深井充填管道系统关键技术探讨

精选优质文档-倾情为你奉上深井充填管道系统关键技术探讨赵彬，徐克创中国五矿集团公司 五矿勘查开发有限公司，北京，摘 要：为了获得稳定的深井充填管道系统，对管道磨损机理、堵爆管机理及防治技术措施进行深入研究。结果表明，竖直管道非满管流是造成管道磨损的重要原因，且空气与料浆交界面处磨损最为严重；固体物料颗粒垂直脉动速度分量小于固粒的干涉沉降速度是导致堵管的必备前提，由于管道某部位瞬时淤塞而引发上游浆体产生压力波水击和竖直管道与水平管道连接处因速度变化形成负压而产生的真空弥合水击极易导致爆管。同时，提出变径满管流输送技术等7种降低磨损技术和高分子溶液减阻等7种减阻技术。关键词：深井充填管道；磨损机理；堵爆管机理；降低磨损；减阻技术中图分类号： TD235.4 文献标识码：A 文章编号： 0 引 言随着浅部资源的逐渐枯竭和深部资源勘探力度的加强，我国将步入深井开采国家行列，如胶东新城、夏甸等几个百吨以上的大型金矿都是在500m以下的第二富集带，山东新矿集团孙村煤矿、安徽冬瓜山铜硫矿、甘肃金川镍矿等开采深度已经超过或接近1000m，长江中下游近期勘探发现的泥河铁矿-650m见矿，设计开采深度达1070m。充填采矿法能够有效解决深井岩爆、岩层冒落，地表尾砂、矸石废料堆放污染等问题，且提高深部资源回收率30%，已成为深井开采最安全、回采率最高、环保效益最强的方法1-3。对于深井充填矿山而言，稳定的充填管道系统是必不可少的前提。目前，我国面绝大多数深井开采矿山充填均采用管道自流输送技术，如金川镍矿、冬瓜山铜矿、开阳磷矿、孙村煤矿等。由于深井充填垂深大、倍线小、管壁所承受的静压增大，管道磨损极为严重，管道强烈振动，甚至造成堵爆管现象4-5。因此，研究深井充填管道的磨损和堵爆管机理，解决相应的技术难题，对于保证深井安全、经济、高效生产具有重要的理论意义和实际应用价值。1 管道磨损机理及降低磨损技术充填管道主要包括充填钻孔内竖直管道和充填巷道内的水平管道。大量现场调查及理论研究表明，充填钻孔内竖直管道最易发生冲击磨破，影响整个充填系统稳定性；而水平管道仅发生较小程度磨损，且通过定期翻转，可有效延长水平管道使用寿命。因此，文章对竖直段管道进行深入研究。1.1 磨损机理自流充填系统中，料浆流动的动力来自料浆在垂直管段产生的静压头。假设某充填系统管道直径不变，垂直高度为H，水平管长L，料浆体重，摩擦阻力损失i，则料浆的输送有下面3种情况：当时，料浆的压头不足以克服其沿程阻力损失，系统处于不能流动或堵管状态；当时，料浆的压头正好平衡掉其沿程阻力损失，系统处于满管流动状态；当时，系统中料浆自然压头过剩，垂直管段上部处于自由下落流动状态。为保证有充足的自然压头促使料浆顺利流动，国内外大部分细砂管道胶结充填矿山，料浆在垂直管中的运动状态均为自由下落输送；前两种状态较少，甚至没有。充填料浆进入垂直管道在重力作用下自由下落，直至到达空气与砂浆的交界面，即在垂直往下给料的管道中有两种运动状态：上部为自由降落段、下部为满流段(非满管流)，如图1。1）自由降落段料浆输送由上面分析可知，在自由降落段，料浆主要做自由落体运动。由于自由下落输送的存在，在生产实践，尤其是深井充填实践中，竖直充填管道不可避免地发生以下磨损甚至破裂现象：（1）在自由下落带中，料浆的最终速度很高，可能达到50ms-1或者更高，高速流动的料浆向管壁迁移冲刷导致管路的高速磨损，如果垂直管段带有偏斜，管路的局部磨损将更加严重6；（2）料浆在空气料浆交界面因碰撞产生的冲击压力是巨大的，这种巨大的冲击力可导致管路的破裂，减小冲击力的最好办法是缩短以至消除料浆的自由降落区域，这样可降低料浆的最大自由下落速度，避免巨大冲量的发生；（3）由于在垂直管段，料浆存在着自由降落区域，给垂直管和水平管的交界处产生了巨大的压力，同时由于此部分料浆的流向发生突然的转变，料浆对管壁的法向冲击力非常大，因此加快了管道的局部磨损，管壁穿孔现象十分严重7。L充填料浆自由落体区空气料浆交界面H2满管输送区压力分布流量Q/m3h-1H1图1 管道自流输送系统2）满管流段料浆输送在满管流输送段，充填料浆以比较均匀的速度运动。满管流动的最大优点是管道局部冲击磨损率大大降低，甚至几乎不存在冲击磨损，仅是料浆与管道壁间的接触所产生的磨损，从而大大减轻了管道的磨损程度。满管流动与自由下落流动引起的管道磨损情况对比，如图2。由此可见，满流系统管道的磨损平整均匀，磨损率较低（图a），而自由下落系统管道的磨损极其剧烈，往往会无规律出现，形成沟槽磨损形状（图b），这些沟槽破损往往会导致管道裂口式损坏。因此，自由下落段管道最易发生磨损破裂，是管道磨损破坏的主要原因8。管道原始内表面212磨损后内表面磨损后内表面管道原始内表面（a）满管流输送条件 （b）自由下落条件图2 管道的磨损形式对比1.2 降低磨损技术依据上述管道磨损机理的分析，可以通过采取如下技术措施，达到有效地降低管道磨损的目的。（1）变径满管流输送技术。充填钻孔磨损机理研究结果表明，降低充填管道磨损，延长充填管道使用寿命的最有效办法，是最大程度地缩短以至消除充填料浆的自由降落区高度，使料浆尽可能在管道内进行满管流输送。一般来说，深井矿山的有效静压头远远大于摩擦损失，因此欲获得满管流动系统可以考虑从增大料浆沿程阻力损失、采用变径管输送等技术途径来实现。当料浆的自然静压头正好等于料浆沿管道的摩擦阻力损失时，系统处于满管流动状态，满管流平衡输送系统可使空气料浆交界面保持在垂直管道顶部，从而大大削弱甚至消除冲刷、冲击磨损。为了耗散垂直管道产生的剩余静压头，可采取变径管输送系统。其目的是将垂直或水平管道的直径减小，以增大料浆通过此部分的摩擦阻力。如果将水平管道的直径减小，就可获得高压满流输送系统；如果将垂直管道的直径减小，就可获得低压满流输送系统。（2）降低料浆对管道的磨蚀。料浆对管道的损害包括磨损和腐蚀两方面，因此降低料浆对管道的损耗应从两方面做起。首先，要优化充填材料的粒级组成、确定管道磨损较小的材料配合比，尽可能降低充填骨料的粒径、选择表面光滑的骨料，添加对管道磨损相对轻微的细粒级物料，如粉煤灰、尾砂等，适当减小刚度较大的骨料含量；其次，要全面掌握充填料浆的化学性能，调整充填材料的用量比例，减少腐蚀性较强的材料含量，调整料浆的pH值，料浆中避免混入空气，降低氧含量，以达到降低充填料浆对管道腐蚀的目的；最后，在料浆中加入减阻剂，可以减小对管道的磨损。（3）研制和采用耐磨抗腐蚀性能更好的新型管材和内衬，提高管道自身的抗磨蚀能力。全面提高钢管衬里的制造质量，确保衬里质量和涂层质量，防止衬里松脱随料浆一起流出，起不到保护管道的作用。（4）充填倍线较小的矿山，要设法降低料浆的输送速度，降低料浆对管壁的压力。在相同的流速下，管道的磨损速度随料浆的压力增加而提高，当料浆的压力增大到一定程度，即使很小的料浆流速，也会对管道带来很高的磨损率，因此，采用减压输送系统，可以达到降低管道磨损率的目的。（5）提高垂直管道的安装质量，减少管道的倾斜及非同心程度。理论分析和矿山的生产实践都已经证明，如果垂直管道安装时其垂直度和同心度不好，就会大大提高管道的磨损速度，因此，必须提高管道安装质量，力争垂直度、同心度偏差在0.5%之内等。（6）在磨损率高的弯管部分，应采用丁字管或缓冲盒弯头，避免料浆对大直径弯管外半径磨出的窄长槽。（7）使用中性水制备充填料浆和冲洗管道，避免使用矿井水，因为矿井水一般都有很强的腐蚀性，特别对无衬里钢管会造成较大的腐蚀。如果采用矿井水，也要预先对其进行处理，降低其腐蚀危害。2 堵爆管机理及减阻技术国内外众多深井矿山在充填过程中，时常发生料浆堵塞管道、爆管，导致整个充填管道系统报废或跑浆伤人等事故。进行深井管道输送系统堵爆管机理及减阻技术研究，在事前做好预防措施，对深井充填系统的稳定运行具有重要的理论和现实意义。2.1 堵爆管机理颗粒在静水中由于重力作用产生自由沉降，颗粒均速下沉时的速度称为颗粒的沉降速度。固体颗粒沉降速度为vg，可由斯托克斯公式、用阿连公式及牛顿-雷廷格公式计算。同时，对于不同形状的非球形颗粒，在水力输送中的非球形颗粒的干涉沉降速度为vgg。固体物料在水力输送中，当砂浆处于某一流速时，固体物料能否悬浮，对于其顺利输送和系统的正常运行具有积极意义。在两相流中，紊流的脉动速度是使固体颗粒悬浮的决定因素。使固体颗粒悬浮的主要原因是脉动速度中的垂直脉动速度分量，即垂直脉动速度分量(Sv)大于固粒的干涉沉降速度(Vgg)，也就是说，若垂直脉动速度分量小于固粒的沉降速度就可能发生堵管事故9。其中： （1） （2）式中：Cv料浆体积浓度；n干涉指数；v料浆的输送速度；k试验常数，取值为1.52；Cu,v水平速度分量与垂直速度分量之间的关系，取值为0.18；y固体颗粒距管道中心的距离；r输送管道的半径；j摩擦阻力系数，可由金川公式等计算。以上即为管道的堵塞机理，而通过多个充填系统的爆管事故分析和深入研究，可以发现引发爆管的主要原因是输送过程中料浆流态的不稳定引起的水击造成的。可分为两种情况：第一种为出流端或管路某一部位瞬时淤塞，引发上游管道浆体产生压力波水击；第二种为竖直管道和水平管道连接处因速度变化形成负压后，产生的真空弥合水击，形成很大的水击附加压强，且在此部位因反复的真空作用，产生气蚀，使其成为薄弱段。1）浆体的压力波水击浆体产生的压力波水击的物理模型如图3。图中，流速为v0，水头为h0 、流量为Q的浆体在断面1-1处因故淤积堵塞，流速变为零，而上游来的浆体，由于惯性作用，继续以原来的流速v0流向1-1处，使其受到压缩，压强升高并以弹性波的形式，以波速C由堵塞段传向上游管道，由于弹性压力波波速远大于水流流速，弹性波所到之处，压强由P增至P+p ，密度由增至+，在t时段内，经过长度为S的距离，忽略摩擦阻力，应用动量定律有： （3）由于管路破坏大多发生在最大压力上，因此，仅需要关心最大压力产生的条件，即v=0时，浆体产生的水击压强最大： （4）同时，可得到水击波波速公式： （5）式中：Ev浆体的体积压缩弹性模量，Pa；浆体密度，g/cm3；cv浆体体积浓度，%；Es骨料弹性模量，Pa；Ep管壁弹性模量，Pa；管壁厚度，mm；D管道内径，mm；C1管路纵向变形系数，对于管道可近似认为只在上游末端固定的充填管道布置方式，其Cl=1-/2，=0.3为泊松比。从式（5）可以看出，对于我国广泛使用的无缝充填钢管，Ev/Ep、Ev/Es值都较小，故c值较大，接近于声波在液体中的波速，因此最大水击压强峰值较大，一旦管道因故淤积堵塞，就可能发生爆管事故。图3 堵塞水击物理模型淤积堵塞处1-1v0h0L2）浆体的真空弥合水击浆体的真空弥合水击物理模型如图4。L12bbaav2，P2v1，P1Z110Z2Z0图4 真空弥合水击物理模型管路经过垂直下降段后，自然落差形成的剩余位能，使浆体在管道内自然加速，产生负压，形成不连续流，进而引起水击。从断面a-a至b-b列出的伯努利方程为： （6）式中：v1、v2、P1、P2、Z1、Z2a、b的流速、压强和水头；imL水头损失，为惯性水头。在浆体未发生不满流之前，一般有v1=v2，=0，则： （7）从式（7）可以看出，如果位能大于阻力损失水头，则在a、b断面间的流体会通过局部流速的增大来消耗剩余的能量。如果流速继续加大，断面间的流体可能被拉断，出现真空腔10。而加速后的加速流在加剧管壁磨蚀（管壁磨蚀与流速的二次方成正比）的同时，有可能在管路的其它段形成弥合水击，造成管道强烈振动，产生纵向拉应力，将管道接头脱落、跑浆，甚至伤人，给安全带来不良影响，而在流速较高时，随浆体流向下游的汽泡可能溃灭，产生极大正压强脉冲，造成管壁气蚀，使管道强度快速下降。2.2 管道减阻技术目前，减阻技术在管道输送中的应用主要有石油、原油、煤浆、矿砂、泥浆及其他物料的浆体输送。通过参考大量有关管道输送减阻技术研究的国内外文献，以下总结了7种关于物料管道输送的减阻方法。（1）高分子溶液减阻。高分子减阻作用的机理目前还没有统一的认识，普遍的说法认为由于紊流作用而产生极大的摩擦力，注入高分子聚合物后，聚物均匀地分散到管道中，聚合物的分子长链在管壁处形成一个近似的层流边界层，起到抑制紊流的作用，从而使紊流程度减弱，达到减小管道摩阻的目的。常用的高分子物质有蛋白胶体、聚醚（羟基羧酸酯聚烷二醇醚）、聚丙烯酸酰胺、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸酯和聚环氧乙烷等。（2）弹性膜减阻。六十年代初，Kramer提出了一种弹性膜减阻的特殊方法，在刚性边界上粘结一层弹性膜，弹性材料的物理常数与力学指标的组合相当完美，以致在层流附面层发生渡动时，膜的表面产生同步渡动。在发生同步渡动的情况下，边界表面流速将大于零，而且边界面的流速梯度减小，从而减小边界的剪力，也就减小了由剪力做功所散发的能量，使阻力系数与外加能源数量减小。不过，弹性膜减阻在实际应用中存在管道加工工艺上的困难，而且在物料管道输送中，护面层抗磨蚀性能差，将会加大输送成本。（3）纤维材料减阻。试验表明，在一定管径下输送纸浆时，随着流速的增加，阻力也增加。增加到某点后，阻力达到最大值，如流速继续增加，阻力则开始下降，下降到某点后，阻力又继续增加。纤维素减阻是在物料低速流动时防止产生不稳定流动。在纤维素颗粒浆体中，由于纤维素互相结成为网络，网络的强度阻止了大颗粒固体颗粒的沉降。这种减阻措施应用的可能性很小，因为难以找到廉价的纤维材料，而且带有纤维材料的纸浆会给脱水、污水处理、环境保护带来一系列的麻烦，实际应用价值较小。（4）磁液体粘性减阻。磁液体粘性减阻是90年代初出现的一种减阻方法。它是利用外加磁场把磁性液体保持或固定在所需表面，在物体表面形成可控的柔顺磁性液体膜，当液体流过物体表面时，物体表面磁性液体膜与液体产生同步运动来达到减阻的目的。（5）水环减阻。我国学者韩文亮等人针对全尾砂充填料浆的减阻问题提出了“水环减阻”措施。试验研究结果证明，这种措施只适用于层流情况，对紊流区并不适用。“水环减阻”的构想是用低粘度的流体局部置换高粘度流体，这样能以低粘度的流体局部代替高粘度的流体的剪切变形，降低附壁边界层的粘性从而实现减阻。水环减阻在很多领域应用较广泛，例如航运上气垫船和机械上的空气轴承等，减阻效果比较明显。（6）气环减阻。实践证明，在管道输送流体中掺入适量气体可以达到减阻作用，如果气体能依附在管壁上形成一层微的气环那么就能大大提高减阻效果，这被称为“气环”减阻。（7）振动减阻。振动减阻是指由于外部动力（振动），引起流体界面波动，从而达到减阻效果。试验研究表明，在高浓度输送时用振动方法实现减阻是一个有效的方法，是一项很有前途的新型减阻技术，它可以作为局部减阻方法应用与高浓度浆体和结构流的管道输送。3 结 语深入分析了深井充填管道系统的管道磨损和堵爆管现象产生的机理和原因，并分别为提出了7种降低竖直段管道磨损的技术和7种堵爆管防治技术，对国内外深井矿山的安全、经济、高效开采提供了可靠的理论和现实指导依据。参考文献1 王新民,肖卫国,张钦礼.深井矿山充填理论与技术M.长沙:中南大学出版社.2005.2 LUO Li-qun, ZHANG Jing-sheng, YU Yong-fu. 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