CN102182923B - 一种大倍线管道自流胶结充填方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大倍线管道自流胶结充填方法，该方法包括如下步骤：(1)使用大输送管径减少压力损失；(2)用小流量低流速来降低输送阻力；(3)采用高浓度料浆增加垂直钻孔料浆柱工作压力。本发明的方法从管道自流输送基本规律研究了大倍线临界管径、临界流速、临界流量之间的关系，确定该方法的核心为：高浓度、小流量、低流速，满足以上三点，可以实现超大倍线的管道输送系统完全自流，打破了自流充填倍线不得大于6的国际公认理论。采用大管径、低流速来输送高浓度料浆，成功解决了超大倍线条件下的自流充填问题，技术经济效益显著形成了独具特色的大倍线条件下的自流充填技术，作出了创造性贡献。

Description

一种大倍线管道自流胶结充填方法

技术领域：

本发明属于采矿领域，涉及一种管道自流胶结充填方法，尤其是一种大倍线管道自流胶结充填方法。

背景方法：

充填倍线是充填采矿法中料浆管道输送的专用名词，是判断管道中高浓度料浆能否自流输送的依据。合理的充填输送倍线为4-6，可输送倍线为7-9，极限自流充填倍线为10，即是说，充填倍线超过10高浓度料浆无法依靠自流进行输送。

在充填倍线超过10时，国内外矿山基本全部采取措施泵送工艺，在管道系统中增加了增压泵后，充填倍线定义为：

$N=\frac{L}{H+H^{\′}}$

式中：N-充填倍线

L-充填系统中管道总长度，m

H-充填系统中料浆入口与出口的垂直高度，m

H’-增压泵的工作压头，m

很明显，只要选择合适的工作压头H′的增压泵，即可满足合理可行的充填倍线。但是该方法对于加压泵的选型极为苛刻，只能选择高浓度大流量渣浆泵或混凝土泵，国内可选泵型单一且价格昂贵，还需增设井下加压泵硐室和岗位工人，系统投入和维护费用极高，管理极端复杂。

发明内容：

本发明的大倍线管道自流胶结充填方法解决了管道自流胶结充填在大倍线条件下，高浓度料浆不能自流输送的难题。

本发明的目的在于克服上述现有方法的缺点，提供一种大倍线管道自流胶结充填方法，该方法包括如下步骤：

(1)使用大输送管径减少压力损失；

(2)用小流量低流速来降低输送阻力；

(3)采用高浓度料浆增加垂直钻孔料浆柱工作压力。

所述步骤(1)是：采用公式(1)计算出料浆的临界输送管径，

$D=0.384\sqrt{\frac{A}{C_W*r_m*v*b}}---\left(1\right);$

式中：D——临界输送管径，mm；

A——每年输送料浆总量，万吨/a；

Cw———料浆质量浓度百分比，％；

r_m——料浆密度，t/m³；

v——料浆输送流速，m/s；

b——每年工作天数，d；

大输送管采用管径大于等于临界输送管径的标准管径的输送管；

大水平管的管径为临界输送管径的1.5倍；

所述大输送管径是指采用大输送管和大水平管。

所述步骤(2)是：采用公式(2)计算出料浆的临界不淤流速，

$U_C=\frac{2.26}{\sqrt{f}}\sqrt{g^D(\frac{r_s}{r_m}-1)}*{\left(\frac{d_{g_0}}{D}\right)}^{\frac{1}{3}}*{\mathrm{sv}}^{\frac{1}{4}}---\left(2\right);$

采用比料浆的临界不淤流速大10％的流速作为料浆输送流速。

所述步骤(3)是：

采用赫谢尔-布克莱模型计算料浆的剪切应力：

τ＝τ₀+μ_HBγⁿ    (3)；

式中τ——料浆的剪切应力，Pa；

τ₀——屈服应力，Pa；

μ_HB——料浆表观粘度，Pa·S^-n

γ——剪切速率，1/s；

n——流变特性指数。

其水力坡度i与管壁的剪应力τ_w的关系为：

i＝4·τ_w/D    (4)；

将赫谢尔-布克莱模型模型简化为：

$\mathrm{\τ}=\frac{4}{3}{\mathrm{\τ}}_0+{\left(\frac{8V}{D}\mathrm{\η}\right)}^n---\left(5\right);$

式中η——塑性粘度；

V——管道流速；

D——管道直径；

比较剪切应力τ_w与剪切速率γ＝8V/D的n次方线性拟合程度，当充填料浆浓度为76wt％时，其演变特性指数趋近于1，此时的充填料浓度为临界流态浓度；当充填料浆浓度大于81wt％时，料浆不能正常输送，容易造成堵管，因此极限可输送浓度为81wt％；

所述高浓度料浆指大于临界流态浓度而小于极限可输送浓度的料浆浓度，即高浓度料浆的料浆浓度大于76wt％而小于81wt％。

所述大输送管的管径为Φ219mm-Φ259mm，水平管径Φ159mm，进入采空区前20-30m及采空区管径Φ108mm。

所述料浆输送流速的流速值为1.2m/s-1.3m/s。

所述高浓度料浆的浓度为78％±1wt％。

本发明的方法主要从管道自流输送基本规律研究了大倍线临界管径、临界流速、临界流量之间的关系，确定该方法的核心为：高浓度、小流量、低流速，满足以上三点，可以实现超大倍线的管道输送系统完全自流，打破了自流充填倍线不得大于6的国际公认理论。采用大管径、低流速来输送高浓度料浆，成功解决了超大倍线条件下的自流充填问题，技术经济效益显著形成了独具特色的大倍线条件下的自流充填技术，作出了创造性贡献。

附图说明：

图1为本发明的充填管道结构示意图；

图2为本发明的充填管道分布图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1和图2，一种大倍线管道自流胶结充填方法，该方法包括如下步骤：

1、加大输送管径减少压力损失

浆体管道输送的明显特征是，同一种料浆在等量流量下，压力损失随管径增大而明显减少，所以工程上应尽量采用大管径输送管道，尤其是遇上充填倍线过大的情况，收效极明显。

首先计算出料浆输送的临界管径，采用如下公式

$D=0.384\sqrt{\frac{A}{C_W*r_m*v*b}}$

式中：D——临界输送管径，mm；

A——每年输送料浆总量，万吨/a；

Cw——料浆质量浓度百分比，％；

r_m——料浆密度，t/m³；

v———料浆输送流速，m/s；

b——每年工作天数，d；

通常计算出的管径不是标准管径，确定临界输送管径可选用稍大于计算管径的标准管径。为了显著降低压力损失，现经验告知，水平管径应为临界输送管径的1.5倍为宜。

根据计算结合理论经验，大充填倍线条件下的管道系统应是：垂直钻孔管径Φ219mm-Φ259mm，水平管径Φ159mm，进入采空区前20-30m及采空区管径Φ108mm。因此决定垂直钻孔套管采用Φ219mm复合陶瓷耐磨管，水平管道也采用Φ159mm复合陶瓷耐磨管，进路里充填管为Φ108mm PE管。

2、用小流量低流速来降低输送阻力

鞍山冶金设计研究院王绍周教授提出，“料浆摩阻损失与速度的2.5-3.0次方成正比”，这已被工业实践所证实，同时也告知，流速引起的摩阻损失要大于浓度引起的摩阻损失，因此采用低流速输送料浆来解决大倍线充填问题尤为重要。

低流速如何来确定实际上就是计算临界不淤流速的问题，我们知道临界不淤流速随料浆浓度不同而变，而不同管径有着不同的临界不淤流速。

国内外料浆临界不淤流速计算公式多种多样，但以清华大学费祥俊教授提出的计算料浆临界不同速度公式跟具有普遍的适用性。

费祥俊教授等人为探讨料浆管道不同流速较为普遍的表达式，从管道非均质流运动机理出发，研究料浆中固体颗粒受紊动支持而不沉降的条件，并利用上世纪80年代以来清华大学泥沙实验室大量的实验观测资料，求得料浆不同流速与各种参数的定量关系，并在实践中予以修正，费祥俊教授最终提出的计算临界不淤流速公式如下：

$U_C=\frac{2.26}{\sqrt{f}}\sqrt{g^D(\frac{r_s}{r_m}-1)}*{\left(\frac{d_{90}}{D}\right)}^{\frac{1}{3}}*{S_V}^{\frac{1}{4}}$

式中U_c——临界不淤流速，m/s；

f——阻力系数；

g——重力加速度，m/s²；

D——管道内径，m；

r_s——固体颗粒物料的密度，t/m³；

r_m——浆体密度，t/m³；

d₉₀——90％颗粒能通过的筛孔直径，mm

S_v——料浆体积浓度；

计算出料浆临界不淤流速后，就可以确定我们所需要的低流速值，为了避免低流速引起料浆固体颗粒沉降发生堵管事故，采用比料浆临界不淤流速大10％的流速作为料浆输送的流速。此次的流速值为1.2m/s-1.3m/s。

3、增加垂直钻孔料浆柱工作压力

所谓高浓度时指大于临界流态浓度而小于极限可输送浓度的料浆浓度。在工程实践中，应尽可能采用接近极限可输送的高浓度来输送料浆，因为料浆浓度越高，其密度越大，同一断面同一高度垂直钻孔中料浆所形成的垂直压力越大，这就等于降低了充填倍线。比如水的密度为1t/m³高浓度料浆的密度为1.85t/m³-1.95t/m³，对于同直径同高度钻孔来说，高浓度料浆形成的垂直压力几乎是水的两倍，就等于充填倍线值减少了一半。高浓度栓塞流料浆宜采用赫谢尔-布克莱(Herschel-Bulkley)模型：

τ＝τ₀+μ_HBγⁿ

式中τ——料浆的剪切应力，Pa；

τ₀——屈服应力，Pa；

μ_HB——料浆表观粘度，Pa·S^-n

γ——剪切速率，1/s；

n——流变特性指数。

其水力坡度i与管壁的剪应力τ_w的关系为：

i＝4·τ_w/D

许毓海、许新启等在《高浓度(膏体)充填流变特性及自流输送参数的确定》一文根据宾汉塑性体特征将Herschel-Bulkley模型简化为：

$\mathrm{\τ}=\frac{4}{3}{\mathrm{\τ}}_0+{\left(\frac{8V}{D}\mathrm{\η}\right)}^n$

式中η——塑性粘度；

V——管道流速；

D——管道直径；

在此理论的支持下，我们经过大量的实验，在同一剪切速率下，对不同流变特性指数进行试算，比较剪切应力τ_w与剪切速率γ＝8V/D的n次方线性拟合程度，发现充填料浆浓度为76％时，其演变特性指数趋近于1，此时的充填料浓度为临界流态浓度；当充填料浆浓度大于81％时，料浆不能正常输送，容易造成堵管，因此极限可输送浓度为81％。我矿高浓度因骨料不同而异，人工砂一般为75％～79％，河砂为76％～81％，多用78％。

虽然料浆浓度的变化对料浆输送阻力损失敏感，正如鞍山冶金设计研究院王绍周教授指出“料浆摩阻损失与粘度的2次方成正比”那样，但经过计算和实践证明，提高浓度后增加的输送阻力比起提高浓度后增加的垂直工作压力要小的多，因此完全可选用此法。

提高料浆浓度可明显提高充填体强度，这更是我们所期待的。实际应用中精心操作显得十分重要，确保料浆浓度略小于极限可输送浓度，否则会造成堵管事故，最终确定采用78％±1％高浓度料浆。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属方法领域的普通方法人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (4)

1.一种大倍线管道自流胶结充填方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)使用大输送管径的大输送管和大水平管减少压力损失；

(2)用小流量低流速来降低输送阻力；

(3)采用高浓度料浆增加垂直钻孔料浆柱工作压力；

采用公式(1)计算出料浆的临界输送管径，

$D=0.384\sqrt{\frac{A}{C_W*r_m*v*b}}---\left(1\right);$

式中：D——临界输送管径，mm；

A——每年输送料浆总量，万吨/年；

Cw——料浆质量浓度百分比，%；

r_m——料浆密度，t/m³；

v——料浆输送流速，m/s；

b——每年工作天数，d；

大输送管采用管径大于等于临界输送管径的标准管径的输送管；

大水平管的管径为临界输送管径的1.5倍；

采用公式(2)计算出料浆的临界不淤流速，

$U_C=\frac{2.26}{\sqrt{f}}\sqrt{\mathrm{gD}(\frac{r_s}{r_m}-1)}*{\left(\frac{d_{90}}{D}\right)}^{\frac{1}{3}}{*S_V}^{\frac{1}{4}}---\left(2\right);$

式中U_c——临界不淤流速，m/s；

f——阻力系数；

g——重力加速度，m/s²；

D——管道内径，m；

r_s——固体颗粒物料的密度，t/m³；

r_m——浆体密度，t/m³；

d₉₀——90%颗粒能通过的筛孔直径，mm

S_v——料浆体积浓度；

采用比料浆的临界不淤流速大10%的流速作为料浆输送流速；

所述步骤(3)是：

采用赫谢尔-布克莱模型计算料浆的剪切应力：

τ=τ₀+μ_HBγⁿ    (3)；

式中τ——料浆的剪切应力，Pa；

τ₀——屈服应力，Pa；

μ_HB——料浆表观粘度，Pa·S^-n

γ——剪切速率，1/s；

n——流变特性指数；

其水力坡度i与管壁的剪应力τ_w的关系为：

i=4·τ_w/D    (4)；

将赫谢尔-布克莱模型模型简化为：

$\mathrm{\τ}=\frac{4}{3}{\mathrm{\τ}}_0+{\left(\frac{8V}{D}\mathrm{\η}\right)}^n---\left(5\right);$

式中η——塑性粘度，Pa·s；

V——管道流速，m/s；

D——管道直径，mm；

比较剪切应力τ_w与剪切速率γ=8V/D的n次方线性拟合程度，当充填料浆浓度为76wt%时，其演变特性指数趋近于1，此时的充填料浓度为临界流态浓度；当充填料浆浓度大于81wt%时，料浆不能正常输送，容易造成堵管，因此极限可输送浓度为81wt%；

所述高浓度料浆指大于临界流态浓度而小于极限可输送浓度的料浆浓度，即高浓度料浆的料浆浓度大于76wt%而小于81wt%。

2.如权利要求1所述一种大倍线管道自流胶结充填方法，其特征在于：所述大输送管的管径为Φ219mm-Φ259mm，水平管径Φ159mm，进入采空区前20-30m及采空区管径Φ108mm。

3.如权利要求1所述一种大倍线管道自流胶结充填方法，其特征在于：所述料浆输送流速的流速值为1.2m/s-1.3m/s。

4.如权利要求1所述一种大倍线管道自流胶结充填方法，其特征在于：所述高浓度料浆的浓度为78wt%±1wt%。

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