高 鋒，甘德清，2，邵靜靜，陳 超，2，王之東

（1．河北聯(lián)合大學，河北 唐山063009；2．河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術實驗室，河北 唐山063009）

礦區(qū)尾礦庫和采空區(qū)危害日益突出，據(jù)不完全統(tǒng)計，2003～2012年，我國尾礦庫事故發(fā)生30余起，造成大量的人員傷亡和財產(chǎn)損失。我國采空區(qū)誘發(fā)災害的城市數(shù)量達到36個，每年直接經(jīng)濟損失超過40億元。消除尾礦庫和治理采空區(qū)的有效方法是充填法，將尾砂充填于采空區(qū)。近年來，我國出臺了一系列關于尾礦庫和空區(qū)安全與治理的文件?！蛾P于進一步加強尾礦庫監(jiān)督管理工作的指導意見（2012年3月）》強調(diào)：新建金屬非金屬地下礦山必須對能否采用充填采礦法進行論證，并優(yōu)先推行充填采礦法。

隨著國家工業(yè)化對礦產(chǎn)資源需求的增大和采礦設備與充填技術的進步，充填法開采的礦山產(chǎn)能不斷增加，促進了大能力高濃度全尾砂膠結充填技術和膏體充填技術的產(chǎn)生與發(fā)展。充填管道系統(tǒng)是礦山充填作業(yè)的瓶頸，充填能力和料漿濃度的提高對充填料漿管道輸送效率和可靠性提出了更高的要求［1］。很多學者進行了充填料漿管道輸送方面的研究，取得了豐碩的成果，但也存在一定的問題。

1 充填料漿管道輸送特性

按固體顆粒粒徑對料漿輸送的影響，充填料漿流體類型分為均質(zhì)流、非均質(zhì)流、均質(zhì)非均質(zhì)混合流［2－4］。根據(jù)切變率和切應力的關系，流變模型分為牛頓體、非牛頓體，充填料漿流變模型如圖1所示［5－7］。充填料漿流變模型中牛頓體1和賓漢塑性體5的切應力和剪切速率呈線性關系，高濃度料漿呈現(xiàn)塑性膨脹體4，賓漢塑性體5和塑流偽膨脹體6的性質(zhì)，具有初始切應力和黏度。

通過料漿流動雷諾數(shù)計算值與臨界雷諾數(shù)Rec＝2100的大小對比，料漿管道內(nèi)流態(tài)分為層流和紊流［8］。充填料漿管道輸送流動雷諾數(shù)計算公式見式（1）。

式中：ρ—料漿密度，kg／m3；U —料漿流速，m／s；D —管徑，mm；η—料漿黏度，mm2／s。

1．1 水力坡度

圖1 充填料漿管道輸送流變模型曲線Fig．1 Rheological pattern curve of backfill slurry pipeline delivery

目前，由于實驗條件和技術的不同，計算料漿輸送阻力的經(jīng)驗公式很多，如前蘇聯(lián)煤炭科學研究院公式、尤芬公式、長沙礦冶研究院公式、鞍山黑色金屬礦山設計院公式等，其計算值與實測值相比較，誤差小于20%，視具體情況使用。其中比較適合于高濃度的輸送阻力計算的是鞍山黑色金屬礦山設計院公式，金川公式適用于結構流的水力坡度計算［9］。

鞍山黑色金屬礦山設計院公式見式（2）。

式 中：vav—加 權 平 均 沉 降 速 度，cm／s；da—vav的當量粒徑，cm；ρp—料漿密度，t／m3；ρs—固體顆粒密度，t／m3；iw—清水輸送水力坡度，米水柱／m；v—料漿平均流速，m／s；μ—料漿的黏性系數(shù)。

金川公式見式（4）。

公式（4）的試驗條件為：粒徑小于3mm的磨砂，成非均勻狀砂漿；D＝100mm；ρs＝2．72t／m3；Cx＝3．315；mi＝0．373 2～0．542 3；v＝1．2～2．6m／s。

1．2 料漿臨界流速

臨界流速為料漿流動時使流動阻力最小的流速，當充填管道直徑小于200mm時，常用公式（5）杜蘭德公式計算［10－11］。

1．3 充填倍線

充填倍線的幾何定義是充填管道總長度與出、入料口垂直高差之比，反映了充填系統(tǒng)能力和輸送綜合阻力［12－13］。隨著充填工業(yè)泵的引進與研發(fā)，泵送充填投資不斷降低，料漿輸送穩(wěn)定性得到提高?？紤]泵壓的影響，充填倍線的計算公式見式（6）。

式中：L—充填管道總長度，m；H—管道入料口與出料口之間的自然壓頭，m；α—泵壓與料漿自然壓頭的比值。

充填料漿滿管輸送時，滿足公式（7）：

式中：ip—水力坡度；β—局部阻力損失與沿程阻力損失之比。

將公式（6）代入（7）中，得到滿管流輸送條件下水力坡度與充填倍線之間的關系式：

2 充填料漿管道輸送可靠性研究

目前，礦山充填料漿管道輸送可靠性研究主要包括充填管道磨損機理、大倍線管道自流輸送工藝、料漿流變特性、水力坡度經(jīng)驗公式等。

2．1 充填管道磨損機理研究

沈家華［14］、王賢來［15］、張德明［16］在研究礦山現(xiàn)場充填管道磨損問題時，一致認為不滿流是引起管道磨損的主要原因，提出了管道磨損機理，如圖2所示。沈家華結合會澤鉛鋅礦深井充填系統(tǒng)工程改造實踐為背景，研究得出通過增大水力坡度來改善系統(tǒng)的滿管狀態(tài)的結論。該礦通過進行水平輸送變徑增阻工業(yè)試驗發(fā)現(xiàn)，采用小直徑管道，提高了滿管率，有效減輕管道磨損。王賢來、張德明在金川礦區(qū)充填管道磨損情況調(diào)查及磨損原因分析中還發(fā)現(xiàn)，粒徑級配、顆粒剛度、鉆孔施工質(zhì)量、管道安裝質(zhì)量、充填倍線、料漿濃度等都是管道磨損的影響因素，金川公司認為充填倍線宜控制在1．5～2．5。

2．2 大倍線充填管道自流輸送研究

圖2 充填鉆孔內(nèi)管道沖擊磨損機理示意圖Fig．2 Impact wear mechanism sketch of pipeline in backfilling drill

周旭、王佩勛［17］研究介紹了煎茶嶺鎳礦超大倍線高濃度料漿自流輸送充填工藝，詳細分析了充填倍線在管道輸送系統(tǒng)中的重要性，并給出充填倍線過小或過大問題的影響和一般解決辦法。煎茶嶺鎳礦采用小流量、低流速、大管徑減小輸送阻力損失，并適當提高料漿濃度，增加垂直鉆孔料漿柱工作壓力，成功解決了超大倍線自流輸送問題，開創(chuàng)了國內(nèi)超大倍線自流輸送技術的先例，達到國際先進水平。另外，解釋說明了流量、流速、管徑及料漿濃度在管道輸送中的相互影響、確定方法和注意事項。

鄧代強等［18］介紹了霍邱吳集鐵礦的充填倍線為11左右，選用輕質(zhì)低阻管道，根據(jù)充填倍線大小隨采場位置的變化，適當降低料漿濃度，使其實現(xiàn)自流輸送，在輸送過程中未發(fā)生堵管。料漿濃度在70%上下浮動，濃度達到72%時，黏度較高，呈“柱塞流”輸送。

張卓成等［19］研究金川二礦區(qū)充填系統(tǒng)存在的問題時，發(fā)現(xiàn)1 600m水平料漿管道輸送倍線太大，堵管現(xiàn)象嚴重。通過改變充填鉆孔位置，將充填倍線從6．36降至3．19后，經(jīng)過一年的生產(chǎn)實踐檢驗，通過現(xiàn)場觀察，幾乎看不到任何物料沉積或淤積殘留現(xiàn)象。另外1 350m水平輸送倍線太小，沖刷磨漏現(xiàn)象較劣。通過增加水平充填道長度，把充填倍線從1．88提高到2．98，料漿流動穩(wěn)定，管道磨損情況大大減輕。

考慮到大倍線高濃度自流輸送和膏體泵送技術的缺陷，何哲祥教授、古德生院士［20］研究了一種利用機械力、漿體重力、膏體屈服應力和慣性力的擠壓輸送充填料的新方法，即在水平充填管的合適位置安裝擠壓輸送設備。經(jīng)理論推導給出了求解管道內(nèi)漿體運動規(guī)律的方程和方法，并闡述了擠壓輸送時漿體的運動狀態(tài)。自制水力充填管道擠壓輸送試驗系統(tǒng)，模擬試驗證明，對于不能自流輸送的料漿管輸送系統(tǒng)，采用擠壓裝置能夠?qū)崿F(xiàn)高濃度充填料漿的輸送，在原理上驗證了擠壓輸送方法在超大倍線充填系統(tǒng)中的可行性。擠壓輸送裝置結構簡單，易磨損件少，投資少，運行成本低。

2．3 基于自流輸送的料漿配比研究

王新民教授［21］通過測定孫村煤礦不同煤矸石的管道輸送性能，驗證了制備膏體充填料漿的可行性。通過充填料漿配比、充填體強度和料漿流動性能正交試驗，確定保證充填強度和適合管道輸送的最佳配比（水泥∶粉煤灰∶骨料＝1∶4∶15）和濃度（72%～75%），添加1%～5%的復合減水劑，制成似膏體料漿，成功應用于孫村煤礦深井自流輸送系統(tǒng)。

2．4 基于環(huán)管試驗的經(jīng)驗公式研究

山東理工大學王劼教授［22］針對會澤鉛鋅礦膏體充填，推導出根據(jù)流變參數(shù)（塑性黏性系數(shù)η和屈服剪切應力τ0）計算管道沿程阻力的理論計算模型，并給出利用膏體環(huán)管試驗求得流變參數(shù)的方法。環(huán)管試驗發(fā)現(xiàn)，料漿濃度Cw對流變參數(shù)影響最大。根據(jù)料漿組分，配置不同濃度料漿，分別測出流變參數(shù)，用計算機程序回歸計算，得到會澤鉛鋅礦不同組分料漿的沿程阻力經(jīng)驗公式。利用該經(jīng)驗公式對D150mm水平管道阻力進行計算，計算值與試驗數(shù)據(jù)相差不大，證實了該經(jīng)驗公式的適用性。

3 充填管道系統(tǒng)可靠性評估

充填料漿管道輸送系統(tǒng)可靠性評估方式中，系統(tǒng)性和針對性較強的評估方式主要有模糊評估、可拓學理論評估和未確知測度理論評估。

3．1 模糊評估

鄭晶晶等［23］介紹了系統(tǒng)失效模式與影響分析（FMEA）技術的概念和特點，引入模糊數(shù)學理論。利用FMEA對金川礦區(qū)充填管道輸送系統(tǒng)進行分析，將致命度分為四個等級，得出FMEA表。針對金川管輸系統(tǒng)，先后建立因素集和因素水平集、備擇集和評估集、因素水平權重集和因素權重集，經(jīng)過兩級模糊綜合評估、失效模式影響綜合評估以及加權平均排序，得出豎直、水平管道的磨損、堵塞和爆裂是充填管道系統(tǒng)主要失效模式的結論。

馮巨恩等［24］認為在了解管線的失效概率和管道輸送系統(tǒng)的可接受失效概率后，方能對充填管道進行可靠性評價。馮巨恩通過層次分析并利用二級模糊綜合評判方法，確定在深井充填系統(tǒng)管道設計水平高、材料和施工質(zhì)量一般、運行環(huán)境較差和事故后果嚴重的條件下，事故的可接受概率為7．743×10－4～12．915×10－4。利用國內(nèi)外研究成果類比和經(jīng)驗相結合的方法，深井充填系統(tǒng)的可接受失效概率為［10－4，10－2］。

3．2 可拓學與未可知測度理論評估

中南大學張欽禮教授等［25］在總結可靠度分析研究現(xiàn)狀的基礎上，把物元概念的可拓學理論應用到充填管道輸送安全評價中。把10項評價指標劃分成4個安全等級，基于專家意見建立充填管道輸送可靠度評價體系；經(jīng)過評價指標無量綱化、物元可拓評價分析，對充填管道輸送進行安全評判，避免單因素決策的片面性和人們主觀認識差異所引起的決策失誤，得到金川龍首礦的輸送安全等級為Ⅱ級，安全性較差，與礦山實際情況一致。

王新民教授等［26］針對充填管道堵塞風險，建立了充填管道堵塞風險性評價體系，并構建10個指標的測度函數(shù)，查出單指標測度值。以國內(nèi)四個典型充填礦山為評價對象，通過查閱文獻和咨詢專家得到這些評價對象的10項指標值。根據(jù)未確知測度理論，推算相應的測度矩陣，得到以上四個礦山管道堵塞風險等級，具有宏觀指導意義。

4 總結與建議

1）充填料漿管道輸送特性參數(shù)的經(jīng)驗公式應用范圍窄，在實際應用中應通過物理試驗和數(shù)值模擬的方法加以驗證，對相應的參數(shù)和系數(shù)進行修正。

2）對于充填料漿管道輸送問題的研究比較單一，充填料漿管道輸送系統(tǒng)的可靠性涉及很多因素，這些因素相互影響、相互制約。解決現(xiàn)場實際問題時，應多因素綜合考慮，找出輸送系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響因素之間的相關關系，使管道輸送系統(tǒng)整體優(yōu)化。

3）充填系統(tǒng)可靠性評估方法較多，但針對性不強，面向充填料漿管道輸送系統(tǒng)或該系統(tǒng)某種失效方式的評估方法少，導致評估結果籠統(tǒng)，難以指導現(xiàn)場生產(chǎn)。充填管道輸送系統(tǒng)可靠性評估應向大能力、大倍線管道輸送系統(tǒng)、具體失效模式風險評估的方向發(fā)展。

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