水平管长度1000 m时，充填料浆在竖管及水平管中流速同为2.7 m/s，竖管底部最大压力1.8 MPa，满管段高度为115 m，自由下落段高度达1770 m，所以称为低压自由下落系统。该种布置形式虽然竖管底部压力小，但由于自由下落段过高，充填料浆自由下落速度可达40 m/s以上，对管道或钻孔产生严重的冲刷，从而使竖管或钻孔磨损严重，大大缩短了竖管的使用寿命。

图2(b)为竖管高度1885 m、内径102 mm，而水平管长度1000 m、内径57 mm，充填料浆在竖管中的流速为2.7 m/s，而水平管流速达8.7 m/s。由于水平管流速很大，所以其沿程阻力很大，竖管底部压力达到30.7 MPa，且竖管中充满了料浆，料浆的自重压头主要用于克服小直径水平管过高的输送阻力，所以被称为高压头满管流系统。该种布置形式竖管中流速较小且呈满管状态，不存在自由下落段，所以可减少竖管的磨损和冲击，但水平管流速过大，管道中最大压力过高，生产中存在风险。

图2(c)中竖管高度2000 m、内径67 mm，水平管长度1000 m、内径102 mm，充填料浆在竖管中的流速为6.3 m/s，水平管流速为2.7 m/s。由于水平管流速低，所以输送阻力较小，竖管底部最大压力为1.8 MPa，而竖管中由于流速大，所以阻力大，充填料浆的自重压头主要用于克服竖管的沿程阻力，所以竖管中为满管流。由于整条管道均处于满管流状态且压力较低所以称为低压满管流系统。

2.3 节流孔板或节流壶调压装置

节流孔板或节流壶一般沿垂直管道300 m安装一个，其结构如图3所示。节流孔板中孔的直径为正常管段的1/2，且节流段由陶瓷等耐磨性能良好的材料制作。充填料浆到达该构件时，由于节流孔直径缩小一半，阻止了料浆的直接下落，从而使孔板上方出现一段满管段，料浆通过孔板的流速增大4倍，料浆进入下一管段时，没有压力累积现象，调整节流孔板之间的高差可将竖管压力控制在合理的范围内。但生产实际表明，该种布置形式存在诸多问题，其一为节流孔板下游的管道磨损极快，料浆通过孔板的流速急剧增大，形成高速砂浆射流冲击下游管壁。节流孔板之间的管道空间内空气、砂浆等处于一种密闭压缩状态，砂浆冲击、气蚀等综合作用，使下游管壁迅速磨穿，在管道中心未对直的情况下，这种现象更为严重。

图2L型管道敞口布置、不同管径配备时管道最大压力

图3 节流孔板降阻降速系统

2.4 压力耗散器(能量消耗器)

该装置同样安装于管道中，壳体内设置耐磨性能良好的陶瓷球，或在壳体中使料浆流道或流速发生改变，使料浆在耗散器内部产生高速流动，从而增大内部流动阻力，使单位长度压力损失达到很高。如南非阿散蒂金矿在主垂直管道底部安装2台压力耗散器，每台可耗散压力4.5 MPa。采用该种调压装置应配套采用安全阀，一旦出现管道堵塞或故障，安全阀自动打开以卸压，否则管道压力将达到很高水平。

3 结 论

(1) 充填竖管或钻孔底部压力与充填料浆在水平管道中流动阻力、水平管道长度及管径、料浆性质等因素有关。水平管道越长，阻力系数越大，则竖管底部压力越大。充填倍线较大时，充填料浆自重不能克服竖管及水平管段沿程阻力损失，管道流速降低，流动阻力减小、流量下降，但仍能维持较小流量的自流输送。

(2) 结合上述理论分析，介绍了国内外深井充填管道常见的调压方法：井下料仓分配系统、小直径竖管大直径水平管系统、节流板调压装置、压力耗散器调压。