王玉山，鄭伯坤，陳懷教，鄧高嶺，黃騰龍，尹旭巖

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金川二礦區(qū)自平衡充填料漿自流輸送管道壓力分布研究

王玉山1，鄭伯坤2，陳懷教1，鄧高嶺2，黃騰龍2，尹旭巖2

(1.金川集團(tuán)股份有限公司 鎳鈷資源綜合利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 金昌市 737100；2.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410012)

闡述了金川二礦區(qū)自平衡充填料漿自流輸送管道壓力分布情況，在自平衡自流輸送系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，L型管道布置鉆孔底部壓力取決于水平管道長(zhǎng)度。鉆孔底部壓力隨充填料漿濃度的降低而變化較小，充填料漿流量隨充填料漿濃度降低而急劇加大。采用階梯型布置時(shí)，由于水平管道長(zhǎng)度分為兩段或多段，分段越多，每段水平管道長(zhǎng)度越小，各分段鉆孔底部壓力值越小。

階梯型管道；L型管道；自平衡；壓力分布

金川公司二礦區(qū)一、二期自流輸送系統(tǒng)及膏體泵送系統(tǒng)一直采用充填小井、充填鉆孔及水平(或傾斜)管道相結(jié)合的管道輸送系統(tǒng)，隨著開(kāi)采范圍不斷擴(kuò)大和開(kāi)采深度的增加，充填管網(wǎng)亦不斷擴(kuò)大。二期自流系統(tǒng)及膏體泵送系統(tǒng)均位于地表1680 m水平，各自的充填料漿輸送管經(jīng)地表二期充填小井及斜巷進(jìn)入A2組充填鉆孔到達(dá)1350 m中段，再經(jīng)587.7 m水平管道到達(dá)Ⅵ組鉆孔，最終通過(guò)Ⅶ組鉆孔、Ⅷ組鉆孔、850鉆孔及水平管道到達(dá)各中段或分層盤(pán)區(qū)進(jìn)路。目前充填978 m分層?xùn)|西兩端進(jìn)路時(shí)，管道總長(zhǎng)度均超過(guò)2000 m，如向東至Ⅲ盤(pán)區(qū)管道總長(zhǎng)度2373.8 m，總高差708 m，充填倍線3.353。

經(jīng)多年生產(chǎn)實(shí)踐并不斷優(yōu)化，目前垂直鉆孔主要采用Φ299 mm×20 mm或Φ219 mm×20 mm雙金屬耐磨管，其耐磨層厚度10 mm，水平管主要采用Φ133 mm× 11.5 mm剛玉復(fù)合耐磨管，耐磨層厚6.5 mm，或Φ133 mm×14 mm鉻鉬雙金屬耐磨管，耐磨層厚9 mm，90°彎頭主要采用Φ133 mm×14 mm鉻鉬雙金屬耐磨管。

1 自平衡充填料漿自流輸送管道壓力分布

自平衡充填料漿自流輸送系統(tǒng)是相對(duì)敞口型管道布置而言的，該種布置將輸送管道與攪拌桶連成一個(gè)整體，從而使充填料漿濃度、流量、管網(wǎng)布置參數(shù)、料漿流速及管道壓力等諸多參數(shù)呈現(xiàn)復(fù)雜的互動(dòng) 關(guān)系。

充填料漿制備輸送系統(tǒng)有多個(gè)運(yùn)行參數(shù)需得到控制，其中主要有充填物料各組分的給料量及灰砂比、充填料漿濃度、流量、攪拌桶液位等。在設(shè)計(jì)充填料漿制備自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，一般設(shè)定一個(gè)主控參數(shù)及主控回路，對(duì)主控參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)及反饋調(diào)節(jié)，而其它控制參數(shù)為輔助控制回路或從動(dòng)回路。

在立式攪拌桶制備系統(tǒng)中，攪拌桶液位一般設(shè)定為主控參數(shù)，這是因?yàn)槿鐢嚢柰耙何贿^(guò)高將產(chǎn)生漫溢現(xiàn)象，攪拌桶一旦漫溢，將使系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)處于混亂狀態(tài)并造成充填系統(tǒng)無(wú)法繼續(xù)運(yùn)行而導(dǎo)致非正常停機(jī)。反之如攪拌桶液位過(guò)低，將使充填各物料得不到充分?jǐn)嚢?，在攪拌桶液位過(guò)低或空桶時(shí)，充填物料各組分可呈散狀或干粉狀等，造成無(wú)法進(jìn)入充填鉆孔或造成充填鉆孔堵塞等事故，同樣導(dǎo)致非正常停車。

使攪拌桶處于正常狀態(tài)的條件為進(jìn)入攪拌桶的物料量與排出量相平衡。進(jìn)入攪拌桶的物料量可通過(guò)調(diào)節(jié)各給料設(shè)備的給料量而實(shí)現(xiàn)，而充填料漿排出量在該種布置形式下則取決于充填料漿濃度、流動(dòng)阻力及充填管網(wǎng)布置參數(shù)。

攪拌桶料位的調(diào)節(jié)有兩種方式，其一為調(diào)節(jié)進(jìn)入攪拌桶的物料量，即當(dāng)攪拌桶料位較高時(shí)，攪拌桶液位計(jì)發(fā)出調(diào)節(jié)信號(hào)使各給料設(shè)備減少給料量，從而使攪拌桶液位降低，反之亦然。該種調(diào)節(jié)方式當(dāng)管道阻力較小時(shí)，料漿流量變化很大，且當(dāng)充填地點(diǎn)變化時(shí)，料漿流量亦發(fā)生變化，從而使充填系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)隨充填地點(diǎn)變化而變化。

攪拌桶料位的另一調(diào)節(jié)方式為使進(jìn)入攪拌桶的物料量保持恒定，而在出料口設(shè)置調(diào)節(jié)裝置，調(diào)節(jié)攪拌好的料漿排出量，國(guó)內(nèi)一般采用電動(dòng)閘閥或電動(dòng)夾管閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。即當(dāng)攪拌桶料位較高時(shí)，攪拌桶料位計(jì)發(fā)出調(diào)節(jié)信號(hào)使調(diào)節(jié)閥開(kāi)度增大，從而料漿排出量增大，使攪拌桶料位降低。而當(dāng)攪拌桶料位過(guò)低時(shí)，攪拌桶料位計(jì)發(fā)出調(diào)節(jié)信號(hào)使調(diào)節(jié)閥開(kāi)度關(guān)小，從而料漿排出量減小，使攪拌桶料位升高。

在充填管道與攪拌桶連接成一體且密封良好的條件下，無(wú)論攪拌桶料位采取何種調(diào)節(jié)方法，均可定義為自平衡滿管流系統(tǒng)，第一種方式可稱為隨動(dòng)給料自平衡滿管流，第二種稱為定量給料自平衡滿管流。

立式攪拌桶放料管上均裝有底閥(排料閥)或調(diào)節(jié)閥(電動(dòng)閘閥或電動(dòng)調(diào)節(jié)閥)，該調(diào)節(jié)閥的作用可調(diào)節(jié)充填料漿排出量，同時(shí)亦可視為管路系統(tǒng)中的一個(gè)調(diào)壓裝置或節(jié)流閥。該閥的開(kāi)度對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)具有十分重要的作用。在充填管道敞口布置時(shí)，該閥的開(kāi)度只與攪拌桶的料位有關(guān)，所受壓力較小、開(kāi)度較大，從而流速較小、磨損亦較小。但如果攪拌桶與充填管道連成整體且充填倍線較小時(shí)，則將受到充填料漿自平衡滿管流效應(yīng)的影響，管道將對(duì)攪拌桶內(nèi)料漿產(chǎn)生虹吸效應(yīng)。當(dāng)充填料漿流量加大、攪拌桶料位快速下降時(shí)，將迫使該閥開(kāi)度減小。該閥開(kāi)度過(guò)小時(shí)，料漿通過(guò)該閥的流速增大，導(dǎo)致快速磨損。

金川公司目前高濃度棒磨砂自流系統(tǒng)即采用定量給料底閥調(diào)節(jié)自平衡滿管流輸送方式。為了便于分析，先不考慮底閥的節(jié)流作用，對(duì)L型管道布置的充填料漿制備參數(shù)及管道壓力進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖1～圖4。

設(shè)充填管道為等直徑布置，尺寸為Φ133 mm×11.5 mm剛玉復(fù)合耐磨管，通徑為110 mm，充填方式為棒磨砂-水泥自流輸送充填，灰砂比均為1:4，則當(dāng)充填料漿濃度為85%時(shí)，料漿重度為20.727 kN/m3，坍落度為23 cm，料漿流變參數(shù)為0=20.445 Pa，=3.889 Pa?s。由于料漿濃度過(guò)高，流動(dòng)阻力大，所以實(shí)現(xiàn)自平衡滿管流的流量為15.31 m3/h，料漿流速為0.447 m/s，流動(dòng)阻力=5.593 kPa/m，鉆孔底部壓力為10.71 MPa(見(jiàn)圖1)。

而當(dāng)充填料漿濃度為82%時(shí)，料漿重度為20.247 kN/m3，坍落度為26 cm，料漿流變參數(shù)為0=10.6687 Pa，=0.6958 Pa?s。實(shí)現(xiàn)自平衡滿管流的流量為91.96 m3/h，料漿流速為2.688 m/s，流動(dòng)阻力=5.464 kPa/m，鉆孔底部壓力為10.47 MPa(見(jiàn)圖2)。

當(dāng)充填料漿濃度為79%時(shí)，料漿重度18.689 kN/m3，坍落度為27.8 cm，料漿流變參數(shù)為0=4.6833 Pa，=0.3855 Pa?s。實(shí)現(xiàn)自平衡滿管流的流量為161.62 m3/h，料漿流速為4.724 m/s，流動(dòng)阻力=5.043 kPa/m，鉆孔底部壓力為9.66 MPa(見(jiàn)圖3)。

圖1 L型管道布置自平衡滿管流85%濃度時(shí)的管道輸送參數(shù)及壓力

圖2 L型管道布置自平衡滿管流82%濃度時(shí)的管道輸送參數(shù)及壓力

當(dāng)充填料漿濃度為76%時(shí)，料漿重度18.659 kN/m3，料漿流變參數(shù)為0=2.6912 Pa，=0.2632 Pa?s。實(shí)現(xiàn)自平衡滿管流的流量為241.06 m3/h，料漿流速為7.046 m/s，流動(dòng)阻力=5.035 kPa/m，鉆孔底部壓力為9.65 MPa(見(jiàn)圖4)。

當(dāng)充填管道呈階梯型布置時(shí)，充填料漿制備參數(shù)及管道壓力計(jì)算結(jié)果如圖5～圖8所示。

當(dāng)充填料漿濃度為85%時(shí)，實(shí)現(xiàn)自平衡滿管流的流量同樣為15.31 m3/h，料漿流速為0.447 m/s，流動(dòng)阻力=5.593 kPa/m，上部鉆孔底部壓力為4.961 MPa，下部鉆孔底部壓力為5.754 MPa(見(jiàn)圖5)。

圖3 L型管道布置自平衡滿管流79%濃度時(shí)的管道輸送參數(shù)及壓力

圖4 L型管道布置、自平衡滿管流76%濃度時(shí)的管道輸送參數(shù)及壓力

圖5 階梯型管道布置自平衡滿管流85%濃度時(shí)的管道輸送參數(shù)及壓力

圖6 階梯型管道布置自平衡滿管流82%濃度時(shí)的管道輸送參數(shù)及壓力

圖7 階梯型管道布置自平衡滿管流79%濃度時(shí)的管道輸送參數(shù)及壓力

圖8 階梯型管道布置自平衡滿管流76%濃度時(shí)的管道輸送參數(shù)及壓力

當(dāng)充填料漿濃度為82%時(shí)，實(shí)現(xiàn)自平衡滿管流的流量同樣為91.96 m3/h，料漿流速為2.688 m/s，流動(dòng)阻力=5.464 kPa/m，上部鉆孔底部壓力為4.969 MPa，下部鉆孔底部壓力為5.621 MPa(見(jiàn)圖6)。當(dāng)充填料漿濃度為79%時(shí)，實(shí)現(xiàn)自平衡滿管流的流量同樣為161.62 m3/h，料漿流速為4.724 m/s，流動(dòng)阻力=5.043 kPa/m，上部鉆孔底部壓力為4.585 MPa，下部鉆孔底部壓力為5.188 MPa(見(jiàn)圖7)。

當(dāng)充填料漿濃度為76%時(shí)，實(shí)現(xiàn)自平衡滿管流的流量同樣為241.06 m3/h，料漿流速為7.046 m/s，流動(dòng)阻力=5.035 kPa/m，上部鉆孔底部壓力為4.578 MPa，下部鉆孔底部壓力為5.18 MPa(見(jiàn)圖8)。

2 兩種不同布置形式的管道壓力對(duì)比

從以上分析計(jì)算結(jié)果可知，在自平衡自流輸送系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，L型管道布置鉆孔底部壓力取決于水平管道長(zhǎng)度，在充填料漿濃度由85%降至76%時(shí)，為10.71～9.65 MPa，其值較大，且隨充填料漿濃度的降低而變化較小。而充填料漿流量則隨充填料漿濃度降低而急劇加大，當(dāng)充填料漿濃度為85%時(shí)，實(shí)現(xiàn)自流輸送的流量?jī)H為15.31 m3/h，當(dāng)充填料漿濃度為82%時(shí)，實(shí)現(xiàn)自流輸送的流量為91.96 m3/h，當(dāng)充填料漿濃度降至79%時(shí)，流量為161.62 m3/h，當(dāng)充填料漿濃度進(jìn)一步降至76%時(shí)，流量可達(dá)241.06 m3/h。國(guó)內(nèi)礦山充填生產(chǎn)實(shí)際已證實(shí)該現(xiàn)象，在敞口型充填管道布置的條件下，當(dāng)攪拌機(jī)制備的料漿濃度過(guò)高時(shí)，下料斗下料緩慢、料位升高甚至出現(xiàn)漫溢，即料漿流量降低。這時(shí)若降低充填料漿濃度，料斗中料漿進(jìn)入鉆孔的流量加大，進(jìn)一步降低料漿濃度，充填料漿會(huì)快速進(jìn)入充填鉆孔甚至吸入空氣。

而當(dāng)采用階梯型布置時(shí)，由于水平管道長(zhǎng)度分為兩段或多段，所以其分段鉆孔底部最大壓力降低至5.754 MPa，分段越多，每段水平管道長(zhǎng)度越小，各分段鉆孔底部壓力值越小。

3 結(jié) 論

在自平衡自流輸送系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，L型管道布置鉆孔底部壓力取決于水平管道長(zhǎng)度。鉆孔底部壓力隨充填料漿濃度的降低而變化較小，而充填料漿流量則隨充填料漿濃度降低而急劇加大。采用階梯型布置時(shí)，由于水平管道長(zhǎng)度分為兩段或多段，分段越多，每段水平管道長(zhǎng)度越小，各分段鉆孔底部壓力值越小。

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(2018?09?29)