张庄矿充填钻孔磨损分析及应对措施

2021-11-18孙永茂张海明黄明杰刘志勇

现代矿业 2021年10期

孙永茂张海明黄明杰刘志勇

（安徽马钢矿业资源集团有限公司）

张庄矿1#、2#充填钻孔在投用以来，已经累计完成井下420万m3的充填，目前服务-450 m中段的1#充填钻孔已经磨通、堵孔，不能继续服务井下充填。据观察分析，2#充填钻孔管壁亦磨损严重，若再次发生磨通，将严重影响-450及-390 m这2个中段的充填效率及进度，且重新施工钻孔时间长、费用高。为此，须研究在备用充填钻孔较少的情况下，维护充填钻孔稳定运行的方案，以保障井下充填稳定。

1 充填钻孔内管道磨损影响因素

充填管道主要是作为输送充填料浆用，从而可知水灰比、灰砂比、料浆浓度、骨料硬度系数、颗粒配比、坍落度、出浆口压力、内衬材质、钻孔直径、钻孔偏斜率、充填倍线、施工质量、充填技术人员素质等因素，均影响了充填钻孔的使用寿命。李耀武等［1］以层次分析法得出影响充填钻孔各磨损因素的所占权重，其中偏斜率、管道参数、施工质量、料浆浓度、充填倍线等对充填钻孔的使用寿命影响尤为突出，分别为35.3%、9.8%、9.4%、6.8%、4.7%。结合张庄矿充填现状，将从充填料浆浓度、充填管道规格及材质、充填倍线、充填竖直管道内料浆界面高度等方面进行分析。张庄矿充填管路布置如图1所示。

1.1 充填料浆特性的影响

充填钻孔内管道磨损是由于输送充填料浆引起的，充填料浆的特性直接影响着管道的磨损程度。在其他条件相同的情况下，充填料浆的浓度越高，骨料刚度及颗粒越大，充填管道的磨损程度越厉害［2］。

张庄矿尾矿中主要含有二氧化硅，其硬度系数f为12～17，整体硬度系数较大。骨料为选厂尾砂，选厂全尾砂基本物理性质参数见表1，全尾砂粒径级配分析表明，其平均粒径为31.15 μm，比表面积为606 m2/kg，全尾砂粒径偏细，属于超细全尾砂。70%料浆浓度下的参数如表2所示。

1.2 充填管道型号及材质的影响

在充填材料相同的条件下，管道磨损与所选管道材质密切相关，带有耐磨内衬的管道使用寿命是普通钢管的数倍或数十倍，其次还与管径有关。管径越小，磨损越大，反之磨损越小。张庄矿充填管竖直管及水平管分别采用ϕ180 mm×17 mm、ϕ180 mm×15 mm双金属耐磨管，为耐磨性能比较好的充填管道。管道因材质及管径的不同，其粗糙度取值也不同。

1.3 充填倍线的影响

充填倍线是影响充填管道磨损程度的重要因素之一。充填中理想的情况是充填料浆在水平管输送过程中的阻力与竖管中充填量料浆产生的压力相互平衡，使得充填料浆在管道中保持匀速流动。充填倍线越小，充填料浆在水平横管流动的阻力越小，则料浆在管道内的流速越大，充填管磨损越厉害［3］。

1.4 充填管道中空气砂浆交界面的影响

理想的充填过程中，管道内的压力分布如图2所示，料浆在进入充填竖直管道后在重力和空气阻力的作用下加速下落，达到空气与砂浆面时料浆的速度达到最大，对充填管道壁的磨损程度也最厉害。整个过程可简单的认为充填竖直管道内充填料浆的重力与水平管道内料浆的管道阻力形成动态平衡，充填料浆以一特定的速度匀速流出管道。当充填料浆输送过程中出现不满管情况下，料浆在竖直管道中加速下落过程中，使料浆形成射流状态，形成气泡，从而加重管道的气蚀磨损［4］。

由浆体与粒状物料输送水力学可知［5］，气泡的溃灭时间可小于10-3s，产生的压力可达109～1010Pa。料浆的不满管会加重管道的冲蚀磨损，冲蚀与速度之间的关系式：

式中，ξ为速度指数；k为常数；u为冲蚀指数；n为速度指数，对浆体来说，1.62≤n≤2.12。此外，冲蚀磨损程度还与骨料的粒度、硬度及形状有关，粒度越大、硬度越大，造成的冲蚀磨损也就越大。

砂浆界面高度的经验计算公式［1］：

式中，γj为充填料浆的密度，kg/m³；H为充填管中砂浆界面高度，m；ij为充填料浆的水力坡度；L为水平管长度，m。

根据公式（2），增大H可以减少自由下落区域的高度，有效降低料浆对充填管的磨损程度。

张庄矿充填系统在进行充填作业过程中，经过观察得知，充填竖管内并未形成满管状态。从以上分析可知，竖管中未形成满管是导致张庄矿充填管路磨损的主要因素。

2 采取的措施方案

结合以上因素及张庄矿充填特性，经研究后决定采取增加充填倍线及增加电动控制阀门来实现充填管路中的料浆流量控制。

2.1 适当增加充填倍线

在改造前，张庄矿-390 m水平充填管路地表标高为+33.8 m，水平管路敷设标高为-393.593 m，水平管道总管长L=678.4 m，充填倍线N=（L+H）/H=2.6。因充填倍线小，充填料浆在管路内的流动速度较大，导致管路磨损严重。对于自流的充填方式，充填倍线在1.5～6时较为合理，如果充填倍数低于下限值时会导致料浆在管道内的流速过大，管道磨损严重；充填倍数大于上限时，料浆输送过程中产生的沿程阻力太大，料浆流速减小，存在管道堵塞风险。对于张庄矿目前充填倍线情况，经过多次试验，增加水平管道900 m，此时充填倍线N=4.7。结合水力坡度计算公式［6］，计算得在增加900 m管道时，总水压头为负值，证明在此浓度下，可实现充填料浆的自流。

2.2 水平管道内增加控制阀门及流量计

在充填横向管路增加流量计及前后位置增加2个电动阀门，通过流量计实现实时观察充填流量的大小，与地表充填站流量计进行对比，完成整个充填管路的流量控制，通过电动阀门的开闭程度来调节竖直管路中的料浆满管液面高度。

3 改造效果

3.1 实施效果

本次充填管道的改造旨在延长充填管道使用寿命，确保在现有充填钻孔的数量下，满足张庄矿各个阶段的矿房充填。实际上，在对充填管道进行以上改造后，不但减缓了充填管道中的料浆流动速度，而且使得充填管道竖管内的液面得到有效控制，大幅减缓了料浆对充填管道壁的冲刷，大大降低了管道磨损。此方法预计可使张庄矿充填管道的使用寿命延长2～3倍。

3.2 实施效益

据测算，张庄矿每施工1个充填钻孔所需费用约为80万元，张庄矿-390，-300 m中段合计充填量约为2 000万m³，共需充填钻孔数10个。但在对现有充填管道进行优化改造后，一套充填倍线改造装置可使钻孔充填量增至500万m³以上，仅需4个充填钻孔就可以完成所有充填任务，充填管道改造费用为40万元/套，可直接节约施工费用200万元。