充填料浆瞬时流速过大导致管道堵塞的原因分析

充填料浆瞬时流速过大导致管道堵塞的原因分析
韩雪靖;李兴尚;戴水平;张静;李哲
【摘要】针对充填管道易发生堵塞,对悦洋银多金属矿发生的一次典型事故进行研究.根据流速—流量公式、动量定理及两相流紊流特性,发现料浆瞬时流速过大是导致充填管道堵塞的重要因素.研究结果表明,瞬时流速过大,充填料浆中水的紊流特性将发生突变;管道内壁磨损将加剧,脱落的碎屑会混入料浆;管道内壁冲击将加剧,不平整度增大,固体颗粒与内壁碰撞几率增加.多种影响因素互相叠加,料浆中固体颗粒悬浮平衡将遭到破坏,导致颗粒沉降,进而堵塞充填管道.因此,控制充填料浆流量在110 m3/h以内,严格检测二次利用的充填管道内壁平整度可有效预防此类充填管道堵塞事故再次发生.
【期刊名称】《有色金属（矿山部分）》
【年(卷),期】2016(068)001
【总页数】4页(P19-22)
【关键词】尾砂充填;管道堵塞;悬浮平衡;颗粒沉降
【作者】韩雪靖;李兴尚;戴水平;张静;李哲
【作者单位】福州大学紫金矿业学院,福州350116;福州大学紫金矿业学院,福州350116;武平紫金矿业有限公司,福建龙岩364300;福州大学紫金矿业学院,福州350116;福州大学紫金矿业学院,福州350116
【正文语种】中文
【中图分类】TD853.34
矿业是国民经济发展的动力，伴随着中国经济实力的突飞猛进，矿产资源消耗量也在不断增加。

由于政策不完善等因素，位于地表浅层的、容易开采的各类矿产资源已经开采殆尽，在见矿采矿、采富弃贫的“挖洞式”开采原则的影响下，大量宝贵的资源被搁置，并且处于大量采空区的包围中。

针对这样的不易开采的矿石，充填法无疑成为一种最为安全合理的开采方式[1-2]。

武平紫金悦洋银多金属矿“挖洞”开采十余年，为避免采空区对地面工业场地和井筒等开拓工程设施的影响，解决安全隐患，企业于2010年斥巨资兴建了素有“福建第一充”之称的地表充填站，以全尾砂胶结充填方式对空区进行处理。

但从充填系统正式运行至今，时常会发生充填管道堵塞，严重影响生产，造成巨大经济损失。

本研究以一次典型事故为例，根据流速—流量公式、动量定理及两相流紊流特性等，分析料浆瞬时流速与充填管
道堵塞之间的关系，为企业避免此类事故提供一种思路。

根据长沙矿山研究院为矿山所做《悦洋银多金属矿充填方案设计》，地表充填站位于银矿浮选厂房西侧，占地面积达1 125 m2。

设备布置及系统工艺流程如图1所示，站内布置有两个立式砂仓(直径Φ10 m，高10 m，单个有效容积850 m3)、一个水泥仓(直径Φ5 m，高10 m，有效容积200 m3)、两个充填钻孔、两台20
立方空压机、一套搅拌设备及相配套的配电仪表室等。

充填系统主要由全尾砂储存供料线、水泥储存供料线、调浓水供给线、充填料浆制备与输送、自动控制系统等组成。

各中段主运输巷采用Φ133 mm×8 mm钢管作为输送管，而进入采区巷道等需经常移动或更换的地点则采用内径为110 mm的PF钢丝编织复合管，进入
采场后则采用内径为100 mm的普通塑料管。

充填料浆设计输送能力为80～100 m3/h，考虑生产情况，实际充填经验流量为110 m3/h，料浆浓度在60%～68%可调，灰砂比在1∶4～1∶12可调。

充填站采用3班工作制，每班8 h，每班充填量最大可达800 m3，每天可充填1 800 ～2 000 m3。

目前充填系统已达满载，
基本可以满足生产需求。

充填站在运行过程中，时常会发生充填管道堵塞事件。

仅2014年就发生较大的管道堵塞事故3次，每次需停工半天以上来查找处理问题。

最严重的事故发生在2014年8月25日，堵塞位置位于-60 m中段水平管道段，也是主干充填管道，
管道为钢丝编织复合管，堵塞段从堵塞点到地表充填站长达1 000余米，最后在
地表充填站造成喷浆。

仅损毁管道直接价值就超过15万元。

根据当时相关记录：事故发生时采用全尾砂胶结充填，充填浓度为60%，配比为1∶8；充填流量为120～140 m3/h，是平时流量1.1～1.3倍，瞬时流量最大达到147 m3/h。

通过对堵塞充填管道的实际查验，结合仪表所记录的数据进行分析总结，发现堵塞问题与充填料浆瞬时流速过大密切相关。

根据流速—流量公式(见式(1))：
式中：v—料浆流速，m/s；Q—料浆流量，m3；R—管道半径，m。

充填过程中经验流速为3.21 m/s，事故发生时料浆流速为3.51～4.09 m/s，是经验流速的1.09～1.27倍，最大时刻达到4.30 m/s，超出经验流速34%。

2.1 尾砂中固粒的沉降
根据理论研究，充填料浆的浓度对其在管道中的流动特性起决定作用，当充填料浆固体质量浓度低于70%时，固体颗粒在料浆中将发生相对沉降，表现为固液两相
流的流动特性[3]。

根据现场记录来看，在管道堵塞发生时采用的充填料浆质量浓
度为60%，该料浆可认为是两相流体，其相关特性也符合两相流体特性。

我们知道，通常情况下充填料浆由粒径不一的固体颗粒、水泥及水构成，而水的紊流特性是决定其与固体颗粒间相互作用的重要因素。

水的紊流特性主要表现在脉动现象中，脉动速度可分为垂直方向上的脉动分量和水平方向上的脉动分量，垂直方向上的脉动速度使固体颗粒受到向上的冲击力[4-5]。

在紊流场中，任一点的垂直
速度为时均速度与脉动速度之和，即：
v⊥
式中：v⊥—紊流场中任一点的垂直速度，m/s；—某一点时间平均垂直速度分量，
m/s；v′—某一点的垂直脉动速度，m/s。

而脉动速度v′一般用速度的均方差Sv来表示，见公式(3)：
在矿山实际中，井下巷道不可避免的会有起伏，而充填管道是沿着巷道布置的(如
图2)，因此管道与水平面会有一个比较小的夹角α，则：
v⊥=vsinα
v∥=vcosα
将式(4)代入(3)，可得：
浆体中固体颗粒之所以能够在水流作用下沿着充填管道流动，是由于固体颗粒在水中处于悬浮状态，即垂直脉动速度产生的向上冲击力F与水的浮力F1、颗粒自身
重力G三者平衡，即：
F + F1=G
任何运动的物体均具有动量，动量与冲量可通过动量定理来转换：
mΔv=FΔt
简化可得：
当某一瞬间充填料浆速度v突然增大，由式(6)可知垂直脉动速度Sv也会突然增大。

根据式(9)，其产生的向上冲击力F也会增大，进而悬浮状态被破坏，个别固体颗
粒瞬间产生向上运动趋势。

当下一刻流速v下降后，向上运动的趋势消失，反而
由于重力作用又会下降。

这一过程中，相邻的固体颗粒平衡进一步被破坏，摩擦撞击加剧，连锁反应导致一定范围内的悬浮平衡状态都被破坏。

对于充填料浆而言，本身就是由各种粒径不一的尾砂混合而成的，速度的突然变化会破坏固体颗粒在液体中已达成的平衡状态，进而导致较大粒径的颗粒发生沉降，并在料浆底部开始淤积。

2.2 充填管道内壁磨损
根据动量定理可知，充填料浆流速过大也会对管壁造成更大的冲击和磨损。

一方面，
流速的突然增大会使固体颗粒与管道内壁碰撞摩擦的概率随之增大，管道内壁的不平整度进而增大；另一方面，充填料浆会对管壁产生冲击，持续的冲击会导致局部壁面材料发生变形、破碎和剥落，而剥落的碎片混入充填料浆，又会破坏原有固体颗粒已经达成的平衡[6]。

由于部分管道与水平面间存在比较小的夹角α(参照图2)，根据式(5)，料浆速度增大会使水平方向上的速度v‖增大。

由式(8)可知，充填料浆速度突然增大，冲击力也会增大，局部壁面材料发生变形、破碎和剥落的程度进一步增大。

料浆中固体颗粒原有悬浮平衡状态受到破坏，沉降颗粒数量因此而增多。

2.3 不平整内壁对紊流的影响
根据流体力学理论，粗糙的充填管道内壁会随着充填料浆流速的突然增加而加剧紊流程度，且粗糙度越大，紊流程度增加的越厉害，对原有平衡状态的破坏也就越大[7]。

根据前面的分析，充填管道内壁在料浆的碰撞摩擦下，不平整度会不断增加，而且随着流速的增大磨损效果会更加明显。

料浆瞬时速度过大，由于管道内壁不平整度的增加，其造成的紊流程度必然增大，对料浆中固体颗粒悬浮平衡的破坏也必然加剧，从而造成颗粒沉降，逐渐堵塞管道。

单独考虑各个因素，或许其对充填料浆稳定性的影响程度很小，但当这些因素综合起来，影响程度必然呈几何增长，料浆中固体颗粒沉降数目及速度必然加快，因此发生大规模的充填管道堵塞事故也就在情理之中。

经过分析研究，此次充填管道堵塞事件发生的主要原因是充填料浆流速较大且流速不稳定，瞬时速度过大导致颗粒沉降，进而堵塞管道。

企业针对以上因素制定了相应对策，避免此类事故再次发生。

在尾砂的选择方面，通过技术改进，将进入充填站的尾砂粒径控制在74 μm以下；在充填过程中，随时监控流量，不超过110
m3/h，发现瞬时流量过大时，及时处理并做好记录。

在管道架设方面，尽量沿水平铺设，减小与水平面的夹角。

通过这一系列的措施，充填系统的稳定性得到极大的提高，充填管道堵塞事故显著减少，今年截至目前未发生大规模堵塞问题，为生
产提供了巨大的帮助。

1)对于两相流充填料浆，流速过大会造成充填管道堵塞，武平紫金矿业有限公司目前控制料浆流速为经验值3.21 m/s左右，即控制流量在110 m3/h，并且保持流
量变化范围在±5 m3/h内。

2)构成充填料浆的尾砂，应当控制粒径在一定范围内，武平紫金矿业有限公司目前控制全尾砂粒径在74 μm以下，能够有效减少因瞬时流速过大而导致的颗粒沉降。

3)充填料浆在流速过大的情况下会加剧对管道的磨损，而武平紫金矿业有限公司由于成本控制，目前在生产中除管道破坏特别严重外，一般较少对充填管道进行更换，对管道内壁不平整度的检测力度也较小，这为充填管道堵塞埋下一定的隐患。

【相关文献】
[1] 李兴尚.建筑物下条带开采冒落区注浆充填减沉技术的理论研究[D].徐州:中国矿业大学, 2008:1-6.
[2] 李兴尚,吴法春,许家林.上向水平分层充填采矿法的优化研究[J].金属矿山, 2006(4):1-3.
[3] 何哲祥.高浓度充填料浆管道挤压输送理论与应用研究[D].长沙:中南大学,2008:5-11.
[4] 刘同有.充填采矿技术与应用[M].北京:冶金工业出版社, 2001.
[5] 蔡嗣经.矿山充填力学基础[M].北京:冶金工业出版社,1994.
[6] 张钦礼,郑晶晶,王新民,等．充填管道磨损形式及机理分析研究[J]. 金属矿山, 2009(5):115-118.
[7] 刘可任.充填理论基础[M].北京:冶金工业出版社,1982.。