胶结充填料浆上向输送技术参数计算

方文改汪明海鲁立胜

（1.铜陵有色股份安庆月山矿业有限公司；2.安徽铜冠池州资源有限公司）

经过多年来充填技术的发展，全尾砂胶结充填技术已成为国内矿山地下开采的主流方向，将全尾砂这种大宗固体废弃物制成高浓度料浆用于矿山充填，能有效消除采空区和尾矿库灾害，起到“一废治两害”的效果［1］。

目前，国内矿山对胶结充填均采用向下排放，即胶结充填料浆由各充填巷道管道自流或泵送至充填采场的顶部或上部，料浆从充填管道中排放到指定区域。在实际生产中，当充填采场高度超过输送水平时，充填料浆经水平输送后，必须继续向上扬送至一定高度方能实现充填目的。然而在实际生产过程中，胶结充填料浆上向输送存在如下几方面问题：一是由于胶结充填料浆在管道输送中存在湍流现象，当料浆输送出现间歇性停顿时，料浆输入口和输出口压差过小引起流速过低，易造成堵管；二是充填过程中需提供新的上向输送动力，通常需在输送管道中安装管道泵。如何实现充填料浆在自流条件下上向输送，同时避免输送管道堵塞，是安庆月山矿业公司在充填过程中急需解决的难题。

针对铜陵有色控股安庆月山矿业公司实际生产需求，通过分析全尾砂的基本物理力学特性，基于流体力学理论，对高浓度全尾砂胶结充填砂浆上向输送影响因素进行分析计算，并将计算结果应用于生产实践。

1 工程背景

铜陵有色控股安庆月山矿业公司充填采矿法采用未分级的全尾砂作为充填骨料，使用铜冠建安公司生产的矿山充填专用胶凝材料作为充填胶结剂。生产过程采用间歇式胶结充填，一般采用白班充填生产，夜班停止充填的模式。矿山在地表建有充填站，布置形式采用地面集中式，工艺采用地面站自流式。由2座500 m3的立式尾砂仓、1座150 m3的立式水泥仓、1座搅拌槽组成尾胶砂结充填料浆制备系统［2］。

目前，矿山充填输送管道从地表充填站敷设至-70 m水平，该水平设有卸压硐室，-70 m水平通过充填专用钻孔至-480 m中段，充填孔终孔直径为250 mm，内设套管采用双金属复合钢管，内直径为152 mm，壁厚为13 mm。根据空区在各水平上的分布情况，在-480 m水平巷道内敷设主输送管道，然后通过分支输送管道送往各水平空区上部充填点。主输送管道采用内直径为152 mm、壁厚为13 mm的双金属复合陶瓷管，分支输送管道可采用高强度工程硬聚氯乙烯管，充填倍线N=2.5。

随着矿山生产的推进，要完成整个采场的胶结充填，在采场顶板处接顶，必须要对充填巷道以上的空区进行胶结充填。其中，井下-480 m中段的采场采空区顶板位于-450 m水平，比安装充填主管道的-480 m中段超高约30 m，充填料浆沿输送管道到达-480 m中段后需继续上向输送至-450 m水平，即采场顶板处，具体充填系统见图1。

2 全尾砂胶结充填技术参数

2.1 全尾砂物料基本特性

在室内利用容量瓶法测定尾砂的密度，测定结果见表1。采用激光粒度仪对全尾砂进行粒级分析，以获得其粒级组成，测定结果见表2。

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从表2中可以看出，全尾砂大于0.075 mm的尾砂占46.87%，小于0.020 mm的尾砂占27.83%，全尾砂细粒级含量较高。月山铜矿采用全尾砂胶结充填，其尾矿细度比一般矿山所用的充填尾砂细，且与国内许多矿山采用分级尾砂充填相比，其粒度更是远远偏细，因此对充填胶凝材料要求较高。

全尾砂主要化学成分分析结果见表3。

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从表3中可以看出，尾砂中SiO2的含量为43.82%，S的含量较低。另外，含有一定的CaO、MgO、Al2O3等氧化物，这些物质均有利于胶结充填。依据物料基础特性，该尾砂是较理想的充填骨料［2］。

2.2 全尾砂充填工艺参数

基于全尾砂的基本物理力学特性，结合全尾砂胶结充填强度等试验结果［2］，安庆月山铜矿采场胶结充填采用铜冠建安公司生产的矿山充填专用胶凝材料作为充填胶结剂，胶充灰砂比为1∶8。考虑到充填材料的物理性质和充填能力，井下胶结充填生产能力可达到80 m3/h。根据充填料浆流动性试验结果，确定充填料浆浓度为70%（质量比）时可以较好地进行自流输送。

3 参数计算

高浓度全尾砂充填砂浆的流变特征不同于固液两相流和牛顿流体，根据以往的研究，通常将其视为宾汉流体来描述［3］，管道输送阻力影响因素主要包括合理工作流速v、管道摩擦阻力系数λ、充填料浆密度ρm、颗粒沉降阻力系数Cx、管道清水水力坡度i0、料浆水力坡度ij、管道输送总水压头H［4］。

3.1 合理工作流速v

在实际生产过程中，为了防止管道堵塞，选择合理的工作流速至关重要。速度低时，料浆中的骨料就容易沉积在管底，容易对管道造成磨损和引起管道堵塞，既增加维护费用又影响充填工作顺利进行；速度太大，就会引起管内的压力太大易爆管、动力费用高、管道弯道处损伤等问题。为此，提出了临界流速，即料浆中所有的骨料颗粒完全处于悬浮状态而压头损失（水力坡度）又最小的流速，是充填浆体由一种流动形态向另一种流动形态过渡的界限流速。临界流速是输送管道的基准流速和经济流速［5］。一般胶结料浆在管道内流动时合理的工作流速必须大于临界流速。根据宾汉流体的理论，胶结料浆合理工作流速的计算公式为

式中，v为胶结料浆合理工作流速，m/s；g为重力加速度，m/s2；D为充填管道直径，m；X为胶充灰砂比；N为充填倍线。

经计算，安庆月山矿业公司全尾砂胶结料浆合理工作流速v=3.51 m/s。

3.2 管道摩擦阻力系数λ

摩擦阻力系数是设计输送管道的关键参数，准确计算摩擦阻力损失有利于合理设计管道流量，有效降低运输成本，提高输送效率。管道摩擦阻力和管道的敷设方式、接头形式和管道壁的状况有关。管道摩擦阻力系数计算公式：

式中，λ为管道摩擦阻力系数；K1为管道敷设系数，取1.05；K2为管道接头系数，取1.05；Δ为管道壁粗糙系数，输送管道按复合陶瓷管取0.20 mm。

经计算，充填管道阻力系数λ=0.023 12。

3.3 充填料浆密度ρm

月山铜矿全尾砂胶结料浆主要由尾砂、胶结剂和水组成，其中尾砂与胶结材料占比70%，水占比30%，胶结材料和尾砂的质量比约为1∶8，充填料浆密度计算公式：

式中，ρm为充填料浆密度，g/cm3；ρi为各充填材料的密度，胶结剂、尾砂、水分别取1.25、2.75、1.0 g/cm3；Gi为各充填材料单位体积密度，胶结剂、尾砂、水分别取0.078、0.622、0.3 g/cm3。

经计算，充填料浆密度ρm＝1.764 g/cm3。

3.4 颗粒沉降阻力系数Cx

充填体在输送过程中，所含颗粒沉降阻力系数和颗粒的粒径、料浆流动速度、料浆的浓度有关，颗粒沉降阻力系数计算公式：

式中，Cx为颗粒沉降阻力系数；dcp为颗粒粒径，取0.67×10-3m。

经计算，颗粒沉降阻力系数Cx=0.76。

3.5 管道清水水力坡度i0

输送管道一般在安装后固定，管道清水水力坡度相对固定，是其工况固有特性。管道清水水力坡度计算公式：

经计算，管道清水水力坡度i0=0.095。

3.6 料浆水力坡度ij

利用金川公式来计算水力坡度：

式中，ij为料浆水力坡度；mt为料浆浓度，取70%。

经计算，料浆水力坡度ij＝0.483 6。

3.7 管道输送总水头压H

管道输送总水头压H，计处公式：

式中，L为充填管道总长度，取1 322 m；Z1为充填管道排放口高程，取-450 m；Z2为充填立孔上端高程，取-70 m；ρm为料浆密度，取1.764 g/cm3；ρ0为水密度，取1.0 g/cm3。

经计算，管道输送总水头压H=-52.7 MPa，表明管道内为负压，充填管道内可以实现自流输送，料浆可以自流到采场中。

4 工程应用

铜陵有色控股安庆月山矿业公司在所属的龙门山矿区E-6采场采用上述充填参数进行胶结充填，首先在采场上向充填井内架设充填管道，在距离充填放料口3～5 m的输送管道处，安装回水管、管道三通和闸筏。充填料浆在自流状态下，从-480 m输送到-450 m水平，到达采场空区最高处，向上扬送高程约30 m，在充填过程中未发生堵管现象，充填下料口处充填料浆流速在1.5～2.3 m/s。在充填料浆停止输送后，及时利用闸筏和管道三通完成充填后的管道清洗，历时3个月完成了整个采场的胶结充填，并在采场顶板处完成胶结体接顶。

5 结论

（1）基于流体力学理论，对合理工作流速v、管道摩擦阻力系数λ、充填料浆密度ρm、颗粒沉降阻力系数Cx、管道清水水力坡度i0、料浆水力坡度ij、管道输送总水压头H共7项参数进行计算，分析其对于高浓度全尾砂充填料浆管道输送阻力的影响程度，得出在合理的料浆充填参数下，高浓度全尾砂胶结充填砂浆在管道内存在连续负压，可实现料浆自流上向输送，从而为今后类似上向充填管道输送系统的设计提供参考。

（2）安庆月山铜矿全尾砂胶结料浆主要由尾砂、胶结剂和水组成，其中尾砂与胶结材料占比70%，水占比30%，胶结材料和尾砂的质量比约为1∶8，充填料浆在自流状态下可从-480 m输送到-450 m水平，扬送高程约为30 m，充填下料口处充填料浆流速在1.5～2.3 m/s，充填过程中未发生堵管现象。