膏体管道输送现状分析与技术研究

邱晓伟

(河北矾山磷矿有限公司， 河北 涿鹿 075600)

1 前言

随着矿山开采程度的增大，国家对矿山环境保护的重视，膏体充填的应用和推广越来越广泛，膏体充填成为未来采矿技术的重点研究发展方向。在膏体充填过程中，料浆的输送对充填的质量和效率起着关键性的作用，为了确保充填的稳定性，有必要对料浆输送进行研究。

2 膏体充填的发展和特点

2.1 膏体充填的发展

膏体充填技术最早应用于1979年德国的格伦德金属矿，随后膏体充填技术在世界各国矿业引起了极大兴趣。我国是在格伦德充填系统正式投产5年后，才立项展开研究，经过12年大量工作已经取得重大进展，并建立了金川膏体泵送充填系统和铜绿山膏体泵送充填系统[1]。

2.2 膏体充填特点

膏体充填具有一般充填采矿法的特点,解决了矿山地表塌陷问题和环境保护问题，实现绿色开采，提高资源采出率。

膏体是一种质量浓度在75%以上，-20μm的颗粒含量在15%～35%，不沉降，不离析，具有良好的稳定性、可塑性、流动性的牙膏状胶结体,其流变模型近似于宾汉姆体；在重力或泵压作用下以柱塞流的形态输送到采空区完成膏体充填[2-3]。

膏体充填充填体强度大，充填成本低；在充填过程中膏体可在管道中停止、停顿和重新启动，操作简便；膏体充填采区泌水量小，井巷污染小；充填接顶效果好，利于矿山作业。

膏体充填中泵压管道输送应用范围广，充填质量高、系统经营费用低，但是其引进设备昂贵，系统复杂，运转和操作要求高；泵压输送要求质量合格的饱和膏体才能输送。自流输送阻力损失小，对矿山的赋存条件要求较高，其要求充填倍线介于1.1～1.2之间。膏体管道输送存在的主要问题是摩擦损失大、管道内压力大，容易引起管道堵塞、爆管等。

3 膏体管道输送研究现状分析

目前，国内外对膏体管道输送的研究主要集中在膏体的流变特性上，并建立了环管实验系统进行了一系列的泵送膏体闭环路输送实验。

1)膏体充填输送阻力损失

鞍山黑色金属矿山设计院对膏体充填输送阻力进行了研究，其计算公式为[4]

(1)

(2)

式中：i0——水平直管清水水力坡度；

ij——平均阻力坡度；

vpc——加权平均沉降速度，cm/s；

v——输送速度，m/s；

d——vpc当量粒径，cm；

ρj——砂浆密度；

μ——动力黏度，Pa/s；

ρk——固体颗粒密度。

沈家华针对深井矿山膏体自流充填管道磨损问题进行了研究，分析了深井充填管道磨损的机理为

(3)

式中：ρ——浆体密度；

h1——垂直管道空气柱高度；

υ1——进入管道的初速度；

S——管道截面积。

减少管道磨损的一些措施：通过改善输送满管状态来减小管道磨损、减小管径和增大管道长度。针对会泽铅锌矿的实际情况，进行了小管径增阻减磨实验，结果表明：当小管径时，满管效率有了很大的提高，有效减少了管道磨损。

王新民，丁德强，肖富国，徐东升[5-6]采用矿山附近火电厂的粉煤灰和其他材料制成了5种膏体材料，以膏体充填力学参数为基础，运用ANSYS软件对膏体管道输送进行了模拟，分析了管道内膏体的流速，显示流速呈现结构流的特点;分析了膏体参数对阻力损失的影响，得出了影响充填管道输送阻力损失的2个重要因素为膏体密度和有效黏度，阻力损失值随膏体密度和有效黏度的增加而增大。

王新民，张德明等[7]结合某矿充填系统的实际情况，运用Flow- 3D软件，建立物理模型，模拟膏体自流充填始终处于满管状态，针对不同充填倍线，对管道压力，膏体的流速和弯道处的压力(N)进行了分析，得到了以下结论：充填管道出口压力随充填倍线的增大而减小，系统总压力基本保持不变，当N<3时，则剩余压力过大，造成管道输送不稳定，当N>3.5时，管道阻力损失过大，则容易造成管道堵塞；充填管道的长度增加，则沿程阻力损失增加；弯道处的阻力损失随膏体流速的减慢而减小，当流速过小时，大颗粒沉降于管底，此时压力损失也比较大。因此，结合矿上情况，选择充填倍线N=3为最佳。

王劼，杨超，张军，王洪武[8]针对云南某矿的料浆流变特性进行了研究，分析了膏体输送过程中的流变特性，流变模型近似于非牛顿流体，可视为塑性结构流，并应用宾汉流变模型来研究。将管流沿程阻力与管壁上的流体摩擦阻力结合起来，推导出了沿程阻力的理论计算模型为

(4)

式中：jm——管流沿程阻力；

D——管道内径；

τ0——初始切应力；

η——黏度系数；

v——流速。

通过试验建立了膏体流变，参数与浓度间的数学关系式，建立了浓度与流变参数的数学计算公式为

jm=(16/3D)×aeb·Cw+(cCW+d)×32v/D2

(5)

式中：a、b、c、d——均为系数；

CW——料浆的质量浓度；

D——管道内径；

υ——流速。

王新民，丁德强等[9]分析了管道内膏体的流速分布特点：管道沿程除出入口和转弯处，流速分布基本均匀，呈现结构流特点，但在弯管处有较明显的梯度分布。改变各个参数后对结果进行了分析，得出了以下结论：在垂直高差一定的条件下，阻力损失随水平管道长度的增长(即充填倍线越大)而增大；管道管径越大，阻力损失越小；阻力损失随流速的增大而增大；阻力损失随膏体密度的增大而增大；水头损失随料浆黏度的增大而增大。

2)膏体充填管道安全压力检测

张新国，郭惟嘉，王恒，李杨杨，曹忠[10]分析了充填采矿法的发展历程，借助KJ216煤矿顶板压力检测系统和自己研制的液压控制卸料阀门以及MPM480压力传感器，开发了压力预警系统，实现了管道沿线压力实时检测及管路堵塞早期预警，实现了长距离管道安全输送。

李秀山，柳成懋[11]分析了管道压力检测的研究现状，说明了实施压力检测是保证管道系统安全运行的必要条件，说明了传统的压力检测的优点和缺点，并对检测系统的设计和工作原理进行了说明，通过具有压力检测的堵管卸料阀门和进行过特殊设计的硅压力传感器，将信号进行转换，输送到计算机系统中，完成充填系统压力的实时在线检测。

3)膏体充填管道清洗方面研究

清洗管道这方面现在常用方法是在泵口的管道中放入海绵胶球；压缩空气加少量清水清洗；德国的埃森DMT公司研究了一种小型液压变径活塞清除井下工作面短管膏体的机械。

吉学文[12]首先对矿山常采用的清洗方法进行了分析，例如海绵球或橡胶柱清洗方法、压缩空气加少量清水清洗、利用非胶结膏体清除管道内的胶结膏体、采用液压变径活塞清除胶结膏体等。分析表明以上几种清洗方法都难以达到很高的清洗质量，在此基础上研发利用了满管自流清洗技术，保证了膏体输送正常，防止了管道堵塞及其他意外事故的发生。

4 总结与建议

膏体管道输送过程中存在的问题主要集中在阻力损失、管道磨损、管内压力检测和管道清洗等主要方面，这几个方面提出一些建议：

(1)研发引进先进的膏体制备、储存、输送等系统，使料浆的浓度，流速的稳定性有所加强，使膏体充填的稳定性有整体的提高。例如，设计制备膏体的深锥浓密机系统，引进加拿大的液态化制备膏体技术，采用活化搅拌技术改善料浆流动性等。

(2)通过环管实验研发更多切实有效的减阻材料，对减小阻力损失，缓解管道堵塞有重要的作用；采用耐磨抗腐蚀性能更好的新型管材，例如内衬铸石、陶瓷等耐磨管材。

(3)最大程度的保证满管充填，可以通过制备高质量的料浆、适当增大充填倍线、减小管径等措施，对阻力损失的减小和减轻管道堵塞有重要的作用。

(4)矿山多采用膏体自流输送，膏体自流充填的阻力损失小于泵压管道输送，所以尽可能的采用自流充填，在一些矿山充填倍线较大的矿山，可以在水平段采用泵送，或安装喷射器，其他输送段采用自流输送。在一些充填倍线过小的矿山，由于充填倍线过小，不能保证满管充填，所以对管壁的磨损严重，应采取一些措施，例如在井下管道垂直段采用两段或多段阶梯法布置。

(5)注重对管道的清洗和对管内压力的检测，针对输送过程中出现的管内压力过大，研发和引进更加方便高效的方法。根据矿山情况，实行切实高效的水泥添加方式，对管道的清洗起关键的作用。