超高分子量聚乙烯管在大尹格庄金矿充填管网优化中的应用

2022-09-26张君鹏

黄金 2022年9期

姜磊，张君鹏

(招金矿业股份有限公司大尹格庄金矿)

引言

大尹格庄金矿是招金矿业股份有限公司的重点骨干矿山，于1987年开始建设，1989年投产。采用盘区机械化上向水平分层充填采矿法开采，目前综合采选能力达到5 000 t/d。该矿山建有自流输送的尾砂胶结充填系统，能实现胶结和非胶结充填。充填系统设置2条充填钻孔，由地表至-380 m水平，用于-380 m以下生产中段的充填，钻孔内敷设D168陶瓷复合管。

充填管路沿充填钻孔敷设至井下，由中段充填巷通过分段充填井或采场回风充填天井的充填管进入采场。该矿山充填系统制备充填料浆输送能力为120～140 m3/h，制备充填料浆浓度60 %～70 %。充填管网使用规格φ133 mm×10 mm、每根长度3 m、质量124 kg/根、法兰连接的陶瓷复合管。该陶瓷复合管在永久管路和备用管路中使用量长达8 000余m。在使用过程中，该陶瓷复合管存在质量大，法兰连接密封繁琐，法兰口挂瓷质量参差不齐等缺点。在管路运输架设、巡查检修方面无法满足现有充填作业强度需求；而在充填管路磨损方面以陶瓷复合管法兰口挂瓷质量问题尤为突出。因此，亟需对现有充填管进行优化升级，以实现安全高效的充填作业。

1 超高分子量聚乙烯管应用可行性分析

作为一个平稳的自流输送管路运行充填系统，放料口和出料口管压力必须为零，初始放料中，先以小浓度连续满管输送料浆进行引流，料浆通过最大充填倍线区段后，逐渐增加充填料浆浓度至最佳充填浓度，但料浆进入充填倍线较小的下行管路中时，由于料浆运行速度加快，在充填倍线变化段必然出现负压。负压产生后，一方面使上段管路料浆增加一个前行拖拽力，运行速度加快；另一方面使下段管路料浆增加一个前行阻力，从而降低运行速度，最终形成前后段料浆运行速度相同且出口压力为零的能量守恒状态，达到平稳的管路运行状态。因此，充填管材需要具有耐磨损、耐高压、抗冲击、安装便捷的特点。常用充填管材对比见表1。

表1 常用充填管材对比

由表1可知，超高分子量聚乙烯管具有耐磨损、抗冲击、耐高压且有自润滑的特点，因此在充填管道输送中得到了广泛的应用。其相对陶瓷复合管的优势明显：

1)超高分子量聚乙烯管可依靠自身弯曲度和轻摆减轻内部压力波动影响，陶瓷复合管需要加装缓冲箱体来解决此类影响。

2)因陶瓷复合管不同生产批次加工公差不同，每批次均要预留10余根用于检修更换，造成不必要的材料积压；当需要更换生产批次不同陶瓷复合管时，工人需要带多种不同厚度法兰密封垫。超高分子量聚乙烯管法兰自带压水密封线圈，降低管路的维护难度和工人的劳动强度，也间接提高了充填事故应变处置能力。

3)在管壁许用厚度的前提下，超高分子量聚乙烯管可以回收二次加工成<6 m的管路；陶瓷复合管在回收二次加工时出现局部受热不均、耐磨瓷与钢管离层或脱落现象，进而影响管材使用寿命。

综上所述，大尹格庄金矿选择采用超高分子量聚乙烯管进行充填管网改造。

2 分级尾砂物理性质

尾砂的粒级组成对于充填料浆的性质有着重要影响，尾砂粒级组成测量可为设计确定充填工艺要求的充填料浆浓度、配比等提供参考。试样用分级尾砂取自选矿厂旋流器的底流，经沉淀—脱水—烘干—磨匀后称量；通过水筛法测试分级尾砂粒级组成，结果见表2。

表2 分级尾砂粒径

分级尾砂的中值粒径d50=139.94 μm，说明分级尾砂-139.94 μm的颗粒约占50 %，属于粗粒级尾砂。

分级尾砂的容重和密度，影响充填料浆水力输送系统的可靠性。因此,在室内测定分级尾砂的密度和容重，结果见表3。

表3 分级尾砂物理性能

由粒级测试结果可知，该矿分级尾砂属于粗粒级尾砂，尾砂中粗颗粒含量较高，能够快速产生沉淀离析。

分级尾砂3种浓度料浆自由沉降曲线见图1。由图1可知：分级尾砂的自然沉降以粗颗粒的沉淀离析为主[1]。在分级尾砂沉降过程中，3种不同浓度的料浆在前720 s沉降速度较快，720 s后沉降速度趋于平缓，960 s后澄清层的变化不大，沉降基本结束。最终3种不同浓度的分级尾砂料浆最大自由沉降浓度依次为54.1 %、66.9 %、84.9 %。尾砂沉降速度越大，尾砂颗粒就越难悬浮，也就越难水力输送[2]。在实际输送过程中，分级尾砂之间、尾砂与管壁之间难免会发生机械碰撞与摩擦，产生摩擦阻力。

图1 分级尾砂3种浓度料浆自由沉降曲线

3 充填管网选型计算

3.1 水力坡度计算

在某一压力作用下，料浆在管路中流动必须克服与管壁产生的摩擦阻力和产生湍流的层间阻力，这些统称为摩擦阻力损失，又叫水力坡度。它是反映管径、流速、浓度等相互关系的基本公式，是选择降压措施及满管输送措施、耐磨管型的关键参数。在众多水力坡度计算公式中，金川非均质料浆的水力坡度计算公式的计算结果误差最小。结合目前大尹格庄金矿分级尾砂的实际情况，选择非均质料浆的水力坡度计算公式：

(1)

式中：ic为水平直管单位长度料浆水力坡度(Pa/m)；i0为水平直管单位长度清水水力坡度(Pa/m)；Cv为料浆体积浓度(%)；g为重力加速度(m/s2);D为管径(m)；ρm为固体物料密度(kg/m3)；v为料浆流速(m/s);Cx为颗粒沉降阻力系数。

根据金川公式，选用大尹格庄金矿常用充填浓度65 %、68 %、70 %和充填流量分别进行计算，结果见表4。

表4 非均质料浆水力坡度 Pa/m

由表4数据分析可知，水力坡度与料浆浓度和流速呈正比关系。相同浓度下，高流速阻力损失明显高于低流速阻力损失；同样，相同速度下，高浓度料浆阻力损失明显大于低浓度阻力损失。

3.2 充填管路压力计算

伯努利方程是决定管路内料浆流动过程中动能、压力能和位能3种能量间相互关系的重要公式[3]。根据能量守恒定律，假定管路内充填料浆为稳定流，考虑单位质量料浆通过充填管路断面1和断面2时的能量守恒，按照稳定流动的均质流体导出的伯努利方程为：

(2)

式中：Z1、Z2分别为充填管路断面1和断面2处于相对于充填管网基准面的高度(m)，反映的是位能；p1、p2分别为充填管路断面1和断面2处作用于充填料浆的压力(Pa)；v1、v2分别为充填管路断面1和断面2的流速(m/s)；h1-2为从充填管路断面1到断面2的压头损失当量高度(m)。

自流充填时管路压力的基准面为零(即Z2=0)，充填站放料口的压力为零(即p1=0)，为便于计算,设放料口管径与考察管路压力的管径相同，则有v1=v2，得：

p2=(Z1-h1-2)ρmg

(3)

(4)

参考式(4),由式(3)得到计算公式：

(5)

根据公式计算得到的1号矿体和2号矿体的充填管网压力分布见表5和表6。由表5、表6可知：充填管网管路压力分布不是均匀的，管路内压力分布特点是两端较小、中间大，特别是在充填井内垂直或倾斜管路的底部转水平段的压力较高。充填管路中出现负压现象，这主要是由于管路观测点的充填倍线大于充填管路末端的充填倍线，属于充填管路布置不合理造成的[4]。管路内负压的产生给充填管理和保持料浆浓度的稳定性造成较大困难。由于充填料浆的两相流特性，料浆中的尾砂颗粒在沉降作用下，在负压区出现砂水分离，尾砂移动速度减慢或滞留于管底会加速管路的磨损。当负压区段足够长时，尾砂沉积量愈来愈大，在管路中形成淤堵，导致堵管或爆管[5]。

表5 1号矿体充填管网压力分布

表6 2号矿体充填管网压力分布

3.3 管路磨损

在深井充填中，管路压力大、料浆流速快，依据南非等国家对磨损量正比于速度几次方的看法，管路的磨损率(Pm)与料浆流速(v)之间的关系见式(6)。料浆对水平管路的磨损主要与充填料浆中骨料的刚度及粒度和输送浓度等成正比，与管路的材质和厚度、管路的管径、料浆对管路管壁的压力及管路的敷设状况有关[6]。综合各方面对管路磨损的影响因素，水平管路的磨损率(Pm)表达公式为：

Pm=kjvn

(6)

(7)

式中:Pm为水平管路的磨损率(%)；kj为料浆对管路的磨损系数；v为料浆流速(m/s)；A为试验综合系数；μ为料浆与管壁摩擦阻力系数；p为料浆与管壁的压力(Pa)；n为磨损试验次数；kd为管路自身因素对磨损率的影响系数。

根据式(7)，在相同流速下，管路的磨损速度随料浆对管路压力的增大而增加,即成正比。由表4可知：在相同流速下，料浆的水力坡度随料浆浓度增大而增加，也成正比。只有采用减压输送、耐磨损性能的管材或内衬，才可以达到降低管道磨损的目的[7-8]。

根据上述计算，经市场考察，大尹格庄金矿可以定制规格为φ133 mm×10 mm的超高分子量聚乙烯管，承压1.6 MPa，质量3.75 kg/m，法兰自带压水密封线圈与管体一体成型，管体两端带活法兰盘，标准长度6 m，也可根据实际生产需求定制不同长度。

4 实践应用

考虑在满足管路许用厚度和管路压力的前提下，根据充填管网压力分布不均的特点，大尹格庄金矿在充填管网中最大充填倍线区段的下行管路局部水平巷和末端立管管路压力小于±1.6 MPa等多处使用该超高分子量聚乙烯管，累计长度约1 200 m(见表7)。

表7 超高分子量聚乙烯管充填管网在永久管路中的应用

实际应用中部分矿体的两翼采场会通过分段充填井，使用超高分子量聚乙烯管经过采场通风联道跨分段上山充填垂高13 m采场采空区时，也能保持浓度68 %的正常输送。该超高分子量聚乙烯管在分段巷充填管路跨道底过门中代替陶瓷复合管，现场无需开挖地沟、配置管路弯头，只需在管路周边垫压毛石防护后便可通行20 t左右铲运机和凿岩台车等轮式设备；也可以改为巷道高过门，简易绑固在巷道顶板锚杆上即可。

此外，标准长度6 m的超高分子量聚乙烯管成本稳定在720元/根；标准长度3 m的陶瓷复合管价格随钢材价格浮动变化较大，采购价为690～940元/根。由表7可知：1 188 m永久管路使用超高分子量聚乙烯管的成本为142 560元，标准长度3 m 陶瓷复合管最低采购价为273 240元。因此，采用超高分子量聚乙烯管可以有效降低充填管网的建设成本。